Verwendung von Differential Scanning Kalorimetrie Maßnahme Veränderungen in Enthalpie

General Chemistry

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Overview

Quelle: Labor von Dr. Terry Tritt — Clemson University

Differential Scanning Kalorimetrie (DSC) ist eine Methode der thermodynamischen Analyse basierend auf Wärmestrom Methode, wobei ein Probenmaterial (eingeschlossen in einer Pfanne) und einer leeren Referenz-Pfanne identisch Temperaturverhältnissen ausgesetzt sind. Der Energie-Differenz, die erforderlich ist, um sowohl die Pfannen bei der gleichen Temperatur wegen der Unterschied in der Wärmekapazität der Probe und der Referenz-Pfanne, pflegen wird als Funktion der Temperatur aufgezeichnet. Diese Energie freigesetzt oder aufgenommen ist ein Maß für die Enthalpieänderung (ΔΗ) der Probe in Bezug auf die Referenz-Pfanne.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Grundlagen der allgemeinen Chemie. Verwendung von Differential Scanning Kalorimetrie Maßnahme Veränderungen in Enthalpie. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

Die DSC kann verwendet werden, um die Wärmekapazität Materialsysteme, sowie der Wechsel der Enthalpie (ΔΗ) für dramatische Phase Transformationsprozesse, chemische Reaktionen messen Ionizations, Auflösungen im Lösungsmittel, Vakanz Bildung und So weiter. Die standard Enthalpie der Formation ist definiert als die Änderung der Enthalpie, wenn ein Mol eines Stoffes in den Normzustand aus elementaren Bestandteile in ihren stabilen Staaten gebildet. 1

Der DSC Messaufbau besteht aus einem Ofen und einen integrierten Sensor verbunden, Thermoelemente mit ausgewiesenen Positionen für die Probe und der Referenz-Pfannen. Die Temperatur der Probe und der Referenz werden unabhängig voneinander durch separate, aber identische Öfen gesteuert. Der DSC-Messung erfolgt in drei Schritten: Basismessung mit leere Pfanne und Referenz, standard-Referenz-Messung, Genauigkeit zu prüfen und der Probenmessung.

Dieses Video erklärt die Probenvorbereitung und die Technik der Messung der Enthalpie der Bildung von Oxid über Zersetzung der ein Carbonat.

Procedure

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1. Basismessung

  1. Controller, Einheit, Computersystem, Thermostat ca. 60 min. vor Beginn der Messung zu messen. Purge Gase an das System angeschlossen werden.
  2. Legen Sie zwei leere Tiegel (mit Deckel) in der Probenträger. Das Tiegelmaterial kann je nach Temperaturbereich gewählt werden, gemessen werden.
  3. Verschieben Sie den Ofen in Messposition.
  4. Passen Sie die Messbedingungen (Gas, Vakuum).
  5. Starten Sie das Messprogramm.
  6. Fahren Sie eine Basismessung mit Probe Masse erstellen = 0.
  7. Temperatur Rekalibrierung, offene Empfindlichkeit Programme zu öffnen.
  8. Stellen Sie Temperaturprogramm, anfängliche Temperatur Heizung Rate ein.
  9. Legen Sie die Anfangsbedingungen und die Temperatur Schwellenwerte. Nach dem Spülen des Systems mit Argon/Stickstoff-Gas ein paar Mal, lassen Sie die Gas kontinuierlich durch das System, einstellen der Durchflussmenge zu einer konstanten Rate (z.B. 50 mL/min) fließen.
  10. Starten Sie die Messung.
  11. Die DSC-Messungen werden bei Raumtemperatur nach einer ersten Stabilisierung auf die Ausgangstemperatur gestartet. Die Temperaturstabilisierung ist wichtiger Schritt, um alle Versatz durch einen Unterschied in der thermischen Kapazitäten die Probenschale Referenz Pan und Inhalte zu vermeiden. Eine stetige Heizrate von 20 ° C/min, unter Argon-Gas-Atmosphäre wird im Allgemeinen verwendet. Das Spektrum der Temperatur richtet sich nach der Probe und den Temperaturbereich von Interesse.

