1.14: 用焓差扫描量热法测量的变化

1.基线测量

1. 控制器，在开始测量之前测量单元、 计算机系统、 自动调温器大约 60 分钟。清除气体必须连接到系统。
2. 将两个空坩埚 （带盖） 放入样品载体。坩埚材料可选择基于温度范围来衡量。
3. 将炉移到测量位置。
4. 调整 （气体、 真空） 的测量条件。
5. 开始测量程序。
6. 继续创建基线测量试样质量 = 0。
7. 打开温度校准，开放灵敏度程序。
8. 设定的温度程序、 初始温度、 加热速率。
9. 设置初始的条件和温度阈值。清除与氩的氮气系统几次之后, 允许气体不断流过系统，调整到以稳定的速率 （例如 50 毫升/分钟） 流量。
10. 开始测量。
11. DSC 测量是在起始温度初步稳定后在室温下开始的。温度稳定是重要的一步，以避免任何偏移量在样品盘和参考泛和内容的热能力的差异。一般用 20 ° C/min，在氩气环境下稳定的加热速率。根据样品和感兴趣的温度范围确定的温度范围。

2.标准样品的测量，以确保系统的精度

1. 炉冷却后打开的计量单位。
2. 删除被指定为样本泛空坩埚。
3. 选择要测量的温度范围根据标准。
4. 衡量的标准。精细抛光合成蓝宝石 （碳化硅、 氧化铝） 磁盘用作热容量和转变焓标准。蓝宝石是稳定的在广泛的温度，并在宽的温度范围内准确地确定了其热容量。
5. 在样品坩埚使用镊子小心地插入标准样品。
6. 将炉移到测量位置。
7. 调整 （气体、 真空） 的测量条件。
8. 进行如下操作相结合的标准测量与校正测量:
9. 使用的样品体积 = x 毫克 （标准样品的质量）。
10. 打开温度校准，打开灵敏度
11. 使用相同的温度程序 （温度依然保留程序的基准温度程序相同）
12. 开始测量。
13. 设置初始的条件和温度阈值。清除系统几次之后, 允许吹扫气体不断流过系统，调节流量。
14. 测量条件 （例如.加热速率、 气体、 坩埚类型） 的基准和随后的标准测量必须是相同的。
15. 使用相同的灵敏度和温度校准文件启动程序来衡量标准样品。

3.样品的测量

1. 波兰样品表面。面对锅底的样品表面平坦的地方。使用适合泛，不碰盖子最优样本大小。该示例是打磨、 抛光处理获取与样品锅内，热接触良好，以便可以准确地确定温度数据是更少噪音。
2. 大体积准确的测量样品。
3. 炉冷却后打开的计量单位。
4. 从坩埚中删除标准样品。
5. 清洁坩埚使用酒精。插入样品在坩埚更换标准衡量。
6. 请按照步骤 3 以测量样品。测量条件 （如加热率、 气体、 坩埚类型） 基线测量和随后的标准和样品测量必须是相同的。
7. 请按照步骤 3 来完成测量。

化学反应过程中发生的能量变化由术语焓定义，是热力学中的一个重要概念。虽然焓本身无法测量，但系统中焓的变化可以测量，并解释了在恒定压力下化学过程中系统与其环境之间传递的能量。

周围环境释放能量（主要以热量形式）的化学反应被描述为放热反应，并且具有负的焓变。一些快速放热反应会释放出如此多的热量，以至于它们具有爆炸性。在其他反应中，能量是从环境中吸收的。这些反应是吸热的，并且具有正的焓变。了解化学反应中的焓变非常重要，这样才能安全有效地进行反应。焓变可以使用差示扫描量热法 （DSC） 通过实验测量。DSC 是一种基于热流概念的热力学分析方法。本视频将演示如何使用差示扫描量热法测量氧化物通过碳酸盐分解的反应焓。

Enthalpy 是一个状态函数，这意味着它只取决于反应的初始和最终状态，并且与路径无关。Elevation 是状态函数的一个示例，因为它仅取决于底部和峰值之间的高度差。徒步旅行者和登山者走不同的路线到达山顶。无论他们使用哪条路径到达山顶，他们都以相同的整体海拔行驶。类似的概念也适用于热力学，其中反应开始和结束之间的焓变用于理解反应过程中的能量变化。

赫斯定律定义了化学反应的焓，表示为 ？H，作为每个反应产物的焓之和减去反应物焓之和。常见物质的焓已公布并随时可用。这些公布的值可用于计算常见反应中的焓变。这个例子显示了一氧化氮和氧气形成二氧化氮气体的焓计算。每个分量的焓值都可以在图表中找到并代入方程式。"n" 表示每个分量的摩尔数，必须包含在计算中。该反应具有负焓，这意味着它是放热的。

焓变也可以使用 DSC 通过实验测量。DSC 测量装置由连接到温度传感器的单独样品盘和参比盘组成。包含目标化合物的样品盘和参比盘（通常保持为空）的温度使用单独但相同的加热器独立控制。

