用焓差扫描量热法测量的变化

General Chemistry

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Overview

资料来源: 特里特里特博士的实验室 — — 克莱姆森大学

扫描量热法 (DSC) 是基于热通量的方法,其中 (括在泛) 样品材料和空引用潘受到相同温度条件下的热力学分析方法。维护两个锅在相同温度下,由于在样品和参考锅内,热容的差异所需的能量差,记为温度的函数。这种能量释放或吸收方面的参考潘是样本的焓变 (ΔΗ) 的措施。

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JoVE Science Education Database. 一般化学精要. 用焓差扫描量热法测量的变化. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

DSC 可以用于测量热容量的材料系统,以及变化的焓 (ΔΗ) 为戏剧性相转化过程,化学反应,ionizations,溶解在溶剂、 空位形成,等等。标准生成焓的定义为热焓的变化中,当一摩尔物质在标准状态的形成从元素成分在稳定的状态。1

DSC 测量安装由炉和集成的传感器连接到以指定位置为样品和参考平底锅热电偶组成。样品和参考温度控制独立使用单独但完全相同的烤炉。DSC 测量在三个步骤进行: 基线测量使用空锅和参考、 标准参考测量测试精度,以及样品的测量。

该视频介绍样品制备和备碳酸盐分解氧化生成焓的测量技术。

Procedure

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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。

在化学反应过程中发生的能量变化的术语焓,定义,并且是热力学中一个重要的概念。虽然不能衡量本身的焓,更改系统中的热焓可以并且占能量转移系统与环境之间恒定压强下的化学过程。

化学反应放出能量到他们周围的环境,主要是作为热,被称为放热和有负面的焓变。一些快速的放热反应给出这么多的热量,它们是爆炸。其他的反应,从环境中吸收的能量。这些反应是吸热和有积极的焓变。重要的是理解焓变化的化学反应,所以可以进行反应,安全、 高效。可以用差示扫描量热或 DSC 实验方法测量焓变化。DSC 是热流的一种基于概念的热力学分析方法。此视频将说明如何使用差示扫描量热法测量通过碳酸盐的分解氧化反应的焓。

焓是状态函数,这意味着它只取决于初始状态和最终状态的一种反应,是独立的路径。高程是状态函数的一个示例,它只依赖于基础和峰值的高度区别。徒步旅行者和登山者走不同的路线到顶部。他们使用到达顶部的哪条道路,他们两个旅行相同的整体提升。一个类似的概念应用于热力学,之间的开始和结束的反应热焓的变化用于了解反应过程中的能量变化。

赫斯的法律定义焓的化学反应,称为 ΔH,作为反应物的焓的总和减去每个反应产物的焓的总和。焓的常见物质由发布和随时可用。这些公布的值可以用于计算中常见的反应的焓变。此示例演示形成的二氧化氮一氧化氮和氧气气体的焓值计算。每个组件的焓值可以在图表中发现和代入方程。"n"占的每个组件,摩尔数,必须列入计算。这个反应是消极的焓,意味着它为放热反应。

也可以用 DSC 实验方法测量焓变化。DSC 测量安装由单独的样品和参考锅附加到温度传感器组成。样品盘,包含利息和参考锅,通常保留为空,该化合物被温控独立使用单独但完全相同的加热器。

这两个锅的温度线性增加。能源或热流量,维持在一个恒定的温度两个锅所需的差异被记录为温度的函数。例如,如果样品盘包含吸收能量,当它发生相变或反应的物质,根据样本泛加热器必须应用更多的能量,增加锅温度比下空引用潘加热器。这种差异在热流焓值成正比。现在你已经学会了焓的基本知识,让我们看看如何运行焓测量。

若要开始 DSC 测量,仪器通过切换打开控制器、 计量单位、 计算机系统、 电源和冷却水。首先,基线测量是通过运行 DSC 样品锅与空引用。比较基准将用于稍后正常化样品测量。

选择了潘说,是化学惰性的和所需的温度范围内稳定。在温度高于 600 度,铂/铑锅与氧化铝内衬常用。带盖的空样品和参考锅放入样品夹。

惰性气体线连接到系统的检查。清除系统,并调整到稳态流。

设置基线参数使用零试样质量。输入的温度范围和加热速率。允许系统来稳定在 40 ° C 为 10 分钟,避免偏移量的样品和参考的锅的热性能差别造成的。稳定的系统,可以测量基线。

