4. Получение термогравиметрических кривых (тг)
4. 1. Термогравиметрическая кривая (тг)
Нагревание в программируемом режиме исследуемого вещества на специальных термических весах позволяет графически зафиксировать изменение массы этого вещества m(Р) в зависимости от температуры t или времени τ в виде характерной термогравиметрической ТГ (термовесовой) кривой:
m(P) = f (t) или m(P) = f (τ).
По-другому такая ТГ кривая называется нормальной или интегральной и показывает изменение (потерю) массы исследуемого вещества от начала и до конца нагревания. Форма идеальной термогравиметрической (ТГ) кривой представлена на рис. 4. 1.
Запись ТГ кривой проводится автоматически с использованием электронных весов специальной конструкции (рис. 4. 2).
Рис. 4. 1. Идеальная термогравиметрическая ТГ кривая.
Рис. 4. 2. Схема термовесов: 1 – блок программирования режима нагревания печи, 2 - термометр (простая термопара), 3 - нагревательный элемент печи (нихром и т.д.), 4 - керамический корпус печи, 5 - тигель с исследуемым веществом, 6 - коромысло электромагнитных компенсационных весов, 7 - усилитель ЭДС, 8 - прибор регистрации ТГ.
Изменение массы (обычно потеря) исследуемого образца (5) приводит к смещению коромысла весов (6) с магнитом на конце. Это приводит к возникновению в индукционной кадушке ЭДС, которая через усилитель постоянного тока (7) подается на регистрирующий прибор (8). Поступающий сигнал записывается в виде ТГ кривой. По внешней форме такой интегральной ТГ кривой можно получит информацию о составе исследуемого вещества, его термической устойчивости и кинетике термических реакций по стадиям или в целом.
Изменение массы твердых тел во время нагревания связано с выделением газообразной фазы, образующейся в результате физико-химического процесса. ТГ кривая в таком случае регистрирует потерю массы образца и называется иногда кривой потери массы. Потеря массы вещества может быть связана с выделением воды (дегидратация), разложением (диссоциация), возгонкой.
Иногда на процесс разложения может накладываться другой процесс. Например, при нагревании карбонатов железа (II) и марганца (II), после выделения CO2 происходит окисление продуктов разложения, что приводит к потере, а затем увеличению массы образца:
MeCO3
MeO + CO2,
4MeO + O2 2Me2O3.
Слияние двух противоположных процессов отражается на форме ТГ кривой, затрудняя ее анализ. Нагревание на воздухе металлов, полимеров, некоторых органических соединений сопровождается их окислением, что регистрируется как увеличение массы на ТГ кривых. Во избежание процессов окисления за счет кислорода воздуха во время опыта целесообразно использовать инертную атмосферу или вакуум.
Если при нагревании исходного вещества и образовавшихся во время нагревания промежуточных фаз не происходит никаких физико-химических процессов, отражающихся на изменении массы и, следовательно, на форме ТГ кривой, то это свидетельствует о термической стабильности образца и его промежуточных фаз в заданном температурном интервале.