Термический анализ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство здравоохранения Украины

Национальный фармацевтический университет

Реферат на тему:

«Термический анализ»

Выполнили:

студентки 2 курса 1Ф группы

фармацевтического факультета

Колодезная Татьяна,

Каращук Юлия

Харьков - 2011

План

Введение

1. История появления и развития термического анализа

2. Термический анализ

2.1. Физическая суть метода

2.2 Описание установки для анализа

3. Применение термического анализа

Список использованной литературы

Введение

Термические методы анализа веществ основаны на их взаимодействии с тепловой энергией. Основной областью применения этих методов является аналитическая химия, т.е. они используются для определения качественного и количественного состава образца. Наибольшее применение находят термические эффекты, которые являются причиной или следствием химических реакций. В меньшей степени применяют методы, основанные на выделении или поглощении теплоты в результате физических процессов. Это процессы, связанные с переходом вещества из одной модификации в другую, с изменением агрегатного состояния и другими изменениями межмолекулярного взаимодействия, например, происходящими при растворении или разбавлении.

К термическим методам анализа относятся: термогравиметрия, термический и дифференциальный термический анализ, термометрическое титрование, энтальпиметрия, дилатометрия и катарометрия. Различие между этими методами состоит в регистрируемом прибором параметре. Это может быть изменение массы, температуры, выделение или поглощение тепла и др. В зависимости от этого параметра применение этих методов тоже различается друг от друга.

Термические методы анализа успешно применяются для исследований металлургических материалов, минералов, силикатов, а также полимеров, почв, определения содержания влаги в пробах.

В данном реферате мы более подробно остановимся и рассмотрим термический и дифференциальный термический анализ, поскольку они неразрывно связаны между собой.

1. История появления и развития термического анализа

Исходной точкой появления самого принципа термического анализа можно считать 1887 г. Тогда этот метод был применен Ле-Шателье для испытания глинистых минералов. Небольшое количество глины с равномерной скоростью быстро нагревалось до температуры 1300 K, в то время как Ле-Шателье с помощью вложенной в пробу термопары и подключенного к ее клеммам гальванометра наблюдал за тем, в какой степени температура пробы следует темпу нагревания. Результаты измерения были зарегистрированы фотографированием через равномерные промежутки времени узкой световой полосы, отраженной на фотопластинку от зеркала гальванометра.

Известно, что каолинит (Al₄[Si₄O₁₀](OH)₆) - минерал, из которого состоит белая глина, теряет воду при температуре около 900 K. Данный процесс является эндотермическим. Полученные при разложении аморфные продукты кристаллизуются с выделением тепла при температуре около 1200 K.

Согласно указанным превращениям, на фотопластинке Ле-Шателье (Рис.1) в случае, когда ничто не оказывало влияния на равномерное повышение температуры пробы, были получены линии, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга. Однако при потере каолинитом структурной воды линии сгустились, а при кристаллизации продукта, они появлялись на больших расстояниях друг от друга. По густоте линий Ле-Шателье мог сделать примерный вывод о содержании каолинита в глине.

Метод вначале был применен по предложению Аустена для изучения диаграмм состояния металлов и сплавов, а затем применен Валлахом для испытания глинистых минералов и пород. С 1939 г. метод термического анализа применяется для исследования наравне с рентгеновскими исследованиями.

Принцип измерения используемых в настоящее время приборов для термического анализа несколько отличается от простого метода Ле-Шателье. В современной аппаратуре измерение энтальпии пробы осуществляется по так называемой “дифференциальной схеме”, предложенной Аустеном и усовершенствованной Хоулдсворсом и Каббом в 1923 г.

2. Термический анализ

2.1 Физическая суть метода

Термический анализ -- раздел материаловедения, изучающий изменение свойств материалов под воздействием температуры.

Термический анализ и дифференциальный термический анализ (ДТА) заключается в измерении температуры (или разности температур) в зависимости от количества проводимой или отводимой теплоты.

При постоянном нагревании любое превращение или реакция, вызываемая повышением температуры, приводит к появлению пиков или впадин на кривых зависимости температуры от времени нагревания (Рис. 2). Если превращение вещества при нагревании не происходит, то наблюдается линейная зависимость температуры от времени нагревания.

