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实验8 差热－热重分析一、实验目的1．了解LCT-2差热天平仪的原理及仪器装置；2．理解用DTA—TG热分析方法来分析鉴定物质。
二、实验原理由于试样材料在加热或冷却过程中，会发生一些物理化学反应，同时伴随着热效应和质量等方而的变化，这就是热分析技术的基础。
常用的单一的热分析方法主要有：差热分析（DTA）、热重分析（TG）、示差扫描量热法（DSC）和体积热分析等。
1．热重测量将装好试样的坩埚放到天平一臂上方的样品座上，利用电炉对其加热，如果试样在某一温度下由于分解、化合、脱水、吸附、解吸、升华、脱水等原因而出现重量变化时，天平将失衡。
利用光电位移传感器及时检测出失衡信号、热重测量系统自动改变平衡线圈中的平衡电流，使天平恢复平衡，平衡线圈中之电流变化量正比于试样重量变化量，将此电流变化量利用记录仪记录下来，即可得到热重曲线。
2．差热分析随着温度的升高物质将在特定的温度下发生相变、分解、化合、吸附、解吸、升华、脱水、熔化、凝固等现象。
这时常伴随有焓的改变。
有的物质一定的温区内不发生上述变化，在热分析中叫作参比物（简称参样），将被测试样（简称试样）与参样置于电炉的均温区内，同时以相同的条件升温或降温，当试样发生上述变化时，利用差热电偶可以测量出反映试样与参样间温度差的差热电势，将此差热电势经微伏级电流放大器放大后送入记录仪即可得到差热曲线。
利用差热分析和热重测量可得DTA—TG数据，可用于研究物质的相变、分解、化合、脱水、吸附、解吸、熔化、凝固、升华、蒸发等现象及对物质作鉴别分析、组织分析、热参数测定及动力学参数测定等。
三、仪器设备LCT-2差热天平仪，一般由加热炉及温度控制系统、样品支持器、热电偶和记录系统构成。
四、实验操作1．开机准备及操作(1) 检查仪器各种开关是否处于关闭状态，接通冷却水；(2) 接通总电源（要求预热10分钟），打开微机系统及相应的仪器开关；(3) 将装有试样（已称量过的）的坩埚和装有标样即参比物(α-Al2O3)的坩埚分别放到样品座上，并在电控机箱面板上选择各相应的控制档。
实验二热重-差热分析法一、实验目的1.掌握热重和差热分析的基本原理。
2.学习热重和差热分析仪的操作。
3.学会定性解释差热谱图。
4.用差热仪测定绘制CuSO4·5H2O的DTA曲线，分析其水分子的脱去顺序。
二、实验原理差热分析（DTA）是在程序控制温度下，建立被测量物质和参比物的温度差与温度关系的一种技术。
数学表达式为△T＝Ts－Tr＝f(T或t)其中：Ts ，Tr分别代表试样及参比物温度；T是程序温度；t是时间。
记录的曲线叫差热曲线或DTA曲线。
本实验以α – Al2O3作为参比物质，记录CuSO4·5H2O的DTA曲线，从而考察其失去五分子结晶水的情况。
物质受热时，发生化学变化，质量也就随之改变，测定物质质量的变化也就随之改变，测定物质质量的变化就可研究其变化过程，热重法（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，热重法实验得到的曲线称为热重曲线（TG曲线）。
三、实验仪器：差热分析仪由加热炉、试样容器、热电偶、温度控制系统及放大、记录系统等部分组成。
四、实验步骤：1.依次开启稳压电源、工作站、气体流量计、主机（开关均在后面）、电脑，打开氮气瓶，使之压力为0.5MP。
2.打开炉子，手动在左右两个陶瓷杆放入铝坩埚容器，关好炉子，在操作界面上调零，仪器自动扣除了空坩埚的重量。
3.打开炉子取出样品坩埚容器将约5-10mg的样品研成粉末放入铝坩埚容器。
4.打开软件TA-60WS Collection Monitor 点击measure，出现measure parameter，在这里我们可以设置所需要的程序温度，然后点击Start，要我们文件保存在哪里。
5.单击Start。
6.仪器测定结束。
四、结果处理1.仪器结束后，打开软件TA60，找到要保存的结果文件。
2.依次找到重量线，热线，程序升温线。
3.首先从热线中分析出样品的吸热峰和放热峰。