接下来,使用标准的样品测试仪表的精度执行参考测量。打开的计量单位,炉内冷却至室温后, 和删除空白样盘。离开在文书中的引用泛。

为了测试仪器精度在所需的温度范围内,选择一份标准样品和已知的热力学性质。精细抛光合成蓝宝石磁盘是作为标准使用,因为其热学性质有详尽报道在广泛的温度范围。

高精度的平衡重量标准样品。小心地插入样品泛用镊子的标准。请务必使用相同的泛用于基线测量。潘插入仪器,并关闭样品室。允许吹扫气流量稳定和到室温稳定的标准。输入标准试样的质量和设置使用相同的温度参数用于基线测量的加热程序。然后开始测量。

该标准样品的情节可用于评估仪表的精度。

现在,进行了基准和标准测量,可以测量样品。打开的计量单位,炉内充分冷却后,从锅中删除参照样品。因为它将被用于样品测量清洁用酒精,彻底泛。在锅里添加极少量的样品。对于粉状固体,如用碳酸钙在此示例中,确保样品粉末均匀分布在锅的底部。

接下来,权衡的样品和泛。大众应类似于标准样品的准确性。运行使用准确的样品重量和相同加热参数基准和标准测量的测量样品。

作为情节的热流或 q,与温度,也称为热分析曲线,提出了一种 DSC 数据。吸热事件显示为积极的特点,而放热事件显示为负面特征。

热流量除以加热速率给出了热容。热容量或 Cp,被定义为能源的一种物质温度升高一摄氏度所需的量。假设恒压,按每度热焓的变化是相当于一种材料的热容。因此,通过计算两个温度界限曲线下的面积,得到焓变化。在此示例中,与 DSC 的碳酸钙形成钙氧化物或生石灰,分解焓进行了分析。这一过程通常称为煅烧。重质碳酸钙的分解发生 endothermically,853 摄氏度积极高峰可见一斑。碳酸钙分解焓从下峰面积计算,是大约 160 千焦每摩尔。通过赫斯的法计算得到的值是 178 千焦每摩尔。实测值与计算值之间的差异和可能引起的非理想条件测量工件。

焓是描述在许多不同的系统,除了化学反应中的能量流的重要概念。焓也可以用于理解相变材料和混合物。

聚合物是在广泛的应用程序中使用的材料。在此示例中,分析了多孔共聚物结构的聚苯乙烯、 PS 和聚乙烯吡啶,P4VP。

焓变化发生在聚合物的每个组件中的相变,可视化采用 DSC。玻璃化转变温度或甘油三酯、 描述的点,非晶材料从刚性的玻璃态转换为粘性流体状态,并作为脊在扫描过程中出现。

熔化温度描述的点,刚性的结晶材料转换为粘性流体状态,并可视化为吸热峰。一个聚合物组件的熔化温度被可视化在此示例中。

DSC 还可以用于分析生物样品中的相变。在此示例中,为了了解其冷冻干燥的特性,分析了相变的细胞悬液。冷冻干燥,或冻干,通常用于长期存储的生物样品。在这里,细胞悬液,在 DSC 仪器准备和冷冻下不同条件。然后加热冷冻的悬浮液,和甘油三酯测定。后来,分析细胞的电镜观察,以确定哪些冻结条件促进细胞存活。通过相变温度对冷冻干燥过程的理解有助于对流程进行定制以帮助提高单元存储。焓也用于研究的相溶性、 或混合形成均匀的解决方案的能力。在此示例中,蛋白质的混合物与 DSC 分析以检查不同的混合物的相容性。不混溶的混合物可能会出现几个过渡特征在 DSC 扫描,因为每个组件将分别接受一个过渡阶段。而均匀混合物展品一相过渡特征。

你刚看了朱庇特的简介使用示差扫描量热焓。现在,您应该了解焓和如何使用 DSC 测量它的理论。

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Results

氧化锌形成通过分解的 ZnCO3

按每度,在恒压热焓的变化是相当于热容量的一种材料在恒定的压力,给出了由方程 1。焓变化被通过估算之间由方程 2给出的两个温度极限曲线下面积。

(方程 1)

(公式 2)

使用特定的软件,曲线下的面积被索取任何热容量测量。DSC 提供了一种测量热容和焓变的比较准确方法。

分解的成形 ZnO 的碳酸锌 (ZnCO3) 代表结果如下所示。由的煅烧过程中,ZnCO3分解到 ZnO 释放二氧化碳。使用起始组成锌5(CO3)2(OH)6一广泛的放热峰约 281 ° C 据刘et al2发布后,H2O 和 CO2根据方程 3

(方程 3)

