1.14: エンタルピーの示差走査熱量測定の変更を使用してください。

1. ベースライン測定値

1. コント ローラーは、測定単位、コンピューター システム、サーモスタット約 60 分測定を開始する前に。パージのガスはシステムに接続する必要があります。
2. サンプル キャリアに (蓋) と 2 つの空のるつぼを配置します。坩堝材は測定する温度範囲に基づいて選択されるかもしれない。
3. 炉を移動すると、位置を測定します。
4. 測定条件 (ガス、真空) を調整します。
5. 測定プログラムを開始します。
6. サンプル質量を使用してベースライン測定値を作成するのに進みます = 0。
7. 温度校正、感度オープン プログラムを開きます。
8. 温度プログラム、初期温度、昇温速度を設定します。
9. 初期条件と温度のしきい値を設定します。数回、アルゴン ・窒素ガスを使用してシステムをパージ後継続的に一定の速度 (例えば 50 mL/分) に流量を調整すること、システムを通過するガスができます。
10. 測定を開始します。
11. DSC 測定が開始温初期安定化後室温で開始されます。温度安定化がサンプル パンと参照パンと内容の熱容量の違いによるオフセットを避けるために重要なステップです。20 ° C/分、アルゴン ガス雰囲気下での安定した加熱速度が一般的に使用されます。温度の範囲は、サンプルと関心の温度範囲に従って決定されます。

2. 標準試料測定システムの精度を確保するため

1. 炉冷却した後は、測定の単位を開きます。
2. サンプル パンとして指定されている空のるつぼを削除します。
3. 測定する温度範囲によって標準を選択します。
4. 標準の重量を量る。(カーボ ランダム、酸化アルミニウム) 合成サファイアを細かく研磨ディスクは、比熱容量および変換エンタルピー標準として使用されます。サファイアは温度の広い範囲にわたって安定して、その熱容量は温度の広い範囲にわたって正確に決定されています。
5. ピンセットを使用してサンプルのるつぼに標準試料を慎重に挿入します。
6. 炉を移動すると、位置を測定します。
7. 測定条件 (ガス、真空) を調整します。
8. 補正測定と標準的な測定を結合する手順に従います。
9. 使用サンプル質量 = mg (標準試料の質量) ×。
10. 温度校正を開き、感度を開く
11. 同じ温度プログラムを使用 (温度プログラム基準温度プログラムと同じになります)
12. 測定を開始します。
13. 初期条件と温度のしきい値を設定します。数回、システムをパージした後に連続して流し流量を調整、システム パージのガスを許可します。
14. ベースラインとそれに続く標準的な測定のための測定条件 (例えば.加熱速度、ガス、るつぼの種類) は、同じでなければなりません。
15. 同じ感度・温度校正ファイルの標準試料を測定する開始プログラムを使用してください。

3. サンプル測定

1. サンプル表面を磨きます。鍋の底に直面してフラットなサンプル表面を配置します。蓋に触れることがなく、パンに合った最適なサンプル サイズを使用します。温度を正確に決定することができます、データがより少なく騒々しいのでサンプル パンと良好な熱接触を取得するサンプルを細かく磨きます。
2. サンプルを正確に質量測定します。
3. 炉冷却した後は、測定の単位を開きます。
4. るつぼから標準的なサンプルを削除します。
5. アルコールを使用してるつぼをクリーンアップします。標準の取り付けるつぼで測定するサンプルを挿入します。
6. サンプルを測定するための 3 の手順に従ってください。ベースライン測定値とそれに続く標準試料測定の測定条件 (例えば加熱速度、ガス、るつぼの種類) は、同じでなければなりません。
7. 計測を完了する 3 の手順に従ってください。

化学反応中に発生するエネルギー変化は、エンタルピーという用語で定義され、熱力学における重要な概念です。エンタルピー自体を測定することはできませんが、システム内のエンタルピーの変化は測定でき、一定の圧力での化学プロセス中にシステムとその環境間で伝達されるエネルギーを説明しています。

