Diferenciální skenovací kalorimetrie

Transkript

1 Diferenciální skenovací kalorimetrie Podstatou kalorimetrie je měření tepla, které se uvolní nebo pohltí ve studovaném systému při určitém chemickém, fyzikálním nebo biologickém pochodu. Výsledkem měření jsou hodnoty termofyzikálních vlastností zkoumaného systému (vzorku) např. tepelné kapacity, tepelného obsahu aj. Hledisek ke klasifikaci různých typů kalorimetrů je celá řada. Podle účelu použití, způsobu temperace, konstrukčního řešení a podle podmínek, za kterých byly měřené hodnoty získány. Proto také existuje velké množství názvů kalorimetrů, často nazývaných ještě podle svého autora, k čemuž přistupují ještě potíže při použití správných českých názvoslovných ekvivalentů pro některé názvy, vžité v zahraničí (např. twin, scanning, drop calorimeters apod.). To vše má za následek značný zmatek v třídění, klasifikaci a názvech kalorimetrů. Pro naše základní měření postačí rozdělení kalorimetrů podle podmínek, za kterých pracují, na dva základní typy: izotermní a adiabatické. V izotermních kalorimetrech je veškeré uvolněné nebo spotřebované teplo odváděno, resp. převáděno a teplota během celého měření udržována konstantní. Odvedené teplo pak působí buď fázovou přeměnu čisté látky, nebo je kompenzováno elektricky (dotápěním Joulovým teplem nebo chlazením pomocí Peltierova efektu apod.). Naproti tomu v zařízeních adiabatických se veškeré teplo spotřebuje k ohřátí nebo ochlazení kalorimetru a jeho obsahu a měří se jeho změna teploty. Mimoto existuje ještě celá řada kalorimetrů s režimem, který je něčím mezi oběma základními typy. Pod termínem diferenční skenovací kalorimetrie (differential scanning calorimetry, DSC) se rozumí třída kalorimetrů, které jsou vybaveny dvěma měřícími pozicemi, z nichž jedna je referenční a druhá slouží ke studiu vzorku. Většina DSC přístrojů pracuje s navážkami v řádech jednotek až desítek miligramů. Měřenou veličinou je teplotní závislost tepla, nutného k ohřátí vzorku, tj vzorek je zpravidla studován v určitém rozsahu teplot, přičemž rychlost ohřevu je možno nastavit (včetně nulové rychlosti, tj. pro izotermní měření). Pracovní rozsah teplot je u většiny DSC přístrojů široký, při chlazení tekutým dusíkem to může být od cca -195 ºC (cca 78 K); nejvyšší pracovní teplota bývá často cca 750 ºC (1023 K). Výstupním signálem DSC je tepelný tok (heat flow), udávaný v mw. DSC lze rozdělit do dvou kategorií podle toho, jak je tepelný tok získáván. První kategorie zahrnuje kalorimetry, u kterých je každá z obou měřících pozic umístěna v separátní pícce. Příkon do každé z pícek je měněn tak, aby měly obě pícky stejnou teplotu a tepelný tok je dán rozdílem příkonů do jednotlivých pícek. Tato první kategorie je v literatuře označována jako power compensation DSC nebo dual furnace DSC Ve druhé kategorii jsou měřící i referenční pozice umístěny ve společné peci. Teplota je zpravidla měřena jednobodově (termočlánkem) v měřící i referenční pozici. Teplota měřící pozice, obsahující pánvičku se vzorkem, zaostává za teplotou pozice referenční, obsahující pouze prázdnou pánvičku. Naměřený rozdíl teplot je pomocí kalibrací převeden na tepelný tok. V literatuře je tento typ označován jako flat plate DSC nebo 1D sensor DSC. Je zřejmé, že přístroje z druhé kategorie jsou méně přesné, než kalorimetry s dvěma pecemi. Kalorimetr Perkin-Elmer DSC 8500 má dvě pícky a patří tedy do první kategorie (power compensation DSC) zatímco kalorimetr Perkin-Elmer DSC 4000 patří do kategorie druhé (flat plate).

