Tr­êng­®¹i­häc­b¸ch­khoa­hµ­néiviÖn­®µo­t¹o­vµ­båi­d­ìng­sau­®¹i­häc

viÖn­vËt­lý­kü­thuËt.

B¸o c¸o m«n:

C¸c­ph­¬ng­ph¸p­phæ­trong­ph©n­tÝch­vµ­®o­l­êng­vËt­lý.

Häc viªn : Vò­§×nh­Ph­íc. Líp : VËt­lý­kü­thuËt. Kho¸ : 2006­–­2008. ThÇy h íng dÉn : TS.­NguyÔn­Ngäc­Trung.

§Ò tµi:

C¸c ph ¬ng ph¸p ph©n tÝch nhiÖt.

Néi dung b¸o c¸o: I/ Ph ¬ng ph¸p ph©n tÝch nhiÖt lµ g×? II/ C¬ së vËt lý cña ph ¬ng ph¸p. III/ Ph©n tÝch nhiÖt vi sai (DTA) IV/ QuÐt nhiÖt vi sai (DSC). V/ Ph©n tÝch nhiÖt träng l îng (TGA).

I/­­Ph­¬ng­Ph¸p­ph©n­tÝch­nhiÖt­lµ­g×? Ph©n tÝch nhiÖt lµ ph ¬ng ph¸p ph©n tÝch mµ trong ®ã, c¸c tÝnh chÊt vËt lý, ho¸ häc cña mÉu, ®o mét c¸ch liªn tôc nh lµ nh÷ng hµm cña nhiÖt ®é ( nhiÖt ®é ® îc thay ®æi cã quy luËt). Trªn c¬ së lý thuyÕt vÒ nhiÖt ®éng häc, tõ sù thay ®æi c¸c tÝnh chÊt ®ã ta cã thÓ x¸c ®Þnh ® îc c¸c th«ng sè yªu cÇu cña viÖc ph©n tÝch. C¸c tÝnh chÊt ® îc x¸c ®Þnh nh : NhiÖt ®é chuyÓn pha, khèi l îng mÊt ®i, biÕn ®æi vÒ kÝch th íc. Trong phÇn nµy ta ®i t×m hiÓu c¸c ph ¬ng ph¸p chÝnh sau: - Ph©n tÝch nhiÖt vi sai (DTA). - QuÐt nhiÖt vi sai (DSC). - Ph©n tÝch nhiÖt träng l îng (TGA). Dùa vµo ph ¬ng ph¸p nµy ta cã thÓ: KiÓm nghiÖm s¶n phÈm, ph©n tÝch thµnh phÇn,…

II/­C¬­së­vËt­lý­cña­ph­¬ng­ph¸p. Kü thuËt ph©n tÝch nhiÖt dùa trªn nguyªn lý vÒ nhiÖt ®éng häc. Khi cã ®é chªnh lÖch vÒ ®é lín, nhiÖt ®é sÏ chuyÓn tõ n¬i nµy sang n¬i kh¸c vµ khi ®ã lµm cho c¸c ®¹i l îng vËt lý kh¸c nh n¨ng l îng chuyÓn pha , ®é nhít, entropy, … còng thay ®æi.

*Mèi quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é vµ nhiÖt l îng: Trong ®ã C lµ nhiÖt dung phô thuéc vµo b¶n chÊt khèi vËt liÖu. * Entropy lµ mét ®¹i l îng g¾n bã chÆt chÏ víi n¨ng l îng vµ nhiÖt ®é cña hÖ trong c¸c qu¸ tr×nh thay ®æi tr¹ng th¸i. * VËt chÊt th êng tån t¹i ë ba tr¹ng th¸i: R¾n, láng, khÝ. Trong ®ã hiÖn t îng chuyÓn pha lµ hiÖn t îng rÊt quan träng.

