热重分析

实验二十一热重分析法一、实验目的1．掌握热重分析的原理。

2．用热天平测CuSO4·5H2O样品的热重曲线，学会使用WRT-3P高温微量热天平。

二、实验原理热重分析法(Thermogravimetric Analysis，简称TG)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。

许多物质在加热过程中常伴随质量的变化，这种变化过程有助于研究晶体性质的变化，如熔化、蒸发、升华和吸附等物质的物理现象；也有助于研究物质的脱水、解离、氧化、还原等物质的化学现象。

1．TG和DTG的基本原理与仪器进行热重分析的基本仪器为热天平。

热天平一般包括天平、炉子、程序控温系统、记录系统等部分。

有的热天平还配有通入气氛或真空装置。

典型的热天平示意图见图l。

除热天平外，还有弹簧秤。

国内已有TG和DTG(微商热重法)联用的示差天平。

热重分析法通常可分为两大类：静态法和动态法。

静态法是等压质量变化的测定，是指一物质的挥发性产物在恒定分压下，物质平衡与温度T的函数关系。

以失重为纵坐标，温度Ｔ为横坐标作等压质量变化曲线图。

等温质量变化的测定是指一物质在恒温下，物质质量变化与时间t的依赖关系，以质量变化为纵坐标，以时间为横坐标，获得等温质量变化曲线图。

动态法是在程序升温的情况下，测量物质质量的变化对时间的函数关系。

1一机械减码；2一吊挂系统；3一密封管；4一出气口5一加热丝；6一试样盘；7一热电偶8一光学读数；9一进气口；10一试样；1l一管状电阻炉；12一温度读数表头；13一温控加热单元图l 热天平原理图控制温度下，试样受热后重量减轻，天平(或弹簧秤)向上移动，使变压器内磁场移动输电功能改变；另一方面加热电炉温度缓慢升高时热电偶所产生的电位差输入温度控制器，经放大后由信号接收系统绘出TG热分析图谱。

２曲线a所示。

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)作横坐标，自左至右表示温度(或时间)增加。

DTG是TG对温度(或时间)的一阶导数。

热重分析的原理
热重分析是一种通过加热样品并测量其质量变化来研究样品性质的分析方法。

它可以用于研究材料的热稳定性、吸附、脱附、氧化、分解和化学反应等。

热重分析的原理基于样品在升温过程中发生质量变化的基本规律，通过对这些质量变化的监测和分析，可以得到样品的热学性质、化学性质和物理性质等重要信息。

热重分析的基本原理是利用热天平仪器对样品进行加热，并测量样品的质量随
温度变化的情况。

在加热过程中，样品会发生吸附、脱附、分解、氧化等反应，从而导致质量的变化。

通过监测样品质量的变化，可以得到样品在不同温度下的热学性质和化学性质。

热重分析的原理可以用于研究材料的热稳定性。

在升温过程中，如果样品发生
分解、氧化等反应，会导致质量的减少；而吸附反应则会导致质量的增加。

通过监测样品质量的变化，可以确定样品的热稳定性，为材料的应用提供重要参考。

此外，热重分析的原理也可以用于研究材料的吸附、脱附等性质。

在升温过程中，样品会发生吸附、脱附等反应，从而导致质量的变化。

通过监测样品质量的变化，可以得到样品的吸附、脱附等性质，为材料的表面性质研究提供重要信息。

总之，热重分析的原理是通过监测样品在加热过程中的质量变化，来研究样品
的热学性质、化学性质和物理性质。

这种分析方法简单、快速、准确，广泛应用于材料科学、化学、生物学等领域。

希望本文对热重分析的原理有所帮助，谢谢阅读。

第18讲教学目的：使学生了解热分析的分类和术语教学要求：掌握热重分析的定义、影响因素教学重点：热重分析的定义、影响因素教学难点：热重及微商热重教学拓展：热重质谱联用作业：1.简述热分析的定义和分类？2.简述热重分析的原理和影响因素？3.热重法和微商热重法的区别是什么？第三章热分析第1节热重分析1.1概述：热分析的起源与发展发明人：ChatelierH.Le(1887)，他实际上并没有测定试样和参比物之间的温度差，而是把Pt-Pt10%Rh热电偶(用一根热电偶)插入受热的粘土试样中，加热速度为每2秒4℃，热电偶电动势用照相法记录下来，若粘土在加热过程中没有发生热变化，则照相记录是一系列距离的线条，若有热变化，则线条是由一系列疏密不同的线条组成的。

