Termická analýza

derivatograf-malz  Termická analýza je soubor metod, které sledují chování vzorku během definovaného teplotního programu. My se zaměříme na sledování dvou veličin, změny hmotnosti vzorku (TG – ThermoGravimetry) a tepelných efektů (DSC – Differential Scannig Calorimetry) a jejich kombinaci (STA).

Termogravimetrie (TG) – jedna ze základních metod termické analýzy. TG patří mezi dynamické analytické metody. Základním principem je měření změn hmotnosti analyzovaného vzorku při jeho plynulém zahřívání nebo ochlazování. Změny hmotnosti se vyjadřují v závislosti na teplotě m = f(T) resp. čase m = f (t) termogravimetrickými křivkami.

 

Změny hmotností látek při jejich zahřívání můžeme vyjádřit rovnicí

mAB (s) = mA (s) + mB (g)

při zahřívání totiž dochází k uvolňování plynné složky, což zapříčiňuje snížení hmotnosti zkoumané látky. S těmito změnami se setkáváme např. u tepelného rozkladu hydrátů.

Může ale také docházet k opačným jevům, kdy látka při zahřívání reaguje s plynem a zvýší svoji hmotnost. Rovnici změny hmotnosti vystihneme

mA (s) + mB (g) = mAB (s).

Příkladem mohou být oxidace neušlechtilých kovů, kdy vzniká oxid nebo hydroxid příslušného kovu.

TG křivky podávají informace o složení zkoumaného vzorku, jeho tepelné stálosti, teplotním rozkladu a také o produktech vznikajících při rozkladu. Na osu x se vynáší čas (v min), popř. teplota (ve °C nebo K) a na osu y hmotnost (v mg nebo %). TG křivka ve svém průběhu obsahuje úseky vodorovné s osou x, tzv. prodlevy, a zlomy. Prodlevy jsou úseky, kdy ještě nedošlo k žádné změně hmotnosti vzorku. Zlomy naopak naznačují, že se analyzovaný vzorek začíná rozkládat (mění svoji hmotnost). Po dosažení určité teploty nastává další prodleva. Jednotlivé zlomy představují úbytky hmotnosti.

termicka1

Obr. 1. TG křivka tepelného rozkladu modré skalice

Diferenční kompenzační kalorimetrie (DSC) – využívají se dvě varianty DSC, které patří mezi kalorimetrické diferenční metody:

• DSC s kompenzací příkonu

• DSC s tepelným tokem (Netzsch STA 449C)

DSC s kompenzací příkonu

Podstatou DSC s kompenzací příkonu je naopak zachování nulového teplotního rozdílu mezi měřeným a srovnávacím vzorkem. Tato varianta DSC je charakterizována dvěma oddělenými měřícími celami a dvěma tepelnými zdroji a měříme tedy elektrický příkon, který je potřebný k udržení konstantní teploty obou vzorků. Křivku DSC lze popsat rovnicí:

dQ / dt = f (t),

kde Q značí tepelnou energii. Při endotermickém pozorujeme kladný pík na křivce DSC.

 


DSC s tepelným tokem

Druhou variantou je metoda DSC s tepelným tokem. Měření rozdílu příkonu je nahrazeno měřením rozdílu teplot vzorku a srovnávacího vzorku, které jsou umístěny ve společné peci a jsou spojeny tepelným mostem. Se znalostí tepelného odporu mezi pecí a vzorkem a referencí lze považovat tepelný tok od vzorku nebo ke vzorku za úměrný rozdílu teplot. Teplota vzorku je měřena termočlánkem, který je v kontaktu se vzorkem.

termicka2

Obr. 2. DSC křivka tepelného rozkladu modré skalice

Simultánní metody (STA) – umožňují zkoumat více fyzikálních vlastností najednou během jednoho měření. Výhodou tohoto přístupu je, že nemusíme připravovat nové vzorky a máme tak dány stejné experimentální podmínky. Na druhou stranu ale tyto podmínky musí vyhovovat všem použitým metodám.

Mezi nejvíce rozšířenou dvojici metod patří TG-DTA a TG-DSC. Tyto metody se totiž dobře doplňují.

termicka3

Obr. 3. TG a DSC křivky tepelného rozkladu modré skalice získané pomocí STA

Metody termické analýzy nám dávají důležité informace o stabilitě a chování připravených látek nebo prekurzorů za vysoké teploty.

Odkazy

Leave a Reply