1.14: 차동 스캐닝 열량측정을 사용하여 엔탈피의 변화를 측정합니다.

1. 기준측정

1. 측정을 시작하기 전에 컨트롤러, 측정 장치, 컴퓨터 시스템, 온도 조절기 약 60 분. 퍼지 가스는 시스템에 연결되어 있어야 합니다.
2. 두 개의 빈 도가니(뚜껑 포함)를 샘플 캐리어에 넣습니다. 도가니 물질은 측정될 온도 범위에 따라 선택될 수 있다.
3. 용광로를 측정 위치로 이동합니다.
4. 측정 조건(가스, 진공)을 조정합니다.
5. 측정 프로그램을 시작합니다.
6. 샘플을 질량 = 0을 사용하여 기준측정을 작성합니다.
7. 오픈 온도 재보정, 개방형 감도 프로그램.
8. 설정 온도 프로그램, 초기 온도, 가열 속도.
9. 초기 조건과 온도 임계값을 설정합니다. 아르곤/질소 가스로 시스템을 몇 번 제거한 후 가스가 시스템을 통해 지속적으로 흐르도록 하여 유속을 일정한 속도(예: 50mL/min)로 조정할 수 있습니다.
10. 측정을 시작합니다.
11. DSC 측정은 시작 온도에서 초기 안정화 후 실온에서 시작됩니다. 온도 안정화는 샘플 팬및 참조 팬 및 내용물의 열 용량의 차이로 인해 오프셋을 방지하는 중요한 단계입니다. 아르곤 가스 대기 하에서 20°C/min의 꾸준한 가열률이 일반적으로 사용된다. 온도 범위는 시료 및 온도 범위에 따라 결정됩니다.

2. 시스템의 정확성을 보장하기 위한 표준 샘플 측정

1. 용광로가 냉각된 후 측정 장치를 엽니다.
2. 샘플 팬으로 지정된 빈 도가니를 제거합니다.
3. 측정할 온도 범위에 따라 표준을 선택합니다.
4. 표준을 계량합니다. 미세하게 연마된 합성 사파이어(카보룬덤, 알루미늄 산화물) 디스크는 열 용량 및 변환 엔탈피 표준으로 사용됩니다. 사파이어는 광범위한 온도에서 안정적이며 열 용량은 광범위한 온도에서 정확하게 결정되었습니다.
5. 핀셋을 사용하여 샘플 도가니에 표준 샘플을 신중하게 삽입합니다.
6. 용광로를 측정 위치로 이동합니다.
7. 측정 조건(가스, 진공)을 조정합니다.
8. 표준 측정과 보정 측정을 결합하려면 다음과 같이 진행하십시오.
9. 샘플 질량 = x mg (표준 샘플의 질량)을 사용합니다.
10. 오픈 온도 재보정, 열린 감도
11. 동일한 온도 프로그램을 사용(온도 프로그램은 기준 온도 프로그램과 동일하게 유지됩니다)
12. 측정을 시작합니다.
13. 초기 조건과 온도 임계값을 설정합니다. 시스템을 몇 번 제거한 후, 정화 가스가 시스템을 통해 지속적으로 흐르도록 하여 유량을 조정합니다.
14. 기준선 및 후속 표준 측정에 대한 측정 조건(예: 가열 속도, 가스, 도가니 유형)은 동일해야 합니다.
15. 동일한 감도 및 온도 교정 파일을 사용하여 표준 샘플을 측정하는 시작 프로그램입니다.

3. 샘플 측정

1. 샘플 표면을 연마합니다. 팬 의 바닥을 향한 평평한 샘플 표면을 놓습니다. 뚜껑을 건드리지 않고 팬에 맞는 최적의 샘플 크기를 사용합니다. 샘플은 샘플 팬과의 좋은 열 접촉을 얻기 위해 미세 하게 연마되므로 온도를 정확하게 결정하고 데이터가 덜 시즈입니다.
2. 샘플 질량을 정확하게 측정합니다.
3. 용광로가 냉각된 후 측정 장치를 엽니다.
4. 도가니에서 표준 샘플을 제거합니다.
5. 알코올을 사용하여 도가니를 청소하십시오. 표준을 대체하는 도가니에서 측정할 샘플을 삽입합니다.
6. 3단계를 따라 샘플을 측정합니다. 기준선 측정및 후속 표준 및 시료 측정을 위한 측정 조건(예: 가열 속도, 가스, 도가니 의 종류)은 동일해야 합니다.
7. 3단계를 따라 측정을 완료합니다.