由于他只用了一根热电偶，严格地说只能叫热分析，算不上差热分析。

十二年后(1899)，英国人Roberts-Austen W.C.改良了恰特利的装置，采用两个热电偶反相连接，一个热电偶插入样品中，另一个插到参比物内，记录试样与参比物间产生的温度差ΔT，这就是目前广泛使用的差热分析法的原始模型。

热分析的定义热分析（Thermal Analysis），国际热分析协会（International Confederation for Thermal Analysis简称ICTA），在1968年第二次国际热分析会议上通过一个命名报告中作过阐明，而后在1977年第五次国际热分析会议上又作了修订。

定义如下：“在程控温度下，测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。

”此处所说的物质是指被测样品和（或）它的反应产物，而程序温度一般采用线性程序，但也可以是温度的对数或倒数程序。

按照定义，称为热分析技术必须满足下述三条标准：1．必须测量物质的某种物理性质。

诸如热学的、力学的、电学的、光学的、磁学的和声学的等。

因此，热分析技术所涉及的范围极其广泛。

2．测量的物理量必须直接或间接表示为温度关系。

热重法，是在程序控制温度下，测量物质的质量与温度或时间的关系的方法。

进行热重分析的仪器，称为热重仪，主要由三部分组成，温度控制系统，检测系统和记录系统。

通过分析热重曲线，我们可以知道样品及其可能产生的中间产物的组成、热稳定性、热分解情况及生成的产物等与质量相联系的信息。

从热重法可以派生出微商热重法，也称导数热重法，它是记录TG曲线对温度或时间的一阶导数的一种技术。

实验得到的结果是微商热重曲线，即DTG曲线，以质量变化率为纵坐标，自上而下表示减少；横坐标为温度或时间，从左往右表示增加。

DTG曲线的特点是，它能精确反映出每个失重阶段的起始反应温度，最大反应速率温度和反应终止温度；DTG曲线上各峰的面积与TG曲线上对应的样品失重量成正比；当TG曲线对某些受热过程出现的台阶不明显时，利用DTG曲线能明显的区分开来。

