Differenzial, calorimetry oder DSC scannend, sind eine thermoanalytical Technik, in der der Unterschied im Betrag der Hitze, die erforderlich ist, die Temperatur einer Probe und Verweisung zu vergrößern, als eine Funktion der Temperatur gemessen wird. Sowohl die Probe als auch Verweisung werden bei fast derselben Temperatur während des Experimentes aufrechterhalten. Allgemein wird das Temperaturprogramm für eine DSC Analyse solch entworfen, dass die Beispielhalter-Temperatur geradlinig als eine Funktion der Zeit zunimmt. Die Bezugsprobe sollte eine bestimmte Hitzekapazität über die Reihe von zu scannenden Temperaturen haben.

Die Technik wurde von E.S. Watson und M.J. O'Neill 1962 entwickelt, und gewerblich in 1963 Pittsburger Konferenz für die Analytische Chemie und Angewandte Spektroskopie eingeführt. Der erste adiabatische Differenzialabtastungswärmemengenzähler, der in der Biochemie verwendet werden konnte, wurde von P.L. Privalov und D.R. Monaselidze 1964 entwickelt. Der Begriff DSC wurde ins Leben gerufen, um dieses Instrument zu beschreiben, das Energie direkt misst und genaue Maße der Hitzekapazität erlaubt.

Entdeckung von Phase-Übergängen

Das Kernprinzip, das dieser Technik unterliegt, ist, dass, wenn die Probe eine physische Transformation wie Phase-Übergänge mehr oder weniger erlebt, zu heizen darin wird fließen müssen als die Verweisung, um beide bei derselben Temperatur zu unterstützen. Entweder weniger oder mehr Hitze muss in die Probe fließen hängt ab, ob der Prozess exothermic oder endothermic ist. Zum Beispiel, weil eine feste Probe zu einer Flüssigkeit schmilzt, wird sie verlangen, dass mehr Hitze, die in die Probe fließt seine Temperatur an derselben Rate wie die Verweisung vergrößert. Das ist wegen der Absorption der Hitze durch die Probe, weil es den endothermic Phase-Übergang vom festen bis Flüssigkeit erlebt. Ebenfalls, weil die Probe exotherme Prozesse erlebt (wie Kristallisierung) ist weniger Hitze erforderlich, die Beispieltemperatur zu erheben. Durch das Beobachten des Unterschieds im Hitzefluss zwischen der Probe und Verweisung sind Differenzialabtastungswärmemengenzähler im Stande, den Betrag der Hitze zu messen, die absorbiert oder während solcher Übergänge veröffentlicht ist. DSC kann auch verwendet werden, um feinere Phase-Änderungen wie Glasübergänge zu beobachten. Es wird in Industrieeinstellungen als ein Qualitätskontrollinstrument wegen seiner Anwendbarkeit im Auswerten der Beispielreinheit weit verwendet und um das Polymer-Kurieren zu studieren.

DTA

Eine alternative Technik, die sich viel genau wie DSC teilt, ist Differenzialthermalanalyse (DTA). In dieser Technik ist es der Hitzefluss zur Probe und Verweisung, die dasselbe aber nicht die Temperatur bleibt. Wenn die Probe und Verweisung identisch geheizt werden, verursachen Phase-Änderungen und andere Thermalprozesse einen Unterschied in der Temperatur zwischen der Probe und Verweisung. Sowohl DSC als auch DTA geben ähnliche Auskunft. DSC misst die Energie, die erforderlich ist, sowohl die Verweisung als auch die Probe bei derselben Temperatur zu behalten, wohingegen DTA den Unterschied in der Temperatur zwischen der Probe und der Verweisung misst, wenn sie beide unter derselben Hitze gestellt werden.

