实验十三 热重法分析CaC2O4 (2014年).doc

实验十三 SDT Q600 热分析仪的应用及热分析谱图的解析方法一、实验目的1、掌握热分析法的一般原理。2、掌握SDT Q600热分析仪的工作原理，了解其使用方法。3、掌握热分析谱图的解析方法。二、实验原理和技术(1) 热重法 (TG)热重法是在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术。物质受热时，发生化学反应，质量也就随之改变，测定物质质量的变化就可研究其变化过程。热重法实验得到的曲线称为热重曲线（即TG曲线）。TG曲线以质量作纵坐标，从上向下表示质量减少；以温度（或时间）为横坐标，自左向右表示温度（或时间）增加。热重法的主要特点是定量性强，能准确地测量物质的变化及变化的速率。(2) 差热分析 (DTA)差热分析是在程序控制温度下，测量试样与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术。许多物质在加热或冷却过程中会发生熔化、凝固、晶型转变、分解、化合、吸附、脱附等物理化学变化，这些变化必将伴随体系焓的改变，因而产生热效应，其表现为该物质与外界环境之间有温度差。选择一种对热稳定的物质作为参比物，将其与样品一起按设定速率升温。分别记录参比物的温度以及样品与参比物间的温度差，以温差对温度作图就可以得到一条差热分析曲线，或称差热谱图（DTA曲线）。DTA曲线以T(或/mg)作纵坐标，从上向下表示吸热；以温度（或时间）为横坐标，自左向右表示温度（或时间）增加。DTA有两个缺点，其一，试样在产生热效应时，升温速率是非线性的，从而使校正系数K值变化，难以进行定量；其二，试样产生热效应时，由于与参比物、环境的温度有较大差异，因而三者之间会发生热交换，这样就降低了对热效应测量的灵敏度和精确度。由于这两个缺点，使得DTA技术难以进行定量分析工作，只能进行定性或半定量的分析工作。为了克服DTA的缺点，发展了差示扫描量热法，即DSC。(3) 差示扫描量热法(DSC)差示扫描量热法是在程序控制温度下，测量输给物质与参比物的功率差与温度关系的一种技术。由于对试样产生的热效应能及时得到应有的补偿，使得试样与参比物之间无温差、无热交换；而且试样升温速率始终跟随炉温线性升温。因此不仅对测量灵敏度和精度都大有提高、而且也能进行热量的定量分析工作。DSC曲线纵坐标为热流率dH/dt（单位mcal/s或者w/g），峰向上为放热，向下为吸热；自左向右表示温度（或时间）增加。 三、实验用品1. 仪器SDT Q600热分析仪 一台 Al2O3坩埚 两只2. 试剂CaC2O4H2O （化学纯） 气氛 高纯氮（99.999%）四、实验操作步骤（一）开启仪器1. 先打开保护气（氮气）气瓶总阀门，再打开减压阀，使减压阀刻度小于0.1MPa； 2. 打开稳压电源；3. 打开仪器电源开关，仪器即开始启动，当TA Instruments 徽标出现在触摸屏上，表示仪器可以开始使用了；4. 打开电脑的电源，待电脑启动完毕，双击桌面“Q Series Explore”按钮，电脑与仪器即开始进行连接； 5. 在打开的“Q系列仪器浏览器”窗口中找到“Q600-277”图标，双击它打开仪器控制界面。（二）操作顺序1. 根据需要编辑好操作程序里面的“Summary” “Procedure” 以及“Notice”选项卡。（包括：选择模式和要保存的信号；选择测杯类型和材料；设置主净化气体和辅助净化气体流速；创建或选择实验过程，并通过TA仪器控制软件输入实验信息，具体见参数设定部分）；2. 去皮：打开炉门，在参比和样品横梁上分别放置一个洁净的空坩埚，关闭炉门，按“Tare”键去皮； 3. 