热重法的主要特点，是定量性强，能准确地测量物质的质量变化及变化的速率。

根据这一特点，可以说，只要物质受热时发生质量的变化，都可以用热重法来研究。

图中给出可用热重法来检测的物理变化和化学变化过程。

我们可以看出，这些物理变化和化学变化都是存在着质量变化的，如升华、汽化、吸附、解吸、吸收和气固反应等。

但象熔融、结晶和玻璃化转变之类的热行为，样品没有质量变化，热重分析方法就帮不上忙了。

热重法测定的结果与实验条件有关，为了得到准确性和重复性好的热重曲线，我们有必要对各种影响因素进行仔细分析。

影响热重测试结果的因素，基本上可以分为三类：仪器因素、实验条件因素和样品因素。

仪器因素包括气体浮力和对流、坩埚、挥发物冷凝、天平灵敏度、样品支架和热电偶等。

对于给定的热重仪器，天平灵敏度、样品支架和热电偶的影响是固定不变的，我们可以通过质量校正和温度校正来减少或消除这些系统误差。

气体浮力和对流的影响气体浮力的影响：气体的密度与温度有关，随温度升高，样品周围的气体密度发生变化，从而气体的浮力也发生变化。

所以，尽管样品本身没有质量变化，但由于温度的改变造成气体浮力的变化，使得样品呈现随温度升高而质量增加，这种现象称为表观增重。

热重分析原理
热重分析是一种常用的物理化学分析技术，主要用于研究材料的热稳定性、分解过程以及含水量等热学特性。

它的原理是通过测量样品在升温过程中的质量变化来分析样品的特性。

在热重分析中，通常使用灵敏度较高的电子天平来测量样品的质量变化。

样品被置于恒定温度下，然后随着温度的升高，活性物质开始分解、挥发或发生其他化学反应，这些变化将导致样品质量的变化。

通过连续地记录样品质量的变化情况，可以得到样品在不同温度下发生的热变化曲线。

根据样品质量的变化情况，可以推断出物质的热稳定性和分解特性。

例如，在某一温度下，如果样品质量明显下降，那么可以推断样品发生了分解反应。

此外，样品质量变化的速率也可以提供有关反应动力学信息的线索。

除了分析样品的热稳定性和分解过程外，热重分析还可以用于测定样品中的含水量。

在升温过程中，水分会从样品中挥发出来，因此通过测量质量的变化，可以估计样品中的水分含量。

综上所述，热重分析是一种常用的物理化学分析技术，通过测量样品在升温过程中的质量变化，可以研究样品的热学特性、分解过程以及含水量等重要参数。

它在材料科学、化学工程等领域具有广泛的应用。

热重分析法(TGA)热分析法第二节热重分析17．4 热重分析仪TG基本原理热重法是在程序控温下，测量物质的质量随温度(或时间)的变化关系。

检测质量的变化最常用的办法就是用热天平，测量的原理有两种，可分为变位法和零位法。

所谓变位法，是根据天平梁倾斜度与质量变化成比例的关系，用差动变压器等检知倾斜度，并自动记录。

零位法是采用差动变压器法、光学法测定天平梁的倾斜度，然后去调整安装在天平系统和磁场中线圈的电流，使线圈转动恢复天平梁的倾斜，即所谓零位法。

由于线圈转动所施加的力与质量变化成比例，这个力又与线圈中的电流成比例，因此只需测量并记录电流的变化，便可得到质量变化的曲线，其原理见图5—1所示。

热重分析仪的简单工作原理以P—E公司生产的TGS-2为例加以说明，下图5—2所示。

图中左边部分的试样在程序控温下工作。

它是把程序发生器发生的控温信号与加热炉中控温热电偶产生的信号相比较，所得偏差信号经放大器放大，再经过PID(比例、积分、微分)调节后，作用于可控硅触发线路以变更可控硅的导通角，从而改变加热电流，使偏差信号趋于零，以达到闭环自动控制的目的，使试验的温度严格地按给定速率线性升温或降温。

图中右边为天平检测部分，试样质量变化，通过零位平衡原理的称重变换器，把与质量变化成正比的输出电流信号，经称重放大器放大，再由记录仪或微处理机加以记录。

图中其他为热重天平辅助调节不可缺少的部分，温度补偿器是校温时用的；称量校正器是校正天平称量准确度用的；电调零为自动清零装置；电减码为如需要可人为扣除试样重量时用；微分器可对试样质量变化作微分处理，得到质量变化速率曲线。

17．5实验技术17．5．1试样量和试样皿热重法测定，试样量要少，一般2～5mg。

一方面是因为仪器天平灵敏度很高(可达0．1μg)，另一方面如果试样量多，传质阻力越大，试样内部温度梯度大，甚至试样产生热效应会使试样温度偏离线性程序升温，使TG曲线发生变化，粒度也是越细越好，尽可能将试样铺平，如粒度大，会使分解反应移向高温。