从重量线上分析出样品重量的损失（单击重量线，点击Analysis,出现Weigh loss，然后分析）。
实验六 热分析实验一、目的与要求1.了解热重分析的仪器装置及实验技术。
2.了解差热分析的仪器装置及实验技术。
3熟悉综合热分析的特点，掌握综合热曲线的分析方法。
4.测绘矿物的热重曲线和差热分析曲线，解释曲线变化的原因。
二、原理1 热重分析的仪器结构与分析方法热重分析法是在程序控制温度下，测量物质的质量随温度变化的一种实验技术。
热重分析通常有静态法和动态法两种类型。
静态法又称等温热重法，是在恒温下测定物质质量变化与温度的关系，通常把试样在各给定温度加热至恒重。
该法比较准确，常用来研究固相物质热分解的反应速度和测定反应速度常数。
动态法又称非等温热重法，是在程序升温下测定物质质量变化与温度的关系，采用连续升温连续称重的方式。
该法简便，易于与其他热分析法组合在一起，实际中采用较多。
热重分析仪的基本结构由精密天平、加热炉及温控单元组成。
如图1所示：加热炉由温控加热单元按给定速度升温，并由温度读数表记录温度，炉中试样质量变化可由天平记录。
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（TG 曲线）。
曲线的纵坐标为质量，横坐标为温度。
例如固体热分解反应A （固）→B （固）＋C （气）的典型热重曲线如图2所示。
图2 固体热分解反应的热重曲线图中T i 为起始温度，即累计质量变化达到热天平可以检测时的温度。
T f 为终止温度，即图1 热重分析仪原理累计质量变化达到最大值时的温度。
热重曲线上质量基本不变的部分称为基线或平台，如图2中ab 、cd 部分。
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%。
许多物质在加热过程中会在某温度发生分解、脱水、氧化、还原和升华等物理化学变化而出现质量变化，发生质量变化的温度及质量变化百分数随着物质的结构及组成而异，因而可以利用物质的热重曲线来研究物质的热变化过程，如试样的组成、热稳定性、热分解温度、热分解产物和热分解动力学等。
实验5 热重、差热分析实验一．实验目的与基本要求1．在固相反应中，通过对材料基本性质的了解，利用其基本性质参数，试设计出一条合理的温度曲线，利用综合热分析仪（ZRY-1P、ZRY-2P）对其进行测试分析，通过对比，得到最优烧结方案。
2．理解热重分析和差热分析的基本原理。
3．了解高温综合热分析仪（ZRY-2P）的组成及组成各系统的基本工作原理。
4．掌握高温综合热分析仪的具体测量方法。
5．当各种固体氧化物、盐类发生熔融、相变、分解、化合、脱水、凝固、蒸发、升华等特定过程时，对其进行热重分析和差热分析。
6．对实验数据进行处理，根据得到的一系列热重曲线（TG）、微分热重曲线（DTG）和差热曲线（DTA），对物质发生的具体过程进行热分析。
二．实验原理与温度曲线的设计固相反应是一系列合金、传统硅酸盐材料以及新型无机功能材料生产过程中的基础反应。
固相反应是固体参与直接化学反应并起化学变化，同时至少在固体内部或外部的一个过程中起控制作用的反应。
固相反应除固体间的反应外也包括有气、液相参与的反应。
例如金属氧化、碳酸盐、硝酸盐和草酸盐等的热分解反应、粘土矿物的脱水反应以及煤的干馏等反应。
固相反应的共同特点有：首先，固体质点（原子、离子或分子）间具有很大的作用键力，故固态物质的反应活性通常较低，速度较慢。
其次，在低温时固体在化学上一般是不活泼的，因而固相反应通常需在高温下进行。
而且由于反应发生在非均一系统，传热和传质过程都对反应速度有重要影响。
而伴随反应的进行，反应物和产物的物理化学性质将会变化，并导致固体内部温度和反应物浓度分布及其物性的变化，这都可能对传热、传质和化学反应过程产生影响。
在具体的反应中为了得到预定的产物，使反应向着希望的方向进行，各种固体氧化物、盐类发生熔融、相变、分解、化合、脱水、凝固、蒸发、升华等特定过程需要适当的温度和持续时间，在对具体反应物基本性质的了解，利用其基本性质参数的基础上，试设计出一条适宜的温度曲线，利用高温综合热分析仪（ZRY-2P）对其进行测试，通过对实验结果的分析比较，得到最优温度方案。
