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 – Simultaneous Thermal Analysis).
Termogravimetrie
Termogravimetrie (TG) je 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 atmosférou v peci a zvýší svoji hmotnost. Nejčastěji jde o oxidaci nebo nitridaci kovů. 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.
Diferenční skenovací kalorimetrie
Diferenční skenovací 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:
$$\frac{\textrm{dQ}}{\textrm{dt}}\ =\ \textrm{f(t)}$$
kde Q značí tepelnou energii. Při endotermickém ději 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.
Simultánní termická analýza
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.
Metody termické analýzy nám dávají důležité informace o stabilitě a chování připravených látek nebo prekurzorů za vysoké teploty.
Odkazy
- Moje prezentace k termické analýze
- ICTAC – International Confederation for Thermal Analysis and Calorimetry
One Reply to “Termická analýza”