برای انجام آزمایش به کدام روش نیاز دارید؛ فلوریمتریک یا کالریمتریک؟! (قسمت اول)
یکی از روش‌های آزمایشگاهی است که در شیمی کاربرد فراوان دارد. در این روش با تعیین مقدار گرمای انتقال یافته از سامانه به محیط یا برعکس ویژگی‌های دیگر مواد را تعیین می‌کنند. از جمله کاربردهای کالری‌سنجی در تعیین ظرفیت گرمایی ویژه دمای گذار فاز تغییرات آنتالپی برای مواد معدنی یا آلی از جمله پلیمرهامی‌باشد.
تغییرات فیزیکی و شیمیایی همیشه باعث تغییر در انرژی سیستم می‌شود، این تغییرات انرژی معمولابه‌صورت انرژی گرمایی و در نهایت به‌صورت افزایش یا کاهش در دمای سیستم قابل مشاهده است. اندازه‌گیری این انرژی گرمایی در دستگاهی به نام کالریمتر انجام می‌شود. واژه کالریمتر از دو کلمه تشکیل شده که در لاتین کالر به معنی گرماست. کالریمتر دستگاهی است که برای گرما سنجی، اندازه گیری دمای واکنش‌های شیمیایی و تغییرات فیزیکی و همچنین ظرفیت گرمایی ویژه از آن استفاده می‌شود. کالریمترهای اسکن تفاضلی، کالریمترهای ایزوترمال (هم دما)، کالریمترهای سنجش حجمی (تیتراسیون) و کالریمترهای افزایش دهنده آهنگ واکنش از معمول‌ترین انواع کالریمترها هستند. کالریمترهای ساده تنها متشکل از یک دماسنج متصل به ظرف فلزی پر از آب است که در بالای محفظه احتراق قرار دارد. برای پیدا کردن آنتالپی تغییرات هر مول ماده A در واکنش با B، مایعات به داخل کالریمتر ریخته شده و دمای اولیه و پایانی (پس از پایان واکنش) را یادداشت می‌کنیم. ضرب تغییرات دما با جرم و ظرفیت گرمای ویژه مایع به ما میزان انرژی خارج شده در طول واکنش (با فرض گرمازا بودن واکنش) را می‌دهد. تقسیم تغییرات انرژی به تعداد مولها که در واکنش حضور داشتند به ما تغییرات آنتاپی واکنش را می‌دهد. از این شیوه در آموزشهای اولیه آکادمیک برای توصیف تئوری گرماسنجی استفاده می‌شود. میزان گرمایی که توسط محفظه از بین می‌رود و یا ظرفیت گرمای ترمومتر و محفظه آنرا در نظر نمی‌گیرند. به علاوه، شئ ای که در داخل کالریمتر قرار می‌گیرد انتقال گرمای شی به کالریمتر و به مایع، و گرمای جذب شده از کالریمتر و مایع برابر با گرمای داده شده از فلز است را نشان می‌دهد.
دو نوع گرماسنج که در شیمی و آزمایشگاه شیمی استفاده می‌شوند عبارتند از: گرماسنج لیوانی و گرماسنج بمبی. گرماسنج لیوانی برای اندازه گیری گرمای یک واکنش در فشار ثابت به‌کار برده می‌شود. این وسیله مخصوص واکنش‌هایی است که در محیط آبی انجام می‌شوند (حل شدن نمک‌ها، واکنش‌های اسید باز، تشکیل کمپلکس). اگر دمای این گرماسنج کاهش پیدا کند، یعنی واکنش گرماگیر بوده و اگر دمای این گرماسنج افزایش یابد یعنی واکنش گرماده بوده است. گرماسنج ليواني يک سامانه‌ي بسته به‌حساب مي‌آيد زيرا تبادل جرم ندارد اما عايق‌بندي آن به اندازه‌ي کافي نيست که هيچ تبادل انرژي با محيط صورت نگيرد. می‌توان بااستفاده از یک ظرف مناسب که با محیط بیرون گرما مبادله نکند یک گرماسنج ساده ساخت .این ظرف می تواند یک لیوان پلاستیکی باشد، که به آن گرماسنج لیوانی گویند.