2. standard Probenmessung um die Genauigkeit des Systems zu gewährleisten

  1. Öffnen Sie die Messeinheit, nachdem der Ofen abgekühlt ist.
  2. Entfernen Sie den leeren Tiegel, der als die Probenschale festgelegt ist.
  3. Wählen Sie den Standard je nach Temperaturbereich bis gemessen werden.
  4. Wiegen Sie die Norm. Eine fein poliertem synthetischen Saphir (Carborundum, Aluminiumoxid) Festplatte dient als Wärmekapazität und Transformation Enthalpie standard. Saphir ist stabil über einen weiten Bereich von Temperatur und seiner Wärmekapazität hat über einen weiten Bereich von Temperatur genau bestimmt worden.
  5. Einsetzen Sie Standardprobe in der Probe-Tiegel mit einer Pinzette vorsichtig.
  6. Verschieben Sie den Ofen in Messposition.
  7. Passen Sie die Messbedingungen (Gas, Vakuum).
  8. Gehen Sie folgendermaßen vor, das Standardmaß mit der Korrektur-Messung zu kombinieren:
  9. Verwendung Probe Masse = x mg (Masse der Standardprobe).
  10. Temperatur Rekalibrierung, öffnen Sie Empfindlichkeit
  11. Verwenden Sie die gleichen Temperaturprogramm (Temperaturprogramm bleibt die gleiche wie die Basislinie Temperaturprogramm)
  12. Starten Sie die Messung.
  13. Legen Sie die Anfangsbedingungen und die Temperatur Schwellenwerte. Nach dem Spülen des Systems ein paar Mal, erlauben Sie das Spülgas kontinuierlich durchfließen des Systems, die Fördermenge einstellen.
  14. Messbedingungen (z.B.. Heizrate, Gase, Art der Tiegel) für die Grundlinie und das anschließende Standardmaß müssen identisch sein.
  15. Unter Verwendung der gleichen Empfindlichkeit und Temperatur-Kalibrierdateien das Startprogramm der Standardprobe zu messen.

3. die Probenmessung

  1. Polieren Sie die Musterflächen. Legen Sie die flachste Oberfläche der Probe mit Blick auf den Boden der Pfanne. Verwenden Sie eine optimale Stichprobengröße, die die Pfanne ohne Deckel passt. Die Probe ist fein poliert, um guten thermischen Kontakt mit der Probenschale erhalten, so dass die Temperatur genau bestimmt werden kann und die Daten weniger laut ist.
  2. Masse ermitteln Sie die Probe.
  3. Öffnen Sie die Messeinheit, nachdem der Ofen abgekühlt ist.
  4. Entfernen Sie die Standardprobe aus dem Tiegel.
  5. Reinigen Sie den Tiegel mit Alkohol. Legen Sie die Probe in den Tiegel ersetzen die Standard gemessen werden.
  6. Folgen Sie Schritt 3, um die Probe zu messen. Die Messbedingungen (z.B. Heizung, Rate, Gase, Art der Tiegel) für die Baseline-Messung und anschließende Standard und Probenmessung müssen übereinstimmen.
  7. Folgen Sie Schritt 3, um die Messung zu vervollständigen.

Energieveränderungen, die bei chemischen Reaktionen auftreten zeichnen sich durch die Bezeichnung Enthalpie und sind ein wichtiges Konzept in der Thermodynamik. Während Enthalpie selbst gemessen werden kann, die ändern Enthalpie in einem System werden kann, und Konten für die Energie zwischen einem System und seiner Umgebung während eines chemischen Prozesses bei konstantem Druck übertragen.

Chemische Reaktionen, die Energie mit ihrer Umgebung in erster Linie als Wärme abgeben werden beschrieben als exotherm und haben eine negative Enthalpieänderung. Einige schnelle exothermen Reaktionen so viel Wärme abgeben, die sie explosiv sind. In anderen Reaktionen wird Energie aus der Umwelt aufgenommen. Diese Reaktionen sind endotherm und haben eine positive Enthalpieänderung. Es ist wichtig zu verstehen, die Enthalpieänderung in einer chemischen Reaktion, so dass die Reaktion sicher und effizient durchgeführt werden kann. Enthalpieänderung kann experimentell mit differential scanning Kalorimetrie oder DSC gemessen werden. DSC ist eine thermodynamische Analysemethode basiert auf dem Konzept des Wärmeflusses. Dieses Video veranschaulicht wie mit Differential Scanning Kalorimetrie die Enthalpie der Reaktion ein Oxid über die Zersetzung von einem Carbonat messen.

Enthalpie ist eine staatliche Aufgabe, was bedeutet, dass es nur den ersten und letzten Staaten einer Reaktion hängt und Pfad unabhängig ist. Höhe ist ein Beispiel für eine staatliche Aufgabe, wie es nur die Höhendifferenz zwischen der Basis und der Spitze hängt. Wanderer und Kletterer nehmen verschiedene Routen zum Gipfel. Egal welchen Weg sie nutzen, um den Gipfel zu erreichen, fahren sie beide die gleiche allgemeine Höhe. Ein ähnliches Konzept gilt für Thermodynamik, wo die Änderung der Enthalpie zwischen Beginn und Ende der Reaktion verwendet wird, um Energieveränderungen während der Reaktion zu verstehen.

Hess Gesetz definiert Enthalpie für eine chemische Reaktion, die als ΔH, als die Summe der Enthalpien der jedes Reaktionsprodukt abzüglich der Summe der Enthalpien der Reaktanden bezeichnet. Enthalpien der gemeinsamen Stoffe sind leicht zugänglich und veröffentlicht. Diese veröffentlichten Werte können verwendet werden, um Enthalpieänderung in gemeinsamen Reaktionen zu berechnen. Dieses Beispiel zeigt die Berechnung der Enthalpie für die Bildung von Stickstoffdioxid Gas aus Stickstoffmonoxid und Sauerstoff. Die Enthalpie-Werte der einzelnen Komponenten können im Diagramm gefunden und in die Gleichung ersetzt. "n" die Anzahl der Muttermale der einzelnen Komponenten entfallen, und muss in die Berechnung einbezogen werden. Diese Reaktion hat eine negative Enthalpie, dh es exotherm.