В случае эндотермической реакции кривая, отображающая процесс, изгибается вниз, для экзотермической реакции картина обратная. Если перепад температур при химическом превращении велик, то используют малочувствительные приборы и при этом небольшие термические эффекты могут не найти отражения на кривой. Более чувствительной будет регистрация температуры через определенные небольшие интервалы времени, в пределах которых температура меняется не более чем на 1-2⁰С. Этот метод называют деривационным анализом. Экспериментально легче осуществить дифференциальный термический анализ, когда регистрируют изменение температуры ДТ как функцию температуры или времени.

В методе ДТА температуру образца сравнивают с температурой некоторого инертного материала (эталона) в процессе линейного повышения окружающей температуры. Эталоном должно быть термически устойчивое вещество, для которого в интервале изучаемых температур не наблюдается фазовых переходов или разложения. Для этих целей часто используют оксид алюминия (б-Al₂O₃).

При эндотермических процессах (Рис. 3) температура исследуемого образца падает ниже температуры эталона, а для экзотермического процесса повышается.

Большинство превращений сопровождается эндотермическими эффектами, исключение составляют процессы окисления и некоторые структурные изменения. Довольно часто они возникают в результате вторичных процессов.

Температуры пиков кривой качественно характеризуют соответствующие процессы. В количественном методе ДТА принято одно основное допущение: площадь, ограниченная пиком на кривой, пропорциональна теплоте реакции, а также количеству вступающего в реакцию вещества. Это допущение обычно не является достаточно строгим, поскольку вид и положение пиков плохо воспроизводятся. Поэтому основная область применения ДТА - качественная оценка образцов.

Количественную информацию в ДТА можно получить с помощью дифференциально-калориметрических измерений, использую для этого дифференциальный сканирующий калориметр (ДСК). Обычно в ДСК входит калориметр изотермического типа. При таком способе измерения различия в теплопроводности, теплоемкости исследуемого образца и эталона и другие отклонения не имеют значения. На кривой ДСК пики имеют правильную форму, тогда как на кривой ДТА линейный участок кривой несколько искажается тепловыми явлениями, происходящими в образце.

Изменение таких параметров твердых и жидких веществ, как температуры замерзания и кипения, давления пара растворов, положено в основу методов определения молекулярных масс и концентраций.

Данные, полученные разными термическими методами анализа (например, ДТА, термогравиметрией и дифференциальной термогравиметрией), сравнивают между собой с помощью дериватографа (Рис. 4).

2.2 Описание установки для анализа

Рис. 5. Установка для дифференциального термического анализа

Измерительная часть приборов для термического анализа по методу ДТА состоит обычно из трех термопар (рис. 5). Одной из них (термопара №3) измеряется температура печи, а остальными двумя включенными навстречу друг другу термопарами при помощи высокочувствительного гальванометра измеряется разность температур между печью и пробой. Последняя помещается в одно из трех отверстий блока держателя пробы и в нее укладывается спай первой термопары. Спаи второй и третьей термопар, измеряющих температуру печи, окружают инертным веществом, не претерпевающим никаких изменений под влиянием тепла, но создающим условия теплопередачи, почти тождественные условиям, в которых находится исследуемое вещество.

Держатель пробы нагревается с помощью регулируемой электрической печи. При такой схеме, если температуру держателя равномерно увеличивать, температура, как пробы, так и инертного вещества равномерно повышается до тех пор, пока в исследуемом веществе не начнется химическая реакция или другое превращение с тепловым эффектом. С этого момента, в зависимости от того, является ли реакция экзотермической или эндотермической, начинается, соответственно, повышение или снижение температуры пробы. Таким образом, разность потенциалов между полюсами первой термопары останется неизменной или же начнет повышаться быстрыми темпами. Поскольку эта разность компенсироваться равномерно увеличивающимся напряжением второй термопары не будет, гальванометр даст показания, по знаку и величине соответствующие разности температур.

