Verwendung der dynamischen Differenzkalorimetrie zur Messung von Enthalpieänderungen

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.

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.

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.

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.

Ein großen Anwendungsbereich des DSC ist die Glasübergangstemperatur (T_g) 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.

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