Дифференциальный термический и термовесовой методы исследования вещества

Термический анализ представляет собой метод физико-химического анализа, основанный на регистрации тепловых эффектов превращений, протекающих в исследуемом образце в условиях программируемого изменения температуры.

Качественный термический анализ является одним из наиболее распространенных методов, используемых, например, при построении диаграмм фазовых равновесий.

Количественный термический анализ широко используется для определения теплофизических характеристик веществ (энтальпии, энтропии, теплоемкости и т.д.).

Наибольшее распространение получил метод дифференциального термического анализа (ДТА), заключающийся в одновременной регистрации температуры исследуемого образца и разности температур исследуемого вещества и эталона, находящихся в одинаковых тепловых условиях.

Наряду с ДТА, широко развит метод исследования вещества и процессов, происходящих при изменении массы, который носит название термовесового или термогравиметрического анализа (ТГА). Метод заключается в регистрации изменения массы образца при изменении условий, в которой находится навеска исследуемого вещества.

1 – исследуемое вещество;

2 – эталон (инертное вещество);

3 – дифференциальная термопара

Принципиальный вид термических кривых (Т, ТА и ДТА – кривые)

Некоторые характерные задачи, решаемые при использовании метода ДТА

-определение температур фазовых переходов 1-го рода (плавления, кристаллизации, кипения и проч.);

-определение теплофизических характеристик веществ (энтальпии, энтропии, теплоемкости и т.д.);

-изучение тепловых эффектов химического взаимодействия конденсированных веществ или конденсированных веществ и газовой фазы (окисление, восстановление и проч.).

 Некоторые характерные задачи, решаемые при использовании метода ТГА

-определение растворимости газов в твердом или жидком веществе при изменении температуры и состава газовой фазы;

-исследование скорости и глубины взаимодействия конденсированных веществ или конденсированных веществ и газовой фазы (окисление, восстановление и проч.) при изменении температуры и состава газовой фазы;

-изучение условий термического или химического разложения (диссоциации) природных и синтетических химических соединений;

-изучение химической стойкости веществ к воздействию ряда газов при изменении температуры среды.

Примеры конкретных задач, решая которые мы основывались на результатах термоаналитических исследований

-построение диаграммы фазовых равновесий четырехкомпонентной системы Fe-Ni-Cu-S;

-определение температур плавления полупродуктов ряда металлургических предприятий;

-изучение реакционной способности твердых минеральных восстановителей;

-исследование растворимости различных газов в боратных стеклах, металлах и шлаках;

-анализ окислительно-восстановительных процессов, протекающих при воздействии концентратов окисленных металлов (титанового, никелевого, хромитового, магнетитового и проч.) и газовой фазы с различным парциальным давлением кислорода;

-термогравиметрическое исследование руд различных месторождений;

-определение энтальпии плавления и теплоемкости металлов, шлаков, рудных концентратов и отдельных минералов.

Поверхность ликвидус системы Ni-Cu-S, построенная на основе результатов дифференциального термического анализа

Зависимость температуры ликвидус железо-силикатного шлака от соотношения содержаний двух- и трехвалентного железа в шлаке

Определение теплоемкости образца методом ступенчатого нагрева 

Оборудование, используемое нами при проведении исследований

Термоанализатор Setsys Evolution -1750 (Setaram, Франция)

Комплексная установка для проведения DTA/DSC, TGA,TGA-DTA/DSC исследований. В зависимости от типа используемой термопары рабочий температурный диапазон прибора составляет +25 - +1750⁰С.

Обладает высокой чувствительностью (0,3 -1 мкВ/мВт), поэтому возможно использовать образцы массой менее 5-10 мг.

Установка обеспечивает реализацию практически любой термической программы при изменении скорости нагрева и охлаждения от 1 до 50 град/мин.

Обеспечивается контроль состава и количества подаваемого в печь газа, существует возможность исследований при разряжении (при давлении около 10³Па, а при необходимости – около10 Па).

Масса навески до 5 грамм, диапазон измерения изменяющейся при эксперименте массы +/-200 мг, точность измерения массы в указанном диапазоне +/-0,1 мг.

Газовая схема термоанализатора

- работа в условиях широкого спектра газовых сред в камере печи (азот, аргон, кислород, водород, смеси газов);

-работа под разряжением (при давлении около 10 Па);

-возможность одновременной контролируемой подачи нескольких газов в камеру печи;

-возможность подключения установки к газоанализаторам.

Общий вид и схематическое изображение электронных весов Setsys Evolution-1750

1-коромысло весов;

2- торсионная нитка;

3-жесткие опоры;

4-тигель с исследуемым веществом;

5-противовес;

6-пластинка;

7- источник света;

8-два фотодиода;

9-компенсирующие соленоиды