现代仪器分析第六章..docx

第六章热分析6.1概述6.11热分析及其应用1.热分析热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度之间对应关系的一类技术。程序控制温度：一般指线性升温或线性降温，同时也包括恒温、循环或非线性升温、降温。物质：指试样本身及其由试样产生的反应产物和中间产物。物理性质：主要包括质量、温度、能量、尺寸、力学、声、光、热、电等。根据国际热分析协会(ICTA)的归纳和分类，目前热分析方法共分为九类十七种（见表），其中以热重分析、差热分析、差示扫描量热分析和热机械分析应用最为广泛。2.热分析的主要优点①. 可在宽广的温度范围内对样品进行研究；②. 可使用各种温度程序（不同的升降温速率）；③. 对样品的物理状态无特殊要求；④. 所需样品量可以很少（0.1g～10mg）；⑤. 仪器灵敏度高(质量变化的精确度达10-5)；⑥. 可与其他技术联用；⑦. 可获取多种信息3.热分析的应用热分析主要用于研究在加热过程中，物质的物理性质（如晶型转变、熔融、升华、吸附等）和化学性质（脱水、分解、氧化、还原等）随温度的变化。热分析不仅可以用于物质的物相分析，而且可以提供相关热力学参数和有参考价值的动力学数据，因此在岩矿鉴定、材料的制备与性能研究、化工合成以及物质的热力学、动力学理论研究等领域有着广泛的用途。6.12热分析的起源及发展1. 国外1887年，法国学者H Le Chatelier首先用热电偶测温的方法研究粘土矿物在升温过程中的热性质变化。1899年，英国学者W C Roberts-Austen改进了Le Chatelier的装置，首先采用示差热电偶测量试样和参比物（热中性体）之间的温度差来研究钢铁等金属材料，这就是目前广泛使用的差热分析（DTA）技术的原始模型。1915年，日本东北大学的本多光太郎设计了一架热天平，开创了热重分析(TG)技术。1949年，美国首先制成了商品化的全自动电子管式差热分析仪，但其体积大，试样用量多。1960年代，美国杜邦公司制成Dupont 900 DTA，只需几毫克试样，从而使差热分析进入定量化、微型化时代。1964年，美国学者Watson在DTA技术的基础上发明了示差扫描量热法(DSC)，并由Perkin-Elmer公司率先研制了DSC-1型示差扫描量热仪。1970年代，热分析在自动化、微型化方面更为完善，并研制出了各种类型的热分析仪。1970～1980年代初，热分析的技术不断完善、内容不断扩充，应用领域日趋广阔，并且热分析在理论上、数据分析和实验方法上也有了突破性进展。2. 国内1952年，中国科学院地质研究所设计制造了我国第一台差热分析仪，并得到了实际应用。1960年代初，北京光学仪器厂制造了我国第一台商品化热天平。1976年，上海天平仪器厂制造了我国第一台差示扫描量热仪。目前，我国已能生产多种系列和不同型号的热分析仪，基本上可以满足国内对热分析的各项要求。6.12物质在加热过程中的热效应物质在加热过程中往往会产生诸如吸（放）热、失（增）重以及体积的膨胀（或收缩）等多种热现象。物质在加热过程中产生热效应的原因包括：①.脱水：含水物质在加热过程中，由于水的脱出而产生吸热现象，同时伴有物质质量的减轻（失重）。矿物中的水主要包括：吸附水、层间水、沸石水、结晶水和结构水，前4种水均以水分子的形式存在，而结构水则以羟基的形式存在。不同的水由于与物质的结合牢固程度不同，因而脱水温度差异很大（如下表）。②化合与分解：物质在发生化合或分解反应时，需要放出或吸收大量的热量，并伴有物质量的改变。化合反应，一般出现放热效应；分解反应则表现为吸热效应。反应过程中有气体参与（如氧化）或放出时，物质增重或失重。③同质多像转变：一般表现为吸热效应，如α-石英向β-石英的转变；少数同质多像转表则表现为放热效应。同质多像转变中，由于没有其他物质加入，所以物质的量保持不变，但会出现体积、导热系数等其他物理性质的改变。④相变及重结晶：非晶质转变为结晶质、小晶体变为大晶体均为放热效应；相反，结晶态变为非晶态时则为吸热效应。相变和重结晶中无其他物质加入，物质的量也保持不变；体积、导热系数等其他物理性质会发生一定变化。⑤融化：吸热效应，质量不变但体积等其他物理性质有所变化。⑥氧化与还原：氧化为放热-增重效应，还原为吸热效应。⑦蒸发与升华：为吸热-失重效应。6.2差热分析差热分析（简称DTA）是在程序控制温度下，测量被物质与参比物质之间的温度差与温度关系的一种技术，其结果用差热曲线来表征。差热分析曲线描述了样品与参比物之间的温差(ΔT)随温度(T)或时间(t)的变化关系。6.21差热分析的基本原理根据热电偶的原理，把直径相同、长度相等的2段金属丝A（铂丝），与1段直径与A相同、长度适中的金属丝或合金丝B（铂-铑合金）焊接成如图所示的回路式Pt-PtRh差热