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1、实验八 差 热 分 析一、 实验目的1. 掌握差热分析的基本原理、测量技术以及影响测量准确性的因素。2. 学会差热分析仪的操作，并测定KNO3的差热曲线。3. 掌握差热曲线的定量和定性处理方法，对实验结果作出解释。二、 实验原理1. 差热分析的原理图III-8-1差热曲线和试样 在物质匀速加热或冷却的过程中，当达到特定温度时会发生物理或化学变化。在变化过程中，往往伴随有吸热或放热现象，这样就改变了物质原有的升温或降温速率。差热分析就是利用这一特点，通过测定样品与一对热稳定的参比物之间的温度差与时间的关系，来获得有关热力学或热动力学的信息。目前常用的差热分析仪一般是将试样与具有较高热稳定性的差比
2、物（如a-Al2O3）分别放入两个小的坩埚，置于加热炉中升温。如在升温过程中试样没有热效应，则试样与差比物之间的温度差DT为零；而如果试样在某温度下有热效应，则试样温度上升的速率会发生变化，与参比物相比会产生温度差DT。把T和DT转变为电信号，放大后用双笔记录仪记录下来，分别对时间作图，得DTt和Tt两条曲线。图III-8-1所示的是理想状况下的差热曲线。图中ab、 de、 gh分别对应于试样与参比物没有温度差时的情况，称为基线，而bcd和efg分别为差热峰。差热曲线中峰的数目、位置、方向、高度、宽度和面积等均具有一定的意义。比如，峰的数目表示在测温范围内试样发生变化的次数；峰的位置对应于试样
3、发生变化的温度；峰的方向则指示变化是吸热还是放热；峰的面积表示热效应的大小等等。因此，根据差热曲线的情况就可以对试样进行具体分析，得出有关信息。在峰面积的测量中，峰前后基线在一条直线上时，可以按照三角形的方法求算面积。但是更多的时候，基线并不一定和时间轴平行，峰前后的基线也不一定在同一直线上（如图III-8-2上所示）。此时可以按照作切线的方法确定峰的起点、终点和峰面积。另外，还可以采取剪下峰称重，以重量代替面积（即剪纸称量法）。2. 影响差热分析的因素差热分析是一种动态分析技术，影响差热分析结果的因素较多。主要有：(1) 升温速率升温速率对差热曲线有重大影响，常常影响峰的形状、分辨率和峰所对
4、应的温度值。比如当升温速率较低时基线漂移较小，分辨率较高，可分辨距离很近的峰，但测定时间相对较长；而升温速率高时，基线漂移严重，分辨率较低，但测试时间较短。图III-8-2 测定面积的方法(2) 试样样品的颗粒一般大约在200目左右，用量则与热效应和峰间距有关。样品粒度的大小，用量的多少都对分析有着很大的影响，甚至连装样的均匀性也会影响到实验的结果。(3) 稀释剂的影响稀释剂是指在试样中加入一种与试样不发生任何反应的惰性物质，常常是参比物质。稀释剂的加入使样品与参比物的热容相近，能有助于改善基线的稳定性，提高检出灵敏度，但同时也会降低峰的面积。(4) 气氛与压力许多测定受加热炉中气氛及压力的影
5、响较大，如CaC2O4H2O在氮气和空气气氛下分解时曲线是不同的。在氮气气氛下CaC2O4H2O第二步热解时会分解出CO气体，产生吸热峰，而在空气气氛下热解时放出的CO会被氧化，同时放出热量呈现放热峰。除了以上因素外，走纸速率、差热量程等均对差热曲线有一定的影响。因此在运用差热分析方法研究体系时，必须认真查阅文献，审阅体系，找出合适的实验条件方可进行测试。本实验使用的南大万和的NDTA-III型差热仪属于中温、微量型差热仪。其主要有温控系统、差热系统、试样测温系统和记录系统四部分，其控制面板如图III-8-3所示。图III-8-3 NDTA-III型差热仪面板图1.调零旋钮； 2. 量程开关；
6、 3. 差热指示表头； 4. 偏差调零旋钮； 5.升温选择开关； 6.快速微动开关； 7. 偏差指示表头； 8. 加热指示灯； 9. 输出电压表头； 10. 电源指示灯； 11.加热开关； 12.电源开关； 13.程序功能开关；三、 仪器与试剂 详见http:/ 差热实验仪(NDTA-III) 1台 DTA-III型差热实验炉氧化铝（A. R.）镊子 1把 Sn (A. R.)铝坩锅 8个 KNO3 (A. R.)台式自动平衡记录仪 1台技术参数：1.控温范围：室温1200 分辨率：0.12.最大加热功率：NDTA-III 1200W 四、 实验步骤1. 打开差热分析仪(NDTA-III)电源
7、，预热20分钟。先在两个小坩锅内分别准确称取纯锡和a-Al2O3 各5 mg。升起加热炉，逆时针方向旋转到左侧。用热源靠近差热电偶的任意一热偶板，若差热笔向右移动，则该端为参比热电偶板，反之，为试样板。用镊子小心将样品放在样品托盘上，参比放在参比托盘上，降下加热炉（注意在欲放下加热炉的时候，务必先把炉体转回原处，然后才能放下炉子，否则会弄断样品架）。2. 打开差热分析仪主机开关，接通冷却水，控制水的流量约在300 ml/min左右。3. 打开平衡记录仪开关，分别将差热笔和温度笔量程置于20 mV和10 mV上，走纸速率置于 30 mm/min量程。 调节差热仪主机上差热量程为250C。4. 将
8、升温速率旋在0刻度，用调零旋纽将温度笔置于差热图纸的最右端，差热笔置于中间，将升温速率旋至10C /min，放下绘图笔转换开关。5. 按下加热开关，同时注意升温速率指零旋钮左偏（不左偏时不能进行升温，需停机检查）。按下电炉开关，进行加热，仪器自动记录。6. 等到绘图纸上出现一个完整的差热峰时，关闭电炉开关。按下程序零旋纽和电位差计的开关，旋起加热炉，用镊子取下坩锅。将加热炉冷却降温至70C以下，将预先称好的a-Al2O3和KNO3试样分别放在样品保持架的两个小托盘上，在与锡相同的条件下升温加热，直至出现两个差热峰为止。7. 按照上述步骤，每个样品测定差热曲线两次。8. 实验结束后，抬起记录笔，
9、关闭记录仪电源开关、加热开关，按下程序功能“0”键，关闭电源开关，升起炉子，取出样品，关闭水源和电源。五、数据记录和处理1. 在本实验条件下，差热测量温度范围为0280.5 C（实验所用为镍镉热电偶），根据差热曲线，定性说明锡和KNO3的差热图，指出峰的位置、数目、指示温度及所表示的意义。2. 计算KNO3的热放应，原理：根据公式：其中C为常数，与仪器特性及测量条件有关，m为样品质量，为差热峰面积，可利用三角形法、剪纸称量法计算。本实验中采取测量质量一定且已知热效应的物质（锡）作为参比，根据锡差热峰的面积求出常数C，然后再计算的KNO3的热效应。六、思考题1. 影响本实验差热分析的主要因素有哪些？2. 为什么差热峰的指示温度往往不恰巧等于物质能发生相变的温度？3. 本实验中为什么差热笔要放在绘图纸的中间？七、参考数据锡的熔点：231.928 C; 锡的熔化热：59.36 J/gKNO3相变点为128 129 C，转化热55.2 57.48 J/g ; 熔点为336 338 C，熔化热为105.75 115.79 J/g。数据摘自热分析及其应用，科学出版社 1985
