Badanie procesów obróbki termicznej wybranych związków nieorganicznych – analiza termiczna

Katarzyna Rudnik. Justyna Stępień, Piotr Chmielowski, Tomasz Berniak,
Zbigniew Chałupka, Krystian Chudzik

Streszczenie: W ramach niniejszego ćwiczenia dokonano analizy właściwości fizykochemicznych dwóch związków (NH₄)₂Mo₂O₇ i ZnC₂O₄*H₂O. Na podstawie wykonanych pomiarów, jak i również korzystając z wyników pomiarowych grupy 6 z charakteryzowano wybrane związki nieorganiczne przy pomocy metod DSC (różnicowa kalorymetria skaningowa) i TG (analiza termograwimetryczna) oraz porównano jest z wynikami otrzymanymi na pierwszej części pracowni, w trakcie której dokonano identyfikacji fazowej ww. związków korzystając z metody XRD (rentgenografia strukturalna).

Słowa kluczowe: DSC (różnicowa kalorymetria skaningowa); TG (analiza termo grawimetryczna), XRD (rentgenografia strukturalna)

1. Wprowadzenie

Celem ćwiczenia było porównanie wyników otrzymanych z badania tych samych związków (NH₄)₂Mo₂O₇ i ZnC₂O₄*H₂O przy użyciu metody XRD oraz metod analizy termicznej (TG,DSC)

2. Szczegóły eksperymentalne

Wykonano trzy pomiary o zadanej charakterystyce:

• dla próbki (NH₄)₂Mo₂O₇ pomiar DSC w atmosferze argonu, zakres temperatury 25-600 prędkość ogrzewania 10 /min, masa próbki 16,11mg

• dla próbki ZnC₂O₄*H₂O pomiar DSC w atmosferze argonu, zakres temperatury 25-600 prędkość ogrzewania 10 /min, masa próbki 34,58mg

• dla próbki ZnC₂O₄*H₂O pomiar TG/SDTA/QMS w atmosferze argonu, zakres temperatury 25-700 prędkość ogrzewania 10 /min

3. Wyniki i dyskusja

Analizę wyników wykonano w oparciu o wykresy otrzymane w tej części ćwiczenia oraz o dane z części badania procesów obróbki termicznej materiałów za pomocą dyfraktometrii rentgenowskiej.

3.1 ZnC₂O₄*H₂O – TG w atmosferze argonu i powietrza

Rys.1 Wykres zależności masy od temperatury.

Na wykresie widać 2 ubytki masy – pierwszy w okolicach 100°C – jest to usunięcie wody hydratacyjnej i utworzenie związku bezwodnego. Za drugi ubytek masy w okolicach 375°C stopni odpowiedzialne jest rozłożenie się szczawianu na tlenek cynku i dwutlenek węgla, który ulatnia się z próbki.

3.1 ZnC₂O₄*H₂O – DTG

Rys. 2. Wykres zależności pierwszej pochodnej dn/dT od temperatury.

Wykres pochodnej pozwala na dokładniejsze określenie temperatury przemiany – pierwszy ubytek masy zachodzi w około 150°C a kolejny w około 390°C. Ponadto możemy zaobserwować, że przemiany te są endotermiczne.

3.2 (NH₄)₂Mo₂O₇ -TG

Rys.3 Wykres zależności masy od temperatury dla (NH₄)₂Mo₂O₇ w powietrzu i argonie

Na powyższym wykresie widoczne są 3 ubytki masy – pierwszy w temperaturze około 170°C. Odpowiedzialny jest za nią proces usuwania części tlenu z molibdenianu czego skutkiem jest otrzymanie związku o atomach molibdenu na różnych stopniach utlenienia - (NH₄)₂Mo₄O₁₃. Kolejna przemiana w temperaturze około 270°C to ponownie usunięcie tlenu oraz usunięcie cząsteczki amoniaku, czego skutkiem jest otrzymanie związku o wzorze NH₃(MoO₃)₃. W okolicy 350°C widoczna jest kolejna przemiana – jest to usunięcie kolejnej cząsteczki amoniaku czego skutkiem jest otrzymanie MoO₃.

3.2 (NH₄)₂Mo₂O₇ -DTG

Rys. 4. Wykres zależności pierwszej pochodnej dn/dT od temperatury.

Dzięki powyższemu wykresowi pierwszej pochodnej jesteśmy w stanie zauważyć nakładające się na wykresie TG procesy usuwania tlenu oraz amoniaku z cząsteczki(NH₄)₂Mo₄O₁₃. Wnioskując po podobnej wartości dE/dT ostatniej przemiany usunięcia amoniaku można stwierdzić, że pierwszą z dwóch nakładających się przemian jest również usunięcie cząsteczki amoniaku.

3.5 (NH₄)₂Mo₂O₇ –DSC/SDTA

Rys.12 Wykres zależności energii od temperatury w atmosferze powietrza.

3.1 ZnC₂O₄*H₂O DSC/SDTA

Rys.13 Wykres zależności energii od temperatury w atmosferze argonu

Wykresy uzyskane za pomocą metody DSC pokazują znikomy wpływ atmosfery na przemiany zachodzące w próbce. Pierwsze minimum energetyczne w obydwóch przypadkach występują dla zbliżonej temperatury, natomiast drugie jest przesunięte w kierunku mniejszych temperatur dla wykresu w atmosferze argonu.

3.6 Porównanie ZnC₂O₄∙H₂O TG/QMS

3.6. ZnC₂O₄*H₂O

Rys.14 Wykres zależności energii od temperatury w atmosferze argonu

Wykresy uzyskane za pomocą metody DSC są porównywalne dla atmosfery powietrza i argonu. Minima energetyczne dla przejść fazowych położone są w tym samym położone. Warunki utleniające i beztlenowe nie mają wpływu na przemiany fazowe.

Rys.15 Wykres zależności energii od temperatury w atmosferze argonu

4. Podsumowanie

Metody analizy TG oraz DTA są skutecznymi metodami analizy substancji, które w połączeniu z XRD i użyciem krystalograficznych baz danych pozwalają na identyfikację badanych związków, opisanie ich właściwości oraz zachodzących w nich pod wpływem zmiany temperatury przemian.

Opiekunowie ścieżki

dr Dorota Majda