QT

mC

III/­Ph©n­tÝch­nhiÖt­vi­sai­(DTA). 1/ C¬ së vµ tÝnh n¨ng cña ph ¬ng ph¸p. Ph©n tÝch nhiÖt vi sai dùa trªn viÖc thay ®æi nhiÖt ®é cña mÉu ®o vµ mÉu chuÈn vµ ® îc xem nh lµ mét hµm cña nhiÖt ®é mÉu. C¸c tÝnh chÊt cña mÉu chuÈn lµ hoµn toµn x¸c ®Þnh vµ yªu cÇu mÉu chuÈn ph¶i tr¬ vÒ nhiÖt ®é. Víi mÉu ®o th× lu«n xÈy ra mét trong hai qu¸ tr×nh gi¶i phãng vµ hÊp thô nhiÖt khi ta t¨ng nhiÖt ®é cña hÖ, øng víi mçi qu¸ tr×nh nµy sÏ cã mét tr¹ng th¸i chuyÓn pha t ¬ng øng. * Ph ¬ng ph¸p nµy cho ta biÕt: - Ph©n biÖt c¸c nhiÖt ®é ®Æc tr ng. - Hµnh vi nãng chÈy vµ kÕt tinh cña vËt liÖu. - §é æn ®Þnh nhiÖt. - ….

2/ ThiÕt bÞ ®o.Mét hÖ ®o gåm: - Hai gi¸ gi÷ mÉu bao gåm cÆp nhiÖt, bé phËn chøa mÉu. - 1 lß nhiÖt. - 1 thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é. - 1 hÖ ghi kÕt qu¶ ®o.

Bé khuÕch ®¹i

Bé ®iÒu khiÓn /phót /phót

Bé ghi.

S R

HÖ ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é.

0 00,1 10C C0 010 200C C

a/ Lµ s¬ ®å cung cÊp nhiÖt cña thiÕt bÞ DTA. b/ Mét hÖ ®o cña h·ng Orton.

Ta thÊy diÖn tÝch phÇn bªn trªn hay phÇn bªn d íi cña c¸c ®Ønh cho ta biÕt vÒ n¨ng l îng øng víi c¸c qu¸ tr×nh xÈy ra trong mÉu.

Khi d ¬ng th× mÉu ®ang to¶ nhiÖt vµ ng îc l¹i.

Ta cã: , A: diÖn tÝch ®Ønh. K: ®é dÉn cña mÉu. g : thõa sè h×nh d¹ng ®Ønh. q: l îng entanpy thay ®æi / 1 ®¬n

vÞ khèi l îng. Nh vËy x¸c ®Þnh diÖn tÝch c¸c

®Ønh, ta ®· x¸c ®Þnh n¨ng l îng xÈy ra qu¸ tr×nh t ¬ng øng, tõ ®ã ta x¸c ®Þnh ® îc b¶n chÊt cña qu¸ tr×nh vµ thêi ®iÓm xÈy ra qu¸ tr×nh ®ã trong khi ph©n tÝch.

3/ Ho¹t ®éng vµ ph©n tÝch kÕt qu¶. - Sù thay ®æi nhiÖt ®é bªn trong c¸c mÉu ® îc x¸c ®Þnh bëi c¸c cÆp nhiÖt, ®é chªnh lÖch gi÷a c¸c cÆp nhiÖt sinh ra mét ®iÖn ¸p vµ sau ®ã ta khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p nµy lªn. * D íi ®©y ta cã mét ® êng cong cña hÖ DTA.

T

mqA

gK

IV/­QuÐt­nhiÖt­vi­sai­(DSC). 1/ C¬ së vµ tÝnh n¨ng cña ph ¬ng ph¸p. * DSC lµ ph ¬ng ph¸p ph©n tÝch mµ ë ®ã ®é chªnh lÖch vÒ nhiÖt ®é gi÷a mÉu chuÈn vµ mÉu ®o lu«n b»ng kh«ng. Trong qu¸ tr×nh chuyÓn pha cña mÉu, n¨ng l îng sÏ ® îc bæ xung vµo mÉu hay cã thÓ mÊt ®i tõ mÉu, ta sÏ x¸c ®Þnh n¨ng l îng ®ã th«ng qua tÝnh diÖn tÝch giíi h¹n bëi ®å thÞ mµ ta thu ® îc. * Ph ¬ng ph¸p DSC cho ta th«ng tin vÒ sù chuyÓn pha cña vËt chÊt.

