差熱分析實驗-實驗報告-所用儀器南大萬和NDTA-III差熱分析儀

產品型號：NDTA-III
產品編號：NDTA-III

實驗八 差 熱 分 析

一、實驗目的

1.         掌握差熱分析的基本原理、測量技術以及影響測量準確性的因素。

2.         學會差熱分析儀的操作，并測定CuSO4·5H2O的差熱曲線。

3.        掌握差熱曲線的定量和定性處理方法，對實驗結果作出解釋。

二、實驗原理

1. 差熱分析的原理

    在物質勻速加熱或冷卻的過程中，當達到特定溫度時會發生物理或化學變化。在變化過程中，往往伴隨有吸熱或放熱現象，這樣就改變了物質原有的升溫或降溫速率。差熱分析就是利用這一特點，通過測定樣品與一對熱穩定的參比物之間的溫度差與時間的關系，來獲得有關熱力學或熱動力學的信息。

目前常用的差熱分析儀一般是將試樣與具有較高熱穩定性的差比物（如a-Al₂O₃）分別放入兩個小的坩堝，置于加熱爐中升溫。如在升溫過程中試樣沒有熱效應，則試樣與差比物之間的溫度差DT為零；而如果試樣在某溫度下有熱效應，則試樣溫度上升的速率會發生變化，與參比物相比會產生溫度差DT。把T和DT轉變為電信號，放大后用雙筆記錄儀記錄下來，分別對時間作圖，得DT—t和T—t兩條曲線。

圖III-8-1所示的是理想狀況下的差熱曲線。圖中ab、 de、 gh分別對應于試樣與參比物沒有溫度差時的情況，稱為基線，而bcd和efg分別為差熱峰。差熱曲線中峰的數目、位置、方向、高度、寬度和面積等均具有一定的意義。比如，峰的數目表示在測溫范圍內試樣發生變化的次數；峰的位置對應于試樣發生變化的溫度；峰的方向則指示變化是吸熱還是放熱；峰的面積表示熱效應的大小等等。因此，根據差熱曲線的情況就可以對試樣進行具體分析，得出有關信息。

在峰面積的測量中，峰前后基線在一條直線上時，可以按照三角形的方法求算面積。但是更多的時候，基線并不一定和時間軸平行，峰前后的基線也不一定在同一直線上（如圖III-8-2上所示）。此時可以按照作切線的方法確定峰的起點、終點和峰面積。另外，還可以采取剪下峰稱重，以重量代替面積（即剪紙稱量法）。

2. 影響差熱分析的因素

差熱分析是一種動態分析技術，影響差熱分析結果的因素較多。主要有：

(1) 升溫速率

升溫速率對差熱曲線有重大影響，常常影響峰的形狀、分辨率和峰所對應的溫度值。比如當升溫速率較低時基線漂移較小，分辨率較高，可分辨距離很近的峰，但測定時間相對較長；而升溫速率高時，基線漂移嚴重，分辨率較低，但測試時間較短。                                           

圖III-8-2 測定面積的方法

(2) 試樣

樣品的顆粒一般大約在200目左右，用量則與熱效應和峰間距有關。樣品粒度的大小，用量的多少都對分析有著很大的影響，甚至連裝樣的均勻性也會影響到實驗的結果。

(3) 稀釋劑的影響

稀釋劑是指在試樣中加入一種與試樣不發生任何反應的惰性物質，常常是參比物質。稀釋劑的加入使樣品與參比物的熱容相近，能有助于改善基線的穩定性，提高檢出靈敏度，但同時也會降低峰的面積。

(4) 氣氛與壓力

許多測定受加熱爐中氣氛及壓力的影響較大，如CaC₂O₄·H₂O在氮氣和空氣氣氛下分解時曲線是不同的。在氮氣氣氛下CaC₂O₄·H₂O第二步熱解時會分解出CO氣體，產生吸熱峰，而在空氣氣氛下熱解時放出的CO會被氧化，同時放出熱量呈現放熱峰。

