实验七热重分析及综合热分析一,目的与要求1.了解热重分析的仪器装置及实验技术.2.了解差热分析的仪器装置及实验技术.3熟悉综合热分析的特点,掌握综合热曲线的分析方法.4.测绘矿物的热重曲线和差热分析曲线,解释曲线变化的原因.二,原理1热重分析的仪器结构与分析方法热重分析法是在程序控制温度下,测量物质的质量随温度变化的一种实验技术.热重分析通常有静态法和动态法两种类型.静态法又称等温热重法,是在恒温下测定物质质量变化与温度的关系,通常把试样在各给定温度加热至恒重.该法比较准确,常用来研究固相物质热分解的反应速度和测定反应速度常数.动态法又称非等温热重法,是在程序升温下测定物质质量变化与温度的关系,采用连续升温连续称重的方式.该法简便,易于与其他热分析法组合在一起,实际中采用较多.热重分析仪的基本结构由精密天平,加热炉及温控单元组成.如图1所示:加热炉由温控加热单元按给定速度升温,并由温度读数表记录温度,炉中试样质量变化可由天平记录.图1热重分析仪原理由热重分析记录的质量变化对温度的关系曲线称热重曲线(TG曲线).曲线的纵坐标为质量,横坐标为温度.例如固体热分解反应A(固)→B(固)+C(气)的典型热重曲线如图2所示.图2固体热分解反应的热重曲线图中Ti为起始温度,即累计质量变化达到热天平可以检测时的温度.Tf为终止温度,即累计质量变化达到最大值时的温度.热重曲线上质量基本不变的部分称为基线或平台,如图2中ab,cd部分.若试样初始质量为W0,失重后试样质量为W1,则失重百分数为(W0-W1)0×100%./W许多物质在加热过程中会在某温度发生分解,脱水,氧化,还原和升华等物理化学变化而出现质量变化,发生质量变化的温度及质量变化百分数随着物质的结构及组成而异,因而可以利用物质的热重曲线来研究物质的热变化过程,如试样的组成,热稳定性,热分解温度,热分解产物和热分解动力学等.例如含有一个结晶水的草酸钙(CaC2O4H2O)的热重曲线如图3,CaC2O4H2O在100℃以前没有失重现象,其热重曲线呈水平状,为TG曲线的第一个平台.在100℃和200℃之间失重并开始出现第二个平台.这一步的失重量占试样总质量的12.3%,正好相当于每molCaC2O4H2O失掉1molH2O,因此这一步的热分解应按CaC2O4H2O100℃~→CaC2O4+H2O200℃进行.在400℃和500℃之间失重并开始呈现第三个平台,其失重量占试样总质量的18.5%,相当于每molCaC2O4分解出1molCO,因此这一步的热分解应按400CaC2O4℃~→CaCO3+CO500℃进行.在600℃和800℃之间失重并出现第四个平台,其失重量占试样总质量的30%,正好相当于每molCaC2O4分解出1molCO2,因此这一步的热分解应按CaC2O4600℃~→CaO+CO2800℃进行.可见借助热重曲线可推断反应机理及产物.图3CaC2O4H2O的热重曲线2,综合热分析,DTA,DSC,TG等各种单功能的热分析仪若相互组装在一起,就可以变成多功能的综合热分析仪,如DTA-TG,DSC-TG,DTA-TMA(热机械分析),DTA-TG-DTG(微商热重分析)组合在一起.综合热分析仪的优点是在完全相同的实验条件下,即在同一次实验中可以获得多种信息,比如进行DTA-TG-DTG综合热分析可以一次同时获得差热曲线,热重曲线和微商热重曲线.根据在相同的实验条件下得到的关于试样热变化的多种信息,就可以比较顺利地得出符合实际的判断.综合热分析的实验方法与DTA,DSC,TG的实验方法基本类同,在样品测试前选择好测量方式和相应量程,调整好记录零点,就可在给定的升温速度下测定样品,得出综合热曲线.综合热曲线实际上是各单功能热曲线测绘在同一张记录纸上,因此,各单功能标准热曲线可以作为综合热曲线中各个曲线的标准.利用综合热曲线进行矿物鉴定或解释峰谷产生的原因时,可查阅有关的图谱.图4示出了某种粘土的综合热曲线,它包括加热曲线,差热曲线,热重曲线和收缩曲线.根据综合热分析可知,该粘土的主要谱形与高岭石(Al2O32SiO22H2O)相符,故其矿物组成以高岭石为主.差热曲线两个显著的吸热峰,第一个吸热峰从200℃以下开始发生至260℃达峰值,热重曲线上对应着这一过程质量损失3.7%,而收缩曲线表明这一过程体积变化不大,所以这一吸热峰对应的是高岭石失去吸附水,层间水的过程.第二吸热峰从540℃开始至640℃达顶峰,这一过程质量损失达1.31%,而体积收缩1.4%,这一过程的强烈的吸热效应相当于高岭石晶格中OH-根脱出或结晶水排除,致使晶格破坏,偏高岭石2SiO2)分解成无定形的Al2O3与SiO2.当温度升高到1000℃左右,无定形的Al2O3(Al2O3