Auswertung einer DSC

Auswertung einer DSC-Kurve (Christian Näther)
Versuch Nr. 7
Auswertung einer DSC-Kurve
Einleitung:
Sie haben bislang bereits die Thermogravimetrie (TG) und die Differenzthermoanalyse
(DTA) als wichtige thermische Analysenverfahren kennengelernt. Während bei der TG
Informationen über den Masseaustausch einer thermischen Reaktion gewonnen werden
können, liefert Ihnen die DTA Informationen zum Wärmeaustausch einer Probe mit ihrer
Umgebung.
Dabei werden die Temperaturen der thermischen Ereignisse erhalten sowie
Informationen darüber, ob diese endotherm oder exotherm verlaufen. Zur Bestimmung der
ausgetauschten Wärmemengen eignet sich die DTA jedoch nicht. Sie lernen daher in diesem
Versuch eine weiteres thermisches Analyseverfahren kennen, mit dem auch die Menge an
ausgetauschter Wärme gemessen werden kann.
Hierbei handelt es sich um die Die Dynamische Differenz-Kalorimetrie (DDK), meist als
DSC (Differential Scanning Calorimetry) bezeichnet, bei der s sich um eine Methode handelt,
bei der auftretende Wärmestromdifferenzen zwischen einer Probe und einer Vergleichsprobe
gemessen werden, während diese einem vorgegebenen Temperatur-Zeit-Pro-gramm
unterworfen werden.
Hierbei kann im Prinzip zwischen zwei verschiedenen Verfahren unterschieden werden. Bei
der dynamischen Wärmestrom-Differenzkalorimetrie handelt es sich bei dem Messsignal
genauso wie bei der DTA auch, um eine Temperaturdifferenz (Abbildung 1: links). Im
Gegensatz zur DTA besitzen diese Geräte jedoch eine definierte Wärmeleitstrecke zwischen
Probe und Referenzprobe, sodass diese für Wärmemengen kalibrierbar sind. In diesem Fall ist
die auftretende Temperaturdifferenz proportional zum Wärmestrom.
Bei der leistungskompensierten dynamischen Differenzkalorimetrie wird eine echte
Leistungsmessung durchgeführt, weswegen diese Geräte weitaus genauer und jedoch auch
weitaus teuer sind. Hier wird die Probe und die Referenzprobe jeweils durch eigene Öfen
unabhängig voneinander in der Weise geheizt, dass bei auftretenden thermischen Ereignissen
die Temperaturdifferen immer Null ist (Abbildung 1: rechts). Gemessen wird dann direkt die
zugeführte Energie.
Aufgrund des günstigeren Preises werden in der Praxis meist dynamische WärmestromDifferenzkalorimeter verwendet. Im Gegensatz zur Differenzthermoanalyse ist die
dynamische Differenzkalorimetrie weitaus empfindlicher, weswegen sich diese auch zur
Detektion sehr schwacher thermischer Ereignisse eignet.
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Auswertung einer DSC-Kurve (Christian Näther)
Abbildung 1: Dynamisches Wärmestrom-Differenzkalorimeter (links) sowie Dynamisches
Leistungskompensations-Differenzkalorimeter (rechts).
In letzter Zeit hat sich ein weiteres Verfahren etabliert, in dem modifizierte dynamische
Wärmestrom-Differenzkalorimeter verwendet werden. In der sog. modulierten dynamischen
Differenzkalorimetrie wird die Probe mit einer modulierten Heizrate erhitzt. Im Gegensatz zur
herkömmlichen DSC, kann bei diesem Verfahren recht einfach zwischen reversiblen und
irreversiblen Phänomenen unterschieden werden.
Zu den typischen Anwendungsgebieten der DSC gehören beispielsweise die Untersuchung
flüssigkristalliner Umwandlungen, die Untersuchung und Charakterisierung von Polymeren
oder Reinheitsbestimmungen.
In diesem Versuch sollen Sie eine vorgegebene DSC-Kurve auswerten. Dies beinhaltet die
Bestimmung der extrapolierten Onset-Temperatur (Te), der Peaktemperatur (Tp), der
übertragenen Wärmemenge sowie ob es sich um eine exotherme oder endotherme Reaktion
handelt. Die DSC-Kurve sowie die Ergebnisse der Auswertung sollen darüberhinaus kurz
beschrieben werden.
Literatur:
Internet-Vorlesung: Praktische Anwendungen thermischer Analysemethoden
http://www.uni-kiel.de/AnorgChemie/therm/therm1.htm
Lernziele:
Grundlagen der dynamischen Differenzkalorimetrie
Auswertung von DSC-Kurven.
Verwendete Programme:
DSC-Analysis von Netzsch
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Auswertung einer DSC-Kurve (Christian Näther)
Durchführung:
Starten Sie das Programm DSC-Analysis.
Erhalten Sie anschließend eine Fehlermeldung, dass das Programm nicht Ordnungsgemäß
verlassen wurde, ignorieren Sie diese und wählen die Option Nein.
Öffnen Sie die Ihnen zugewiesene Datei durch Ausführung des Befehls Öffnen im Menü
“Datei“.
Auf dem Bildschirm erscheint die DSC-Kurve ihrer zu untersuchenden Verbindung.
