ГЛАВА 9
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ
МИКРОКАЛОРИМЕТРИЯ
9.1. История развития.
Различные физические, химические и биологические процессы сопровождаются во многих случаях выделением или поглощением определенных количеств теплоты, для измерения которых служат специальные приборы — калориметры. Первый прибор такого типа, предназначенный для измерения удельной теплоемкости веществ, сконструировали французские ученые А. Лавуазье и П. Лаплас в 1780 г. Они назвали свой прибор калориметром [25].
Долгое время в качестве чувствительного элемента калориметра использовались воздушные и газовые термометры, чувствительность которых была невелика. Значительно повысить чувствительность калориметрического прибора удалось в 1869 г. австрийскому физику Л. Пфаундлеру, который применил в калориметрии термоэлектрический метод измерения температур [64].
Особо интенсивное развитие термоэлектрическая калориметрия получила в начале XX в. К этому периоду относятся, например, работы П. Кюри и А. Лаборда (1903 г.), Л. Холборна, Л. Остина (1905 г.), В. Атвотера и Ф. Бенедикта (1905 г.), Э. Лехера (1906 г.), Геннинга (1907 г.), Тибаута (1910 г.) [23, 40, 50, 59]. Кюри и Лаборд, в частности, сконструировали так называемый двойной калориметр с двумя калориметрическими сосудами, исследуемый тепловой эффект в одном из которых уравновешивался электронагревом в другом. Лехер использовал термоэлектрический калориметр для измерения коэффициента Пельтье. В 1910 г. немецкие физики В. Нернст и Ф. Линдеман сконструировали калориметр, предназначенный для измерения удельной теплоемкости в области низких температур. Он был выполнен в виде небольшого теплоизолированного медного блока, температура внутренней оболочки которого контролировалась батареей из 10 железо-константановых термопар. В 1913 г. это устройство было усовершенствовано А. Магнусом. Калориметрическая установка Магнуса содержала массивный медный блок, заключенный в сосуд Дьюара, который, в свою очередь, был подвешен в цинковом сосуде со свинцовым дном. Емкость калориметра Магнуса в 50 раз превышала емкость прибора Нернста—Линдемана, причем конструкция, предложенная Магнусом, обеспечивала значительное снижение тепловых потерь, что повышало точность измерений удельной теплоемкости [57].
Следует отметить, что совершенствование калориметрического метода Нернста по определению удельной теплоемкости осуществили также в конце 20-х годов советские физики С. Амосов, II. Добронравов и И. Нелидов. Они использовали два идентичных калориметра Нернста, на внешних стенках которых были прорезаны двухходовые винтовые канавки. По этим канавкам прокладывалась изолированная бисером константановая проволока, пропускание тока через которую обеспечивало равномерный нагрев калориметрических камер [1].
Цикл работ по термоэлектрическим калориметрам выполнили В. Уайт (1914 г.), Г. Люск (1915 г.), Э. Гукер, X. Пикард и Р. Планк (1916 г.) [23, 40, 59, 63]. Уайт, в частности, довел точность измерения температуры термоэлектрическим методом до 0,0003 °С, а погрешность всего калориметрического способа достигала 0,01 %. Калориметрическое исследование ряда дигалоидозамещенных бензола явилось темой научной работы русского физика И. И. Нарбута. Все измерения теплоемкости и теплоты плавления данного вида веществ он провел с помощью сконструированного им термоэлектрического калориметра [29].
К началу 20-х годов развитие естественных наук достигло такого уровня, когда стала необходимой регистрация очень малых тепловых эффектов, возникающих как при быстро, так и при медленно протекающих процессах. Одним из первых, кто приступил к разработке аппаратуры для изучения медленно протекающих явлений со слабым выделением тепла, был профессор общей химии факультета естественных наук в Марселе А. Тиан. В 1922 г. совместно с Ж. Котте он опубликовал работу об использовании микрокалориметра-интегратора в биологии, а в 1924 г. представил во Французскую академию наук записку, в которой изложил принципы микрокалориметра с компенсацией эффектами Пельтье и Джоуля [23, 62]. Первоначально этот прибор был предназначен для совместного использования с изучавшимися Тианом многооболочными термостатами. Разместив свои приборы в грунт подвала на глубину 7 м (рис. 9.1), где обеспечивалась постоянная температура окружающей среды на уровне 17 °С, Тиан в течение около десяти лет проводил многочисленные биохимические исследования, одним из которых явилось, в частности, изучение теплот растворения и теплот неполных реакций [47].
Микрокалориметрический элемент в устройстве Тиана включал две термобатареи, одна из которых содержала 7, а другая — 42 термопары железо — константан. Горячие спаи этих термобатарей располагались па внешней поверхности реакционной камеры, холодные — на внутренней поверхности всего калориметрического блока. Реакционная камора в микрокалориметре Тиана имела сечение 1 см2 и высоту 7 см, термостатированная оболочка калориметрического блока представляла собой медный сосуд с двойными стенками, промежуток между которыми заполнялся водой [23].
Приборы Тиана в течение почти десяти лет использовались без существенных изменений в конструкции. Микрокалориметры такого типа применялись в 1924—1926 гг. в термохимических измерениях, выполненных Беранже — Кальве. Аппаратуру Тиана использовал Э. Кальве при работе над докторской диссертацией, опубликованной в 1932 г. [23].
Рис. 9.1. Микрокалориметр Тиана [6]: 1 — реакционная камера; 2 — термостат; 3 —холодные спаи термобатарей; 4 — спаи термобатареи у реакционной камеры; 5 — поглотитель влаги; 6—теплоизолятор; 7 — грунт; 8 — пробка.