主に熱として周囲にエネルギーを放出する化学反応は、発熱性と呼ばれ、負のエンタルピー変化を伴います。急激な発熱反応の中には、爆発性になるほどの熱を放出するものがあります。他の反応では、エネルギーは環境から吸収されます。これらの反応は吸熱性であり、正のエンタルピー変化を示します。化学反応におけるエンタルピー変化を理解することは、反応を安全かつ効率的に行うために重要です。エンタルピー変化は、示差走査熱量測定(DSC)を使用して実験的に測定できます。DSCは、熱流の概念に基づく熱力学解析手法です。このビデオでは、示差走査熱量測定を使用して、炭酸塩の分解による酸化物の反応エンタルピーを測定する方法を示します。

エンタルピーは状態関数であり、反応の初期状態と最終状態にのみ依存し、経路に依存しません。標高は、ベースとピークの高さの差にのみ依存するため、状態関数の一例です。ハイカーとクライマーは、頂上まで異なるルートを取ります。頂上に到達するためにどちらのパスを使用しても、どちらも同じ全体的な標高を移動します。同様の概念が熱力学にも適用され、反応の開始と終了の間のエンタルピーの変化を使用して、反応中のエネルギー変化を理解します。

ヘスの法則は、化学反応のエンタルピーを定義し、?Hは、各反応生成物のエンタルピーの合計から反応物のエンタルピーの合計を引いたものとして。一般的な物質のエンタルピーは公開されており、すぐに入手できます。これらの公開された値は、一般的な反応のエンタルピー変化を計算するために使用できます。この例では、一酸化窒素と酸素から二酸化窒素ガスを生成するためのエンタルピー計算を示します。各成分のエンタルピー値はチャートで見つけられ、方程式に代入できます。「n」は各コンポーネントのモル数を表し、計算に含める必要があります。この反応は負のエンタルピーを持ち、発熱性であることを意味します。

エンタルピー変化は、DSCを使用して実験的に測定することもできます。DSC測定セットアップは、温度センサーに取り付けられた別々のサンプルパンとリファレンスパンで構成されています。対象化合物を含むサンプルパンと、通常は空のままである基準パンの温度は、別個の同一のヒーターを使用して独立して制御されます。

両方の鍋の温度は直線的に上昇します。両方の鍋を一定の温度に保つために必要なエネルギー量または熱流の差は、温度の関数として記録されます。たとえば、サンプルパンに相変化または反応を起こすときにエネルギーを吸収する材料が含まれている場合、サンプルパンの下のヒーターは、空の基準パンの下のヒーターよりも多くのエネルギーをパンの温度に印加する必要があります。この熱流の違いは、エンタルピーに正比例します。エンタルピーの基本を学んだところで、エンタルピーの測定方法を見ていきましょう。

DSC測定を開始するには、コントローラー、測定ユニット、コンピューターシステム、および冷却水の電源を入れて、機器の電源を入れます。まず、空のリファレンスパンとサンプルパンでDSCを実行することにより、ベースライン測定が行われます。ベースラインは、後でサンプル測定値を正規化するために使用されます。

化学的に不活性で、目的の温度範囲で安定している鍋を選びました。600度を超える温度では、酸化アルミニウムライナー付きのプラチナ/ロジウムパンが一般的に使用されます。空のサンプルと蓋付きのリファレンスパンをサンプルホルダーに入れます。

不活性ガスラインがシステムに接続されていることを確認してください。システムをパージし、フローを定常状態に調整します。

サンプル質量 0 を使用してベースライン パラメーターを設定します。温度範囲と昇温率を入力します。システムを40°Cで安定させますか?Cを10分間保持し、サンプルとリファレンスパンの熱特性の違いによるオフセットを回避します。システムが安定したら、ベースラインを測定できます。

次に、標準サンプルを使用して基準測定を行い、機器の精度をテストします。炉が室温まで冷えたら測定ユニットを開き、空のサンプルパンを取り外します。リファレンスパンは装置に残しておきます。

装置の精度をテストするために、目的の温度範囲で既知の熱力学的特性を持つ標準サンプルを選択します。精巧に研磨された合成サファイアディスクは、その熱特性が広範囲の温度で十分に報告されているため、標準として使用されます。

標準試料を高精度天びんで計量します。ピンセットを使用して、標準をサンプルパンに慎重に挿入します。ベースライン測定で使用したのと同じパンを必ず使用してください。パンを装置に挿入し、サンプルチャンバーを閉じます。パージガスの流れが安定し、スタンダードが室温まで安定するまで待ちます。標準サンプルの質量を入力し、ベースライン測定に使用したのと同じ温度パラメータを使用して加熱プログラムを設定します。その後、測定を開始します。