Enthalpieänderung kann auch experimentell mit DSC gemessen werden. Der DSC Messaufbau besteht aus separaten Probe und Referenz-Pfannen mit Temperatursensoren verbunden. Die Temperatur der Probe Pan, mit der Verbindung der Zinsen und der Referenz-Pfanne, die in der Regel leer bleibt, werden unabhängig voneinander durch separate, aber identische Heizungen gesteuert.

Die Temperatur der beiden Pfannen wird linear erhöht. Der Unterschied in der Höhe von Energie oder Wärmestrom, erforderlich, um beide Pfannen bei einer konstanten Temperatur wird als Funktion der Temperatur aufgezeichnet. Beispielsweise enthält die Probenschale ein Materials, das Energie absorbiert, wenn es einen Phasenwechsel oder Reaktion erfährt, muss die Heizung unter die Probenschale mehr Energie um die Pfanne Temperatur als die Heizung unter der leeren Referenz-Pfanne zu erhöhen anwenden. Dieser Unterschied in der Wärmestrom ist direkt proportional zur Enthalpie. Nun, da Sie die Grundlagen der Enthalpie gelernt haben, mal sehen, wie die Enthalpie Messung ausgeführt.

Um die DSC-Messung zu beginnen, schalten Sie das Instrument durch Controller, Messeinheit, EDV-System einschalten und Kühlwasser. Zunächst erfolgt eine Basismessung durch Ausführen der DSC mit leeren Referenz und Sample-Pfannen. Die Basislinie wird verwendet werden, um später die Probemessungen normalisieren.

Wählen Sie eine Pfanne, die chemisch inert und in dem gewünschten Temperaturbereich stabil ist. Bei Temperaturen über 600 Grad sind Platin/Rhodium-Pfannen mit Aluminiumoxid-Liner gebräuchlich. Stellen Sie die leere Probe und Referenz-Pfannen mit Deckel in der Probenhalter.

Überprüfen Sie, ob Schutzgas-Linien an das System angeschlossen sind. Bereinigen Sie das System zu, und passen Sie den Fluss zu einem ursprünglichen Zustand.

Legen Sie die Grundlinie Parameter mit einer Probe Masse von Null. Geben Sie den Temperaturbereich und die Aufheizgeschwindigkeit. Lassen Sie das System bei 40 ° C für 10 min zu stabilisieren, um Offsets verursacht durch Unterschiede in den thermischen Eigenschaften der Probe und Referenz Pfannen zu vermeiden. Mit dem System stabilisiert kann die Grundlinie gemessen werden.

Als nächstes wird eine Referenzmessung mit einer Standardprobe zum Testen der Genauigkeit des Instruments durchgeführt. Öffnen Sie die Messeinheit zu, nachdem der Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt ist, und entfernen Sie die leere Probenschale. Lassen Sie die Referenz-Pfanne in das Instrument.

Wählen Sie eine Standardprobe mit bekannten thermodynamischen Eigenschaften im gewünschten Temperaturbereich, um die Genauigkeit des Instruments zu testen. Eine fein geschliffene synthetische Saphirscheibe wird als Standard verwendet, da die thermischen Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich gut gemeldet werden.

Wiegen Sie die Standardprobe mit einem hohen Präzisionswaage. Legen Sie den Standard in die Probenschale mit einer Pinzette. Achten Sie darauf, mit der gleichen Pfanne in der Baseline-Messung verwendet. Legen Sie die Pfanne in das Gerät und schließen Sie die Probenkammer. Ermöglichen Sie die Säuberung Gasstrom zu stabilisieren und den Standard auf Raumtemperatur zu stabilisieren. Geben Sie die Masse der Standardprobe und legen Sie das Heizprogramm, mit der gleichen Temperatur-Parameter für die Baseline-Messung verwendet. Dann mit beginnen Sie der Messung.

Die Handlung dieses Standardprobe kann verwendet werden, um die Genauigkeit des Instruments zu bewerten.

Nun, da die Grundlinie und Standardmessungen vorgenommen wurden, kann die Probe gemessen werden. Öffnen Sie die Messeinheit zu, nachdem der Ofen vollständig abgekühlt ist, und nehmen Sie die Referenzstichprobe aus der Pfanne. Reinigen Sie die Pfanne gründlich mit Alkohol, da es für die Probenmessung verwendet wird. Fügen Sie eine kleine Menge der Probe in die Pfanne. Pulverförmigen Feststoffen wie bei der Calciumcarbonat in diesem Beispiel, sicherstellen Sie, dass die Probe-Pulver auf den Boden der Pfanne gleichmäßig verteilt wird.

Als nächstes Wiegen der Probe und Pan. Die Masse sollte ähnlich wie die Standardprobe für Genauigkeit. Ausführen der Probenmessung mit dem genauen Probengewicht und identische Heizung-Parameter an die Grundlinie und die Standardmaße.