热重分析热重分析是一种广泛应用于材料科学、化学工程和环境科学等领域的热分析技术。

通过对样品在不同温度下的质量变化进行监测和分析，可以揭示样品中的物质转化、热力学性质和热稳定性等重要信息。

本文将对热重分析的原理、应用和发展进行详细介绍。

热重分析的原理主要基于样品在受热过程中的质量变化。

一般来说，通过将样品放置在称量盘上，将其与热源相连，并控制升温速率和持续时间，可以使样品受到控制的加热。

在样品受热的过程中，会发生物理或化学反应，从而引起质量的变化。

通过实时监测和记录样品质量的变化，并将其与温度进行关联，可以得到温度对样品的影响，从而揭示样品的热力学性质和热稳定性等重要信息。

热重分析可以用于研究各种材料的性质和行为。

在材料科学领域，它被广泛应用于研究聚合物、纤维材料、金属合金等的热分解、热稳定性、热膨胀等性质。

例如，对于聚合物材料，热重分析可以帮助研究其热分解温度、热分解动力学行为和热稳定性。

通过热重分析，可以确定聚合物在高温下的稳定性，为聚合物材料的应用提供重要的参考依据。

此外，在生物医学领域，热重分析也可以用于研究生物材料的热降解行为和热稳定性，为生物医用材料的开发和应用提供重要的科学依据。

除了材料科学领域，热重分析还被广泛应用于化学工程和环境科学等领域。

在化学工程领域，热重分析常用于研究化学反应的热力学性质，如反应动力学、反应焓等参数。

通过热重分析，可以确定反应的放热或吸热性质，从而优化反应条件，提高反应效率。

在环境科学领域，热重分析可以用于研究污染物的热分解和挥发特性，从而评估污染物的热稳定性和对环境的影响。

近年来，随着科学技术的不断进步，热重分析也在不断发展。

传统的热重分析已经逐渐发展为多种衍生技术，如热差热重分析、差示扫描量热法等。

这些技术通过进一步改善样品的状态、增强信号的灵敏度和分辨率，提高了热重分析的能力和应用范围。

此外，结合其他分析技术，如质谱、红外光谱等，也可以进一步丰富热重分析的信息。

1．热重分析法由热重分析记录的质量变化对温度的关系曲线称热重曲线。

如固体物质A 热分解反应：A(固)――→△B(固)＋C(气)的典型热重曲线如图所示。

图中T 1为固体A 开始分解的温度，T 2为质量变化达到最大值时的终止温度。

若试样初始质量为W 0，失重后试样质量为W 1，则失重百分数为 W 0－W 1 W 0×100%。

2．典例分析草酸钙晶体(CaC 2O 4·H 2O)在氮气氛围中的热重曲线如图所示： ①热重曲线中第一个平台在100 ℃以前为CaC 2O 4·H 2O ；②在100～226 ℃之间第一次出现失重，失去质量占试样总质量的12.3%，相当于1 mol CaC 2O 4·H 2O 失去1 mol H 2O ，即第二个平台固体组成为CaC 2O 4；③在346～420 ℃之间再次出现失重，失去的质量占试样总质量的19.2%，相当于1 mol CaC 2O 4分解出1 mol CO ，即第三个平台固体的组成为CaCO 3；④在660～840 ℃之间出现第三次失重，失去的质量占试样总质量的30.1%，相当于1 mol CaCO 3分解出1 mol CO 2，即第四个平台固体组成为CaO 。

以上过程发生反应的化学方程式为CaC 2O 4·H 2O =====100～226 ℃ CaC 2O 4＋H 2O↑；CaC 2O 4=====346～420 ℃CaCO 3＋CO↑；CaCO 3=====660～840 ℃CaO ＋CO 2↑ 【特殊】若在空气中CaC 2O 4受热分解时会发生如下反应：2CaC 2O 4＋O 2=====△2CaCO 3＋2CO 2。

【例题】下图是1.00 g MgC 2O 4·n H 2O 晶体放在坩埚里从25 ℃缓慢加热至700 ℃分解时，所得固体产物的质量(m )随温度(t )变化的关系曲线。

(已知该晶体100 ℃以上才会逐渐失去结晶水，并大约在230 ℃时完全失去结晶水)试回答下列问题：(1)MgC 2O 4·n H 2O 中n ＝________。

热重分析热重分析（Thermogravimetric Analysis，TG或TGA），是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组份。

