Глава 7. Методы термического анализа

Термические методы анализа основаны на взаимодействии веще- ства с тепловой энергией.

Наибольшее применение находят термические эффекты, которые являются причиной или следствием химических реакций. В меньшей степени применяются методы, основанные на выделении или поглоще- нии теплоты в результате физических процессов. Это процессы, связан- ные с переходом вещества из одной модификации в другую, с измене- нием агрегатного состояния, изменениями межмолекулярного взаимо- действия (например, происходящими при растворении или разбавле- нии).

Термический анализ (калориметрия) – метод исследования физико- химических процессов, основанный на регистрации тепловых эффектов, сопровождающих превращения веществ в условиях программирования температуры.

К наиболее распространенным методам термического анализа от- носят:

термогравиметрию (ТГ) – метод непрерывного взвешивания ис- следуемого вещества в процессе изменения температуры;

метод дифференциальной термогравиметрии (ДТГ), основанный на измерении скорости изменения массы навески исследуемого веще- ства при данной температуре;

дифференциальный термический анализ (ДТА), основанный на из- менении энтальпии вещества при нагревании (регистрируемым пара- метром является выделяемая или поглощаемая теплота);

дилатометрию, основанную на изменении размеров образца при нагревании;

дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК) – метод, основанный на измерении разницы тепловых потоков, идущих от ис- следуемого образца и образца сравнения при контролируемой (обычно, линейно меняющейся) температуре.

В процессе термического анализа можно использовать каждый из перечисленных методов отдельно либо комплексно (одновременно два, три, все четыре метода)

Одновременная запись изменения энтальпии и изменения массы одного и того же образца в процессе нагревания получила название де- риватографии.

228

Термические методы анализа позволяют фиксировать кривые нагревания (или охлаждения) исследуемого образца – изменение темпе- ратуры последнего во времени. Кривая записи изменения какого-либо свойства вещества от времени нагрева называется термограммой.

Термографический анализ позволяет устанавливать наличие хими- ческого взаимодействия веществ или фазовых превращений по сопро- вождающим их тепловым эффектам. Термография изучает химические и физические процессы, которые сопровождаются поглощением или выделением тепла, фиксируемого на кривой нагревания в виде эндотер- мических или экзотермических эффектов. При отсутствии эффектов дифференциальная кривая записывается в виде прямой линии, которую называют нулевой линией. По площади экзотермического эффекта можно судить о степени кристалличности образца и устанавливать тем- пературу начала и конца процесса кристаллизации. Величина экзотер- мического или эндотермического эффекта пропорциональна количеству термореактивного компонента. При эндотермических процессах кривая нагревания отклоняется вниз от нулевой линии, а при экзотермических – вверх.

Экзотермические эффекты на термограмме обусловливаются: пе- реходом аморфного состояния в кристаллическое, полиморфным пере- ходом неустойчивой модификации в устойчивую, окислением состав- ляющих компонентов материала, восстановлением материала, реакцией выгорания углистых отложений на катализаторах, сорбентах и т. д.

Эндотермические эффекты могут проявляться при разложении контактной массы без выделения газообразной фазы, разложением кон- тактной массы с выделением газообразной фазы, плавления материала.

По термограмме можно делать определенные заключения о пове- дении твердого тела при ее формировании, о катализаторе до и после работы, определять температуру начала и конца превращения, наличие или отсутствие фазовых превращений, наличие энотермических или эк- зотермических эффектов, скорость и равномерность процесса, количе- ство компонентов, участвующих в процессе превращения. При форми- ровании сложных катализаторов фиксировать образование химических соединений или механических смесей.

Термические методы успешно используются для анализа металлур- гических материалов, минералов, силикатов, а также полимеров, для фазового анализа почв, определения содержания влаги в пробах.

С помощью термографии изучают состав минерального сырья для производства строительных материалов, определяют температуру, при которой в материалах происходят физико-химические превращения.

229

Методы калориметрии, такие, как ДСК и синхронного термическо- го анализа ТГ-ДСК, применяются для изучения наноразмерных метал- лических порошков или наноразмерных материалов и диапазона их ста- бильности.