2/ ThiÕt bÞ. Khi xuÊt hiÖn sù chuyÓn pha trªn mÉu, n¨ng l îng sÏ ® îc thªm vµo hoÆc mÊt ®i trong mÉu ®o hoÆc mÉu chuÈn, ®Ó duy tr× nhiÖt ®é ë mÉu ®o vµ mÉu chuÈn b»ng nhau. N¨ng l îng c©n b»ng nµy ® îc ghi l¹i vµ cung cÊp kÕt qu¶ ®o trùc tiÕp cña n¨ng l îng chuyÓn pha.

H×nh vÏ: (a): lµ s¬ ®å cung cung cÊp nhiÖt cña DSC lo¹i th«ng l îng nhiÖt. (b): lµ lo¹i bæ chÝnh c«ng suÊt.

Ta thÊy lo¹i th«ng l îng nhiÖt cã mét lß nhiÖt cßn lo¹i bæ chÝnh c«ng suÊt cã hai lß nhiÖt. Víi hai lß nhiÖt nh vËy ta cã thÓ ®o trùc tiÕp c«ng suÊt cña c¸c lß tõ ®ã suy ra ®é chªnh lÖch vÒ c«ng suÊt, cßn víi mét lß nhiÖt th× ta l¹i dùa vµo nhiÖt ®é.

* ThiÕt bÞ DSC cã c¸c bé phËn chÝnh sau: - Gi¸ gi÷ mÉu gåm cÆp nhiÖt, bé phËn chøa mÉu. - Lß nhiÖt. - ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é. - HÖ ghi kÕt qu¶ ®o. + Sau ®©y lµ s¬ ®å khèi cña DSC bæ chÝnh c«ng suÊt.

3/ Ho¹t ®éng vµ ph©n tÝch kÕt qu¶ ®o. Qu¸ tr×nh ph©n tÝch nhiÖt th êng bÞ ¶nh h ëng bëi c¸c yÕu tè m«i tr êng, ®iÒu kiÖn thÝ nghiÖm, kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn cña vËt liÖu, kh¶ n¨ng ph¶n håi cña thiÕt bÞ ghi,… Khi ®Æt mÉu vµo vÞ trÝ lß, t¨ng dÇn nhiÖt ®é cña c¸c lß, ta dïng mét detector vi sai c«ng suÊt ®Ó ®o sù kh¸c nhau vÒ c«ng suÊt cña c¸c lß. TÝn hiÖu ® îc khuÕch ®¹i vµ chuyÓn lªn bé phËn ghi d÷ liÖu. Trong phÐp ph©n tÝch DSC ® êng cong thu ® îc th êng thay ®æi xung quanh trôc nhiÖt ®é, vµ suÊt hiÖn c¸c ®Ønh thu nhiÖt vµ to¶ nhiÖt øng víi c¸c qu¸ tr×nh chuyÓn pha cña mÉu.

* Sau ®©y ta ®i xem xÐt mét vÝ dô ®Ó x¸c ®Þnh c¸c ®iÓm chuyÓn pha cña polyme.

: lµ nhiÖt ®é chuyÓn pha thuû tinh, lóc nµy nhiÖt dung cña mÉu t¨ng do vËy dßng nhiÖt t¨ng lªn.

: NhiÖt ®é kÕt tinh, khi nhiÖt ®é t¨ng c¸c sîi polyme sÏ nhËn ®ñ n¨ng l îng vµ s¾p xÕp cã trËt tù h¬n (tinh thÓ). Qu¸ tr×nh nµy mÉu gi¶i phãng n¨ng l îng.