TGA 在研发和质量控制方面都是比较常用的检测手段。

热重分析在实际的材料分析中经常与其他分析方法连用，进行综合热分析，全面准确分析材料。

基本概念根据根据国际热分析协会（International Confederation for Thermal Analysis，缩写ICTA）的定义，热重分析指的是在温度程序控制下，测量物质质量与温度之间的关系的技术。

这里值得一提的是，定义为质量的变化而不是重量变化是基于在磁场作用下，强磁性材料当达到居里点时，虽然无质量变化，却有表观失重。

而热重分析则指观测试样在受热过程中实质上的质量变化。

热重分析所用的仪器是热天平，它的基本原理是，样品重量变化所引起的天平位移量转化成电磁量，这个微小的电量经过放大器放大后，送入记录仪记录；而电量的大小正比于样品的重量变化量。

当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生变化。

这时热重曲线就不是直线而是有所下降。

通过分析热重曲线，就可以知道被测物质在多少度时产生变化，并且根据失重量，可以计算失去了多少物质（如CuSO4•5H2O中的结晶水）。

从热重曲线上我们就可以知道CuSO4•5H2O中的5个结晶水是分三步脱去的。

TGA 可以得到样品的热变化所产生的热物性方面的信息。

热重分析仪3D图种类热重分析通常可分为两类：动态法和静态法。

1、静态法：包括等压质量变化测定和等温质量变化测定。

等压质量变化测定是指在程序控制温度下，测量物质在恒定挥发物分压下平衡质量与温度关系的一种方法。

等温质量变化测定是指在恒温条件下测量物质质量与温度关系的一种方法。

这种方法准确度高，费时。

2、动态法：就是我们常说的热重分析和微商热重分析。

第三节 热重分析（TG ）一、基本原理热重法是在程序控温下，测量物质的质量随温度(或时间)的变化关系的一种技术，简称TG 。

如熔融、结晶和玻璃化转变之类的热行为，试样确无质量变化，而分解、升华、还原、解吸附、吸附、蒸发等伴有质量改变的热变化可用TG 来测。

如果在程序升温的条件下不断记录试样的重量的变化，即可得到TG 曲线。

如图1所示。

一般可以观察到二到三个台阶，第一个失重台阶W 0—W 2多数发生在100℃以下，这多半是由于试样的吸附水或试样内残留的溶剂挥发所致。

第二个台阶往往是试样内添加的小分子助剂，如高聚物增塑剂、抗老剂和其他助剂的挥发（如纯物质试样则无此部分）。

第三个台阶发生在高温是属于试样本体的分解。

为了清楚地观察到每阶段失重最快的温度。

经常用微分热重曲线DTG （如图1b ）。

这种/dW dt 曲线可以利用电子微分电路在绘制TG 曲线的同时绘出。

对于分解不完全的物质常常留下残留物W R 。

在某种特殊的情况下还会发生增重现象，这可能是物质与环境气体（如空气中的氧）进行了反应所致。

另外目前又出现了一种等温TG 曲线。

这是在某一定温度条件下，观察试样的重量随时间的变化，所以又称“等温热失重法”即：W=f （t ）（温度为定值）W 0 W 1 W 2 W 3重量图1 热重分析曲线（a ）与微商热重曲线（b ）炉子它能提供很多有用的信息，如在某温度下物体的分解速度或某成分的挥发速度等。

二、基本结构热重法的仪器称为热天平，给出的曲线为热重曲线。

热重曲线以时间t 或炉温T 为横坐标，以试样的质量变化（损失）为纵坐标。

热天平的基本单元是微量天平、炉子、温度程序器、气氛控制器以及同时记录这些输出的仪器。

热天平的示意图如图2-1所示。

通常是先由计算机存储一系列质量和温度与时间关系的数据完成测量后，再由时间转换成温度。

三、影响因素虽然由于技术的进步，在设计TG 仪器时进行了周密的考虑，尽量减少各种因素的影响，但是客观上这些因素还不同程度在存在着，为了数据的可靠性，有必要分述如下：1.坩埚的影响坩埚是用来盛装试样的，坩埚具有各种尺寸、形状并由不同材质制成。