この標準サンプルのプロットは、機器の精度を評価するために使用できます。

ベースラインと標準測定が行われたので、サンプルを測定できます。炉が完全に冷えたら測定ユニットを開き、参照サンプルをパンから取り出します。サンプル測定に使用されるため、パンをアルコールで完全に洗浄します。少量のサンプルを鍋に加えます。粉末固形物の場合、この例の炭酸カルシウムと同様に、サンプル粉末がパンの底に均一に分布していることを確認してください。

次に、サンプルとパンを計量します。質量は、精度のために標準サンプルと同等である必要があります。正確なサンプル重量と、ベースライン測定と標準測定の両方と同一の加熱パラメータを使用して、サンプル測定を実行します。

DSCデータは、熱流(q)対温度のプロット(熱分析曲線とも呼ばれる)として表されます。吸熱イベントは正の特徴として現れますが、発熱イベントは負の特徴として現れます。

熱流を加熱速度で割ると、熱容量が得られます。熱容量(Cp)は、物質の温度を摂氏1度上昇させるのに必要なエネルギー量として定義されます。一定の圧力を仮定すると、1度あたりのエンタルピーの変化は材料の熱容量に相当します。したがって、エンタルピー変化は、2つの温度限界間の曲線下の面積を計算することによって得られます。この例では、炭酸カルシウムが分解して酸化カルシウム(生石灰)を形成するエンタルピーをDSCで分析します。このプロセスは一般に焼成として知られています。炭酸カルシウムの分解は、摂氏853度の正のピークによって証明されるように、吸熱的に発生します。炭酸カルシウムの分解エンタルピーは、ピークの下の領域から計算され、1モルあたり約160キロジュールです。ヘスの法則によって計算された値は、1モルあたり178キロジュールでした。測定値と計算値の間の不一致は、理想的でない条件や測定アーティファクトから生じる可能性があります。?

エンタルピーは、化学反応以外にも、さまざまなシステムにおけるエネルギーの流れを説明する上で重要な概念です。エンタルピーは、材料や混合物の相変態を理解するためにも使用できます。

ポリマーは、幅広い用途で使用される材料です。この例では、ポリスチレン(PS)とポリビニルピリジン(P4VP)の多孔質共重合体構造を解析しました。

エンタルピー変化は、各ポリマー成分の相転移中に発生し、DSCを使用して視覚化しました。ガラス転移温度 (Tg) は、アモルファス材料が硬質ガラス状態から粘性流体状態に遷移する点を表し、スキャンで隆起として現れます。

融解温度は、硬質結晶材料が粘性流体状態に遷移する点を表し、吸熱ピークとして視覚化されます。この例では、1つのポリマーコンポーネントの融解温度を視覚化しました。

DSCは、生体サンプルの相転移の分析にも使用できます。この例では、細胞懸濁液の凍結乾燥特性を理解するために、細胞懸濁液の相転移を解析しました。凍結乾燥、または凍結乾燥は、生物学的サンプルの長期保存に一般的に使用されます。ここでは、細胞懸濁液を調製し、DSC装置でさまざまな条件下で凍結しました。次に、凍結した懸濁液を加熱し、Tgを測定しました。その後、細胞を電子顕微鏡で分析し、どの凍結状態が細胞の生存を促進したかを決定しました。相転移温度による凍結乾燥プロセスを理解することは、細胞の貯蔵を改善するためにプロセスを調整するのに役立ちます。エンタルピーは、混和性、または混合物が均質な溶液を形成する能力の研究にも使用されます。この例では、タンパク質の混合物をDSCで分析し、異なる混合物の混和性を調べました。非混和性混合物は、各成分が別々に相転移を受けるため、DSCスキャンでいくつかの遷移特性を示すことがあります。一方、均質な混合物は1つの相転移特性を示します。

JoVEによる示差走査熱量測定を使用したEnthalpyの紹介をご覧になりました。これで、エンタルピーの理論と、DSCを使用してエンタルピーを測定する方法を理解できたはずです。

ご覧いただきありがとうございます!