Analiza termiczna

Podczas ogrzewania układu, który zawiera badaną substancję (pierwiastek, związek, mieszaninę),
w większości przypadków zachodzą przemiany fizyczne lub chemiczne.

Analiza termiczna – zespół metod badania zmian wybranych właściwości fizycznych substancji pod
wpływem zmian temperatury.

Metody analizy termicznej wykorzystywane są do:

- Badania reakcji chemicznych i przemian fazowych zachodzących podczas ogrzewania substancji,

- wyznaczania parametrów termodynamicznych i kinetycznych reakcji,

- Określania składu fazowego i chemicznego substancji (jakościowo i ilościowo),

- Określania czystości surowców,

- Wyznaczania trwałości termicznej.

Podział metod analizy termicznej wg mierzonych przez nie parametrów:

- Termograwimetria (TG) – rejestrująca zmiany ciężaru próbki ,

- Termiczna analiza różnicowa (DTA) – rejestrująca zmianytemperatury,

- Różnicowa kalorymetria scanningowa (DSC) – rejestrującazmiany entlapii,

- Analiza termocząstkowa (EGA), termiczna analizaemanacyjna (EGD) – rejestrujące objętość i skład
chemiczny gazowych produktów reakcji,

- Termodylatometria – rejestrująca zmiany liniowych wymiarów próbki i ich niektórych właściwości
mechanicznych – analiza termomechaniczna,

- Termosonimetria - rejestrująca natężenie efektów akustycznych towarzyszących reakcjom,

- Termoelektrometria – rejestrująca przewodnictwo, oporność oraz pojemność elektryczną,

- Termomagnetometria – rejestrująca zmiany podatności magnetycznej próbki,

- Termooptometria – rejestrująca zmiany zespołu własności optycznych substancji.

Termiczna analiza różnicowa DTA

DTA umożliwia wykrywanie efektów cieplnych, które towarzyszą przemianom fizycznym lub
chemicznym. Polega na rejestracji różnicy temperatur pomiędzy substancją badaną a substancją
wzorcową (odniesienia), względem czasu lub temperatury.

Substancja odniesienia musi zostać dobrana tak, aby w danym zakresie temperatur nie podlegała
żadnym przemianom fizycznym lub chemicznym (najczęściej stosuje się Al

2

O

3

lub MgO).

Termiczna analiza różnicowa pozwala na identyfikację związków, które w badanym zakresie
temperatur ulegają przemianom egzotermicznym lub endotermicznym. A wśród nich wyróżnić można:

- reakcje chemiczne (utlenianie, redukcja, dysocjacja, synteza),

- procesy fizyczne, głównie przemiany fazowe:

- ze zmianą stanu skupienia (sublimacja, wrzenie, topnienie, krystalizacja)

- bez zmiany stanu skupienia (przemiany polimorficzne).

Zasada metody

Ogrzewa się w piecu jednocześnie i w takich samych warunkach badaną próbkę oraz próbkę
wzorcową – taką, w której nie zachodzą żadne przemiany termiczne. Przy czym należy tak prowadzić
ogrzewanie, by zależność temperatury od czasu miała charakter liniowy.

Aby można było zmierzyć interesującą różnice temperatur DT próbki i próbki wzorcowej, w obu
próbkach umieszczone są termoelementy. Połączone są one z reszta układu tak by była możliwość
wyznaczenia DT.

Jeżeli w próbce nie zachodzą żadne reakcje przebiegające z efektem cieplnym, temperatury obu
próbek są takie same (T

s

=T

i

). Czyli DT=0. Jeżeli w próbce zajdą takie reakcje DT będzie różna od 0.

Termograwimetria polega na rejestrowaniu zmian masy substancji podczas ogrzewania lub studzenia
w funkcji czasu lub temperatury lub na pomiarze zmiany masy substancji ogrzewanej izotermicznie w
funkcji czasu. Używane do tego celu urządzenia nazywa się termowagami.

Składa się ono z wagi, gdzie do szalki przymocowany jest tygiel z badaną próbką umieszczony w
ogrzewanym piecu (wzrost lub spadek temperatury ma charakter liniowy).

Strata ciężaru może być spowodowana:

- dysocjacją termiczną połączoną z utratą np. wody, dwutlenku węgla,

- sublimacją,

- utlenianiem z wydzieleniem produktów gazowych.

Wzrost ciężaru może być spowodowany:

- utlenianiem nie związanym z dysocjacją

Zmiany masy próbki zapisywane są przez układ rejestrujący. W wyniku tego otrzymuje się krzywą
termograwimetryczną w układzie masa próbki – temperatura.

W celu poprawienia czytelności krzywych, często wykonywana jest też równolegle różnicowa analiza
termograwimetryczna (DTG). Otrzymuje się wówczas dodatkowo pierwszą pochodną krzywej
termograwimetrycznej względem czasu lub temperatury.

Identyfikacja substancji w DTA polega na porównywaniu uzyskanego podczas badania wyniku
(termogramu) z termogramami wzorcowymi.

Każdy efekt termiczny jest charakteryzowany przez:

- Temperaturę początku reakcji (wielkość stała, zależy od energii potrzebnej do inicjalizacji danego
procesu w danych warunkach),

- Temperaturę maksimum reakcji,

- Powierzchnię efektu (miara ilości ciepła pobranego lub wydzielonego w reakcji),

- Amplituda efektu (zależy od masy próbki, ciepła reakcji, ciepła właściwego próbki),

- Wskaźnika kształtu przegięcia (wskazuje na tym reakcji).