화학 반응 중에 발생하는 에너지 변화는 엔탈피라는 용어로 정의되며 열역학에서 중요한 개념입니다. 엔탈피 자체는 측정할 수 없지만 시스템의 엔탈피 변화는 측정할 수 있으며 일정한 압력에서 화학 공정 중에 시스템과 환경 간에 전달되는 에너지를 설명할 수 있습니다.

주로 열로 주변 환경에 에너지를 방출하는 화학 반응은 발열로 설명되며 음의 엔탈피 변화를 갖습니다. 일부 빠른 발열 반응은 폭발할 정도로 많은 열을 방출합니다. 다른 반응에서는 에너지가 환경으로부터 흡수됩니다. 이러한 반응은 흡열성이며 양의 엔탈피 변화를 일으킵니다. 반응이 안전하고 효율적으로 수행될 수 있도록 화학 반응의 엔탈피 변화를 이해하는 것이 중요합니다. 엔탈피 변화는 시차 주사 열량계(DSC)를 사용하여 실험적으로 측정할 수 있습니다. DSC는 열 흐름의 개념을 기반으로 하는 열역학 분석 방법입니다. 이 비디오는 시차 주사 열량계를 사용하여 탄산염의 분해를 통한 산화물의 반응 엔탈피를 측정하는 방법을 보여줍니다.

엔탈피는 상태 함수로, 반응의 초기 및 최종 상태에만 의존하며 경로 독립적임을 의미합니다. 고도는 상태 함수의 한 예로, 기준과 봉우리 사이의 높이 차이에만 의존합니다. 등산객과 등반가는 정상까지 다른 경로를 택합니다. 정상에 도달하기 위해 어떤 경로를 사용하든 둘 다 동일한 전체 고도를 이동합니다. 유사한 개념이 열역학에 적용되는데, 여기서 반응의 시작과 끝 사이의 엔탈피 변화는 반응 중 에너지 변화를 이해하는 데 사용됩니다.

헤스의 법칙은 화학 반응에 대한 엔탈피를 정의하며, 이는 ? H, 각 반응 생성물의 엔탈피의 합에서 반응물의 엔탈피의 합을 뺀 값입니다. 일반적인 물질의 엔탈피가 발표되어 쉽게 구할 수 있습니다. 이렇게 공개된 값은 일반적인 반응에서 엔탈피 변화를 계산하는 데 사용할 수 있습니다. 이 예는 산화질소와 산소로부터 이산화질소 가스가 형성되기 위한 엔탈피 계산을 보여줍니다. 각 성분의 엔탈피 값은 차트에서 찾을 수 있으며 방정식에 대입할 수 있습니다. "n"은 각 구성 요소의 몰 수를 설명하며 계산에 포함되어야 합니다. 이 반응은 음의 엔탈피를 가지고 있으며, 이는 발열성을 의미합니다.

엔탈피 변화는 DSC를 사용하여 실험적으로 측정할 수도 있습니다. DSC 측정 설정은 온도 센서에 부착된 별도의 샘플 및 기준 팬으로 구성됩니다. 관심 화합물을 포함하는 샘플 팬과 일반적으로 비어 있는 기준 팬의 온도는 분리되지만 동일한 히터를 사용하여 독립적으로 제어됩니다.