2 1. Popis DSC kalorimetru PE DSC 8500 Diferenční skenovací kalorimetr PE DSC 8500 (viz obrázek níže) se skládá z následujících součástí: 1) Vlastní kalorimetr 2) Autosampler s krytem 3) Vnější chladící zařízení IntraCooler II 4) Spojovací potrubí 5) Tlaková láhev s proplachovacím plynem (dusík) 6) Počítač s ovládacím softwarem Pyris Manager

3 níže): Jednotka kalorimetru s nainstalovaným autosamplerem se dále skládá z (viz obrázek 1) Kalorimetrické pece ukrývající pod poklopem dvě kalorimetrické pícky 2) Pořadač autosampleru pro vzorky 3) Rameno autosampleru s vakuovým podavačem 4) Ruční vakuové manipulační pero 5) Základní ovládací a indikační prvky Cena přístroje je zhruba 2,5 milionu Kč a proto se k němu chovejte s náležitou opatrností!!! Důležité upozornění: hadice spojující chladící zařízení s kalorimetrem, je vzhledem k velmi nízké teplotě chladícího média, které jím protéká (< 90 C), velmi křehká. Této hadice se raději vůbec nedotýkejte!!! Z důvodu zabezpečení bezpečnosti přístroje je vyjma vyškoleného personálu zakázána jakákoli manipulace s průhledným krytem autosampleru!!! Ten bude pro účely posluchačských laboratoří zapečetěn. Přístroj byl spolu s kalorimetrem PE DSC 4000 zakoupen pro posluchačské laboratoře Fyzikální chemie z prostředků fondu Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace financovaného Evropským fondem pro regionální rozvoj a s přispěním VŠCHT Praha.

4 Příprava vzorků před měřením Před samotným zahájením měření je pro dosažení správných a přesných výsledků nutno věnovat náležitou pozornost přípravě a navažování vzorků. Při přípravě vzorku je třeba mít na paměti zásadní skutečnost, že vzorek je ohříván, či chlazen prostřednictvím kontaktu se dnem kalorimetrické pícky, v které je umístěn. Je potřeba zajistit dobrý tepelný kontakt mezi dnem pícky a vzorkem pánvičky s plochým dnem, roztavení vzorku před měřením pokud je to možné (rovnoměrný film), rovnoměrné rozmístění vzorku v pánvičce, upěchování vzorku. Důležité je též zajištění tenké vrstvy vzorku z důvodu jeho rovnoměrného zahřívání bez zbytečných teplotních gradientů. Dále je též nutno věnovat pozornost správné a přesné navážce vzorku, která se přímo promítá do intenzity různých termodynamických jevů. Obecně platí, že čím větší je hmotnost navážky, tím menší citlivosti přístroje dosáhneme. Pro navážky, které jsou obecně velmi malé, dále platí, že je nutno navažovat je s přesností na setiny mg. U vzorků také často hrozí, že během zahřívání budou sublimovat, či se budou odpařovat. Z tohoto důvodu je dobré používat hermetické pánvičky, které se uzavírají pomocí lisu. Výrobci kalorimetrů pro svá zařízení dodávají specifické typy pánviček a k nim též lisovací zařízení. Lis od Perkin Elmeru pro kalorimetrické hermetické hliníkové pánvičky zajišťuje, včetně opravdu hermetického uzavření, i oříznutí okrajů pánvičky tak, aby byla zajištěna přibližně shodná hmotnost všech výlisků (cca. 65 mg ± 2 mg => 3 % odchylka). Vzhledem k ceně hermetických hliníkových pánviček s víčky (130 Kč za kus) a ceně lisovací hlavice lisu ( Kč) budou veškeré vzorky již připraveny v autosampleru. Pouze při experimentální úloze č. 2.2 asistent předvede postup při zalisování vzorku a jeho vložení do autosampleru. Příprava kalorimetru před měřením - kalibrace Kalorimetr PE DSC 8500, stejně jako všechny ostatní DSC kalorimetry vyžaduje před započetím vlastních měření kalibraci, pravidelné kontroly a údržbu. Jedině tak je možné zajistit reprodukovatelnost měření a správnost získávaných výsledků. Pro účely posluchačských laboratoří se po studentech nebude požadovat provádět kalibrace, kontroly a údržbu. Bude však zkoumán vliv použití špatných, či žádných kalibrací. Při měření se používají teplotní rampy, kdy je vzorek ohříván, či ochlazován (málo časté) rovnoměrnou rychlostí. Během změny teploty pak dochází k detekci rozmanitých termodynamickým jevům. Abychom dostali výsledky neovlivněné různými rychlostmi změny teploty, tak je nutné mít pro každou rychlost ohřevu/chlazení nastavenou kalibraci, kdy kalibrační vzorky byly měřeny se stejnou rychlostí změny teploty jako při experimentu. Všechny výsledky pak odpovídají hodnotě při nulové rychlosti ohřevu a jsou pro daný vzorek vždy stejné.