除了以上因素外，走紙速率、差熱量程等均對差熱曲線有一定的影響。因此在運用差熱分析方法研究體系時，必須認真查閱文獻，審閱體系，找出合適的實驗條件方可進行測試。

本實驗使用的NDTA-III型差熱儀屬于中溫、微量型差熱儀。其主要有溫控系統、差熱系統、試樣測溫系統和記錄系統四部分，

三、儀器與試劑   詳見/product_view.asp?id=61

生產廠家：南大萬和

差熱實驗儀(NDTA-III)             1臺          DTA-III型差熱實驗爐

氧化鋁（A. R.）

鑷子                            1把           Sn (A. R.)

鋁坩鍋                          8個         CuSO4·5H2O (A. R.)

臺式自動平衡記錄儀              1臺

四、實驗步驟

1. 打開差熱分析儀(NDTA-III)電源，預熱20分鐘。先在兩個小坩鍋內分別準確稱取純錫和a-Al₂O₃ 各5 mg。升起加熱爐，逆時針方向旋轉到左側。用熱源靠近差熱電偶的任意一熱偶板，若差熱筆向右移動，則該端為參比熱電偶板，反之，為試樣板。用鑷子小心將樣品放在樣品托盤上，參比放在參比托盤上，降下加熱爐（注意在欲放下加熱爐的時候，務必先把爐體轉回原處，然后才能放下爐子，否則會弄斷樣品架）。

2. 打開差熱分析儀主機開關，接通冷卻水，控制水的流量約在300 ml/min左右。

3. 打開平衡記錄儀開關，分別將差熱筆和溫度筆量程置于20 mV和10 mV上，走紙速率置于 30 mm/min量程。 調節差熱儀主機上差熱量程為250oC。

4. 將升溫速率旋在0刻度，用調零旋紐將溫度筆置于差熱圖紙的最右端，差熱筆置于中間，將升溫速率旋至10oC /min，放下繪圖筆轉換開關。

5. 按下加熱開關，同時注意升溫速率指零旋鈕左偏（不左偏時不能進行升溫，需停機檢查）。按下電爐開關，進行加熱，儀器自動記錄。

6. 等到繪圖紙上出現一個完整的差熱峰時，關閉電爐開關。按下程序零旋紐和電位差計的開關，旋起加熱爐，用鑷子取下坩鍋。將加熱爐冷卻降溫至70oC以下，將預先稱好的a-Al₂O₃和CuSO4·5H2O試樣分別放在樣品保持架的兩個小托盤上，在與錫相同的條件下升溫加熱，直至出現兩個差熱峰為止。

7. 按照上述步驟，每個樣品測定差熱曲線兩次。

8. 實驗結束后，抬起記錄筆，關閉記錄儀電源開關、加熱開關，按下程序功能“0”鍵，關閉電源開關，升起爐子，取出樣品，關閉水源和電源。

五、數據記錄和處理

1. 在本實驗條件下，差熱測量溫度范圍為0—1200 °C（實驗所用為鎳鎘熱電偶），根據差熱曲線，定性說明錫和CuSO4·5H2O的差熱圖，指出峰的位置、數目、指示溫度及所表示的意義。

2. 計算CuSO4·5H2O的熱放應，
原理：根據公式：

其中C為常數，

與儀器特性及測量條件有關，m為樣品質量，為差熱峰面積，可利用三角形法、剪紙稱量法計算。本實驗中采取測量質量一定且已知熱效應的物質（錫）作為參比，根據錫差熱峰的面積求出常數C，然后再計算的CuSO4·5H2O的熱效應。

六、思考題

1. 影響本實驗差熱分析的主要因素有哪些？

2. 為什么差熱峰的指示溫度往往不恰巧等于物質能發生相變的溫度？

3. 本實驗中為什么差熱筆要放在繪圖紙的中間？

參考文獻：南京大學出版社 物理化學實驗   復旦大學物化實驗教材   山東大學物化實驗教材，南京南大萬和科技有限公司網站