یک نوع دیگر از گرماسنج ها گرماسنج بمبی است که برای اندازه گیری گرمای یک واکنش درحجم ثابت به کار برده می شود. این نوع گرماسنج برای اندازه گیری گرمای سوختن یک ماده به‌کار می‌رود. گرماسنج بمبي طوري ساخته شده است که عايق‌بندي کاملي براي آن صورت مي‌گيرد و تا حدود بسیار زیادی مي‌توان مطمئن شد که هيچ گرمايي از درون گرماسنج به محيط اطراف منتقل نمي شود. بنابراين مي توان گرماسنج بمبي را يک سامانه‌ي ايزوله به‌حساب آورد.
هر گاه بتوان واکنش را در آب یا محلول آبی انجام داد، از گرماسنج لیوانی استفاده می‌شود. مانند واکنش محلول سدیم هیدروکسید با محلول اسیدها، یا واکنش فلز منیزیم با اسیدها. در این گرماسنج تغییرات آنتالپی اندازه‌گیری می‌شود. اما اگر نتوان واکنشی را در محیط محلول انجام داد از گرماسنج بمبی استفاده می‌شود. در این گرماسنج تغییرات انرژی درونی اندازه‌گیری می‌شود، چون درب بمب گرماسنج بسته می‌شود و حجم ثابت است.
تكنيك كاليمتري اسكن تفاضلي يك تكنيك ترموآناليتيك است که در اين روش يك نمونه و يك مرجع هم‌زمان تحت گرمايش يا سرمايش قرارداده مي‌شود و ميزان اختلاف گرماي جاري‌شده از نمونه و مرجع توسط سنسورهاي حرارتي بسيار حساس اندازه‌گيري مي‌شود. لازم است كه علاوه بر نمونه مورد آزمايش يك مرجع (ظرف خالي از نمونه) نيز موجود باشد. در اين روش اختلاف گرمايي مورد نياز براي تغييرات دمايي يكسان در نمونه و مرجع به عنوان تابعي از دما ثبت و به‌صورت هم‌دما نگهداري مي‌شوند. زماني‌كه از اين تكنيك استفاده مي‌شود موارد زیر را مورد مطالعه قرار می‌دهد:
- اندازه‌گيري تاثيرات گرمازا و گرماده بر محيط
- با استفاده ازاندازه‌گيري سطح زيرپيك آنتالپي واكنش و يا حالت انتقالي، اندازه‌گيري اتفاق‌افتاده
- اندازه‌گيري دمايي را كه در آن پيك هاي مشخصي ظاهر مي‌شوند
- اندازه‌گيري ظرفيت گرمايي ويژه مواد
- دماي ذوب و آنتالپي ذوب شدن
- رفتار كريستالیزه‌شدن و عمل فوق سرمايش
- گزارهاي فاز جامد- جامد و بررسي جامدات چند فازي مواد آمورف
- واكنش‌هاي پيروليز و ديپليمريزه‌شدن
- واكنش‌هاي شيميايي نظير تخريب گرمايي و پليمريزاسيون
- انتالپي واكنش‌ها
- برسي سنتتيك واكنش‌ها و پيش‌بيني مرحله واكنش
- تخريب اكسيداسيوني و پايداري اكسيداسيوني
منابع:
- Carr, C.E., Reiling-Steffensmeier, C., Khutsishvili, I. and Marky, L.A., 2018. Unfolding thermodynamics of nucleic acids: Determining heat capacity effects using differential scanning calorimetry (DSC). In Differential Scanning Calorimetry: Basics and Applications (pp. 1-41). ..
- Nova Science Publishers, Inc. Skeggs, L.T., 1957. An automatic method for colorimetric analysis. American journal of clinical pathology, 28, pp.311-322.
- http://physic-ah.blogfa.com/post/13