DSC Kurven

Das Ergebnis eines DSC-Experimentes ist eine Kurve des Hitzeflusses gegen die Temperatur oder gegen die Zeit. Es gibt zwei verschiedene Vereinbarung: Exothermic-Reaktionen in der Probe, die mit einer positiven oder negativen Spitze abhängig von der Art der Technologie gezeigt ist, im Experiment verwendet. Diese Kurve kann verwendet werden, um enthalpies von Übergängen zu berechnen. Das wird durch die Integrierung der Spitze entsprechend einem gegebenen Übergang getan. Es kann gezeigt werden, dass der enthalpy des Übergangs mit der folgenden Gleichung ausgedrückt werden kann:

wo der enthalpy des Übergangs ist, die calorimetrische Konstante ist, und das Gebiet unter der Kurve ist. Die calorimetrische Konstante wird sich vom Instrument bis Instrument ändern, und kann durch das Analysieren einer gut charakterisierten Probe mit bekanntem enthalpies des Übergangs bestimmt werden.

Anwendungen

Differenzial, calorimetry scannend, kann verwendet werden, um mehrere charakteristische Eigenschaften einer Probe zu messen. Mit dieser Technik ist es möglich, Fusion und Kristallisierungsereignisse sowie Glasübergangstemperaturen T zu beobachten. DSC kann auch verwendet werden, um Oxydation, sowie andere chemische Reaktionen zu studieren.

Glasübergänge können vorkommen, weil die Temperatur eines amorphen Festkörpers vergrößert wird. Diese Übergänge erscheinen als ein Schritt in der Grundlinie des registrierten DSC-Signals. Das ist wegen der Probe, die eine Änderung in der Hitzekapazität erlebt; keine formelle Phase-Änderung kommt vor.

Als die Temperatur zunimmt, wird ein amorpher Festkörper weniger klebrig werden. An einem Punkt können die Moleküle genug Freiheit der Bewegung erhalten, sich in eine kristallene Form spontan einzuordnen. Das ist als die Kristallisierungstemperatur (T) bekannt. Dieser Übergang vom amorphen Festkörper bis kristallenen Festkörper ist ein exothermer Prozess, und läuft auf eine Spitze auf das DSC-Signal hinaus. Als die Temperatur zunimmt, erreicht die Probe schließlich seine schmelzende Temperatur (T). Der schmelzende Prozess läuft auf eine Endothermic-Spitze auf die DSC-Kurve hinaus. Die Fähigkeit, Übergangstemperaturen und enthalpies zu bestimmen, macht DSC ein wertvolles Werkzeug im Produzieren von Phase-Diagrammen für verschiedene chemische Systeme.

Beispiele

Die Technik wird über eine Reihe von Anwendungen sowohl als eine alltägliche Qualitätsprüfung als auch als ein Forschungswerkzeug weit verwendet. Die Ausrüstung ist leicht, mit dem niedrigen schmelzenden Indium an 156.5985 °C zum Beispiel zu kalibrieren, und ist eine schnelle und zuverlässige Methode der Thermalanalyse.

Polymer

DSC wird weit verwendet, um Polymer zu untersuchen, um ihre Zusammensetzung zu überprüfen. Schmelzpunkte und Glasübergangstemperaturen für die meisten Polymer sind von Standardkompilationen verfügbar, und die Methode kann mögliche Polymer-Degradierung durch das Senken des erwarteten Schmelzpunkts, T zum Beispiel zeigen. T hängt vom Molekulargewicht des Polymers ab, so niedrigere Ränge werden niedrigere Schmelzpunkte haben als erwartet. Der Prozentsatz crystallinity eines Polymers kann von der Kristallisierungsspitze des DSC Graphen gefunden werden, da die Schmelzwärme vom Gebiet unter einer Absorptionsspitze berechnet werden kann. DSC kann auch verwendet werden, um Thermaldegradierung von Polymern zu studieren.

Unreinheiten in Polymern können durch das Überprüfen thermograms für anomale Spitzen bestimmt werden, und Weichmacher können an ihren charakteristischen Siedepunkten entdeckt werden.

Flüssige Kristalle

DSC wird in der Studie von flüssigen Kristallen verwendet. Als einige Formen der Sache vom festen bis Flüssigkeit gehen, gehen sie einen dritten Staat durch, der Eigenschaften von beiden Phasen zeigt. Diese anisotropic Flüssigkeit ist als eine Flüssigkeit kristallen oder Mesomorphous-Staat bekannt. Mit DSC ist es möglich, die kleinen Energieänderungen zu beobachten, die als Sache-Übergänge von einem Festkörper bis einen flüssigen Kristall und von einem flüssigen Kristall bis eine isotropische Flüssigkeit vorkommen.