두 팬의 온도는 선형적으로 증가합니다. 두 팬을 일정한 온도로 유지하는 데 필요한 에너지의 양 또는 열 흐름의 차이는 온도의 함수로 기록됩니다. 예를 들어, 샘플 팬에 상 변화 또는 반응을 겪을 때 에너지를 흡수하는 물질이 포함된 경우 샘플 팬 아래의 히터는 빈 기준 팬 아래의 히터보다 팬 온도를 높이기 위해 더 많은 에너지를 적용해야 합니다. 이러한 열 흐름의 차이는 엔탈피에 정비례합니다. 이제 엔탈피의 기본 사항을 배웠으므로 엔탈피 측정을 실행하는 방법을 살펴보겠습니다.

DSC 측정을 시작하려면 컨트롤러, 측정 장치, 컴퓨터 시스템 및 냉각수의 전원을 켜서 기기를 켜십시오. 먼저, 기준선 측정은 빈 참조 및 샘플 팬으로 DSC를 실행하여 수행됩니다. 기준선은 나중에 샘플 측정을 정규화하는 데 사용됩니다.

화학적으로 불활성이고 원하는 온도 범위에서 안정적인 팬을 선택하십시오. 600도 이상의 온도에서는 산화알루미늄 라이너가 있는 백금/로듐 팬이 일반적으로 사용됩니다. 빈 샘플을 놓고 뚜껑이 있는 참조 팬을 샘플 홀더에 넣습니다.

불활성 가스 라인이 시스템에 연결되어 있는지 확인하십시오. 시스템을 퍼지하고 흐름을 안정된 상태로 조정합니다.

샘플 질량 0을 사용하여 기준선 매개변수를 설정합니다. 온도 범위와 가열 속도를 입력합니다. 시스템이 40 ? 샘플과 기준 팬의 열 특성 차이로 인한 오프셋을 방지하기 위해 10분 동안 C. 시스템이 안정화되면 기준선을 측정할 수 있습니다.

다음으로, 표준 샘플을 사용하여 기준 측정을 수행하여 기기의 정확도를 테스트합니다. 퍼니스가 실온으로 냉각된 후 측정 장치를 열고 빈 샘플 팬을 제거합니다. 참조 팬을 기기에 그대로 둡니다.

기기 정확도를 테스트하기 위해 원하는 온도 범위에서 알려진 열역학 특성을 가진 표준 샘플을 선택하십시오. 미세하게 연마된 합성 사파이어 디스크가 표준으로 사용되는 이유는 광범위한 온도에서 열적 특성이 잘 보고되기 때문입니다.

고정밀 저울로 표준 샘플을 칭량하십시오. 핀셋을 사용하여 표준물질을 샘플 팬에 조심스럽게 삽입합니다. 기준선 측정에 사용된 것과 동일한 팬을 사용해야 합니다. 팬을 기기에 삽입하고 샘플 챔버를 닫습니다. 퍼지 가스 흐름이 안정화되고 표준이 실온으로 안정화되도록 합니다. 표준 샘플의 질량을 입력하고 기준선 측정에 사용된 것과 동일한 온도 매개변수를 사용하여 가열 프로그램을 설정합니다. 그런 다음 측정을 시작합니다.

이 표준 샘플의 플롯은 기기의 정확도를 평가하는 데 사용할 수 있습니다.

이제 기준선 및 표준 측정이 이루어졌으므로 샘플을 측정할 수 있습니다. 퍼니스가 완전히 냉각된 후 측정 장치를 열고 팬에서 참조 샘플을 제거합니다. 팬은 s에 사용되므로 알코올로 철저히 청소하십시오.amp르 측정. 소량을 추가합니다.amp팬에 le. 이 예의 탄산칼슘과 같이 분말 고체의 경우 샘플 분말이 팬 바닥에 고르게 분포되어 있는지 확인하십시오.

다음으로, 샘플과 팬의 무게를 측정합니다. 질량은 정확도를 위해 표준 샘플과 유사해야 합니다. 정확한 샘플 중량과 기준선 및 표준 측정 모두에 대해 동일한 가열 파라미터를 사용하여 샘플 측정을 실행합니다.

DSC 데이터는 열 흐름 또는 q 대 온도의 플롯으로 표시되며, 이를 열분석 곡선이라고도 합니다. 흡열 현상은 긍정적 인 기능으로 나타나는 반면 발열 성 사건은 부정적인 기능으로 나타납니다.