5 2. Experimentální úlohy 2.1. Fázové přechody n-alkanů (heptacosan): vliv rychlosti ohřevu, vliv kalibrace Lineární nasycené alkany patří mezi neobyčejně zajímavou skupinu látek. Pokud vyneseme do grafu teploty tání n-alkanů se sudým počtem uhlíků, získáme poměrně hladkou křivku. Teploty tání n-alkanů s lichým počtem uhlíků leží pod touto křivkou: rozdíl zaniká až u n-alkanů s více jak 16 uhlíky. Ve srovnání s ostatními skupinami organických látek vykazují n-alkany mnohem menší míru podchlazení a byly proto navrženy pro kalibraci DSC kalorimetrů v režimu chlazení. Ještě zajímavější je ovšem počet fázových přechodů, které byly u této skupiny látek nalezeny bezprostředně pod jejich teplotou tání (viz obr. níže). U n-heptacosanu a n- nonakosanu jde dokonce o pět fázových přechodů v rozmezí necelých 20 Cm u n-trikosanu o čtyři přechody, ale u n-eikosanu nalezneme pouze jediný přechod (tání). Fázové přechody n-alkanů v závislosti na počtu uhlíkových atomů. Vzhledem k blízkosti jednotlivých přechodů bývá obtížné zaznamenat je klasickou DSC kalorimetrií všechny je nutno použít dostatečně nízkých rychlostí ohřevu. Stanovení je ještě obtížnější, je-li experiment prováděn s komerčně dostupnými vzorky, neboť i přes vysoké ceny je jejich čistota zřídkakdy výrazně lepší než 99 %.