热分析法一、实验目的1. 理解热分析方法的基本原理；2. 了解热分析仪的构造和基本操作。
二、基本原理热分析可以分为热机械、差热和热重三大类。
（1）热机械法包括热机械分析(TMA)与动态热机械分析(DMA)，测量材料的膨胀、刚性、阻尼等机械特性与温度、负载和时间的函数关系。
德国耐驰仪器公司另提供专用的热膨胀仪，测量材料在热处理过程中的膨胀或收缩情况，研究软化温度、烧结过程等。
热分析法是在程序控制温度下，精确记录待测物质理化性质与温度的关系，研究其受热过程所发生的晶型转变、熔融、升发、吸附等物理变化和脱水、热分解、氧化、还原等化学变化，用以对该物质进行物理常数、熔点和沸点的确定以及作为鉴别和纯度检查的方法。
（2）差热分析（DSC、DTA）测量材料在线性升降温或恒温条件下由于物理变化（相变、熔融、结晶等）或化学反应（氧化、分解、脱水等）而导致的热焓变化（吸热过程、放热过程）或比热变化。
（3）热重分析（TGA）则是测量上述过程中材料发生的重量变化。
若与差热分析联用则称为同步热分析。
热重法是在程序控制温度下，测量物质重量与温度关系的一种技术。
记录的重量变化对温度的关系曲线即热重曲线。
热重曲线的纵坐标为重量(m)，横坐标为温度(T)或时间(t)。
重量基本不变的区段称为平台。
由测量曲线上平台之间的重量差值，可计算出待测物在相应温度范围内所失重量的比例(%)。
本法适用于药物结晶水的测定和贵重药物或在空气中极易氧化药物的干燥失重分析。
三、系统构成1. 主机：珀金埃尔默Diamond TG/DTA热重差热同步分析仪2. 操作控制系统：DELL电脑和Muse软件3. 打印机：HP打印机四、实验步骤1. 系统开机准备（1）接通电源，启动电脑（2）打开氮气钢瓶的阀门（3）打开热重差热同步分析仪主机电源2. 操作步骤（1）运行Muse软件（2）输入样品名称、注释及操作者姓名（3）将装有参比物的坩埚及空坩埚放到热天平上,待稳定后,清零。
实验八差热、热重分析一、目的要求1. 了解差热分析法的一般原理和差热分析仪的基本构造；2. 掌握差热仪的使用方法；3．测定草酸钙的差热谱图，并根据所得到的差热谱图分析样品在加热过程中所发生的化学变化。
二、实验原理许多物质在被加热或冷却的过程中，会发生物理或化学等的变化，如相变、脱水、分解或化合等过程。
与此同时，必然伴随有吸热或放热现象。
当我们把这种能够发生物理或化学变化并伴随有热效应的物质，与一个对热稳定的、在整个变温过程中无热效应产生的基准物(或叫参比物)在相同的条件下加热(或冷却)时，在样品和基准物之间就会产生温度差，通过测定这种温度差可了解物质变化规律，从而确定物质的一些重要物理化学性质，称为差热分析(Differential Thermal Analysis，DTA)。
差热分析是在程序控制温度下，试样物质S和参比物R的温度差与温度关系的一种技术。
差热分析原理如图8－1所示。
图8－1 差热分析原理示意图试样S与参比物R分别装在分别装在两个坩埚内。
在坩埚下面各有一个片状热电偶，这两个热电偶相互反接。
对S和R同时进行程序升温，当加热到某一温度试样发生放热或吸热时，试样的温度TS 会高于或低于参比物温度TR产生温度差ΔT，该温度差就由上述两个反接的热电偶以差热电势形式输给差热放大器，经放大后输入记录仪，得到差热曲线，即DTA曲线。
另外，从差热电偶参比物一侧取出与参比物温度TR对应的信号，经热电偶冷端补偿后送记录仪，得到温度曲线，即T曲线。
图8－2为完整的差热分析曲线，即DTA曲线及T曲线。
纵坐标为ΔT，吸热向下（右峰），放热向上（左峰），横坐标为温度T（或时间）。
图8－2 差热分析曲线现代差热分析仪器的检测灵敏度很高，可检测到极少量试样所发生各种物理、化学变化，如晶形转变、相变、分解反应、交联反应等。
图8－3是一种高聚合物典型的差热分析曲线，即ΔT－ t曲线。
图上反应了该高聚合物玻璃化温度转变、结晶放热峰、熔融吸热峰、氧化放热峰、若分解吸热峰。
