Utilizarea analizei termice diferențiale în determinarea structurii substanțelor

Utilizarea analizei termice diferentiale in determinarea structurii substantelor

1.0. Analiza termica diferentiala

Analiza termica diferentiala (sau DTA) este o tehnica termoanalitica, similara cu calorimetria cu scanare diferentiala. In DTA materialul pe care il studiem si referinta sunt supuse unor cicluri termice identice; in timpul acesta se inregistreaza orice diferenta de temperatura dintre proba si referinta. Aceasta diferenta de temperatura este reprezentata in functie de timp sau in funtie de temperatura (curba DTA sau termograma). Modificarile esantinonului, exotermice sau endotermice, pot fi detectate in raport cu referinta. Astfel, o curba DTA furnizeaza date cu privire la transformarile care au avut loc, cum ar fi tranzitiile de sticla, cristalizare, topire si sublimare. Aria de sub un varf DTA este entalpia si nu este afectata de capacitatea de incalzire a probei.

1.1. Aparatura

O DTA consta intr-un esantion format din termocupluri, recipientele cu proba si un bloc ceramic sau metalic; un cuptor, un programator de temperatura; si un sistem de inregistrare. Caracteristica principala este existenta a doua termocupluri conectate la un voltmetru. Un termocuplu este plasat intr-un material inert cum ar fi Al2O3, in timp ce al doilea termocuplu este plasat intr-un esantion al materialului pe care il studiem. Deoarece crestem temperatura, se va observa o deviere scurta a voltmetrului in cazul in care esantionul trece print-o faza de tranzitie. Acest lucru se intampla pentru ca aportul de caldura ridica temperatura substantei inerte, dar aceasta este incorporata sub forma de caldura latenta in material la schimbarea fazei.

In prezent, pe piata, cei mai multi producatori nu mai realizeaza un DTA adevarat, ci mai degraba au inclus aceasta tehnologie intr-o analiza termogravimetrica (TGA), care furnizeaza atat pierderea de masa cat si informatii termice. Cu progresele din software-ul de astazi, chiar si aceste instrumente au fost inlocuite de instrumentele TGA-DSC adevarate care pot asigura temperatura si fluxul de caldura al probei, in acelasi timp cu pierderea de masa.

1.2. Aplicatii

O curba DTA poate fi utilizata in scopuri de identificare, dar de obicei aplicatiile acestei metode sunt determainarea diagramelor de faza, masuratorilor de schimbare a caldurii si descompunerea in diferite medii. DTA este utilizat pe scara larga in industria farmaceutica si alimentara. DTA poate fi utilizta si in chimia cimentului, in studiile mediului si in cercetarea mineralelor, inclusiv modul de distribuire, identificare si proprietati. Curbele DTA pot fi utilizate si in datarea ramasitelor (oase) sau pentru studierea materialelor arheologice.

2.0. Calorimetria cu scanare diferentiala

Calorimetrul cu scanare diferentiala (DSC) determina conversia temperaturii si a entalpiei pentru solide si lichide prin masurarea fluxului de caldura atat la proba cat si la referinta ca functie de timp si temperatura. Se studiaza efectele termice survenite in urma proceselor fizice sau chimice (tranzitii de faza, diferite reactii). Din curba DSC este posibila nu numai caracterizarea unui proces ca fiind exoterm sau endoterm, ci si definirea tipurilor de tranzitii implicate. Daca pe diagrama apar mai multe picuri, endoterme sau exoterme, acestea se raporteaza la varful endoterm ce reprezinta topirea substantei, varf care este cunoscut. In cazul suprapunerii varfurilor, experimentele ulterioare trebuie realizate in conditii in care sunt variate masa probei sau viteza de incalzire, pentru a avea o buna rezolutie a varfurilor, sau se poate folosi tehnica numita „dinti de ferastrau” (TOPEM) care poate separa un proces reversibil (temperatura de vitrifiere, topire, cristalizare) de unul ireversibil. Prin folosirea unor viteze din ce in ce mai mici se obtine o reproductibilitate mai buna a semnalului.

2.1. Aparatura

Calorimetria diferentiala de scanare este o tehnica termoanalitica, in care diferenta cantitatii de caldura necesara pentru a creste temperatura unei probe si unei referinte este masurata in funtie de temperatura. Atat proba cat si referinta sunt mentinute la aproape aceeasi temperatura pe parcursul experimentului. In general, programul de temperatura pentru analiza DSC este proiectat astfel incat temperatura initiala a probei creste liniar ca o functie de timp. Proba de referinta ar trebui sa aiba o capacitate de caldura bine definita peste intervalul de temperaturi care urmeaza sa fie scanate.