熱重法測(cè)定的結(jié)果與哪些因素有關(guān)?
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熱重法測(cè)定的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān),為了得到準(zhǔn)確性和重復(fù)性好的熱重曲線,我們有必要對(duì)各種影響因素進(jìn)行仔細(xì)分析。影響熱重測(cè)試結(jié)果的因素,基本上可以分為三類:儀器因素、實(shí)驗(yàn)條件因素和樣品因素。
儀器因素包括氣體浮力和對(duì)流、坩堝、揮發(fā)物冷凝、天平靈敏度、樣品支架和熱電偶等。對(duì)于給定的熱重儀器,天平靈敏度、樣品支架和熱電偶的影響是固定不變的,我們可以通過質(zhì)量校正和溫度校正來(lái)減少或消除這些系統(tǒng)誤差。
氣體浮力和對(duì)流的影響
氣體浮力的影響:氣體的密度與溫度有關(guān),隨溫度升高,樣品周圍的氣體密度發(fā)生變化,從而氣體的浮力也發(fā)生變化。所以,盡管樣品本身沒有質(zhì)量變化,但由于溫度的改變?cè)斐蓺怏w浮力的變化,使得樣品呈現(xiàn)隨溫度升高而質(zhì)量增加,這種現(xiàn)象稱為表觀增重。
對(duì)流的影響:它的產(chǎn)生,是常溫下,試樣周圍的氣體受熱變輕形成向上的熱氣流,作用在熱天平上,引起試樣的表觀質(zhì)量損失。
措施:為了減少氣體浮力和對(duì)流的影響,試樣可以選擇在真空條件下進(jìn)行測(cè)定,或選用臥式結(jié)構(gòu)的熱重儀進(jìn)行測(cè)定。
坩堝的影響
大小和形狀:坩堝的大小與試樣量有關(guān),直接影響試樣的熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散;坩堝的形狀則影響試樣的揮發(fā)速率。因此,通常選用輕巧、淺底的坩堝,可使試樣在堝底攤成均勻的薄層,有利于熱傳導(dǎo)、熱擴(kuò)散和揮發(fā)。
坩堝的材質(zhì):通常應(yīng)該選擇對(duì)試樣、中間產(chǎn)物、最終產(chǎn)物和氣氛沒有反應(yīng)活性和催化活性的惰性材料,如Pt、Al2O3等。
揮發(fā)物冷凝的影響
樣品受熱分解、升華、逸出的揮發(fā)性物質(zhì),往往會(huì)在儀器的低溫部分冷凝。這不僅污染儀器,而且使測(cè)定結(jié)果出現(xiàn)偏差。若揮發(fā)物冷凝在樣品支架上,則影響更嚴(yán)重,隨溫度升高,冷凝物可能再次揮發(fā)產(chǎn)生假失重,使TG曲線變形。
為減少揮發(fā)物冷凝的影響,可在坩堝周圍安裝耐熱屏蔽套管;采用水平結(jié)構(gòu)的天平;在天平靈敏度范圍內(nèi),盡量減少樣品用量;選擇合適的凈化氣體流量。實(shí)驗(yàn)前,對(duì)樣品的分解情況有初步估計(jì),防止對(duì)儀器的污染。
實(shí)驗(yàn)條件因素包括升溫速率和氣氛的影響
升溫速率的影響:
升溫速率對(duì)熱重曲線影響的較大,升溫速率越高,產(chǎn)生的影響就越大。因?yàn)闃悠肥軣嵘郎厥峭ㄟ^介質(zhì)-坩堝-樣品進(jìn)行熱傳遞的,在爐子和樣品坩堝之間可形成溫差。升溫速率不同,爐子和樣品坩堝間的溫差就不同,導(dǎo)致測(cè)量誤差。一般在升溫速率為5和10℃/min時(shí)產(chǎn)生的影響較小。
升溫速率對(duì)樣品的分解溫度有影響。升溫速率快,造成熱滯后大,分解起始溫度和終止溫度都相應(yīng)升高。
升溫速率不同,可導(dǎo)致熱重曲線的形狀改變。升溫速率快,往往不利于中間產(chǎn)物的檢出,使熱重曲線的拐點(diǎn)不明顯。升溫速率慢,可以顯示熱重曲線的全過程。一般來(lái)說,升溫速率為5和10℃/min時(shí),對(duì)熱重曲線的影響不太明顯。
升溫速率可影響熱重曲線的形狀和試樣的分解溫度,但不影響失重量。
慢速升溫可以研究樣品的分解過程,但我們不能武斷地認(rèn)為快速升溫總是有害的。要看具體的實(shí)驗(yàn)條件和目的。當(dāng)樣品量很小時(shí),快速升溫能檢查出分解過程中形成的中間產(chǎn)物,而慢速升溫則不能達(dá)到此目的。
氣氛的影響:
氣氛對(duì)熱重實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有影響,它可以影響反應(yīng)性質(zhì)、方向、速率和反應(yīng)溫度,也能影響熱重稱量的結(jié)果。氣體流速越大,表觀增重越大。所以送樣品做熱重分析時(shí),需注明氣氛條件。
熱重實(shí)驗(yàn)可在動(dòng)態(tài)或靜態(tài)氣氛條件下進(jìn)行。所謂靜態(tài)是指氣體穩(wěn)定不流動(dòng),動(dòng)態(tài)就是氣體以穩(wěn)定流速流動(dòng)。在靜態(tài)氣氛中,產(chǎn)物的分壓對(duì)TG曲線有明顯的影響,使反應(yīng)向高溫移動(dòng);而在動(dòng)態(tài)氣氛中,產(chǎn)物的分壓影響較小。因此,我們測(cè)試中都使用動(dòng)態(tài)氣氛,氣體流量為20mL/min。
氣氛有如下幾類:惰性氣氛,氧化性氣氛,還原性氣氛,還有其它如CO2、Cl2、F2等。
圖中示出CaCO3在三種氣氛條件下的熱失重曲線,可見,在真空條件下,分解溫度最低;在空氣條件下,分解溫度居中;在CO2條件下,分解溫度最高。
試樣的影響
樣品量的影響:
樣品量多少對(duì)熱傳導(dǎo)、熱擴(kuò)散、揮發(fā)物逸出都有影響。樣品量用多時(shí),熱效應(yīng)和溫度梯度都大,對(duì)熱傳導(dǎo)和氣體逸出不利,導(dǎo)致溫度偏差。樣品量越大,這種偏差越大。圖中示出了樣品量與熱重曲線的關(guān)系。由圖可以看出,當(dāng)采用小樣品量時(shí),反應(yīng)過程中每步的變化都可以檢測(cè)出來(lái);而當(dāng)采用大樣品量時(shí),三步變化在圖中只看到兩步。所以,樣品用量應(yīng)在熱天平靈敏度允許的范圍內(nèi),盡量減少,以得到良好的檢測(cè)效果。而在實(shí)際熱重分析中,樣品量只需要約5mg。
樣品粒度、形狀的影響:
樣品粒度及形狀同樣對(duì)熱傳導(dǎo)和氣體的擴(kuò)散有影響。粒度不同,會(huì)引起氣體產(chǎn)物擴(kuò)散的變化,導(dǎo)致反應(yīng)速度和熱重曲線形狀的改變。粒度越小,反應(yīng)速度越快,熱重曲線上的起始分解溫度和終止分解溫度降低,反應(yīng)區(qū)間變窄,而且分解反應(yīng)進(jìn)行得完全。所以,粒度影響在熱重法中是個(gè)不可忽略的因素。左圖中示出了細(xì)粒、粗粒和片狀樣品對(duì)熱重曲線的影響。
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