4. Основные понятия термического анализа
4.1 Термогравиметрия (тг) или термогравиметрический анализ
(ТГА) – один из основных методов в термическом анализе. Прибор для ТГ - термовесы построен на основе печи, в которой проба механически присоединена к аналитическим весам.
Рисунок -2 Схематическое изображение термовесов
Тремя существенными составными частями современного ТГ- прибора являются весы, печь и система управления прибором и обработки данных. На рисунке 1 приведено схематическое изображение типичных термовесов.
Чувствительные и надежные весы представляют центральную часть прибора ТГ. Для весов требуются чувствительность порядка 1 мкг и максимальная нагрузка 1 г. В большинстве случаев пробы в ТГ- экспериментах фактически весят от 10 до 30 мг. Существует несколько типов механизмов для весов, включая пружинное коромысло, консоль и торсионные весы, но предпочтительнее всех взвешивающий механизм с нулевой точкой, потому что тогда проба всегда остается в одной и той же зоне нагрева печи.
Температурный диапазон печи, используемой в термовесах, зависит главным образом от материалов, из которых печь изготовлена. Благодаря, используемому в печи керамическому огнеупору, оксиду алюминия прибор STA 409 PC способен создавать температуру до 1550°С.
|
|
|
Рисунок 3 – Полная установка термогравиметрического, дифференциального сканирующего калориметра STA 409 PC
Недавно большинство современных приборов объединены с персональным компьютером для управления циклами нагрева и охлаждения, а также для хранения и обработки данных. Он может также рассчитывать первую производную кривой Δm от Т (ТГ), которая называется кривой производной термогравиметрии (ПТГ). Кривая ПТГ может существенно помочь в интерпретации кривых ТГ за счет разрешения перекрывающихся химических реакций. Другим способом разрешения реакций и достижения термодинамического равновесия является использование изотермического нагрева или очень малой скорости нагрева. В квази-изотермической ТГ (называемой также ТГ высокого разрешения или ТГ с контролируемой скоростью) нагревание замедляется, когда начинается изменение веса. Это улучшает разрешение, но с другой стороны, требует больше времени на ТГ – цикл. Потерю времени можно частично компенсировать, устанавливая относительно высокую скорость для тех областей, где не происходит никаких изменений.
Одним из основных элементов устройства STA 409 PC является держатель пробы. Например, он оказывает огромное влияние на измерения, когда окружающая атмосфера находится в химическом равновесии с пробой. Хорошо известным примером служит разложение карбоната кальция, где открытый держатель пробы позволяет текущему газу эффективно уносить образующийся СО2.
Рисунок - 4 Держатель пробы
4.2 Применения термогравиметрической кривой (ТГ)
Одним из примеров возможностей термогравиметрической кривой является указание на содержание воды в пробе, или даже отличить адсорбированную воду от конституционной, потому что вода этих типов обычно удаляется при различных температурах.
Другим практическим примером является непосредственный анализ угля и других подобных топлив. Если нагревание сначала проводить в инертной атмосфере (азот), то по термограмме можно определить количество влаги и летучих веществ. Затем при фиксированной температуре термовесы автоматически переключают атмосферу на окислительную, вследствие чего углерод сгорает и его содержание, а также содержание золы можно определить по ТГ - кривой. Точность результатов, полученных на ТГ - приборе, сравнима с точностью стандартного гравиметрического метода, требующего значительно больше ручной работы.