Kalorimetria termoanalizo

Kalorimetria termoanalizo aŭ diferenca skana kalorimetrio estas tekniko de termoanalizo, branĉo de fizika kemio por esplorado de materialoj. Aparato por kalorimetria termoanalizo kontinue mezuras la diferencon inter la varmo bezonata por (mal)varmigi specimenon kaj por (mal)varmigi inertan referencan materialon, kiel funkcio de temperaturo kaj tempo. Plej ofte oni programas la temperaturoregilon por ke la temperaturo de la specimeno kaj referenco pliiĝu aŭ malpliiĝu je konstanta rapido, do la specimeno kaj referenco estas proksimume je la sama temperaturo.Hanuš Landsperský, Metodoj de termoanalizo, Scienca Revuo, vol 33, n-ro 2, (140) 47-57, 1982

 Historio 
Kalorimetria termoanalizo estas simila al la pli malnova tekniko diferenca termoanalizo, per kiu oni same varmigas specimenon kaj referencon sed mezuras la temperaturdiferencon anstataŭ la energidiferencon. Ĝi havas similajn aplikaĵojn al kalorimetria termoanalizo sed ĝi ĝenerale estas malpli preciza, parte ĉar ĝia sentivo estas nelineara.

Kalorimetrian termoanalizon evoluigis la kompanio Perkin-Elmer, kiu unue publikigis ĝin en 1964.

 Aparato 
La aparato bezonas varmigiletojn apud la specimeno kaj apud la referenco. Kalorimetria termoanalizo limiĝas al maksimumo de ĉirkaŭ 750 °C pro la materialoj uzeblaj por la varmigiletoj kaj dratetoj. La aparato ankaŭ bezonas regilon por la hejtilo aŭ por malvarmigilo kaj registrilon por la rezultoj.

 Registri fazajn transformiĝojn 
Kiam fizika aŭ kemia transformiĝo okazas en la specimeno, pli aŭ malpli da energio estas bezonata de la specimeno por ke ties temperaturo daŭre estu sama al tiu de la referenco. Oni registras la diferencon inter la energio bezonata. Ekzemple, kiam solida specimeno fandiĝas, endoterma reakcio registriĝas, ĉar la specimeno bezonas ekstran energion por fandi ĝin. Se la specimeno kristaliĝas, eksoterma reakcio registriĝas, ĉar la specimeno eligas iometan energion. Aparatoj por kalorimetria termoanalizo estas ĝenerale tre sentivaj kaj povas detekti tre subtilajn reakciojn, ekzemple vitrajn transirojn. Tiel oni povas mezuri fandotemperaturon, temperaturon de faza transformiĝo kaj la entalpion de la reakcioj. En industrio oni povas tiel kontroli kvaliton de produktoj.Dean, John A. The Analytical Chemistry Handbook. New York. McGraw Hill, Inc. 1995. pp. 15.1–15.5Pungor, Erno. A Practical Guide to Instrumental Analysis. Boca Raton, Florida. 1995. pp. 181–191.Skoog, Douglas A., F. James Holler and Timothy Nieman. Principles of Instrumental Analysis. Fifth Edition. New York. 1998. pp. 905–908.

 Rezultaj kurboj 
La rezulto de eksperimento de kalorimetria termoanalizo estas kurbo de energifluo kontraŭ temperaturo (aŭ tempo). Pozitiva energifluo estas la rezulto de endoterma reakcio kaj tradicie oni grafikas ĝin kiel pozitivan bendon. Ĉar endoterma reakcio donas negativan temperaturan diferencon en diferenca termoanalizo, la bendo havas la kontraŭan senson. Tamen oni povas facile grafiki ĝin inverse.

Por kalkuli la entalpion de ĉiu reakcio, oni kalkulas la integralon de ĉiu bendo en la kurbo. Estas sciate ke la entalpio de transiro estas esprimebla per la ekvacio:

kie  estas la entalpio de reakcio,  estas la areo de la bendo, kaj  estas la kalorimetria konstanto. Tiu lasta varias laŭ la aparato uzata kaj oni povas kalibri ĝin per eksperimentoj je bone konataj specimenoj kun donita entalpio de reakcio., ekzemple uzante indion, kiu havas konvenan fandopunkton (156,634 °C) dum varmigo kaj dum malvarmigo.