Stabilität von Oxidative

Das Verwenden des Differenzials, calorimetry scannend, um die Stabilität zur Oxydation von Proben zu studieren, verlangt allgemein einen luftdichten Beispielraum. Gewöhnlich werden solche Tests isothermisch (bei der unveränderlichen Temperatur) durch das Ändern der Atmosphäre der Probe getan. Erstens wird die Probe zur gewünschten Testtemperatur unter einer trägen Atmosphäre, gewöhnlich Stickstoff gebracht. Dann wird Sauerstoff zum System hinzugefügt. Jede Oxydation, die vorkommt, wird als eine Abweichung in der Grundlinie beobachtet. Solche Analyse kann verwendet werden, um die Stabilität und optimalen Lagerungsbedingungen für ein Material oder Zusammensetzung zu bestimmen.

Sicherheitsabschirmung

DSC macht ein angemessenes anfängliches Sicherheitsabschirmungswerkzeug. In dieser Weise wird die Probe in einem phasenfreien Schmelztiegel aufgenommen (häufig Gold, oder Gold hat Stahl gepanzert), und der im Stande sein wird, Druck (normalerweise bis zu 100 Bar) zu widerstehen. Die Anwesenheit eines exothermic Ereignisses kann dann verwendet werden, um die Stabilität einer Substanz zu bewerten, um zu heizen. Jedoch, wegen einer Kombination der relativ schlechten Empfindlichkeit, langsamer als normale Ansehen-Raten (normalerweise 2-3 ° / Minute - wegen des viel schwereren Schmelztiegels) und unbekannte Aktivierungsenergie, ist es notwendig, ungefähr 75-100 °C vom Anstoß des beobachteten exotherm abzuziehen, um eine maximale Temperatur für das Material anzudeuten. Eine viel genauere Datei kann bei einem adiabatischen Wärmemengenzähler erhalten werden, aber solch ein Test kann 2-3 Tage vom umgebenden an einer Rate einer 3 °C-Zunahme pro halbe Stunde nehmen.

Rauschgift-Analyse

DSC wird im Arzneimittel und den Polymer-Industrien weit verwendet. Für den Polymer-Chemiker ist DSC ein handliches Werkzeug, um Kurieren-Prozesse zu studieren, der die feine Einstimmung von Polymer-Eigenschaften erlaubt. Die Quer-Verbindung von Polymer-Molekülen, die im Kurieren-Prozess vorkommt, ist exothermic, auf eine positive Spitze auf die DSC-Kurve hinauslaufend, die gewöhnlich bald nach dem Glasübergang erscheint.

In der pharmazeutischen Industrie ist es notwendig, Rauschgift-Zusammensetzungen gut charakterisiert zu haben, um in einer Prozession gehende Rahmen zu definieren. Zum Beispiel, wenn es notwendig ist, ein Rauschgift in der amorphen Form zu liefern, ist es wünschenswert, das Rauschgift bei Temperaturen unter denjenigen zu bearbeiten, an denen Kristallisierung vorkommen kann.

Allgemeine chemische Analyse

Gefrierpunkt-Depression kann als ein Reinheitsanalyse-Werkzeug, wenn analysiert, durch das Differenzial verwendet werden, calorimetry scannend. Das ist möglich, weil die Temperaturreihe, über die eine Mischung von Zusammensetzungen schmilzt, von ihren Verhältnisbeträgen abhängig ist. Folglich werden weniger reine Zusammensetzungen eine verbreiterte schmelzende Spitze ausstellen, die bei der niedrigeren Temperatur beginnt als eine reine Zusammensetzung.

Siehe auch

• Chemische Thermodynamik
• Calorimetry
• Endothermic
• Exothermic
• Forensische Technik
• Forensische Polymer-Technik
• Glasübergangstemperatur
• Phase-Übergänge
• Polymer

Links

• www.pslc.ws/macrog/dsc.htm Differenzial, Calorimetry Information vom Polymer-Wissenschaftslernzentrum Scannend

Bibliografie

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