Analiza termiczna

Podstawy teoretyczne

W metodach termoanalitycznych mierzy się właściwość układu w funkcji temperatury. Można wyróżnić trzy grupy metod związane ze zmianą masy, entalpii oraz temperatury. W poniższej tabeli przedstawiono podział metod termoanalitycznych:

Podział metod termoanalitycznych

Nazwa metody	Mierzona właściwość	Aparatura
Analiza termograwimetryczna (TG)	zmiana masy	termowaga
Derywacyjna analiza termograwimetryczna (DTG)	szybkość zmiany masy	termowaga
Różnicowa analiza termiczna (DTA)	ciepło wydzielane lub pochłaniane	aparatura do różnicowej analizy termicznej
Skanningowa kalorymetria różnicowa (DSC)	ciepło wydzielane lub pochłaniane	kalorymetr różnicowy
Miareczkowanie termometryczne (TT)	zmiana temperatury	kalorymetr do miareczkowania

Analiza termograwimetryczna

Termograwimetria (TG) jest najczęściej stosowaną techniką spośród metod analizy termicznej. Dokonuje się w niej pomiaru masy substancji badanej w funkcji temperatury (zwykle przy wzroście temperatury ze stałą szybkością). Krzywa TG jest rejestrowana przy użyciu termowagi i przedstawia wykres zależności zmian masy próbki od temperatury (T) lub czasu pomiaru (t). Na krzywych TG można wyróżnić dwa obszary:

• tzw. plateau, w którym nie zachodzi zmiana masy,

• obszar, w którym obserwuje się zmianę masy na skutek wydzielania lotnych produktów rozkładu lub w efekcie reakcji badanej substancji z gazem znajdującym się nad próbką.

Na podstawie analizy termograwimetrycznej można ustalić optymalny zakres temperatury suszenia lub prażenia związku, przeprowadzić analizę jakościową i ilościową mieszanin organicznych i nieorganicznych oraz wyznaczyć schemat przebiegu reakcji rozkładu termicznego.

W analizie termograwimetrycznej interpretację wyników ułatwia analiza wydzielającego się gazu (EGA), którą można prowadzić przy użyciu detektorów płomieniowo-jonizacyjnych, termokonduktometrycznych, ciśnieniowych, jak również stosując spektrometr masowy, spektrofotometr IR lub chromatograf gazowy.

Derywacyjna analiza termograwimetryczna

Krzywa DTG jest pierwszą pochodną krzywej TG i odzwierciedla szybkość zmiany masy próbki przy zmianie temperatury. Jest wykreślana zamiast lub częściej obok krzywej termograwimetrycznej i ułatwia jej analizę.

Różnicowa analiza termiczna

W różnicowej analizie termicznej mierzy się różnicę pomiędzy temperaturą badanej próbki i wzorca (np. Al₂O₃) zwykle w funkcji temperatury pieca, w którym się obie te substancje znajdują. Pik dodatni na krzywej DTA oznacza zachodzenie w próbce procesu egzotermicznego (ciepło się wydziela), a pik ujemny wskazuje na to, że zachodzi proces endotermiczny (ciepło jest pochłaniane). Ilościowe dane o zachodzących przemianach cieplnych można uzyskać dopiero przy użyciu metody DSC. Metoda DTA znalazła zastosowanie w chemii polimerów, metalurgii, mineralogii, w przemyśle ceramicznym i farmaceutycznym, ponieważ można przy jej wykorzystaniu wyznaczać temperaturę topnienia substancji, a co za tym idzie określić czystość ciał stałych. Ponadto można badać inne przemiany fazowe zachodzące w substancjach stałych lub mieszaninach pod wpływem ogrzewania.

Przykład derywatogramu:

Zagadnienia:

• Podział metod termoanalitycznych

• Analiza termiczna różnicowa i termograwimetryczna (definicje, aparatura, zasada pomiaru)

• Krzywe TG, DTG i DTA oraz ich interpretacja

• Zastosowania analizy termicznej

WYZNACZANIE TEMPERATURY I CIEPŁA PRZEMIANY METODĄ SKANINGOWEJ KALORYMETRII RÓŻNICOWEJ

Metoda skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC), podobnie jak metoda termicznej analizy różnicowej polega na ogrzewaniu (lub chłodzeniu) badanej próbki i wzorca. W przeciwieństwie do aparatury DTA układy do kalorymetrii różnicowej zawierają dodatkowo niezależne elementy grzewcze dla próbki i dla substancji obojętnej (lub pustego naczyńka) - Rysunek 1. Jeżeli w wyniku przemiany fizycznej lub reakcji chemicznej wytworzy się różnica temperatur pomiędzy obiema substancjami to dodatkowe elektryczne urządzenie grzewcze doprowadza tyle energii, aby różnica temperatur została dokładnie skompensowana. Energia elektryczna zużyta na dodatkowe ogrzewanie odpowiada entalpii reakcji lub przemiany.

Rys.1 Schemat kalorymetru różnicowego do DSC

1. Układ sterowania różnicą temperatur

2. Pojemnik z próbką

3. Układ sterowania średnią temperaturą

4. Pojemnik pusty

5. Rejestrator

6. Układ podający temperaturę zadaną

7. komputer

Zagadnienia:

1. Przemiany fazowe pierwszego i wyższych rodzajów

2. Efekty energetyczne towarzyszące reakcjom chemicznym

3. Skaningowa kalorymetria różnicowa (definicje, aparatura, zasada pomiaru, czynniki wpływające na przebieg pomiaru)

4. Zastosowania skaningowej kalorymetrii różnicowej

Literatura:

• G.W. Ewing, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, W-wa, 1980r.

• T. Kasprzycka-Guttman, Elementy kalorymetrii statycznej i dynamicznej, WNT, 1993r.

• D.Schultze, Termiczna analiza różnicowa, PWN, W-wa, 1974r.

• T.M. Gouw, Nowoczesne metody instrumentalne analizy, WNT, W-wa, 1976r.

• E. Pungor, A practical guide to instrumental analysis, CRC Press, Boca Raton, 1995r.

Literatura:

1. T.M. Gouw - Nowoczesne metody instrumentalne analizy, WNT, W-wa, 1976r.

2. W. Szczepaniak - Metody instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, W-wa, 1996r.

3. G.W. Ewing - Metody instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, W-wa, 1980r.

---