열 흐름을 가열 속도로 나누면 열 용량이 제공됩니다. 열용량 또는 Cp는 물질의 온도를 섭씨 1도 올리는 데 필요한 에너지의 양으로 정의됩니다. 일정한 압력을 가정하면 각도당 엔탈피의 변화는 재료의 열용량과 동일합니다. 따라서 엔탈피 변화는 두 온도 한계 사이의 곡선 아래 면적을 계산하여 얻습니다. 이 예에서는 탄산칼슘이 산화칼슘 또는 생석회를 형성하기 위한 분해 엔탈피를 DSC로 분석합니다. 이 과정은 일반적으로 소성으로 알려져 있습니다. 탄산칼슘의 분해는 섭씨 853도에서 양의 피크에 의해 입증된 바와 같이 흡열적으로 발생합니다. 탄산칼슘의 분해 엔탈피는 피크 아래 면적에서 계산되며 몰당 약 160킬로줄입니다. 헤스의 법칙을 통해 계산 된 값은 몰 당 178 킬로 줄이었습니다. 측정된 값과 계산된 값 사이의 불일치는 비이상적인 조건과 측정 아티팩트로 인해 발생할 수 있습니다.

엔탈피는 화학 반응을 제외하고 다양한 시스템에서 에너지 흐름을 설명하는 데 중요한 개념입니다. 엔탈피는 또한 재료 및 혼합물의 상 변형을 이해하는 데 사용할 수 있습니다.

폴리머는 광범위한 응용 분야에 사용되는 재료입니다. 이 예에서는 폴리스티렌, PS 및 폴리비닐 피리딘, P4VP의 다공성 공중합체 구조를 분석했습니다.

엔탈피 변화는 각 고분자 성분의 상 전이 중에 발생했으며 DSC를 사용하여 시각화했습니다. 유리 전이 온도(Tg)는 비정질 재료가 단단한 유리 상태에서 점성 유체 상태로 전환되는 지점을 설명하며 스캔에서 융기로 나타납니다.

용융 온도는 단단한 결정 재료가 점성 유체 상태로 전환되는 지점을 설명하며 흡열 피크로 시각화됩니다. 이 예에서는 하나의 고분자 성분에 대한 용융 온도를 시각화했습니다.

DSC는 생물학적 샘플의 상 전이를 분석하는 데에도 사용할 수 있습니다. 이 예에서는 동결 건조 특성을 이해하기 위해 세포 현탁액의 상 전이를 분석했습니다. 동결 건조 또는 동결 건조는 일반적으로 생물학적 시료의 장기 보관에 사용됩니다. 여기서, 세포 현탁액은 DSC 기기에서 다양한 조건에서 준비되고 동결되었습니다. 그런 다음 얼어붙은 현탁액을 가열하고 Tg를 측정했습니다. 나중에, 어떤 동결 상태가 세포 생존을 촉진하는지 결정하기 위해 전자 현미경으로 세포를 분석했습니다. 상전이 온도를 통한 동결 건조 공정에 대한 이해는 세포 보관을 개선하는 데 도움이 되도록 프로세스를 조정하는 데 도움이 됩니다. 엔탈피는 혼화성 또는 혼합물이 균질한 용액을 형성하는 능력을 연구하는 데에도 사용됩니다. 이 예에서는 서로 다른 혼합물의 혼화성을 검사하기 위해 DSC로 단백질 혼합물을 분석했습니다. 비혼합성 혼합물은 각 구성 요소가 개별적으로 상 전이를 거치기 때문에 DSC 스캔에서 여러 전이 기능을 나타낼 수 있습니다. 반면 균질한 혼합물은 하나의 상전이 특징을 나타냅니다.

당신은 방금 JoVE의 시차 주사 열량계를 사용한 엔탈피에 대한 소개를 시청했습니다. 이제 엔탈피 이론과 DSC를 사용하여 엔탈피를 측정하는 방법을 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!