实验差热分析

实验 差热分析
一、实验目的
1、熟悉和把握差热分析仪的工作原理、仪器结构和大体操作技术。

2、用差热分析方式测定硝酸钾晶型转变温度，和五水合硫酸铜的脱水进程。

二、实验原理
差热分析也称差示热分析，是在温度程序操纵下，测量物质与基准物(参比物)之间的温度差随温度转变的技术。

试样在加热（冷却）进程中，凡有物理转变或化学转变发生时，就有吸热（或放热）效应发生，假设以在实验温度范围内不发生物理转变和化学转变的惰性物质作参比物，试样和参比物之间就显现温度差，温度差随温度转变的曲线称差热曲线或 DTA 曲线。

差热分析是研究物质在加热（或冷却）进程中发生各类物理转变和化学转变的重要手腕。

熔化、蒸发、升华、解吸、脱水为吸热效应；吸附、氧化、结晶等为放热效应；分解反映的热效应那么视化合物性质而定。

要弄清每一热效应的本质，还需借助其他测量手腕如热重量法、X 射线衍射、、化学分析等。

时间 t 温度 T
温差 ΔT a b c
d e f
g h
放
热吸
热示温曲线
差热曲线
图1 差热分析原理框图及示温曲线和差热曲线
将样品和基准物置于相同的线性升温加热条件下（如图1中的示温曲线），当样品没有发生转变时，样品和基准物温度相等（ab 段，此段也称为基线），二者的温差ΔT 为零（由于样品和基准物热容和受热位置不完全相同，事实上基线略有偏移）；当样品产生吸热进程时，样品温度将低于基准物温度，ΔT 不等于零，产生吸热峰bcd ；通过热传导后，样品和基准物的温度又趋于一致（de 段）；当样品产生放热进程时，样品温度将高于基准物温度，
在基线的另一侧产生放热峰efg。

在测量进程中，ΔT由基线到极值又回到基线，这种温差随时刻转变的曲线称为温差曲线。

由于温度和时刻具有近似线性的关系，也能够将温差曲线表示为温差随温度转变的曲线。

三、仪器与试剂
ZCR差热实验装置（南京桑力电子设备厂），电子天平，采样及数据分析运算机，氧化铝坩埚（54）。

同步热分析仪 (STA 409 PC，德国耐驰仪器制造)。

CuSO45H2O（AR），KNO3（AR），-Al2O3。

四、实验步骤
实验前请认真阅读附录中的仪器利用说明。

一、差热实验装置的校正与性能测试：KNO3 DTA曲线测定
1、取下差热电炉罩盖，露出炉管，观看坩埚托盘刚玉支架是不是处于炉管中心，假设有偏移应按说明书要求调整。

2、旋松两只炉体固定螺栓，双手警惕轻轻向上托取炉体，在此进程中应注意观看保证炉体不与坩埚托盘刚玉支架接触碰撞，至最高点后（右定位杆离开定位孔）将炉体逆时针方向推移到底（逆时针方向旋转90
）。