转型的锌5(CO3)2(OH)6对 ZnO 焓可能通过计算曲线,在分解给出了由以下的放热峰下面积估计。使用恒定的热传导求和赫斯的规律,可估计的生成焓的氧化锌。

Applications and Summary

DSC 主要的应用领域是玻璃化转变 (Tg) 在非晶态高分子,材料从刚性玻状态更改为粘性液体状态。纳米粒子的医药研究也是一个新兴的领域,DSC 已用于量化纳米固体中的无定形或结晶相。在生物学和纳米科学中的应用 DSC 技术审查提供了由鳃 et al.3纳米脂质载体 (NLC) 有潜在的应用在医学和被认为是给药的载体。

量热法是一种的材料,以确定与感兴趣的物理或化学的反应焓变的热特性分析方法。量热计经常用于量化无定形或结晶阶段。最近,DSC 测量用于在纳米科学和生物化学领域的测量热力学性质的纳米级生物分子。DSC 还可以用于分析氧化的样品中的化学变化。不同的金属氧化物的生成焓是用于冶金工业的计算。

氧化物的生成热的估计通常需要特定金属在热量表,这可能导致损害的昂贵的传感器和热电偶的特定设备内部的氧气中燃烧。热氧化,通过煅烧过程中通过生产无毒二氧化碳气体,碳酸盐的分解形成的估计能给出估计的相应氧化生成热的简单方法。转型的碳酸盐焓的估计是不仅适用于地球化学过程建模,为工业应用和基础研究,也有用。

References

  1. Robinson, J.W., Skelly Frame, E.M., Frame, GM. Undergraduate Instrumental Analysis. Marcel Decker, New York, NY. (2005).
  2. Liu, S., Li, C., Yu, J., Xiang, Q., Improved visible-light photocatalytic activity or porous carbon self-doped ZnO nanosheet-assembled flowers. CrystEngComm. 13, p 2533 (2011).
  3. Gill, P., Tohidu Moghadam, T., Ranjbar, B.  Differential Scanning Calorimetry Techniques: Applications in Biology and Nanoscience. Biomolecular Techniques. 21, 167-193 (2010).
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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。

在化学反应过程中发生的能量变化的术语焓,定义,并且是热力学中一个重要的概念。虽然不能衡量本身的焓,更改系统中的热焓可以并且占能量转移系统与环境之间恒定压强下的化学过程。

化学反应放出能量到他们周围的环境,主要是作为热,被称为放热和有负面的焓变。一些快速的放热反应给出这么多的热量,它们是爆炸。其他的反应,从环境中吸收的能量。这些反应是吸热和有积极的焓变。重要的是理解焓变化的化学反应,所以可以进行反应,安全、 高效。可以用差示扫描量热或 DSC 实验方法测量焓变化。DSC 是热流的一种基于概念的热力学分析方法。此视频将说明如何使用差示扫描量热法测量通过碳酸盐的分解氧化反应的焓。

焓是状态函数,这意味着它只取决于初始状态和最终状态的一种反应,是独立的路径。高程是状态函数的一个示例,它只依赖于基础和峰值的高度区别。徒步旅行者和登山者走不同的路线到顶部。他们使用到达顶部的哪条道路,他们两个旅行相同的整体提升。一个类似的概念应用于热力学,之间的开始和结束的反应热焓的变化用于了解反应过程中的能量变化。

赫斯的法律定义焓的化学反应,称为 ΔH,作为反应物的焓的总和减去每个反应产物的焓的总和。焓的常见物质由发布和随时可用。这些公布的值可以用于计算中常见的反应的焓变。此示例演示形成的二氧化氮一氧化氮和氧气气体的焓值计算。每个组件的焓值可以在图表中发现和代入方程。"n"占的每个组件,摩尔数,必须列入计算。这个反应是消极的焓,意味着它为放热反应。

也可以用 DSC 实验方法测量焓变化。DSC 测量安装由单独的样品和参考锅附加到温度传感器组成。样品盘,包含利息和参考锅,通常保留为空,该化合物被温控独立使用单独但完全相同的加热器。

这两个锅的温度线性增加。能源或热流量,维持在一个恒定的温度两个锅所需的差异被记录为温度的函数。例如,如果样品盘包含吸收能量,当它发生相变或反应的物质,根据样本泛加热器必须应用更多的能量,增加锅温度比下空引用潘加热器。这种差异在热流焓值成正比。现在你已经学会了焓的基本知识,让我们看看如何运行焓测量。