Из работ в области калориметрии и микрокалориметрии, проведенных в конце 20 —начале 30-х годов, можно упомянуть исследования по двойным калориметрам Э. Ланге и Г. Месснера (1927 г.), С. Бейнс-Джонса (1929 г.), Дж. Кона, Г. Кистяковского и П. Робертса (1940 г.) [23]. Измерению выделяющихся в процессе распада теплот с помощью термоэлектрического калориметра посвящены исследования С. Эллиса и В. Вустера (1925 г.), а также И. Злотовского (1934,1935,1941 гг.), который для проведения своих измерений воспользовался микрокалориметром В. Свентославского и А. Дорабялской (1931 г.), специально предназначенным для исследования поглощения γ-лучей [23, 66].
Следует отметить, что, как и работы Тиана, труды известного польского физикохимика В. Свентославского по термохимии и микрокалориметрии [60] явились основой для возникновения микрокалориметрии как особой области измерительной техники.
Микрокалориметрический метод развивался также в работах В. Молля и Г. Бургера (1925 г.), Варда (1930 г.), Лэнга и Робинсона (1931 г.), А. Хилла (1932 г.), Б. Виппа (1934 г.). Микрокалориметр Виппа отличался наибольшей чувствительностью по сравнению с другими приборами, созданными в этот период, причем этот результат был достигнут при использовании термобатареи с наименьшим количеством спаев. Так, калориметр Варда с тепловой компенсацией эффектом Пельтье и термобатареей из 31 элемента обладал температурной чувствительностью
4·10-5 °С·мм-1, калориметр Хилла с термобатареей из 150 элементов давал возможность измерения с чувствительностью 10-6 °С·мм-1, калориметр Лэнга и Робинсона с 1100- парной термобатареей характеризовался чувствительностью 0,6 X 10-6 °С·мм-1. Випп, используя двойной калориметр с термобатареями из 5 медь-константановых элементов каждая, достиг чувствительности 3·10-6 °С · мм-1 из-за оптимизации конструкции и тщательного изготовления спаев. Випп разработал теорию микрокалориметрических измерений, важным следствием которой явился закон выбора материалов для термопар, а также соотношения поперечных сечений ветвей термопар для достижения максимальной чувствительности микрокалориметра. Это была одна из первых решенных задач оптимального проектирования микрокалориметрических приборов [23, 63].
Принципиальные изменения в конструкцию микрокалориметра Тиана внесены французским исследователем Э. Кальве. В результате его почти двадцатилетней работы в этом направлении были созданы чувствительные, очень точные и удобные в обращении микрокалориметры, которые и в настоящее время широко используются при проведении разнообразных физико-химических и биологических исследований и на выпуске которых специализируется французская фирма «Сетарам» [27]. Общий вид усовершенствованного микрокалориметра Кальве представлен на рис. 9.2. Отличия прибора этого типа от микрокалориметра Тиана заключались в следующем. Во-первых, Кальве более простым способом решил задачу термостатирования калориметрического блока, исключив необходимость погружения калориметра в грунт. С этой целью он использовал точные термостаты с несколькими оболочками, которые обеспечивали постоянство температуры до 0,001 °С в металлическом блоке с микрокалориметрическими элементами. Термостаты имели внутреннюю алюминиевую оболочку толщиной 3 см, предназначавшуюся для выравнивания температур центрального блока. Этой же цели служила серия из 5—10 концентрических проводящих оболочек, между которыми имелись прослойки воздуха или теплового изолятора. Кроме того, термостат был снабжен системой ртутного терморегулирования с электронным реле. Во-вторых, Кальве показал, что в длительных опытах один изолированный микрокалориметрический элемент не может обеспечить надежные результаты вследствие нестабильности «экспериментального нуля», т. е. положения зайчика гальванометра, когда мощность в реакционной камере равна нулю. Исследования Кальве свидетельствовали о том, что устойчивый «экспериментальный нуль» может быть достигнут только при использовании дифференциального метода.
В микрокалориметре Кальве было увеличено количество термопар в детекторной и компенсационной термобатареях. В первоначальных моделях он использовал термобатареи из 16 и 128 термопар хромель-константан; в калориметрах-осциллографах, созданных вначале 50-х годов, термобатареи состояли из 200 и 800 пар хромель-константан. Специальный коммутатор позволял менять роли детекторной и компенсационной термобатарей для регулировки чувствительности, а также соединять обе термобатареи последовательно.
Большое внимание в работах Кальве уделялось теоретическим аспектам микрокалориметрии, причем многие положения его теории являются актуальными и в настоящее время [6].
Рис. 9.2. Микрокалориметр Кальве [48|:
1 — электрический нагреватель; 2 — радиационный экран; 3 — выравнивающий толстостенный экран; 4 — конический теплоотвод; 5 — выравнивающая тепловая линза; 6 — термостатированный блок; 7 — гальванометр; 8 — реакционный патрон; 9 — термобатарея.
С помощью микрокалориметров своей конструкции Кальве совместно с профессором Монреальского университета А. Пратом провел обширный ряд исследований в различных областях физической химии и биологии. Ими были изучены медленно протекающие процессы адсорбции, растворения, желатинизации высокомолекулярных веществ; проведены термокинетические исследования медленных аллотропических превращений; изучена кинетика таких органических реакций, как реакции этерификации, гидролиза амидов. Кальве и Прат ввели в практику физико-химических и биологических исследований новый метод изучения явлений, которому они дали название термокинетики [23].
