Методы анализа термических свойств продукции

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РФ

Ингушский Государственный университет

Физико – математический факультет

 

 

 

 

 

 

Кафедра  Общей физики

 

 

Курсовая работа

 

На тему: «ДТА».

 

 

 

 

 

 Науч. руководитель:

_________________________________

Выполнила:________________________

_________________________________

 

                                             Назрань - 2013

 

Содержание:

Введение

1. Методы анализа термических  свойств продукции

Дифференциально-термический  анализ

Термогравиметрия

1.3 Дифференциальная термогравиметрия 

1.4 Деривативная термогравиметрия

1.5 Дериватография

2. Хроматография

2.1 Классификация методов  хроматографии

2.2 Жидкостно-адсорбционная  хроматография на колонке

2.3 Высокоэффективная жидкостная  хроматография

2.4 Ионообменная хроматография

2.5 Тонкослойная хроматография

2.6 Хроматография на бумаге

2.7 Гельпроникающая (молекулярно-ситовая)  хроматография

2.8 Газовая хроматография

2.9 Применение хроматографии

3.Показатели характеризующие  механические свойства товаров

Заключение

Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ведение

Физико-химические методы анализа (ФХМА) основаны на использовании зависимости  физических свойств веществ (например, светопоглощения, электрической проводимости и т.д.) от их химического состава. Иногда в литературе от ФХМА отделяют физические методы анализа, подчёркивая  тем самым, что в ФХМА используется химическая реакция, а в физических - нет. Физические методы анализа и  ФХМА, главным образом в западной литературе, называют инструментальными, так как они обычно требуют  применения приборов, измерительных  инструментов. Инструментальные методы анализа в основном имеют свою собственную теорию, отличную от теории методов химического (классического) анализа (титриметрии и гравиметрии). Базисом этой теории является взаимодействие вещества с потоком энергии.

При использовании ФХМА для  получения информации о химическом составе вещества исследуемый образец  подвергают воздействию какого-либо вида энергии. В зависимости от вида энергии в веществе происходит изменение  энергетического состояния составляющих его частиц (молекул, ионов, атомов), выражающееся в изменении того или  иного свойства (например окраски, магнитных  свойств и т.п.). Регистрируя изменение  этого свойства как аналитический  сигнал, получают информацию о качественном и количественном составе исследуемого объекта или о его структуре.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава1. Методы анализа термических свойств продукции

Термоаналитические методы служат для исследования химических реакций, фазовых и других физико-химических превращений, происходящих под влиянием тепла в химических соединениях, или (в случае многокомпонентных  систем) между отдельными соединениями. Термические процессы, будь то химические реакции, изменение состояния или  превращение фазы, сопровождаются всегда более или менее значительным изменением внутреннего теплосодержания  системы. Превращение влечет за собой  поглощение тепла - эндотермическое превращение либо выделение тепла - экзотермическое превращение. Эти тепловые эффекты могут быть обнаружены методами термического анализа или дифференциально-термического анализа (ДТА). Превращения во многих случаях связаны также с изменением массы образца, которое может быть, в свою очередь, с большой точностью определено при помощи термогравиметриче-ского метода (ТГ). Эти классические термоаналитические методы успешно применяются в науке уже более ста лет.

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 (поглощение тепла) линии сгустились, а при кристаллизации продукта, происходящей с выделением тепла, они появились на больших  расстояниях друг от друга. По густоте  линий Ле-Шателье мог сделать  приближенный вывод об относительном  содержании каолинита в глине.

 

Рис. 1. Метод Ле-Шателье

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.

1.1 Дифференциально-термический  анализ

Измерительная часть приборов для термического анализа по методу ДТА состоит обычно из трех термопар (рис. 2). 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.

 

Рис. 1.2.1 Дифференциальная схема  термического анализа

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 (пропорциональная отклонению гальванометра), 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. В том случае, если реакции  сильно перекрывают друг друга, возможно, что на кривой минимум не проявится, а появится только точка перегиба. Термические превращения характеризуют  как пиковыми температурными значениями (точка b на рис. 1), иными 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. 2) 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 коли-чественного  определения тепловых эффектов привело  к созданию нового метода исследования – дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).

 

1.1 Термогравиметрия

Наряду с методом дифференциально-термического анализа веществ активно развивалась  и вторая ветвь термического анализа  – метод термогравиметрии. С помощью последнего можно с высокой степенью точности проследить за изменением массы пробы при повышении температуры.

Термогравиметрия – это  развитие метода исследования, заключающегося в измерении изменения массы  образцов при нагревании. Первоначальную схему метода можно представить  следующим образом: пробу нагревали  до определенной температуры, затем  охлаждали и после охлаждения взвешивали с аналитической точностью. Процесс повторяли циклически, каждый раз увеличивая температуру. Если результаты взвешивания, относящиеся к отдельным  температурным значениям, представить  в координатах температура –  масса образца и соединить  полученные точки, то получится кривая, именуемая термогравиметрической (ТГ).

Описанный метод является исключительно длительным и неточным, но применяется и сегодня, например, при аналитическом определении  потери массы при прокаливании вещества. Значительно быстрее и точнее проводить измерения с помощью термовесов, непрерывно регистрирующих изменение массы пробы.

 

Рис. 1.3.1 Термовесы

Принцип работы термовесов следующий. Пробу помещают в тигель (рис. 3), опирающийся на коромысло  весов. Затем тигель нагревают в  электрической печи так, чтобы его  температура равномерно повышалась. Температура печи измеряется с помощью  находящейся в ней термопары, к концам которой подключен милливольтметр, и время от времени (например, каждые 5...10 К) масса образца фиксируется.

Графически изображенные результаты измерения дают термогравиметрическую  кривую (рис. 4). Если изменение массы  регистрируется автоматически, кривая ТГ строится в зависимости не от температуры, а от времени, однако такая  замена оси абсцисс обратима, если одновременно фиксируется и зависимость  температуры в печи от времени. Наиболее просто замена оси абсцисс осуществляется в том случае, когда повышение  температуры в печи происходит равномерно во времени.

Рис. 1.3.2 Термогравиметрическая  кривая

На основании кривой ТГ можно судить о том, каким образом  изменялась при нагревании масса  пробы, например, при каких температурах и на сколько миллиграммов менялась масса пробы осадка ацетата кальция.

Степень изменения массы  определяется в зависимости от типа термовесов с точностью, примерно, от 0.5 до 0.1%, поэтому на основании результатов  измерения можно производить  довольно точные стехиометрические  расчеты.

Принцип измерения в методе ДТА и устройство соответствующего прибора весьма просты. Возможно, этим объясняется то, что они в течение  длительного времени применялись  исследователями почти без изменений. Зато конструкция термовесов постоянно  модифицировалась. В частности, были предложены конструкции, использующие различные ухищрения для подавления колебаний весов, а также конструкции, позволяющие автоматически регистрировать изменение массы. Первый экземпляр  термовесов сконструировал японский исследователь  Гонда в 1915 г. Впоследствии многие исследователи  шли по пути совершенствования именно его конструкции. Среди используемых в настоящее время есть весы, качающиеся по призмам, весы с подвешенным коромыслом, весы с тормозящей нитью, весы пружинного типа, весы, снабженные жидкостным, воздушным  или электромагнитным затуханием. Но, рассуждая объективно, ни одному из многочисленных типов нельзя отдать безусловное предпочтение.