DSC-Daten präsentiert sich als ein Grundstück von Wärmestrom oder q gegen die Temperatur, auch genannt eine thermoanalytischen Kurve. Endotherme Veranstaltungen erscheinen als positive Eigenschaften, während exothermen Ereignisse als negative Eigenschaften angezeigt werden.

Wärmestrom durch die Aufheizgeschwindigkeit dividiert, gibt die Wärmekapazität. Wärmekapazität oder Cp, ist definiert als die Menge an Energie benötigt, um die Temperatur eines Stoffes um ein Grad Celsius zu erhöhen. Unter der Annahme konstanten Drucks, entspricht die Änderung der Enthalpie pro Grad die Wärmekapazität eines Materials. So erhält man die Enthalpieänderung durch Berechnung der Fläche unter der Kurve zwischen zwei Temperaturgrenzen. In diesem Beispiel wird die Enthalpie der Zersetzung von Calciumcarbonat, Calciumoxid oder Branntkalk, bilden mit der DSC analysiert. Dieser Prozess ist bekannt als Kalzinierung. Die Zersetzung von Calciumcarbonat tritt endothermically, wie die positive Spitze bei 853 Grad Celsius belegt. Die Enthalpie der Zersetzung des Kalziumkarbonats errechnet sich aus dem Bereich unter dem Gipfel und ist ca. 160 Kilojoule pro Mol. Der berechnete Wert per Gesetz Hesss war 178 Kilojoule pro Mol. Diskrepanzen zwischen der gemessenen und berechneten Werte können durch nicht-ideale Bedingungen und Messung Artefakte entstehen.

Enthalpie ist ein wichtiges Konzept in der Beschreibung Energiefluss in vielen verschiedenen Systemen, abgesehen von chemischen Reaktionen. Enthalpie kann auch verwendet werden, zu verstehen, Phasenumwandlungen in Materialien und Mischungen.

Polymere sind Materialien, die in den unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt. In diesem Beispiel wurden poröse Copolymer Strukturen aus Polystyrol, PS und polyvinyl Pyridin, P4VP, analysiert.

Enthalpieänderung beim Phasenübergang in jeder Polymerkomponente aufgetreten und war mit DSC visualisiert. Die Glasübergangstemperatur oder Tg, beschreibt den Punkt an dem eine amorphe Material Übergänge von einer starren glasigen Zustand zu einer viskosen Flüssigkeit Zustand, und erscheint als ein Grat im Scan.

Die Schmelztemperatur beschreibt den Punkt, an dem ein starres kristalline Material in einer viskosen Flüssigkeit Zustand übergeht, und wird als eine endotherme Peak visualisiert. In diesem Beispiel wurde die Schmelztemperatur für eine Polymerkomponente visualisiert.

DSC kann auch verwendet werden, Phasenübergänge in biologischen Proben zu analysieren. In diesem Beispiel wurde der Phasenübergang eine Zellsuspension analysiert, um die Gefriertrocknung Eigenschaften zu verstehen. Gefriertrocknung oder Lyophilisierung, wird gemeinhin für die langfristige Lagerung von biologischen Proben verwendet. Hier wurden Zellsuspensionen vorbereitet und eingefroren unter verschiedenen Bedingungen in der DSC-Instrument. Die gefrorenen Suspensionen wurden dann erhitzt und die Tg gemessen. Später wurden die Zellen mit Elektronenmikroskopie um festzustellen, welche Einfrieren Zustand befördert Zelle überleben analysiert. Ein Verständnis des Trocknungsprozesses Einfrieren über Phase Übergangstemperaturen hilft den Prozess anpassen, um Zelle Speicher zu verbessern. Enthalpie ist auch zur Mischbarkeit oder die Fähigkeit einer Mischung bilden eine homogene Lösung zu studieren. In diesem Beispiel wurden Mischungen von Protein mit DSC analysiert, um zu prüfen, die Mischbarkeit der verschiedenen Mischungen. Eine nicht mischbare Mischung kann mehrere Übergang Funktionen in einem DSC-Scan aufweisen, da jede Komponente separat einen Phasenübergang unterzogen werden. Während eine homogene Mischung ein Phase Übergang Merkmal aufweist.

Sie haben nur Jupiters Einführung in die Enthalpie mit Differential Scanning Kalorimetrie beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen, die Theorie der Enthalpie und DSC Verwendung um zu messen.

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Results

ZnO Bildung über Zersetzung der ZnCO3

Die Änderung der Enthalpie pro Grad, bei konstantem Druck entspricht die Wärmekapazität eines Materials bei konstantem Druck gegeben durch die Gleichung 1. Die Enthalpieänderung erhält man durch Abschätzung der Fläche unter der Kurve zwischen zwei Temperaturgrenzen gegeben durch die Gleichung 2.

(Gleichung 1)

(Gleichung 2)

Verwenden speziellen Software, wird die Fläche unter der Kurve aus einer Messung der Wärmekapazität gewonnen. Die DSC bietet eine vergleichende präzise Methode zur Messung der Wärmekapazität und Enthalpie Änderungen.