6 Shrnutí pokusu: Měření provedeme za následujících podmínek, vytvoření dvou metod a sekvence pro toto měření je uvedeno ve video návodech Pánvičky: hermetické, hliníkové Vzorek: heptacosanu ( g/mol), XXX mg (zadáno asistentem) Pozice: upřesněno asistentem Doba pokusu: 1 h Teplotní režim 1. pokusu (kalibrace 2015_09_24_..._2.ds8c): o Počáteční teplota 75 C po dobu 5 min o Prudké ochlazení na 25 C o Izoterma po dobu 3 min o Ohřátí rychlostí 2 C/min na teplotu 75 C o End Condition: Hold (udržení teploty 75 C) Teplotní režim 2. pokusu (kalibrace 2015_10_06_..._20.ds8c): o Počáteční teplota 75 C po dobu 5 min o Prudké ochlazení na 25 C o Izoterma po dobu 3 min o Ohřátí rychlostí 20 C/min na teplotu 75 C o End Condition: Hold (75 C) Teplotní režim 3. pokusu (kalibrace 2015_09_09_NoCorrections_(Furnance_SmartScan).ds8c): o Viz metoda pro 2. pokus => není ji nutno tvořit znovu Postup při měření Vytvořte 2 metody pro uvedený vzorek (postup viz video návod: 01_PE_DSC8500_...mp4 a 02_PE_DSC8500_...mp4) a uložte je pod názvem 85_dsc_SCAN+75+25_(CB, H2).ds8m a 85_dsc_SCAN+75+25_(CB, H20).ds8m do adresáře /data/studenti_laboratore/methods/. Po vytvoření metody vytvořte sekvenci (viz video návod 03_...mp4). Pozici referenční pánvičky zvolte H10 a pro pozici vzorku zvolte pozici zadanou asistentem. Po vložení metod doplňte hmotnost vzorku a informace pro uložení výsledků (cesta: /data/studenti_laboratore/; název: 85xxxx_C27_SCAN+70+25_(CB_H2)_061015calH2.ds8d, 85xxx+1_C27_SCAN+70+25_(CB_H20)_061015calH20.ds8d, 85xxx+2_C27_SCAN+70+25_(CB_H20)_NoCalibration.ds8d, kde xxxx zastupují pořadí experimentu a xxx+1 a xxx+2 inkrement pořadí o 1 a 2 (zadá asistent)). Sekvenci uložte (/data/studenti_laboratore/players/85_dsc_c27.ds8s) a po kontrole asistentem spusťte. Během běhu pokusu si prostudujte video návod 04_PE_DSC8500.mp4 pro analýzu C27 a vyzkoušejte si vyhodnotit data: data/studenti_laboratore/ /85xxxx_C27_SCAN+70+25_(CB_H20)_061015calH2.ds8d (neukládat, či uložit do /Data_eddited/).

7 Vyhodnocení získaných dat Analyzujte výsledky (vyhodnoťte plochy píků a jejich nástupy) získané za různých podmínek. Pro první výsledek 85xxxx_...ds8d je postup analýzy ukázán ve video návodu 04_...mp4, data pak uložte pod stejným názvem do /data/studenti_laboratore/data_eddited/. Vyhodnocené údaje pro všechny 3 záznamy zaznamenejte do listu C27 excelovského souboru DSC8500_Vysledky.xlsx nacházející se v adresáři /data/studenti_laboratore/data_eddited/. Též vytiskněte 3 vytvořené reporty. Vykreslená data po analýze by měla vypadat následovně. C27 při rychlosti ohřevu 2 C/min s kalibrací na tuto rychlost C27 při rychlosti ohřevu 20 C/min s kalibrací pro tuto rychlost (stejný vzhled i pro 3. pokus, jen hodnoty tam budou odlišné)

8 2.2. Stanovení termodynamických jevů doprovázejících tavení benzophenonu: sledování stabilní a metastabilní tuhé fáze Při měření fázových přechodů se můžeme setkat se dvěma druhy přechodů, vratnými (enantiometrickými) a nevratnými (monotropickými), jak je schematicky uvedeno na obrázcích níže. Na levém obrázku je enantiometrický vratný endotermický přechod z fáze α na fázi β (a následně do kapaliny). Na pravém obrázku je fáze β metastabilní, pokud by došlo k přechodu na stabilní fázi α, děj by byl exotermní a nevratný. Metastabilní fázi β lze získat pouze z fáze kapalné, zpravidla jejím rychlým ochlazením. Situace může jít dokonce tak daleko, že při prvním, druhém, třetím, ohřevu, kde mezi ohřevy je ochlazení zpět, obdržíte vždy jiný záznam s rozdílnými termodynamickými jevy. Takovéto vzorky je pak pro sledování určitých jevů velmi obtížné reprodukovatelně měřit. Je nutno využívat komplikovanější teplotní programy a pro určení reprodukovatelnosti je potřeba vždy připravit nový vzorek. V případě benzofenonu dochází k nepříliš obvyklému jevu, kdy chlazením kapaliny je zpravidla získána metastabilní fáze. Ten při prvním ohřevu nově připraveného vzorku taje při zhruba 50 C (tání pevné α-fáze), po ochlazení a opětovném ohřevu ale častěji taje už při zhruba 25 C (tání pevné β-fáze). Tání obou fází se ale neliší jen v teplotách tání, ale i v entalpii fázového přechodu. To, do které fáze se při chlazení kapalného vzorku dostaneme, není možno predikovat, statisticky je ovšem vytvoření metastabilní fáze častější. Pro účely této úlohy bude asistentem demonstrováno zalisování vzorku benzophenonu do hermetické hliníkové pánvičky a její vložení do pořadače autosampleru.