3、取2只54氧化铝坩埚，在试样坩埚中称取10-20 mg KNO 3，在参比物坩埚中称取相近质量的-Al 2O 3粉末，均轻轻压实。

以面向差热炉正面为准，左侧托盘放置试样坩埚，右边托盘放置参比物坩埚。

然后反序操作放下炉体，依次盖上电炉罩盖，并旋紧炉体紧固螺栓，在此进程中仍应注意观看保证炉体不与坩埚托盘刚玉支架接触碰撞。

4、本型号ZCR 差热分析实验装置采纳全电脑自动操纵技术，全数操作均在实验软件操作界面上完成。

打开差热分析仪电源，其他按键不必操作，差热分析仪上“按时”、“升温速度”和“温度显示”三个窗口中有一个会持续闪烁，表示仪器处于待机状态。

5、点击打开“热分析实验系统”软件界面。

差热分析仪
差热分析电炉
配件盒
冷却风扇
炉体固定螺栓
（1）选择通信串口：点击“通信–通信口 - com 1”。

（2）实验参数设置：点击“仪器设置–控温参数设置”，在弹出窗口中填写报警时刻（不报警填0）、升温速度和操纵温度。

参考温度选择“T0”。

（3）数据记录参数设置：点击“画图设置–设置坐标系”，在弹出窗口中填写横坐标时刻值范围和左纵坐标温度值范围。

点击“画图设置–DTA量程”，在弹出窗口中填写右纵坐标DTA值范围，假设不确信可选择10V。

实验中测量数据超出预先设置值时，软件会自动调整显示范围。

（4）开始测量：点击“画图设置–清屏”擦除前次实验曲线。

点击“仪器设置–开始控温”，仪器进入程序升温时期，现在差热分析仪上待机状态下持续闪烁的窗口停止闪烁，表示仪器进入控温状态。

电脑自动记录和显示温度T0和DTA讯号随时刻转变的曲线。

（5）测量终止：程序升温段终止后，仪器自动进入恒温时期，恒温温度即终止温度。

点击“仪器设置–停止控温”，关闭电炉加热电源。

保留实验数据，如需导出实验数据至其他数据处置软件，可将实验数据另行保留为Excel格式。

（6）数据读取：点击“画图设置–显示坐标值”，测量中或测量后都可在软件界面上直接读取任意实验时刻的T0和DTA值。

注意：假设要从头设置实验参数，必需关闭此功能，不然软件直接报错关闭。

以5K min1的升温速度，从室温升温至200C，记录KNO3相变进程的DTA曲线。

测定终止后停止差热炉加热，取下差热电炉罩盖（戴耐火手套，利用工具，避免烫伤），将炉体抬起旋转固定（同步骤2），露出坩埚托盘支架。

接通冷却风扇电源，将风扇放置在炉体顶部吹风冷却约10-15分钟，至软件界面上炉温“Ts(C)”低于50C。

二、CuSO45H2O脱水进程的DTA曲线测定
将试样坩埚取下，倒出样品，擦拭干净，然后装入CuSO45H2O，按上面相同操作方式测定其脱水分解进程的DTA曲线形态与升温速度的关系，升温速度别离为5K min1、10K min1和15K min1，升温范围是室温至300C。

五、数据处置与计算
1、KNO3相变温度的确信
KNO3是被国际标准化组织（ISO）和国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）所认定的供DTA（或DSC）用的检定参样之一，热力学平稳相变温度：T m = 127.7C，升温热分析曲线的外推始点温度T im = 1285C，峰温T pm = 1356C。

将实验数据转换成Excel文件，并导入Origin数据处置软件。

作出T- T差热曲线。

确信相变的外推始点温度和峰顶温度。

方式参见附录。

2、CuSO45H2O脱水温度与升温速度的关系
文献报导CuSO45H2O样品在加热进程中，共有7个吸热峰，其外推始点温度及相应产物别离为：48CuSO43H2O，99CuSO4H2O，218CuSO4，685Cu2OSO4，753CuO，1032 Cu2O和1135液体Cu2O。

本实验温度范围内可观看到前三个脱结晶水吸热峰，同时还可能在前两个峰之间夹杂一个液态水气化进程的吸热峰。

将数据导入Origin数据处置软件，进行多重峰拟合处置，对照不同升温速度DTA曲线的形态和温度。

结合DSC-TG实验数据，分析CuSO45H2O脱水进程的机理。

六、试探与讨论
在什么情形下，升温进程与降温进程取得的差热分析结果是近似的？在什么情形下，只能采纳升温或降温方式？
附录一 ZCR差热实验装置
ZCR差热分析装置要紧由：差热分析炉（电炉）、差热分析仪、温度传感器、差热分析软件、电脑和打印机组成。

