Контрольные вопросы

1. На чем основаны термические методы анализа? - Термические методы анализа основаны на взаимодействии вещества с тепловой энергией.

2. Какие бывают виды термического анализа? – термогравиметрия, метод дифференциальной термогравиметрии, дифференциальный термический анализ, дилатометрия, дифференциальная сканирующая калориметрия.

3. Какие виды измерения можно проводить с помощью термических методов анализа?

Термический анализ — раздел материаловедения, изучающий изменение свойств материалов под воздействием температуры. Обычно выделяют несколько методов, отличающихся друг от друга тем, какое свойство материала измеряется:

• Дифференциально-термический анализ (ДТА): температура

• Дифференциально-сканирующая калориметрия (ДСК): теплота

• Термогравиметрический анализ (ТГА): масса

• Термомеханический анализ (ТМА): линейный размер

• Дилатометрия (Дил): объём

• Динамический механический анализ (ДМА): механическая жёсткость и амортизация

• Диэлектрический термический анализ (ДЭТА): диэлектрическая проницаемость и коэффициент потерь

• Анализ выделяемых газов (ГТА): газовые продукты разложения

• Термооптический анализ(ТОА): оптические свойства

• Визуально-политермический анализ (ВПА): форма

• Лазерный импульсный анализ (ЛПА): температурный профиль

• Термомагнитный анализ(ТМА): магнитные свойства

4. Какие условия надо учитывать при проведении термических методов анализа? Какие факторы влияют на результат термических методов анализа?

Можно выделить группы факторов, оказывающих влияние на результаты ДСК результатов.

 Факторы, связанные с измерительным прибором:

o Атмосфера печи;

o Размер и форма печи;

o Материал держателя образца;

o Геометрия держателя образца;

o Скорость нагрева;

o Размещение термопары относительно образца;

 Характеристики образца:

o Размер частиц образца;

o Масса образца;

o Теплопроводность;

o Теплоемкость;

o Плотность упаковки частиц образца;

o Усадка образца;

o Степень кристалличности;

5. На каком явлении основан метод дифференциального термического анализа?

дифференциальный термический анализ (ДТА), основанный на изменении энтальпии вещества при нагревании (регистрируемым параметром является выделяемая или поглощаемая теплота);

6. Приведите примеры процессов, протекающих с выделением тепла, с поглощением тепла.

Тепловой эффект реакции - это результат изменения химической энергии, происходящего при химических превращениях.

Экзотермические эффекты на термограмме обусловливаются: переходом аморфного состояния в кристаллическое, полиморфным переходом неустойчивой модификации в устойчивую, окислением составляющих 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 контактной массы с выделением газообразной фазы, плавления материала.

Реакции, которые протекают самопроизвольно при обыных условиях, скорее всего экзотермические. Для запуска экзотермических реакций может потребоваться инициация – нагревание и др.

Например, после поджигания горение угля протекает самопроизвольно, реакция экзотермическая:

C + O2 = CO2 + Q

Реакции, в ходе которых из менее устойчивых веществ образуются более устойчивые, чаще всего экзотермические. И наоборот, образование более устойчивых веществ из менее устойчивых сопровождается поглощением теплоты.

Например, горение амиака (взаимодействие активных, неустойчивых веществ — аммиака и кислорода) приводит к образованию устойчивых веществ – азота и воды.

Следовательно, реакция экзотермическая: 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O + Q

Реакции образования устойчивых веществ из простых веществ экзотермические, реакции разложения чаще всего – эндотермические.

Например, разложение нитрата калия сопровождается поглощением теплоты:

2KNO3 → 2KNO2 + O2 – Q

7. Как выглядит дифференциальная термограмма для вещества, претерпевшего эндотермическое превращение; экзотермическое превращение; в отсутствии фазовых превращений?

Принято считать, что при эндотермических реакциях дифференциальная кривая отклоняется от нулевой линии вниз, а при экзотермических реакциях — вверх. Степень отклонения (температурный пик) характеризует степень различия температур образца и эталона и является качественным и количественным показателем реакции . Если теплофизические свойства эталона и исследуемого вещества совпадают и последнее при нагревании не испытывает никаких превращений, то разность температур АТ = О, и термограмма имеет вид прямой линии, совпадающей с осью абсцисс.

Рисунки не обязательны!

8. Какими способами определяются температуры начала и конца пика тепловых эффектов?

Термограммы позволяют определить температуры начала и конца превращения.

Форма пиков зависит, главным образом, от скорости подъема температуры в печи — при медленном нагревании они получаются широкими, а при быстром — узкими и острыми, а также от количества исследуемого материала. Если вещества немного, экстремумы кривых имеют более заостренную форму.

Температурами начала пика (т.А на рис.)и , которая характеризует начало процесса, и окончания пика (В на рис.) , определяются как точки пересечения касательных основной (базовой) . Температурой максимума (минимума) пика (Б на рис. ), которая характеризует окончание процесса. Амплитуда пика (ВГ) характеризует интенсивность термического процесса; площадь (АБВГ), ограниченная пиком на кривой, прямо пропорциональна величине теплового эффекта превращения и обратно пропорциональна коэффициенту теплопроводности образца.

Усовершенствованной разновидностью термического анализа, является так называемый дифференциальный термический анализ (ДТА). Этот метод основан на измерении в процессе нагрева или охлаждения зависимости от времени разности температур исследуемого образца и эталона.

9. Для чего нужен эталон при дифференциальной записи термограмм? Какие требования предъявляют к эталону?

При проведении дифференциального термического анализа в процессе нагревания или охлаждения регистрируется разность температур между изученным веществом и эталоном.

Эталон подбирают таким образом, чтобы он не претерпевал фазовых превращений, а его теплоемкость и теплопроводность были сопоставимы с таковыми образца. В противоположном случае термоЭДС дифференциальной термопары и в отсутствие превращения отклоняется от нулевой линии. Размеры образца и эталона следует выбирать так, чтобы

где С — удельная теплоемкость; m — масса.

В случае медленного нагрева эталон можно вообще не использовать, а второй спай дифференциальной термопары помещать непосредственно в блок.

10. Как называется прибор для съемки термограмм, его основные узлы.

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

Для регистрации термограмм применяют фоторегистрирующие приборы (пирометр Курнакова различных моделей) оптические пирометры, и осциллографы (установки для высокотемпературного дифференциально-термического анализа – ВДТА), электронные (автоматические) потенциометры, дериватограф. В последние годы разработаны и применяются как автоматические регистрирующие устройства с электронными потенциометрическими узлами, так и устройства, основанные на принципе цифровой регистрации и машинной обработки экспериментальных данных. Их применение обеспечивает высокую точность регистрации быстротекущих процессов и возможность автоматической об-работки результатов с помощью ЭВМ.