Ein repräsentatives Ergebnis der Zersetzung von Zink Carbonat (ZnCO3) bilden ZnO ist unten dargestellt. Durch den Prozess der Kalzinierung zersetzt ZnCO3 ZnO Freigabe Kohlendioxid. Ein Start Zusammensetzung Zn5(CO3)2(OH)6 wurde ein breites exotherme Peak ca. 281 ° C von Liu Et al.berichtet. 2 nach der Veröffentlichung von H2O und CO2 nach Gleichung 3.

(Gleichung 3)

Die Enthalpie der Transformation von Zn5(CO3)2(OH)6 , ZnO kann geschätzt werden, durch die Berechnung der Fläche unter der Kurve, zum Zeitpunkt der Zersetzung durch die folgenden exotherme Peak gegeben. Mit Hesss Gesetz der konstanten Hitzesummierung, kann die Enthalpie der Bildung von ZnO geschätzt werden.

Applications and Summary

Ein großen Anwendungsbereich des DSC ist die Glasübergangstemperatur (Tg) in amorphe Polymere, bei denen das Material aus einer starren Glaszustand zu einem zähflüssigen flüssigen Zustand ändert. Pharmazeutische Forschung auf Nano-Partikel ist auch ein aufstrebendes Gebiet, denen die DSC verwendet worden ist, zu amorphen oder kristallinen Phase in Nano-Feststoffe zu quantifizieren. Eine Überprüfung der DSC-Techniken auf Anwendungen in Biologie und Nano-Science wurde zur Verfügung gestellt von Gill Et al.. 3 nanostrukturierten Lipid Carrier (NLC) hat potenzielle Anwendungen in der Medizin und galten als Medikament Anlieferung Träger.

Kalorimetrie ist eine Methode des Analysierens der thermischer Eigenschaften von Materialien zur Ermittlung der Enthalpie Veränderung verbunden mit einer physikalischen oder chemischen Reaktion von Interesse. Kalorimeter werden häufig verwendet, zur Quantifizierung der amorpher oder kristalliner Phasen. In jüngerer Zeit, DSC-Messungen im Bereich der Nano-Wissenschaft und Biochemie dienen um thermodynamische Eigenschaften der Nanogrösse Biomoleküle zu messen. Die DSC kann auch verwendet werden, um die chemischen Veränderungen in einer oxidierten Probe zu analysieren. Die Enthalpie der Bildung von verschiedenen Metalloxide eignet sich für metallurgische und industrieller Berechnungen.

Die Schätzung der Hitze der Bildung von Oxiden erfordert in der Regel die Verbrennung des bestimmten Metalls in Sauerstoff in einem Kalorimeter, die um zu teuren Sensoren und Thermoelemente der besonderen Ausrüstung zu Schäden führen kann. Die Schätzung der Hitze der Bildung einer Oxidschicht durch Kalzinierung Prozess durch die Zersetzung von einem Carbonat produziert ungiftige Kohlendioxid-Gas, gibt eine einfachere Methode der Schätzung der Wärme der Bildung der entsprechenden Oxid. Die Schätzung der Enthalpie der Umwandlung von Karbonaten ist nicht nur für die Modellierung von geochemischen Prozess, sondern auch nützlich für Grundlagenforschung und industrielle Anwendungen.

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. Basismessung

  1. Controller, Einheit, Computersystem, Thermostat ca. 60 min. vor Beginn der Messung zu messen. Purge Gase an das System angeschlossen werden.
  2. Legen Sie zwei leere Tiegel (mit Deckel) in der Probenträger. Das Tiegelmaterial kann je nach Temperaturbereich gewählt werden, gemessen werden.
  3. Verschieben Sie den Ofen in Messposition.
  4. Passen Sie die Messbedingungen (Gas, Vakuum).
  5. Starten Sie das Messprogramm.
  6. Fahren Sie eine Basismessung mit Probe Masse erstellen = 0.
  7. Temperatur Rekalibrierung, offene Empfindlichkeit Programme zu öffnen.
  8. Stellen Sie Temperaturprogramm, anfängliche Temperatur Heizung Rate ein.
  9. Legen Sie die Anfangsbedingungen und die Temperatur Schwellenwerte. Nach dem Spülen des Systems mit Argon/Stickstoff-Gas ein paar Mal, lassen Sie die Gas kontinuierlich durch das System, einstellen der Durchflussmenge zu einer konstanten Rate (z.B. 50 mL/min) fließen.
  10. Starten Sie die Messung.
  11. Die DSC-Messungen werden bei Raumtemperatur nach einer ersten Stabilisierung auf die Ausgangstemperatur gestartet. Die Temperaturstabilisierung ist wichtiger Schritt, um alle Versatz durch einen Unterschied in der thermischen Kapazitäten die Probenschale Referenz Pan und Inhalte zu vermeiden. Eine stetige Heizrate von 20 ° C/min, unter Argon-Gas-Atmosphäre wird im Allgemeinen verwendet. Das Spektrum der Temperatur richtet sich nach der Probe und den Temperaturbereich von Interesse.