图一 ZCR差热分析装置结构方框图
1、差热分析炉
2、差热分析仪
3、电脑
4、输出设备
5、温控（Ts）热电偶
6、参比物测温热电偶（To）
7、DTA测温热电偶及托盘
一、差热分析电炉的结构
图二 ZCR差热分析电炉结构示用意
1、电炉座（内含配件盒：两手别离抠住炉座前板标贴双侧凹槽处稍使劲即可打开）
2、炉体
3、电炉丝
4、爱惜罩
5、炉管
6、坩埚托盘及差热热电偶
7、炉管调剂螺栓
8、炉体固紧螺栓
9、炉体定位（右）及起落杆（左） 10、水平仪 11、热电偶输出接口
12、电源插座 13、冷却水接口 14、水平调剂螺丝 15、炉膛端盖
16、炉温热电偶 17、参比物测温热电偶
二、差热分析电炉的利用方式
1、电炉放置水平的调剂：电炉放置在具有必然支撑力的平整的平台上，调剂调整螺丝（14）直至水平器（10）气泡在中心圆圈之内。

2、炉管中心位置的调剂：取下爱惜罩盖（4），取去炉顶端盖（15），观看炉管（5），应在炉膛中内，用调剂炉管三只调剂螺栓（7），使炉管（5）处于炉膛中央后。

拧紧三只炉管调剂螺栓（7），使炉管稳固地置于炉膛中央，幸免因样品杆坩埚等因素引发的基线偏移。

3、试样和参比物坩埚的放置：逆时针旋松两只炉体固定螺栓（8），双手警惕轻轻向上托取炉体至最高点后（右定位杆离开定位孔），将炉体逆时针方向推移到底（900），现在将符合实验要求的两坩埚别离放置在托盘（6）上，左侧托盘放置试样坩埚，右边托盘放置参比物坩埚。

然后反序操作放下炉体，并旋紧炉体紧固螺栓（8）。

4、用配备的橡胶管将电炉冷却水接口（13）与自来水（冷却液）相连接，实验开始前，必需先开通冷却水。

5、差热分析炉与差热分析仪的连接：用配备的加热炉电源线将差热分析电炉与差热分析仪连接，一端插入电炉后面板（12）处，另一端插入差热分析仪后面板分析炉电源处。

用配备的数据线将差热分析电炉与差热分析仪连接，一端接电炉后面板（11）处，另一端插入差热分析仪后面板热电偶输入插孔处。

配备的另一根数据线是差热分析仪与电脑的连接线，历时只需两头别离插入差热分析仪后板RS-232串行口，电脑RS-232串行口插座上即可。

注：炉体的起落虽有定位爱惜装置，但在放下炉体（2）时，务必将炉体（2）转回原处，将定位杆插入定位孔后，再缓慢向下放入。

高钢玉管是坩埚托盘支撑杆又是差热分析炉两只热电偶的套管，即细又脆，制作难度大，故价钱昂贵。

因此托取或放下炉体时要专门警惕，轻拿轻放，以避免碰断。

三、差热分析仪结构原理
图三差热分析仪原理框图
四、差热分析仪的利用方式
1、差热分析仪前面板
图四差热分析仪前面板示用意
1）电源开关：差热分析炉和差热分析仪总电源开关。

2）参数设置：本型号实验装置全数采纳运算机操纵，该类按键功能取消。

3）T O/T S/T G：温度显示键。

T O—参比物温度。

T S—加热炉温度。

T G—设定差热分析最高操纵温度。

4）指示灯：T O、T S、T G仅其中某一指示灯亮时，温度显示器显示示值即为与之对应的温度值，三只指示灯同时亮时，显示器显示示值为冷端温度。

（作热电偶自动冷端补偿用）
5）采零：清除ΔT的初始误差。

6）ΔT（uV）：DTA 显示窗口。

7）温度显示（℃）：T O、T S、T G及冷端温度显示窗口0～1100℃。

8）升温速度（℃/min）：升温速度窗口 1℃/min～20℃/min。

9）按时（S）：按时器显示窗口 0～99S（10 S内不报警）
2、差热分析仪后而板
图五差热分析仪后面板示用意
1）ΔT模拟输出：ΔT模拟信号输出，可与记录仪连接利用。