: NhiÖt ®é tan cña mÉu, lóc nµy tinh thÓ polyme tan ra, c¸c sîi polyme chuyÓn ®éng tù do, v× vËy chóng ®· hÊp thô mét nhiÖt l îng.

gT

cT

mT

V/­Ph©n­tÝch­nhiÖt­träng­l­îng­(TGA). 1/ C¬ së vµ tÝnh n¨ng cña ph ¬ng ph¸p. * Ph ¬ng ph¸p nµy dùa trªn c¬ së x¸c ®Þnh khèi l îng cña mÉu vËt chÊt bÞ mÊt ®i (hay nhËn vµo) trong qu¸ tr×nh chuyÓn pha nh mét hµm cña nhiÖt ®é. TGA cho ta x¸c ®Þnh khèi l îng chÊt bÞ mÊt ®i trong qu¸ tr×nh chuyÓn pha. § êng phæ TGA ®Æc tr ng cho mét hîp chÊt hoÆc mét hÖ do thø tù cña c¸c ph¶n øng ho¸ häc xuÊt hiÖn t¹i mét kho¶ng nhiÖt ®é x¸c ®Þnh lµ mét hµm cña cÊu tróc ph©n tö. C¸c ® êng d÷ liÖu liªn quan tíi nhiÖt ®éng häc vµ ®éng n¨ng cña d¹ng ph¶n øng ho¸ häc, c¬ chÕ ph¶n øng,… * C¸c th«ng tin ta nhËn ® îc dïng ®Ó x¸c ®Þnh thµnh phÇn khèi l îng c¸c chÊt cã mÆt trong mÉu. Ngoµi ra ta x¸c ®Þnh ® îc thµnh phÇn dung m«i, chÊt phô gia,…

2/ ThiÕt bÞ. HÖ ®o TGA cã cÊu t¹o t ¬ng tù nh DTA, nh ng TGA cã thªm phÇn sensor khèi l îng. MÉu ® îc c©n liªn tôc vµ nung nãng ®Õn nhiÖt ®é bay h¬i, mÉu ® îc ®Æt trªn ®Üa vµ g¾n víi bé c©n b»ng ghi tù ®éng, bé c¶m biÕn tù ®éng chän ®iÓm c©n b»ng. Bé biÕn n¨ng lµ c¸c tÕ bµo quang ®iÖn, khi vÞ trÝ c©n b»ng ban ®Çu ® îc thiÕt lËp, sù thay ®æi khèi l îng cña mÉu sÏ ® îc lµm c©n b»ng. NhiÖt ®é cña lß ® îc thay ®æi liªn tôc vµ ®iÒu khiÓn bëi cÆp nhiÖt. Khèi l îng thay ®æi ® îc ®o so víi tÝn hiÖu vµo ban ®Çu.

S¬ ®å cÊu t¹o cña mét thiÕt bÞ TGA (a). Mét hÖ TGA cña h·ng Orton (b).

3/ Ho¹t ®éng vµ ph©n tÝch kÕt qu¶. Ban ®Çu, c©n ë vÞ trÝ c©n b»ng. ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn lµm t¨ng nhiªt ®é, trong qu¸ tr×nh ®ã c¸c qu¸ tr×nh lý, ho¸ xÈy ra lµm thay ®æi khèi l îng cña mÉu, nhê ®ã c¸c sensor khèi l îng chuyÓn tÝn hiÖu vÒ m¸y tÝnh vµ chuyÓn ®æi thµnh phÇn tr¨m khèi l îng cña vËt liÖu bÞ mÊt ®i.

VD: MÉu ph©n tÝch TGA cña 2 4 2.CaC O H O

Bµi tr×nh bµy cña em ®Õn ®©y lµ kÕt thóc.

Em xin ch©n thµnh c¶m ¬n!