9 Shrnutí pokusu Měření provedeme za následujících podmínek: Pánvičky: hermetické, hliníkové Vzorek: Benzophenon (182,22 g/mol), XXX mg (zadáno asistentem) Pozice: upřesněno asistentem Doba pokusu: 90 min Teplotní režim (kalibrace 2015_09_24_..._5.ds8c): o Izoterma při 30 C po dobu 1 min o Pokus č. 1: ohřev na 60 C rychlostí 5 C/min o Izoterma 1 min o Okamžité ochlazení na -35 C o Izoterma 5 min o Pokus č.2: ohřev na 60 C rychlostí 5 C/min a izoterma 1 min o Ochlazení na -35 C rychlostí 20 C/min a 2 min izoterma o Pokus č. 3: viz pokus č. 2 a izoterma 1 min o Ochlazení na -35 C rychlostí 20 C/min a 2 min izoterma o Pokus č. 4: viz pokus č. 2 bez izotermy Postup při měření Vytvořte metodu pro uvedený vzorek (obdobně jako pro C27) a uložte je pod názvem 85_dsc_SCAN+30+60_(H5_CB )_-35+60_(H5_C20_H5_C20_H5).ds8m do adresáře /data/studenti_laboratore/methods/. Po vytvoření metody vytvořte sekvenci (obdobně jako pro C27). Pozici referenční pánvičky zvolte H10 a pro pozici vzorku vyberte pozici zadanou asistentem. Po vložení metody doplňte hmotnost vzorku a informace pro uložení výsledků ( cesta: /data/studenti_laboratore/; název: 85xxxx_BPH_SCAN+30+60_(H5_CB)_-30+60_(H5_C20_H5)_240915calH5.ds8d, kde xxxx zastupují pořadí experimentu a xxx+1 a xxx+2 inkrement pořadí o 1 a 2 (zadá asistent)). Sekvenci uložte (/data/studenti_laboratore/players/85_dsc_benzophenon.ds8s) a po kontrole asistentem spusťte. Během běhu pokusu analyzujte C27 a případně si prostudujte video návod 05_PE_DSC8500.mp4 pro analýzu benzophenonu. Vyhodnocení získaných dat Analyzujte výsledky (při ohřevu vyhodnoťte plochy píků a jejich nástupy) získané za různých podmínek. Pro benzophenon je postup analýzy ukázán ve video návodu 05_...mp4. Data po analýze pak uložte pod stejným názvem do /data/studenti_laboratore/data_eddited/. Vyhodnocené údaje zaznamenejte do listu BPH excelovského souboru DSC8500_Vysledky.xlsx nacházející se v adresáři /data/studenti_laboratore/data_eddited/. Též vytiskněte report.