两个锅的温度都是线性升高的。将两个平底锅保持在恒定温度所需的能量或热流的差异记录为温度的函数。例如，如果样品盘包含一种在发生相变或反应时吸收能量的材料，则样品盘下方的加热器必须比空参比盘下方的加热器施加更多的能量来提高样品盘温度。这种热流差异与焓成正比。现在您已经了解了焓的基础知识，让我们看看如何运行焓测量。

要开始 DSC 测量，请通过打开控制器、测量单元、计算机系统和冷却水的电源来打开仪器。首先，通过在参比盘和样品盘空的情况下运行 DSC 进行基线测量。基线将用于稍后对样本测量值进行标准化。

选择具有化学惰性且在所需温度范围内稳定的平底锅。在高于 600 度的温度下，通常使用带有氧化铝衬里的铂/铑锅。将空样品盘和带盖参比盘放入样品架中。

检查惰性气体管路是否连接到系统。吹扫系统，并将流量调整到稳定状态。

使用样品质量数 0 设置基线参数。输入温度范围和加热速率。让系统稳定在 40 ？C 10 分钟，以避免因样品盘和参比盘的热特性差异而引起的偏移。系统稳定后，可以测量基线。

接下来，使用标准样品进行参考测量，以测试仪器的准确度。炉子冷却至室温后打开测量单元，取出空样品盘。将参比盘留在仪器中。

在所需温度范围内选择具有已知热力学特性的标准样品，以测试仪器的准确性。使用精细抛光的合成蓝宝石盘作为标准，因为它的热性能在很宽的温度范围内都有很好的报告。

使用高精度天平称量标准样品。使用镊子小心地将标准品插入样品盘中。请务必使用基线测量中使用的相同平底锅。将平底锅插入仪器，然后关闭样品室。让吹扫气体流量稳定，并使标准液稳定至室温。输入标准样品的质量并设置加热程序，使用与基线测量相同的温度参数。然后开始测量。

该标准样品的绘图可用于评估仪器的准确性。

现在，已经进行了基线和标准测量，可以测量样品。炉子完全冷却后打开测量单元，然后从锅中取出参比样品。用酒精彻底清洁锅，因为它将用于样品测量。向锅中加入少量样品。对于固体粉末，与本例中的碳酸钙一样，确保样品粉末均匀分布在盘底部。

接下来，称量样品和样品盘。质量数应与标准样品相似，以确保准确性。使用准确的样品重量和与基线和标准测量值相同的加热参数运行样品测量。

DSC 数据表示为热流 （q） 与温度的关系图，也称为热分析曲线。吸热事件表现为积极特征，而放热事件表现为消极特征。

将热流除以加热速率得到热容。热容 （Cp） 定义为将物质温度升高 1 摄氏度所需的能量。假设压力恒定，每度的焓变等于材料的热容。因此，通过计算两个温度极限之间的曲线下面积来获得焓变。在本例中，使用 DSC 分析碳酸钙分解形成氧化钙或生石灰的焓。这个过程通常被称为煅烧。碳酸钙的分解发生在吸热中，853 摄氏度的正峰值证明了这一点。碳酸钙的分解焓是根据峰下的面积计算的，约为 160 千焦耳/摩尔。通过赫斯定律计算的值是 178 千焦耳/摩尔。？测量值和计算值之间的差异可能是由于非理想条件和测量伪影引起的。

焓是描述除化学反应之外的许多不同系统中能量流的重要概念。焓 还可用于理解材料和混合物中的相变。

聚合物是应用范围广泛的材料。在这个例子中，分析了聚苯乙烯 PS 和聚乙烯吡啶 P4VP 的多孔共聚物结构。

焓变发生在每个聚合物组分的相变过程中，并使用 DSC 进行可视化。玻璃化转变温度 （Tg） 描述了无定形材料从刚性玻璃态转变为粘性流体态的点，并在扫描中显示为脊。

熔化温度描述了刚性结晶材料转变为粘性流体状态的点，并可视化为吸热峰。在本例中，一种聚合物组分的熔融温度可视化。

DSC 还可用于分析生物样品中的相变。在这个例子中，分析了细胞悬液的相变，以了解其冷冻干燥特性。冷冻干燥或冻干通常用于生物样品的长期储存。在这里，制备细胞悬液并在 DSC 仪器中在不同条件下冷冻。然后加热冷冻悬浮液，并测量 Tg。随后，用电子显微镜分析细胞，以确定哪种冷冻条件促进了细胞存活。通过相变温度了解冷冻干燥过程有助于定制过程，以帮助改善细胞储存。焓还用于研究混溶性，或混合物形成均匀溶液的能力。在本例中，使用 DSC 分析蛋白质混合物，以检查不同混合物的混溶性。不混溶的混合物在 DSC 扫描中可能表现出多种转变特征，因为每种组分都会单独经历相变。而均质混合物表现出一种相变特征。

您刚刚观看了 JoVE 对使用差示扫描量热法的焓的介绍。您现在应该了解焓理论以及如何使用 DSC 来测量它。

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