差热-热重综合热分析
一、实验目的
1.了解差热-热重分析仪的原理、仪器装置及使用方法。
2.掌握差热-热重分析基本原理、测试技术及影响测量准确性的因素。
3.掌握差热-热重曲线定性和定量处理方法，对实验结果做出解释。
二、实验原理
热分析技术主要用于研究物质的物理、化学性质与温度的关系。
温度本身是一种量度，它几乎影响到物质所有的物理和化学常数，因此，热分析就是对材料热转变机理和物理化学变化的热力学的过程的研究。
1.差热分析（DTA）
在物质加热或冷却的过程中发生物理化学变化，往往伴随有吸热放热现象，记录试样温度随时间的变化曲线，可以直观的反映出试样是否发生物理或化学变化，这就是经典的热分析法。
但是这种方法很难显示热效应很小的变化，为此逐步发展形成了差热分析（Differ ential Thermal Analysis，DTA）。
DTA是在程序控温下，测量试样与参比物之间的温度差与温度或时间关系的一种技术。
试样随温度变化而发生吸热或放热的现象，表明试样内部产生了热效应。
如：凝固、熔化、晶型转变、晶格结构破坏、分解、化合、吸附、脱附等物理化学变化。
一般来说，相转变、脱氢还原和一些分解反应产生吸热效应；而结晶、氧化等反应产生放热效应。
DTA的原理如图1所示。
将两只尺寸完全相同的Al2O3坩埚，一只装参比物（要求在测量温度范围内不发生任何热效应的物质，如α-Al2O3或MgO），另一只装待测样，同时置于加热炉中，然后以一恒定的速率升温，试样和参比物温度线性升高。
当试样没有焓变时，试样和参比物的温差△T=0；当试样发生吸热时，试样温度比参比物低，温差△T＜0，反之，试样放热则△T＞0。
采用两个同极串联差热热电偶检测△T的变化，放大后输入计算机进行处理，绘制DTA 曲线。
当△T=0，两电偶电势相同、方向相反，DTA曲线为水平线；当△T≠0，DTA曲线为峰形曲线，向下为吸热，向上为放热。
不同物质热性质不同，其DTA曲线的峰的位置、峰的形状、面积及个数都不同，因此可以根据物质的DTA曲线对物质进行定性和定量分析。
峰的位置由导致热效应的温度和热效应的种类（吸热/放热）决定，前者体现在峰的起始温度上，后者体现在峰的方向上。
图2为实际的DTA曲线,其中△T=0的水平线为基线，实际曲线中基线存在偏移，偏移量为a；离开基线又回到基线的部分为峰；偏离基线的起点和回到基线的终点间的距离称为峰宽，见图中DE间距c；
从峰顶点到基线的垂直距离称为峰高，图中b ，它表示试样与参比物之间的最大温差；峰的起始温度为峰前沿斜率最大处的切线与基线交线所对应的温度,见图中点T i ；曲线热效应峰与基线间包围的面积即为峰面积，可按积分或三角形方法
求得。
峰面积可表征试样的热效应，计算公式如下：
式中△T 为热焓，A 为峰面积，R 为热阻，K 为修正系数，其大小可由标样测定。
由上式可知，△T 只跟峰面积A 有关，因此校正后的差热分析仪可定量测试试样热效应。
图1差热分析原理图图2实际DTA 曲线
2.热重分析（TG ）
热重分析法（Thermogr avimetr y ，TG ）是在程序温度控制下，测量物质的质量随温度变化的一种实验技术。
一般有静态法和动态法两种类型：静态法是在恒温下测定物质质量变化与温度的关系，将试样在各给定温度加热至恒重，该法用来研究固相物质热分解的反应速率和测定反应速度常数。
动态法是在程序升温下测定物质质量变化与温度的关系，采用连续升温连续称重的方式。
本实验采用的是动态热重分析法，其主要由热天平、加热炉、程序控温系统和计算机记录系统组成。
加热炉由温控加热系统给定速度升温，温度由测温热电偶输出热电势，放大后送入计算机进行处理。
炉中试样质量变化引起热天平出现微小倾斜时，光电传感器就产生一个相应极性的信号，送到测重放大器，测重放大器输出0-5伏信号，经过A/D 转换,送入计算机进行绘图处理。
由热重分析记录的质量变化对温度的关系曲线称为热重曲线（TG 曲线）。
TG 曲线以质量作为纵坐标，从上向下表示质量减少；以温度或时间作为横坐标，自左向右表示增加，如图3所示热分解反应M(s)→P(s)+Q(g)的热重曲线。