2. standard Probenmessung um die Genauigkeit des Systems zu gewährleisten

  1. Öffnen Sie die Messeinheit, nachdem der Ofen abgekühlt ist.
  2. Entfernen Sie den leeren Tiegel, der als die Probenschale festgelegt ist.
  3. Wählen Sie den Standard je nach Temperaturbereich bis gemessen werden.
  4. Wiegen Sie die Norm. Eine fein poliertem synthetischen Saphir (Carborundum, Aluminiumoxid) Festplatte dient als Wärmekapazität und Transformation Enthalpie standard. Saphir ist stabil über einen weiten Bereich von Temperatur und seiner Wärmekapazität hat über einen weiten Bereich von Temperatur genau bestimmt worden.
  5. Einsetzen Sie Standardprobe in der Probe-Tiegel mit einer Pinzette vorsichtig.
  6. Verschieben Sie den Ofen in Messposition.
  7. Passen Sie die Messbedingungen (Gas, Vakuum).
  8. Gehen Sie folgendermaßen vor, das Standardmaß mit der Korrektur-Messung zu kombinieren:
  9. Verwendung Probe Masse = x mg (Masse der Standardprobe).
  10. Temperatur Rekalibrierung, öffnen Sie Empfindlichkeit
  11. Verwenden Sie die gleichen Temperaturprogramm (Temperaturprogramm bleibt die gleiche wie die Basislinie Temperaturprogramm)
  12. Starten Sie die Messung.
  13. Legen Sie die Anfangsbedingungen und die Temperatur Schwellenwerte. Nach dem Spülen des Systems ein paar Mal, erlauben Sie das Spülgas kontinuierlich durchfließen des Systems, die Fördermenge einstellen.
  14. Messbedingungen (z.B.. Heizrate, Gase, Art der Tiegel) für die Grundlinie und das anschließende Standardmaß müssen identisch sein.
  15. Unter Verwendung der gleichen Empfindlichkeit und Temperatur-Kalibrierdateien das Startprogramm der Standardprobe zu messen.

3. die Probenmessung

  1. Polieren Sie die Musterflächen. Legen Sie die flachste Oberfläche der Probe mit Blick auf den Boden der Pfanne. Verwenden Sie eine optimale Stichprobengröße, die die Pfanne ohne Deckel passt. Die Probe ist fein poliert, um guten thermischen Kontakt mit der Probenschale erhalten, so dass die Temperatur genau bestimmt werden kann und die Daten weniger laut ist.
  2. Masse ermitteln Sie die Probe.
  3. Öffnen Sie die Messeinheit, nachdem der Ofen abgekühlt ist.
  4. Entfernen Sie die Standardprobe aus dem Tiegel.
  5. Reinigen Sie den Tiegel mit Alkohol. Legen Sie die Probe in den Tiegel ersetzen die Standard gemessen werden.
  6. Folgen Sie Schritt 3, um die Probe zu messen. Die Messbedingungen (z.B. Heizung, Rate, Gase, Art der Tiegel) für die Baseline-Messung und anschließende Standard und Probenmessung müssen übereinstimmen.
  7. Folgen Sie Schritt 3, um die Messung zu vervollständigen.

Energieveränderungen, die bei chemischen Reaktionen auftreten zeichnen sich durch die Bezeichnung Enthalpie und sind ein wichtiges Konzept in der Thermodynamik. Während Enthalpie selbst gemessen werden kann, die ändern Enthalpie in einem System werden kann, und Konten für die Energie zwischen einem System und seiner Umgebung während eines chemischen Prozesses bei konstantem Druck übertragen.

Chemische Reaktionen, die Energie mit ihrer Umgebung in erster Linie als Wärme abgeben werden beschrieben als exotherm und haben eine negative Enthalpieänderung. Einige schnelle exothermen Reaktionen so viel Wärme abgeben, die sie explosiv sind. In anderen Reaktionen wird Energie aus der Umwelt aufgenommen. Diese Reaktionen sind endotherm und haben eine positive Enthalpieänderung. Es ist wichtig zu verstehen, die Enthalpieänderung in einer chemischen Reaktion, so dass die Reaktion sicher und effizient durchgeführt werden kann. Enthalpieänderung kann experimentell mit differential scanning Kalorimetrie oder DSC gemessen werden. DSC ist eine thermodynamische Analysemethode basiert auf dem Konzept des Wärmeflusses. Dieses Video veranschaulicht wie mit Differential Scanning Kalorimetrie die Enthalpie der Reaktion ein Oxid über die Zersetzung von einem Carbonat messen.

Enthalpie ist eine staatliche Aufgabe, was bedeutet, dass es nur den ersten und letzten Staaten einer Reaktion hängt und Pfad unabhängig ist. Höhe ist ein Beispiel für eine staatliche Aufgabe, wie es nur die Höhendifferenz zwischen der Basis und der Spitze hängt. Wanderer und Kletterer nehmen verschiedene Routen zum Gipfel. Egal welchen Weg sie nutzen, um den Gipfel zu erreichen, fahren sie beide die gleiche allgemeine Höhe. Ein ähnliches Konzept gilt für Thermodynamik, wo die Änderung der Enthalpie zwischen Beginn und Ende der Reaktion verwendet wird, um Energieveränderungen während der Reaktion zu verstehen.