10 2.3. Stanovení rozlišovací schopnosti kalorimetru: 4,4 - azoxyanisol Pod pojmem rozlišovací schopnost kalorimetru (Resolution) zde rozumíme schopnost kalorimetru detekovat tepelné jevy, které jsou v úzkém teplotním intervalu. Nizozemská kalorimetrická společnost TAWN navrhla pro tento typ testování dva fázové přechody 4,4 -azoxyanosolu (TAWN test for measuring resolution and sensitivity of DSCs [1]). Tato látka taje při 117 C za vzniku kapalných krystalů. Při teplotě 134 C dochází ke vzniku izotropní kapaliny. Rozlišovací schopnost závisí (kromě vlivu samotného kalorimetru) na hmotnosti vzorku, rychlosti ohřevu a na použitých pánvičkách. Aby bylo možno srovnat výsledky z různých kalorimetrů, je hmotnost vzorku a rychlost ohřevu předepsána. Test je však nutno provádět pro každý typ pánviček zvlášť. Mimo vlastní stanovení rozlišovací schopnosti kalorimetru, které bude provedeno v rámci 1. pokusu, bude při druhém pokusu sledován vliv snížení rychlosti ohřevu při zachování kalibrace na vyšší rychlost. Vzhledem ke skutečnosti, že prováděné měření neslouží k opravdovému měření spolehlivosti, tak bude použita nepředepsaná hmotnost vzorku. Shrnutí pokusu Měření provedeme za následujících podmínek: Pánvičky: hermetické, hliníkové Vzorek: 4,4 -azoxyanisol ( g/mol), XXX mg (zadáno asistentem) Pozice: zadáno asistentem Doba pokusu: 1 h Teplotní režim (kalibrace 2015_10_6_..._20.ds8c): o Roztavení vzorku před vlastním pokusem (5 minut při 145 C) o Chlazení rychlostí 20 C/min na teplotu 50 C o Izoterma po dobu 1 min o Vlastní pokus č. 1: ohřev rychlostí 20 C/min na teplotu 165 C o Izoterma po dobu 1 min o Chlazení rychlostí 20 C/min na teplotu 50 C o Izoterma po dobu 1 min o Vlastní pokus č. 2: ohřev rychlostí 5 C/min na teplotu 165 C Postup při měření Vytvořte metodu pro uvedený vzorek (postup viz video návod 01.mp4 pro C27) a uložte ji pod názvem 85_dsc_SCAN _20_ _(H20_C20_H5).ds8m do adresáře /data/studenti_laboratore/methods/. Po vytvoření metody vytvořte sekvenci (obdobně jako pro C27). Pozici referenční pánvičky zvolte H10 a pro pozici vzorku zvolte umístění zadané asistentem. Po vložení metody doplňte hmotnost vzorku a informace pro uložení výsledků ( cesta: /data/studenti_laboratore/; název: 85xxxx_44AA_SCAN _20_ _(H20_C20_H5)_061015calH5).

11 Sekvenci uložte (/data/studenti_laboratore/players/85_dsc_44aa.ds8s) a po kontrole asistentem spusťte. Během běhu pokusu vyhodnocujte nevyhodnocená měření a případně si prostudujte video návod 06_PE_DSC8500.mp4 pro analýzu 4,4 -azoxyanisolu. Vyhodnocení získaných dat Aby bylo možno snadno porovnat výsledky tohoto testu pro různé kalorimetry (nebo různé pánvičky), doporučují autoři vyhodnocovat obrázek při rozsahu os, kde je na ose x rozsah 100 C až 150 C a na ose y tepelný tok v rozsahu 10 mw (viz obrázky níže). Stanovení A a B při ohřevu rychlostí 20 C/min s kalibrací pro tutéž rychlost Stanovení A a B při ohřevu rychlostí 5 C/min s kalibrací pro 20 C/min

12 Na obrázku vyhodnoťte (viz video návod 06.mp4): A: rozdíl mezi hodnotami tepelného toku při 100 C a v sedle (minimální rozdíl mezi hodnotou v sedle a k ní kolmým bodem na přímce vedené ze 100 C) mezi oběma přechody jak pro ohřev 20 C/min, tak pro ohřev 5 C/min B: rozdíl mezi hodnotami tepelného toku při 100 C a v minimu druhého fázového přechodu jak pro ohřev 20 C/min, tak pro ohřev 5 C/min Podíl A/B udává rozlišovací schopnost přístroje (čím menší je tento podíl, tím je rozlišovací schopnost větší). Vyhodnoťte též plochy píků a jejich nástup (viz obrázek výše). Veškeré výsledky pro dvě různé rychlosti ohřevu při použití jedné kalibrace (ohřev 20 C/min) zapište do excelovského souboru DSC8500_Vysledky.xlsx. [1] Van Ekeren P.J., Holl C.M., Witteveen A.J. a comparative test of differential scanning calorimeters, J.Therm.Anal.Calorimetry 49(1997)