图中T 1为起始温度，即累积质量变化达到热天平可检测的温度；T 2为终止温度，即累积质量变化达到最大值时的温度；热重曲线上质量基本不变的部分称为基线或t
A
B C D △T
E T
F G
H c
a b
T i 0+-
平台。
若试样初始质量为W0，失重后试样质量为W1
，测失重百分数为物质在加热过程中会在某温度下发生分解、脱水、氧化、还原和升华等一系列的物理化学变化而出现质量变化，发生质量变化的温度及质量变化百分数随物质的结构和组成而异，因此可以利用物质的热重曲线来研究物质的热变化过程，推测反应机理及产物。
图3典型的TG 曲线
3.影响热重-差热分析的因素
(1)升温速率V ：V 过大，产生热滞后现象严重，导致TG 曲线上起始温度T 1和终止温度T 2偏高，且不利于中间产物的检出，但是不影响试样的失重量；DTA 曲线基线飘移严重，分辨率较低，但是测试时间短。
一般升温速率不超过10℃/min 。
(2)试样：试样的粒度和质量及装样的均匀性对分析也会产生影响。
(3)稀释剂：稀释剂指在试样中加入一种与试样不发生任何反应的惰性物质（通常是参比物），使得试样与参比物的热容接近，有助于改善基线的稳定性，提高检测的灵敏度，但同时会降低峰的面积。
(4)气氛与压力：试样周围的气氛对试样本身的反应有较大影响，试样的分解产物可能与气流反应，也可能被气流带走。
同一试样在不同的气氛和压力下分解过程不同，其TG-DTA 曲线也会变化。
因此通常采用动态惰性气氛，如N 2、Ar 等。
三、实验仪器及试样制备
1.实验仪器
仪器：HCT-2型TG-DTA 综合热分析仪（见图4）。
其主要由精密天平、加热炉、热电偶和控制单元组成。
规格：①温度：工作温度RT ～1450℃；升温速率：0.315℃/min ～80℃/min ；温度准确度：±0.3℃；温度重复性：±0.5。
②天平：天平测量范围：1mg ～T 1T 2T(℃)
A B
C D
m
200mg；灵敏度：0.1μg；解析度：1μg；热重噪声：＜1μg；坩埚容积：0.06ml。
③差热数据：测量范围：±10μv～±1000μv；DTA解析度：0.005℃；热重噪声：
0.01℃。
图4HCT-2型TG-DTA综合热分析仪
2.试样制备
①粉体试样粒度一般为100–300目之间；②聚合物可切成碎块或碎片；③纤维状试样可截成小段或绕成小球；④金属试样可加工成碎块或小粒。
采用精密天平称取10–30mg的样品装入陶瓷坩埚。
（试样体积一般不超过坩埚容积的五分之四，对于加热时发泡试样不超过坩埚容积的二分之一或更少，或用氧化铝粉末稀释，以防发泡时溢出坩埚）。
坩埚装样后，可在桌面轻墩几下，防止装样时洒落样品。
四、实验步骤
1.装炉：双手轻轻抬起加热炉（注意用力均匀），然后以左手为中心，右手轻轻旋转炉子，露出等臂天平。
左手轻扶炉子，用左手拇指扶着右手拇指，防止右手抖动。
用右手将参比物放在天平左边的托盘，测量物放在右边的托盘。
最后双手轻轻放下炉体，5min后，待炉膛温度均匀后即可进行数据采集。
2.打开电脑，运行热分析软件。
“文件”→“新采集”→设置实验参数，包括升温速度，加热温度（最高温度为1450℃），保温时间等。
若需阶梯升温，继续点击添加，设置相关参数。
确认后即可自动进行测量。
同时，打开冷却水，对炉体降温。
若需气体保护，则在装样后测量前至少通1h保护气，以排尽炉内空气。
3.当试样达到预置的终止温度时，测量自动停止，然后保存数据。
待炉温冷却后，在关机，关冷却水，关气瓶。
4.进入分析界面，打开所测试的文件，选择感兴趣的项目进行分析，最后进行打印存盘。
五、实验内容和要求
1.教师现场介绍热重-差热分析仪的原理及构造、演示操作过程及数据分析。
2.学生分组练习设备的操作，并记录分析实际曲线图。
3.给出试样测试数据，要求学生将分析结果写在实验报告上（要求用Origin软件作图）上交。
4.从下题中任选一道思考题，将答案附在实验报告上。
六、思考题
1.简述TG-DTA综合热分析仪的工作原理。
2.影响TG-DTA的主要因素有哪些？
3.为什么差热峰的指示温度往往不等于物质能发生的相变温度。