Hess Gesetz definiert Enthalpie für eine chemische Reaktion, die als ΔH, als die Summe der Enthalpien der jedes Reaktionsprodukt abzüglich der Summe der Enthalpien der Reaktanden bezeichnet. Enthalpien der gemeinsamen Stoffe sind leicht zugänglich und veröffentlicht. Diese veröffentlichten Werte können verwendet werden, um Enthalpieänderung in gemeinsamen Reaktionen zu berechnen. Dieses Beispiel zeigt die Berechnung der Enthalpie für die Bildung von Stickstoffdioxid Gas aus Stickstoffmonoxid und Sauerstoff. Die Enthalpie-Werte der einzelnen Komponenten können im Diagramm gefunden und in die Gleichung ersetzt. "n" die Anzahl der Muttermale der einzelnen Komponenten entfallen, und muss in die Berechnung einbezogen werden. Diese Reaktion hat eine negative Enthalpie, dh es exotherm.

Enthalpieänderung kann auch experimentell mit DSC gemessen werden. Der DSC Messaufbau besteht aus separaten Probe und Referenz-Pfannen mit Temperatursensoren verbunden. Die Temperatur der Probe Pan, mit der Verbindung der Zinsen und der Referenz-Pfanne, die in der Regel leer bleibt, werden unabhängig voneinander durch separate, aber identische Heizungen gesteuert.

Die Temperatur der beiden Pfannen wird linear erhöht. Der Unterschied in der Höhe von Energie oder Wärmestrom, erforderlich, um beide Pfannen bei einer konstanten Temperatur wird als Funktion der Temperatur aufgezeichnet. Beispielsweise enthält die Probenschale ein Materials, das Energie absorbiert, wenn es einen Phasenwechsel oder Reaktion erfährt, muss die Heizung unter die Probenschale mehr Energie um die Pfanne Temperatur als die Heizung unter der leeren Referenz-Pfanne zu erhöhen anwenden. Dieser Unterschied in der Wärmestrom ist direkt proportional zur Enthalpie. Nun, da Sie die Grundlagen der Enthalpie gelernt haben, mal sehen, wie die Enthalpie Messung ausgeführt.

Um die DSC-Messung zu beginnen, schalten Sie das Instrument durch Controller, Messeinheit, EDV-System einschalten und Kühlwasser. Zunächst erfolgt eine Basismessung durch Ausführen der DSC mit leeren Referenz und Sample-Pfannen. Die Basislinie wird verwendet werden, um später die Probemessungen normalisieren.

Wählen Sie eine Pfanne, die chemisch inert und in dem gewünschten Temperaturbereich stabil ist. Bei Temperaturen über 600 Grad sind Platin/Rhodium-Pfannen mit Aluminiumoxid-Liner gebräuchlich. Stellen Sie die leere Probe und Referenz-Pfannen mit Deckel in der Probenhalter.

Überprüfen Sie, ob Schutzgas-Linien an das System angeschlossen sind. Bereinigen Sie das System zu, und passen Sie den Fluss zu einem ursprünglichen Zustand.

Legen Sie die Grundlinie Parameter mit einer Probe Masse von Null. Geben Sie den Temperaturbereich und die Aufheizgeschwindigkeit. Lassen Sie das System bei 40 ° C für 10 min zu stabilisieren, um Offsets verursacht durch Unterschiede in den thermischen Eigenschaften der Probe und Referenz Pfannen zu vermeiden. Mit dem System stabilisiert kann die Grundlinie gemessen werden.

Als nächstes wird eine Referenzmessung mit einer Standardprobe zum Testen der Genauigkeit des Instruments durchgeführt. Öffnen Sie die Messeinheit zu, nachdem der Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt ist, und entfernen Sie die leere Probenschale. Lassen Sie die Referenz-Pfanne in das Instrument.

Wählen Sie eine Standardprobe mit bekannten thermodynamischen Eigenschaften im gewünschten Temperaturbereich, um die Genauigkeit des Instruments zu testen. Eine fein geschliffene synthetische Saphirscheibe wird als Standard verwendet, da die thermischen Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich gut gemeldet werden.

Wiegen Sie die Standardprobe mit einem hohen Präzisionswaage. Legen Sie den Standard in die Probenschale mit einer Pinzette. Achten Sie darauf, mit der gleichen Pfanne in der Baseline-Messung verwendet. Legen Sie die Pfanne in das Gerät und schließen Sie die Probenkammer. Ermöglichen Sie die Säuberung Gasstrom zu stabilisieren und den Standard auf Raumtemperatur zu stabilisieren. Geben Sie die Masse der Standardprobe und legen Sie das Heizprogramm, mit der gleichen Temperatur-Parameter für die Baseline-Messung verwendet. Dann mit beginnen Sie der Messung.

Die Handlung dieses Standardprobe kann verwendet werden, um die Genauigkeit des Instruments zu bewerten.