若要开始 DSC 测量,仪器通过切换打开控制器、 计量单位、 计算机系统、 电源和冷却水。首先,基线测量是通过运行 DSC 样品锅与空引用。比较基准将用于稍后正常化样品测量。

选择了潘说,是化学惰性的和所需的温度范围内稳定。在温度高于 600 度,铂/铑锅与氧化铝内衬常用。带盖的空样品和参考锅放入样品夹。

惰性气体线连接到系统的检查。清除系统,并调整到稳态流。

设置基线参数使用零试样质量。输入的温度范围和加热速率。允许系统来稳定在 40 ° C 为 10 分钟,避免偏移量的样品和参考的锅的热性能差别造成的。稳定的系统,可以测量基线。

接下来,使用标准的样品测试仪表的精度执行参考测量。打开的计量单位,炉内冷却至室温后, 和删除空白样盘。离开在文书中的引用泛。

为了测试仪器精度在所需的温度范围内,选择一份标准样品和已知的热力学性质。精细抛光合成蓝宝石磁盘是作为标准使用,因为其热学性质有详尽报道在广泛的温度范围。

高精度的平衡重量标准样品。小心地插入样品泛用镊子的标准。请务必使用相同的泛用于基线测量。潘插入仪器,并关闭样品室。允许吹扫气流量稳定和到室温稳定的标准。输入标准试样的质量和设置使用相同的温度参数用于基线测量的加热程序。然后开始测量。

该标准样品的情节可用于评估仪表的精度。

现在,进行了基准和标准测量,可以测量样品。打开的计量单位,炉内充分冷却后,从锅中删除参照样品。因为它将被用于样品测量清洁用酒精,彻底泛。在锅里添加极少量的样品。对于粉状固体,如用碳酸钙在此示例中,确保样品粉末均匀分布在锅的底部。

接下来,权衡的样品和泛。大众应类似于标准样品的准确性。运行使用准确的样品重量和相同加热参数基准和标准测量的测量样品。

作为情节的热流或 q,与温度,也称为热分析曲线,提出了一种 DSC 数据。吸热事件显示为积极的特点,而放热事件显示为负面特征。

热流量除以加热速率给出了热容。热容量或 Cp,被定义为能源的一种物质温度升高一摄氏度所需的量。假设恒压,按每度热焓的变化是相当于一种材料的热容。因此,通过计算两个温度界限曲线下的面积,得到焓变化。在此示例中,与 DSC 的碳酸钙形成钙氧化物或生石灰,分解焓进行了分析。这一过程通常称为煅烧。重质碳酸钙的分解发生 endothermically,853 摄氏度积极高峰可见一斑。碳酸钙分解焓从下峰面积计算,是大约 160 千焦每摩尔。通过赫斯的法计算得到的值是 178 千焦每摩尔。实测值与计算值之间的差异和可能引起的非理想条件测量工件。

焓是描述在许多不同的系统,除了化学反应中的能量流的重要概念。焓也可以用于理解相变材料和混合物。

聚合物是在广泛的应用程序中使用的材料。在此示例中,分析了多孔共聚物结构的聚苯乙烯、 PS 和聚乙烯吡啶,P4VP。

焓变化发生在聚合物的每个组件中的相变,可视化采用 DSC。玻璃化转变温度或甘油三酯、 描述的点,非晶材料从刚性的玻璃态转换为粘性流体状态,并作为脊在扫描过程中出现。

熔化温度描述的点,刚性的结晶材料转换为粘性流体状态,并可视化为吸热峰。一个聚合物组件的熔化温度被可视化在此示例中。

DSC 还可以用于分析生物样品中的相变。在此示例中,为了了解其冷冻干燥的特性,分析了相变的细胞悬液。冷冻干燥,或冻干,通常用于长期存储的生物样品。在这里,细胞悬液,在 DSC 仪器准备和冷冻下不同条件。然后加热冷冻的悬浮液,和甘油三酯测定。后来,分析细胞的电镜观察,以确定哪些冻结条件促进细胞存活。通过相变温度对冷冻干燥过程的理解有助于对流程进行定制以帮助提高单元存储。焓也用于研究的相溶性、 或混合形成均匀的解决方案的能力。在此示例中,蛋白质的混合物与 DSC 分析以检查不同的混合物的相容性。不混溶的混合物可能会出现几个过渡特征在 DSC 扫描,因为每个组件将分别接受一个过渡阶段。而均匀混合物展品一相过渡特征。

你刚看了朱庇特的简介使用示差扫描量热焓。现在,您应该了解焓和如何使用 DSC 测量它的理论。

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