加载样品：打开炉门，取出样品坩埚并往坩埚里放置待测样品，然后关闭炉门（样品加载量约10 mg 左右，仅需在坩埚底部平铺一层即可）；4. 按“开始”键，仪器即按照既定程序开始工作，在仪器操作界面中可出现数据记录曲线和仪器状态表；5. 主机按照既定程序工作完毕，即自动开始降温，待温度降至室温后，即可取出样品和根据需要决定是否关闭仪器； 6. 数据处理，从计算机中调出实验数据文件，然后进行分析。（三）“草酸钙热分解过程”实验参数的设定1. “Procedure mode” 设定为“SDT Standard”。2. “Procedure test” 设定为“Custom”。3. 升温速度“method”为 “以20 每分钟的加热速度加热到850 ”。4. 保护气选择氮气，气体流量为100 mL/min 。5. 样品坩埚为Al2O3坩埚 。（四）关闭仪器热分析系统的所有组件均设计为可长时间通电，如果将由开关引起的电源波动降到最低，则仪器的性能便更可靠，鉴于这些原因，不赞成频繁地打开和关闭系统。因此当您在仪器上完成实验并想将热分析系统用于其他任务时，建议您让仪器保持打开状态。五、数据处理调出实验数据文件，对谱图做热重数据处理，即标出CaC2O4.H2O在各阶段分解的失重百分比、分解温度和残留量。六、思考题1. 根据CaC2O4.H2O各阶段失重百分比，请分析CaC2O4.H2O在各阶段分解后的分解产物，并写出化学方程式，计算理论失重量，并与实验值相比较。2. 根据五水硫酸铜各阶段失重百分比（第一阶段14.29%，第二阶段14.42%，第三阶段7.02%，第四阶段30.13%，第五阶段3.63%，残留28.77%，），分析五水硫酸铜在各阶段分解后的分解产物，用化学方程式表示。（CuSO4.5H2O分子量250）3. 为什么在升温过程中即使样品无质量变化也会出现DSC峰？4. 简述分别在空气和氮气气氛下进行CaC2O4H2O的热分析实验，所得的热重谱图是否完全一样，为什么？所得的差热谱图（DTA曲线）是否完全一样，为什么？5. 取NiC2O4.2H2O试样分别在空气和N2气氛下做热重分析，前者得到失重百分比为分别为19.5和39.3（相邻两步分解合计39.3%），后者条件的失重率分别为19.45和48（相邻三步分解合计48%），试写出NiC2O4.2H2O在空气和N2气氛下分解的化学方程式。（NiC2O4.2H2O分子量为182.75，NiC2O4.2H2O的草酸根分解机理同CaC2O4.H2O和CuSO4.5H2O）七、附注1 仪器简介SDT Q600 （Simultaneous DSC-TGA Q SeriesTM ）仪器是一种可以同时执行差式扫描量热 (DSC) 和热重分析 (TGA) 的分析仪器。SDT Q600 可在从室温到1500C 的温度范围内测量与材料内部的转变和反应相关的热流(DSC)和重量(TG)变化。Q600 非常适合高温材料（金属、矿物质、陶瓷和玻璃）的研究，在以下方向有广泛的应用：无机物、有机物及聚合物的热分解；金属在高温下受各种气体的腐蚀过程；含湿量、挥发物及灰份含量的测定；反应动力学研究；发现新化合物；催化活度的测定；氧化稳定性和还原稳定性的研究；反应机制的研究等。2. 仪器工作原理3、使用仪器注意事项3.1. 样品为有机物时，温度超过600，有机物将被炭化。3.2. 样品坩埚可以在酒精喷灯上灼烧后重复利用。3.3. 仅当温度低于560，才能够用强制空气冷却。（仪器此时会提示 “喀嚓”声）。3.4. 炉内温度太高时，炉门不能打开。3.5. 加载样品的量不能太多，在坩埚底部平铺一层即可。3.6. 加载样品时，一定要取出样品坩埚后，再往坩埚里面放置待