Nun, da die Grundlinie und Standardmessungen vorgenommen wurden, kann die Probe gemessen werden. Öffnen Sie die Messeinheit zu, nachdem der Ofen vollständig abgekühlt ist, und nehmen Sie die Referenzstichprobe aus der Pfanne. Reinigen Sie die Pfanne gründlich mit Alkohol, da es für die Probenmessung verwendet wird. Fügen Sie eine kleine Menge der Probe in die Pfanne. Pulverförmigen Feststoffen wie bei der Calciumcarbonat in diesem Beispiel, sicherstellen Sie, dass die Probe-Pulver auf den Boden der Pfanne gleichmäßig verteilt wird.

Als nächstes Wiegen der Probe und Pan. Die Masse sollte ähnlich wie die Standardprobe für Genauigkeit. Ausführen der Probenmessung mit dem genauen Probengewicht und identische Heizung-Parameter an die Grundlinie und die Standardmaße.

DSC-Daten präsentiert sich als ein Grundstück von Wärmestrom oder q gegen die Temperatur, auch genannt eine thermoanalytischen Kurve. Endotherme Veranstaltungen erscheinen als positive Eigenschaften, während exothermen Ereignisse als negative Eigenschaften angezeigt werden.

Wärmestrom durch die Aufheizgeschwindigkeit dividiert, gibt die Wärmekapazität. Wärmekapazität oder Cp, ist definiert als die Menge an Energie benötigt, um die Temperatur eines Stoffes um ein Grad Celsius zu erhöhen. Unter der Annahme konstanten Drucks, entspricht die Änderung der Enthalpie pro Grad die Wärmekapazität eines Materials. So erhält man die Enthalpieänderung durch Berechnung der Fläche unter der Kurve zwischen zwei Temperaturgrenzen. In diesem Beispiel wird die Enthalpie der Zersetzung von Calciumcarbonat, Calciumoxid oder Branntkalk, bilden mit der DSC analysiert. Dieser Prozess ist bekannt als Kalzinierung. Die Zersetzung von Calciumcarbonat tritt endothermically, wie die positive Spitze bei 853 Grad Celsius belegt. Die Enthalpie der Zersetzung des Kalziumkarbonats errechnet sich aus dem Bereich unter dem Gipfel und ist ca. 160 Kilojoule pro Mol. Der berechnete Wert per Gesetz Hesss war 178 Kilojoule pro Mol. Diskrepanzen zwischen der gemessenen und berechneten Werte können durch nicht-ideale Bedingungen und Messung Artefakte entstehen.

Enthalpie ist ein wichtiges Konzept in der Beschreibung Energiefluss in vielen verschiedenen Systemen, abgesehen von chemischen Reaktionen. Enthalpie kann auch verwendet werden, zu verstehen, Phasenumwandlungen in Materialien und Mischungen.

Polymere sind Materialien, die in den unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt. In diesem Beispiel wurden poröse Copolymer Strukturen aus Polystyrol, PS und polyvinyl Pyridin, P4VP, analysiert.

Enthalpieänderung beim Phasenübergang in jeder Polymerkomponente aufgetreten und war mit DSC visualisiert. Die Glasübergangstemperatur oder Tg, beschreibt den Punkt an dem eine amorphe Material Übergänge von einer starren glasigen Zustand zu einer viskosen Flüssigkeit Zustand, und erscheint als ein Grat im Scan.

Die Schmelztemperatur beschreibt den Punkt, an dem ein starres kristalline Material in einer viskosen Flüssigkeit Zustand übergeht, und wird als eine endotherme Peak visualisiert. In diesem Beispiel wurde die Schmelztemperatur für eine Polymerkomponente visualisiert.

DSC kann auch verwendet werden, Phasenübergänge in biologischen Proben zu analysieren. In diesem Beispiel wurde der Phasenübergang eine Zellsuspension analysiert, um die Gefriertrocknung Eigenschaften zu verstehen. Gefriertrocknung oder Lyophilisierung, wird gemeinhin für die langfristige Lagerung von biologischen Proben verwendet. Hier wurden Zellsuspensionen vorbereitet und eingefroren unter verschiedenen Bedingungen in der DSC-Instrument. Die gefrorenen Suspensionen wurden dann erhitzt und die Tg gemessen. Später wurden die Zellen mit Elektronenmikroskopie um festzustellen, welche Einfrieren Zustand befördert Zelle überleben analysiert. Ein Verständnis des Trocknungsprozesses Einfrieren über Phase Übergangstemperaturen hilft den Prozess anpassen, um Zelle Speicher zu verbessern. Enthalpie ist auch zur Mischbarkeit oder die Fähigkeit einer Mischung bilden eine homogene Lösung zu studieren. In diesem Beispiel wurden Mischungen von Protein mit DSC analysiert, um zu prüfen, die Mischbarkeit der verschiedenen Mischungen. Eine nicht mischbare Mischung kann mehrere Übergang Funktionen in einem DSC-Scan aufweisen, da jede Komponente separat einen Phasenübergang unterzogen werden. Während eine homogene Mischung ein Phase Übergang Merkmal aufweist.

Sie haben nur Jupiters Einführung in die Enthalpie mit Differential Scanning Kalorimetrie beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen, die Theorie der Enthalpie und DSC Verwendung um zu messen.

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