Im Fokus: Das Lösungskalorimeter

Thermochemische Analytik

Im Fokus: Das Lösungskalorimeter
Foto: Stefan Kiefer

Allgemeine Informationen

Die thermochemische Analytik am Lehrstuhl für Allgemeine und Angewandte Mineralogie umfasst ein Hochtemperaturkalorimeter, ein Lösungskalorimeter, ein DSC-Kalorimeter, ein Calvet-Kalorimeter sowie ein thermogravimetrisches Analysesystem.

Arbeit am HT-Kalorimeter Arbeit am HT-Kalorimeter Foto: Christoph Worsch (Universität Jena)

Ausstattung der thermochemischen Labore

Lösungskalorimeter Eintrag erweitern
IMC 4400 Lösungskalorimeter IMC 4400 Lösungskalorimeter Foto: Stefan Kiefer

Das Säure-Lösungs-Kalorimeter CSC-4400 ist ein kommerzielles Gerät der Firma Calorimetry Science Corporation. In unserem Labor arbeitet es bei 25 °C, obwohl es auch bei etwas höheren oder niedrigeren Temperaturen verwendet werden kann.

Durch eine Kombination aus externer Kühlung und interner Heizung wird im Kalorimeter ein massiver Block mit zwei Probenvertiefungen sehr genau auf 25 °C (Temperaturstabilität 0,0005 °C) gehalten. Das Kalorimeter wurde für Messungen mit sauren Lösungen modifiziert und optimiert. Das in unserem Labor verwendete Lösungsmittel ist meist 5 N HCl, wobei auch reines Wasser verwendet werden könnte. Die beim Auflösen einer Probe im kalorimetrischen Lösungsmittel erzeugte oder verbrauchte Wärme wird über den Wärmestrom zwischen den beiden Probenvertiefungen gemessen. Der minimal nachweisbare Wärmestrom beträgt 0,2 µW.

Üblicherweise werden Proben im Bereich von 1 mg gemessen, wobei auch kleinere Probenmengen gemessen werden könnten, sofern sie ausreichend große Wärmeeffekte erzeugen. Das Kalorimeter wird durch Auflösen von KCl in Wasser chemisch kalibriert. Der Kalibrierfaktor hat sich über Jahre hinweg als stabil erwiesen.

Hochtemperaturkalorimeter Eintrag erweitern

Unser Hochtemperatur-Kalorimeter ist ein selbstgebautes Tian-Calvet-Kalorimeter, das bei 700 °C betrieben wird. Der isotherme Block wird durch einen konzertierten Wärmeeintrag von mehreren flachen Heizelementen („pancake heaters“) auf konstanter Temperatur gehalten.

Das Kalorimeter ist mit zwei Probenvertiefungen ausgestattet und misst den Wärmestrom zwischen den beiden Vertiefungen. Es kann für sogenannte „Transposed-Temperature-Drop“ - Messungen verwendet werden. Bei dieser Art der Messung wird die Probe in einen leeren Tiegel, der sich im Gerät befindet, eingeworfen. Die in diesem Fall gemessene Größe ist der Wärmeinhalt zwischen 25 °C und 700 °C, zuzüglich eventueller Umwandlungsenthalpien.

Die häufigste Art der Experimente sind allerdings sogenannte „Drop Solution“ – Messungen, bei denen Oxidschmelzen, meist Natriummolybdat, als Lösungsmittel verwendet werden. Unser Kalorimeter ist auch für die aggressivere Bleiborat-Schmelze ausgerüstet. Das Kalorimeter wird mit Hilfe von Korund- oder Hämatit-Pellets chemisch kalibriert. Wegen der nicht perfekten Klimaanlage muss es täglich zusammen mit den Messungen kalibriert werden.

Hochtemperatur-Kalorimeter Hochtemperatur-Kalorimeter Foto: Christoph Worsch (Universität Jena)
DTA-Thermogravimetrie Eintrag erweitern
SETARAM TGA 92 SETARAM TGA 92 Foto: Stefan Kiefer

Die Differenzthermoanalytik und Thermogravimetrie ermöglicht zeitgleiche Messungen der thermischen und gravimetrischer Veränderungen in Materialien, bei äußeren Temperaturänderungen.

Das  Gerät  kommt sowohl in Praktika, als auch im Rahmen von Qualifikationsarbeiten und bei Forschungsprojekten zum Einsatz. Besonders bei letzterem ist die Koppelung mit den kalorimetrischen Untersuchungen häufig synergetisch. Der Messbereich liegt zwischen Raumtemperatur und 1600 °C. 

Die Kopplung beider Methoden erlaubt die Messung des Wassergehaltes, Beobachtung von Phasenübergängen, Zersetzungs- und Umwandlungsreaktionen sowie Abgabe flüchtiger Bestandteile.  

Calvet-Kalorimeter Eintrag erweitern
Calvet Kalorimeter Setaram C80 Calvet Kalorimeter Setaram C80 Foto: Setaram

Das Calvet-Kalorimeter C80 der Firma Setaram wurde im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts (Förderkennzeichen MA 3927/34-1) angeschafft und wird in Kürze Teil unserer Laborausstattung sein.

Hier geht es zur Meldung mit einigen Informationen zum neuen Kalorimeter.

Auszug aus der Nutzerordnung Eintrag erweitern

Im Auszug der Nutzerordung Kalorimeter [pdf, 840 kb] sind Ausstattungsinformationen, mögliche Entgelte sowie weitere Informationen enhalten.

Kontaktinformation für die Kalorimeter

Juraj Majzlan, Prof. Dr.
Juraj Majzlan

Kontaktinformation für die Thermogravimetrie

Birgit Kreher-Hartmann, Dr.
Birgit Kreher-Hartmann