Abb. 1: Screen-Shot des Programms DSC-Analysis.
Da die Daten Zeitskaliert dargestellt, Sie jedoch an Temperaturen interessiert sind, wechseln
Sie in die Temperaturskalierung durch Wahl der Option X Temperatur im Menü
“Einstellungen”.
Bestimmen Sie zunächst die Peaktemperatur (Tp).
Aktivieren Sie hierzu die DSC-Kurve durch einen Mausklick und wählen Sie im Menü
“Auswertung“ den Befehl Peak.
Es erscheint ein Menü mit zwei senkrechten Linien, die Sie mit der linken Maustaste in der
Art verschieben müssen, dass sich der Peak den Sie auswerten möchten, genau zwischen den
beiden Linien befindet.
Starten Sie die Auswertung indem Sie mit dem Befehl Ok im Menü im rechten oberen
Bildschirmrand bestätigen. Die entsprechende Temperatur wird automatisch vom Programm
an den entsprechenden Peak angefügt. Überlappt diese Angabe mit der Kurve, können Sie
diese mit der Maus verschieben.
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Auswertung einer DSC-Kurve (Christian Näther)
Wiederholen Sie diese Prozedur so lange, bis alle Peaks ausgewertet sind und bestätigen Sie
am Ende mit dem Befehl ok.
Bestimmen Sie nun die extrapolierte Onsettemperatur (Te).
Wählen Sie hierzu die Option Onset im Menü “Auswertung“.
Dabei erscheint automatisch die 1. Ableitung der DSC-Kurve (grün eingefärbt) sowie zwei
senkrechte schwarze Balken.
Schieben Sie den linken Balken mit der Maus an eine Stelle der Basislinie, an der diese nach
rechts, d. h. in Richtung des DSC-Peaks noch eine Weile gerade verläuft.
Schieben Sie die rechte Gerade an eine Stelle die sich gerade links vom Peakmaximum
befindet.
Bestätigen Sie mit ok.
Abb. 2: Screen-Shot des Programms DSC-Analysis.
Anschließend wird automatisch die bestimmte Onsettemperatur sowie die zur Bestimmung
verwendeten Geraden angefügt (Abb. 3). Die linke Gerade sollte die Basislinie und die rechte
Gerade die linke Flanke des DSC-Peaks über einen gewissen bereich vernüftig beschreiben.
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Auswertung einer DSC-Kurve (Christian Näther)
Abb. 3: Screen-Shot des Programms DSC-Analysis.
Bestimmen Sie nun die Peakfläche unter der Kurve und damit die Wärmemenge, welche bei
diesem Vorgang ausgetauscht worden ist.
Wählien Sie hierzu die Option Peakfläche im Menü “Auswertung”. Verschieben Sie die
beiden senkrechten Gerade mit der Maus so, dass diese den Peak vollständig einschließen.
Achten Sie darauf, das die Basislinie an den Begrenzungen gerade verläuft (Abb. 4).
Abb. 4: Screen-Shot des Programms DSC-Analysis.
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Auswertung einer DSC-Kurve (Christian Näther)
Bestätigen Sie mit ok.
Angegeben wird der Wert in J/g. Für Ihr Protokoll müssen Sie diesen natürlich in kJ/mol
umrechnen.
Bestimmen Sie nun noch den Endpunkt des DSC-Peaks mit der Option Endpunkt... im Menü
”Auswertung”. Verschieben Sie die beiden senkrechten Gerade so, dass diese den Peak
einschließen und bestätigen Sie mit ok.
Damit ist Ihre Auswertung beendet. Möchten Sie eine der Auswertungen wiederholen und den
vorherigen Wert löschen, klicken Sie zweimal auf den enstprechenden Wert und wählen Sie
Entfernen.
Speichern Sie den Analysezustand in dem enstprechenden Verzeichnis mit dem Befehl
Analysenzustand speichern unter im Menü Datei.
Da das Programm über keine Option zumGrafikexport verfügt, wählen Sie die Option In
Zwischenabl. kopieren im Menü “Bearbeiten” und fügen Sie die Grafik in Ihr
Textverarbeitungsprogramm ein. Diese sollte wie folgt aussehen:
Protokoll:
1. Abbildung der DSC-Kurve, in der alle charakteristischen Temperaturen sowie alle
Wärmemengen enthalten sind.
2. Eine phänomenologische Beschreibung des thermischen Verhaltens Ihrer Verbindung
hinsichtlich
der
Anzahl
und
Art
der
auftretenden
thermischen
charakteristischen Temperaturen sowie der übertragenen Wärmemengen.
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Ereignisse,
der
Auswertung einer DSC-Kurve (Christian Näther)
Musterprotokoll
Versuch Nr.: 7
Auswertung einer DSC-Kurve
Verbindung: CuI(2-Ethylpyrazin)
DSC-Kurve von CuI(2-Ethylpyrazin) mit charakteristischen Daten.
Verbindung: CuI(2-Ethylpyrazin)
M(C6H8ClCuN2) = 207.1419 g/mol
Peaktemperatur (Tp): 218°C
Extraplolierte Onsettemperatur (Te): 196°C
Endtemperatur: 22°C
Wärmemenge (Tp): 65,4 kJ/mol
Beschreibung der DSC-Kurve:
Bla, Bla, Bla
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