 Aplikaĵoj 

Oni povas uzi kalorimetrian termoanalizon por mezuri diversajn atributojn de specimenoj, ekzemple fandiĝon, kristaliĝon, vitrajn faztransirojn, oksidiĝon.

Vitraj transiroj eble okazas kiam la temperaturo de amorfa substanco pliiĝas. Tia transiro aperas kiel ŝtupo en la bazlinio de la rezulta kurbo. Tion kaŭzas ŝanĝiĝo en la varmkapacito; nenia vera faza transiro okazas.

Dum la temperaturo pliiĝas, se amorfa specimeno kristaliĝas, eksoterma bendo aperas. Se ĝi fandiĝas, endoterma bendo aperas. Dum malvarmiĝo la eventualaj bendoj estas inversaj: eksoterma por solidiĝo. Tiu facileco mezuri transiran temperaturon kaj entalpion igas kalorimetrian termoanalizon konvena tekniko por produkti fazdiagramon por diversaj kemiaj sistemoj.

La tekniko estas vaste uzata por diversaj aplikaĵoj, kaj rutine por kontroli kvaliton kaj por esplorado.

 Likvaj kristaloj 
Kiam iuj substancoj transiras inter solida kaj likva fazoj, ili trairas alian staton, kiu havas trajtojn de ambaŭ fazoj. Tiu neizotropa stato nomiĝas likva kristalo aŭ mezomorfa stato. Per kalorimetria termoanalizo oni povas observi la etajn energiŝanĝiĝojn kiuj okazas kiam substanco transiras de solido al likva kristalo kaj de likva kristalo al likvo.

 Oksidiga stabileco 
Por studi la stabilecon de specimeno oni devas regi la gasojn ĉirkaŭ la specimeno. Unu metodo estas fluigi nitrogenon aŭ argonon ĉirkaŭ la specimeno dum oni varmigas ĝin al specifa temperaturo, tiam fluigi oksigenon ĉirkaŭ la specimeno. Eventuala oksidiĝo kaŭzas eksoterman bendon. Tia analizo utilas por konstati la optimuman konservan temperaturon.

 Medikamentoj 
En la farmacia industrio necesas mezuri la faztransirajn temperaturojn de kombinaĵoj por difini parametrojn de produkto. Ekzemple, se necesas produkti medikamenton en amorfa formo, estas preferate procesi ĝin je temperaturoj sub tiuj, je kiuj okazas kristaliĝo.

 Manĝaĵoj 
En la produktado de manĝaĵoj, interesas la dinamiko de akvo en la produktado. Ŝanĝoj pri la distribuo de akvo eble influas la teksturon de la produkto. Ankaŭ eblas studi la hardadon de frandaĵoj.

 Polimeroj 
La retiĝo de polimeraj molekuloj kiu okazas dum hardado estas eksoterma, kaj ties bendo ofte troviĝas post la vitra transiro.

Kalorimetria termoanalizo utilas por mezurila purecon de medikamentoj (kaj aliaj substancoj). La temperatura amplekso laŭ kiu fandiĝas miksaĵo de substancoj dependas de la proporcioj en la miksaĵo. Tiu efiko nomiĝas malleviĝo de solidiĝopunkto, kaj okazas kiam fremda substanco aldoniĝas al solvaĵo. Tial nepuraj substancoj donas plilarĝan bendon de fandiĝo kiu komenciĝas je malpli alta temperaturo ol por pura substanco.

Fandopunktoj kaj temperaturoj de vitraj transiroj troviĝas en la literaturo por multaj ordinaraj polimeroj, kaj kalorimetria termoanalizo povas montri eventualan dispolimeriĝon laŭ la malaltigo de fandopunkto, ekzemple. La fandopunkto dependas de la molekula maso de la polimero do plimalaltaj gradoj havas malpli altan fandopunton ol la atendita.

 Metaloj 
Kalorimetria termoanalizo ebligas konstrui fazdiagramojn por metaloj kaj alojoj. Diversaj faztransiroj estas mezureblaj, ekzemple grajnkreskado, delokiĝa moviĝo, ktp. Ankaŭ eblas mezuri la proporcion kristalan laŭ la varmo sorbita de la specimeno.

 Vidu ankaŭ 
 Termodinamiko

 Referencoj 

Kategorio:Termoanalizo
Kategorio:Materiala scienco
Kategorio:Kemia analizo