$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Energieveranderingen die optreden tijdens chemische reacties worden gedefinieerd door de term enthalpie, en zijn een belangrijk concept in de thermodynamica. Hoewel enthalpie zelf niet gemeten kan worden, kan de verandering in enthalpie in een systeem worden gemeten en geeft dit aan de energie die wordt overgedragen tussen een systeem en zijn omgeving tijdens een chemisch proces bij constante druk.
Chemische reacties die energie afgeven aan hun omgeving, voornamelijk als warmte, worden beschreven als exotherm en hebben een negatieve enthalpieverandering. Sommige snelle exotherme reacties geven zoveel warmte af dat ze explosief zijn. In andere reacties wordt energie opgenomen uit de omgeving. Deze reacties zijn endotherm en hebben een positieve enthalpieverandering. Het is belangrijk om de enthalpieverandering in een chemische reactie te begrijpen, zodat de reactie veilig en efficiënt kan worden uitgevoerd. Enthalpieverandering kan experimenteel worden gemeten met behulp van differentiële scanning calorimetrie, of DSC. DSC is een thermodynamische analysemethode gebaseerd op het concept van warmtestroom. Deze video zal demonstreren hoe Differentiële Scanning Calorimétrie kan worden gebruikt om de reactienthalpie van een oxide te meten via de ontleding van een carbonaat.
Enthalpie is een toestandsfunctie, wat betekent dat het alleen afhankelijk is van de begin- en eindtoestand van een reactie en padonafhankelijk is. Hoogteverschil is een voorbeeld van een toestandsfunctie, omdat het alleen afhangt van het hoogteverschil tussen de basis en de top. De wandelaar en de klimmer nemen verschillende routes naar de top. Ongeacht welke weg ze gebruiken om de top te bereiken, ze reizen allebei over dezelfde algehele hoogte. Een soortgelijk concept wordt toegepast in de thermodynamica, waar de verandering in enthalpie tussen het begin en het einde van de reactie wordt gebruikt om energieveranderingen tijdens de reactie te begrijpen.
De wet van Hess definieert enthalpie voor een chemische reactie, aangeduid als ΔH, als de som van de enthalpieën van elk reactieproduct minus de som van de enthalpieën van de reagentia. Enthalpieën van veelvoorkomende stoffen worden gepubliceerd en zijn gemakkelijk beschikbaar. Deze gepubliceerde waarden kunnen worden gebruikt om de enthalpieverandering in veelvoorkomende reacties te berekenen. Dit voorbeeld toont de enthalpieberekening voor de vorming van stikstofdioxidegas uit stikstofmonoxide en zuurstof. De enthalpiewaarden van elk component kunnen in de tabel worden gevonden en in de vergelijking worden vervangen. "n" staat voor het aantal mol van elk component en moet in de berekening worden opgenomen. Deze reactie heeft een negatieve enthalpie, wat betekent dat het exotherm is.
Enthalpieverandering kan ook experimenteel worden gemeten met behulp van DSC. De DSC-meetopstelling bestaat uit afzonderlijke monster- en referentiepannen die zijn bevestigd aan temperatuursensoren. De temperatuur van de monsterpan, die de verbinding van belang bevat, en de referentiepan, die meestal leeg blijft, worden onafhankelijk geregeld met behulp van afzonderlijke maar identieke verwarmers.
De temperatuur van beide pannen wordt lineair verhoogd. Het verschil in de hoeveelheid energie, of warmtestroom, die nodig is om beide pannen op een constante temperatuur te houden, wordt geregistreerd als een functie van de temperatuur. Bijvoorbeeld, als de monsterpan een materiaal bevat dat energie absorbeert wanneer het een faseovergang of reactie ondergaat, moet de verwarmer onder de monsterpan meer energie toepassen om de pantemperatuur te verhogen dan de verwarmer onder de lege referentiepan. Dit verschil in warmtestroom is direct evenredig met de enthalpie. Nu u de basisprincipes van enthalpie hebt geleerd, laten we zien hoe u de enthalpiemeting kunt uitvoeren.
Om de DSC-meting te starten, zet u het apparaat aan door de controller, meeteenheid, computersysteem en koelwater in te schakelen. Eerst wordt een basislijnmeting gemaakt door de DSC uit te voeren met lege referentie- en monsterpannen. De basislijn zal worden gebruikt om de monsters metingen later te normaliseren.
Kies een pan die chemisch inert is en stabiel in het gewenste temperatuurbereik. Bij temperaturen hoger dan 600 graden worden platina/rhodium-pannen met aluminiumoxide voeringen vaak gebruikt. Plaats de lege monster- en referentiepannen met deksels in de monsterhouder.
Controleer of de inerte gasleidingen op het systeem zijn aangesloten. Spoel het systeem door en pas de stroom aan tot een stabiele staat.
Stel de basislijnparameters in met een monstersmassa van nul. Voer het temperatuurbereik en de verwarmingssnelheid in. Laat het systeem gedurende 10 minuten op 40 °C stabiliseren om verschuivingen veroorzaakt door verschillen in de thermische eigenschappen van de monsters en referentiepannen te voorkomen. Met het gestabiliseerde systeem kan de basislijn worden gemeten.
Vervolgens wordt een referentiemeting uitgevoerd met een standaardmonster om de nauwkeurigheid van het instrument te testen. Open de meeteenheid nadat de oven is afgekoeld tot kamertemperatuur en verwijder de lege monsterpan. Laat de referentiepan in het instrument.
Selecteer een standaardmonster met bekende thermodynamische eigenschappen in het gewenste temperatuurbereik, om de nauwkeurigheid van het instrument te testen. Een fijn gepolijste synthetische saffier-schijf wordt als standaard gebruikt omdat de thermische eigenschappen ervan goed gerapporteerd zijn over een breed temperatuurbereik.
Weeg het standaardmonster met een hoge precisie weegschaal. Plaats het standaardmonster voorzichtig in de monsterspan met behulp van pincetten. Zorg ervoor dat u dezelfde pan gebruikt die in de basislijnmeting is gebruikt. Plaats de pan in het instrument en sluit de monsterschotel. Laat de purgegasstroom stabiliseren en laat de standaard stabiliseren tot kamertemperatuur. Voer de massa van het standaardmonster in en stel het verwarmingsprogramma in, met behulp van dezelfde temperatuurparameters die voor de basislijnmeting zijn gebruikt. Begin vervolgens met de meting.
De grafiek van dit standaardmonster kan worden gebruikt om de nauwkeurigheid van het instrument te beoordelen.
Nu de basislijn en standaardmetingen zijn uitgevoerd, kan het monster worden gemeten. Open de meeteenheid nadat de oven volledig is afgekoeld en verwijder het referentiemonster uit de pan. Reinig de pan grondig met alcohol, omdat deze wordt gebruikt voor de monstersmeting. Voeg een kleine hoeveelheid monster toe
