CALORIMETRIA A SCANSIONE DIFFERENZIALE S.I.C.S.I. VIII Ciclo - II anno Indirizzo Scienze Naturali Corso di Laboratorio di Chimica Analitica Prof. Andini

Destinatari: alunni di un quinto anno I.T.I. Prerequisiti: fondamenti di termodinamica. Obiettivi: introdurre alle tecniche di analisi termica; individuare le temperature caratteristiche di una sostanza attraverso la lettura di un termogramma.

La calorimetria fa parte dell’insieme dei metodi di analisi termica TGA TMA CALORIMETRIA A SCANSIONE DIFFERENZIALE - DSC ANALISI TERMOGRAVIMETRICA - TGA ANALISI TERMOMECCANICA - TMA CALORIMETRIA A SCANSIONE DIFFERENZIALE - DSC

ANALISI TERMOGRAVIMETRICA (TGA) Consente un'analisi quantitativa della composizione di un campione in funzione di T; non consente di identificare la natura dei componenti, ma solo di misurare quanto peso viene perso dal campione ad una certa temperatura. ANALISI TERMOMECCANICA (TMA) Misura del comportamento di un campione a sollecitazioni meccaniche in funzione della temperatura.

IL DSC consente di studiare il comportamento di una sostanza all’aumentare (o al diminuire) di T  Trasformazioni fisiche (evaporazione, fusione, cristallizzazione, transizione vetrosa, transizioni di fase)  Trasformazioni chimiche (reazioni di decomposizione, di polimerizzazione, di reticolazione, di ossidazione)

Il DSC consente di valutare: variazione di T  La variazione di T prodotta in un campione sottoposto ad un flusso di calore. calore sviluppato  L’energia necessaria per compensare il calore sviluppato (o richiesto) nel corso di una specifica transizione, in funzione di T e dell’atmosfera (inerte o reattiva) in cui viene effettuata l’analisi.

Scambio di calore tra il nostro sistema e l’ambiente P costante a P costante CALORE E TEMPERATURA Processo endotermico Processo esotermico

Il DSC misura perciò la quantità di energia assorbita (processo endotermico) o rilasciata (processo esotermico) da un campione nel corso di un esperimento di riscaldamento/raffreddamento (processo non-isotermo) oppure nel corso di un esperimento condotto a T costante per un certo intervallo di tempo (processo isotermo).

In una camera di misura ci sono due crogioli, un crogiolo vuoto, detto “riferimento”, e un crogiolo con il campione. Ognicrogiolo è posto su una resistenza indipendente. Le resistenze controllano che il la differenza di temperatura tra i crogioli sia costante per tutto l'esperimento. Come funziona il DSC? Consideriamo un processo endotermico: il campione richiede maggior calore, cioè la sua resistenza deve fornire più calore rispetto a quella del riferimento: la quantità di calore in più che deve fornire è il parametro che viene misurato in un esperimento al DSC.

Campione TCTCTCTCTermocoppiaTermocoppia TRTRTRTR Riferimento Sistema di controllo della T differenziale (misura e regola automaticamente l’alimentazione di energia (Watt) al campione e al riferimento, in modo che  T = T C - T R = 0) 2 circuiti di riscaldamento indipendenti (sistema di controllo della differenza di energia fornita) W watt N2N2N2N2

Monitoraggio Asse x - Temperatura del campione cal/sec Asse y - Differenza di energia di alimentazione fornita alle due resistenze  W = W camp - W rif (Watt), o flusso di calore (cal/sec) Watt o cal/sec T (°C)

Quando il processo è endotermico entra in funzione la resistenza del campione  W = W camp - W rif > 0 Segnale positivo Quando il processo è esotermico entra in funzione la resistenza del riferimento  W < 0 Segnale negativo

Processo esotermico Processo endotermico Linea di base Termogramma di un polimero semicristallino

TRANSIZIONE VETROSA CRISTALLIZZAZIONE FUSIONE  T g : Temperatura di transizione vetrosa  T c : Temperatura di cristallizzazione  T f : Temperatura di fusione  T o : Temperatura di ossidazione  T d : Temperatura di decomposizione

 Intervallo di T: da -170°C a +730°C  Precisione: da ± 0.1 a ± 0.01°C  Velocità di scansione: da 0.01 a 500°C/min  Contenitori: Al o Au Strumentazione

 Industrie farmaceutiche, cosmetiche, tessili aerospaziali, alimentari  Industria di materiali polimerici (leghe, resine ed elastomeri) Dove si usa? Nel campo della ricerca, nel controllo qualità, per l’ottimizzazione di processi e analisi dei difetti