Если показания гальванометра снимают в зависимости от температуры, наблюдаемой по милливольтметру (например, через каждые 5 или 10 K), и полученные таким способом данные изображают графически, то получают кривые, подобные графику, представленному на рис. 1. По оси ординат отложена разность температур, наблюдаемая между пробой и инертным веществом. По оси абсцисс отложено время, которое пропорционально температуре в печи в том случае, если температура последней увеличивалась равномерно во времени. Прямая горизонтальная часть кривой и ее дополнительный отмеченный пунктирной линией участок являются основной линией, которая была бы получена, если бы в исследуемом веществе не произошло никакого термического превращения. Кривые ДТА условно строят так, что эндотермический максимум откладывают от основной линии вниз, а экзотермический максимум - вверх. Минимумом кривой считается наиболее приближенная к основной линии точка между двумя эндотермическими или экзотермическими процессами, плотно сопровождающими или перекрывающими друг друга. Термические превращения характеризуют как пиковыми температурными значениями (точка b на рис. 1), другими словами, температурой, при которой скорость процесса достигает максимального значения, так и температурами начала (точка а) и конца термического (точка с) процесса.

Кривые ДТА на практике регистрируются автоматически. Разностный сигнал с термопар подается на какое-либо регистрирующее устройство, фиксирующее его величину через определенный временной интервал. Градуировка термограммы производится, обычно, по температурной кривой, измеренной в инертном материале и зафиксированной на том же регистраторе. Описанный выше классический вариант аппарата для ДТА наряду с другими, более современными типами, широко применяется еще и сегодня, хотя правильность принципа измерения у него весьма сомнительна.

Следует отметить, что пиковые значения температуры, измеряемые аппаратом данного типа, представляют собой не действительную температуру превращения, а только температуру инертного вещества в тот момент, когда скорость превращения в пробе достигает своего максимума. На указанную ошибку метода обратили внимание Берг, Смит и Баршед. Идея же измерения температуры в самом исследуемом материале долгое время оставалась нереализованной.

С самого начала создания этого метода специалисты стремились использовать кривые ДТА для определения количественных соотношений.

Количественные оценки кривых ДТА научно обосновывались исследователями Шпейлом, Беркелгаммером, Паском и Дэвисом, а попытки усовершенствования метода нашли отражение в работах Керра и Купа, Баршеда, Берга, Фельдварине, Клибурски и многих других. Вначале исследователи искали надежные зависимости между высотой пика кривой ДТА и содержанием искомого компонента в пробе.

Основанием количественной оценки в настоящее время является площадь, ограниченная кривыми и основной линией. Такой метод количественной оценки является правильным, но весьма неточным и затруднительным. На практике оказывается, что количественная оценка кривых ДТА этим методом может производиться лишь с точностью, не превышающей 5...10%. Повысить точность количественного определения теплового эффекта можно увеличив точность определения разности температур между пробой и инертным веществом. На практике это достигается заменой термопар №1 и №2 (см. рис. 5) на блоки термопар, которые увеличивают сигнал на регистрирующем разность температур приборе и тем самым повышают точность ее определения. Развитие метода ДТА в направлении повышения точности количественного определения тепловых эффектов привело к созданию нового метода исследования - дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).

3. Применение термического анализа

дифференциальный термический анализ ле шателье

Термический анализ часто используется как один из основных методов изучения теплопередачи через структуры. Базовые данные для моделирования поведения и свойств таких систем получают, измеряя теплоёмкость и теплопроводность.

Термопластические полимеры применяются в упаковочных материалах и хозяйственных товарах, и для исследования таких материалов, а именно влияния используемых в них добавок (включая стабилизаторы и цветовые добавки) и оптимизации процесса прессования или выдавливания используется метод ДСК. Например -- ДСК времени индукции окисления позволяет определить количество стабилизатора окисления, присутствующего в термопласте (обычно полиолефин).

Дифференциальную сканирующую калориметрию, как более современную модификацию термического анализа, часто используют для анализа фармацевтических материалов. ДСК позволяет исследовать изменения, происходящие при полиморфных превращениях при различных скоростях нагрева. Таким образом, может быть определена скорость нагрева, необходимая для обеспечения полиморфной чистоты продукта (иногда необходимо обеспечить скорость до 750 C/мин).

Список использованной литературы

1. Основы аналитической химии. В 2 кн. Кн. 2. Методы химического анализа. Учеб. для вузов / Ю.А. Золотов, Е.Н. Дорохова, В.И. Фадеева и др. / Под редакцией Ю.А. Золотова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2004. - 503 с: ил. - (Серия «Классический университетский учебник»).

2. Альмяшев В.И., Гусаров В.В. Термические методы анализа: Учеб. пособие / СПбГЭТУ (ЛЭТИ). - СПб., 1999. - 40 с.

3. Электронные словари, энциклопедии и статьи.

Размещено на Allbest.ru