2）热电偶输入：与分析炉热电偶输出相连接。

3）分析炉电源：提供分析电炉的加热电源。

4）电源插座：提供差热分析仪和差热分析炉的总电源。

5）保险丝：0.5A 10A
3、差热分析仪的操作步骤
1）外观检查：检查差热实验装置整机及配套备件是不是完全相符，温度传感器与仪器编号相对应，并检查外观应完好无损。

2）通电检查：外观检查合格后，先将差热分析仪接通电源，现在各显示器均有显示，（其中某一名字符闪烁，属正常）无缺字、缺笔画等现象。

3）参数设置及操作步骤
本型号ZCR差热分析实验装置采纳全电脑自动操纵技术，全数操作均在实验软件操作界面上完成，差热分析仪仅需打开电源即可，其他按键不必操作。

为使操作简单、明了，现举例进行参数设置的操作步骤介绍。

例某差热分析实验由室温升至1100℃，升温速度12℃/min，无报警记录时刻，应按下述步骤进行：
a）接通电源后，差热分析仪上“按时”、“升温速度”和“温度显示”三个窗口中有一个会持续闪烁，表示仪器处于待机状态。

点击打开“热分析实验系统”软件界面。

b）选择通信串口：点击“通信–通信口 - com 1”。

c）实验参数设置：点击“仪器设置–控温参数设置”，在弹出窗口中填写报警时刻（不报警填0）、升温速度和操纵温度。

参考温度选择“T0”。

d）数据记录参数设置：点击“画图设置–设置坐标系”，在弹出窗口中填写横坐标时刻值范围和左纵坐标温度值范围。

点击“画图设置–DTA量程”，在弹出窗口中填写右纵坐标DTA值范围，假设不确信可选择10V。

实验中测量数据超出预先设置值时，软件会自动调整显示范围。

e）开始测量：点击“画图设置–清屏”擦除前次实验曲线。

点击“仪器设置–开始控温”，仪器进入程序升温时期，现在差热分析仪上待机状态下持续闪烁的窗口停止闪烁，表示仪器进入控温状态。

电脑自动记录和显示温度T0和DTA讯号随时刻转变的曲线。

f）测量终止：程序升温段终止后，仪器自动进入恒温时期，恒温温度即终止温度。

点击“仪器设置–停止控温”，关闭电炉加热电源。

保留实验数据，如需导出实验数据至其他数据处置软件，可将实验数据另行保留为Excel格式。

g）数据读取：点击“画图设置–显示坐标值”，测量中或测量后都可在软件界面上直接读取任意实验时刻的T0和DTA值。

注意：假设要从头设置实验参数，必需关闭此功能，不然软件直接报错关闭。

附录二熔融温度和结晶温度的读取方式
1、熔融温度的读取方式：熔融峰温（T pm）取熔融峰顶温度；外推熔融起始温度（T im）是取低温侧基线向高温侧延长的直线和通过熔融峰低温侧曲线斜率最大点所引切线的交点的温度；外推熔融终止温度（T em）是取高温侧基线向低温侧延长的直线和通过熔融峰高温侧曲线斜率最大点所引切线的交点的温度。

呈现两个以上独立熔融峰的，求出各自的T pm、T im和T em。

另外，熔融缓慢发生，熔融峰低温侧基线难以决按时，也可不求出T im。

附图2-1 熔融温度读取方式
2、结晶温度的读取方式：结晶峰温（T pc）取结晶峰顶温度；外推结晶起始温度（T ic）是取高温侧基线向低温侧延长的直线和通过结晶峰高温侧曲线斜率最大点所引切线的交点的温度；外推结晶终止温度（T ec）是取低温侧基线向高温侧延长的直线和通过结晶峰低温侧曲线斜率最大点所引切线的交点的温度。

呈现两个以上独立结晶峰的，求出各自的T pc、T ic和T ec。

另外，存在两个以上重叠峰时，求出T ic，假设干个T pc和T ec。

再有，结晶缓慢持续发生，结晶峰低温侧基线难以决按时，也可不求出T ec。

附图2-2 结晶温度读取方式。