綜合熱分析儀在本科生實驗教學中的應(yīng)用

于欣欣，張利利，戴 鵬，吳明在

(安徽大學，安徽 合肥 230601)

綜合熱分析儀通過測量物質(zhì)質(zhì)量隨溫度的變化量，對物質(zhì)的組分、結(jié)構(gòu)和熱相關(guān)性質(zhì)等進行測定，在生產(chǎn)、生活和科學研究中的都有重要應(yīng)用。在講授這門實用性實驗技術(shù)的同時進行必要的科研基礎(chǔ)訓練，既能激發(fā)學生的學習興趣，又能提升學生的科學素養(yǎng)，提高其創(chuàng)新能力，為今后的科學研究工作打下基礎(chǔ)。同時，綜合熱分析儀操作簡單，適用范圍廣，將其納入本科實驗教學具有切實的可行性?；谝陨显?，在綜合熱分析基礎(chǔ)上設(shè)計了一列“綜合熱分析應(yīng)用技術(shù)”作為本科實驗教學的一項基本內(nèi)容。

1 實驗內(nèi)容

1．1 實驗?zāi)康?/h3>

了解熱重分析儀的工作原理、結(jié)構(gòu)組成及應(yīng)用范圍;掌握熱重分析儀的使用方法;學習熱重曲線的分析方法，了解各參數(shù)的物理意義。

1．2 實驗內(nèi)容與實驗原理

綜合熱分析儀主要通過測定物質(zhì)在加熱過程中質(zhì)量的變化來研究物質(zhì)性質(zhì)及其變化過程，從而實現(xiàn)對物質(zhì)的組成的鑒別。其物理過程的數(shù)學表達式為:

其中，Δ W為質(zhì)量變化;T是溫度;t是時間。

綜合熱分析儀實驗得到的曲線即為熱重曲線(TG曲線)，包括溫度-時間曲線和質(zhì)量-時間曲線。曲線的陡降處為樣品失重區(qū)，平臺區(qū)為樣品的熱穩(wěn)定區(qū)。由于任何兩種物質(zhì)的熱性質(zhì)不可能完全相同的，因此熱重曲線可作為用于物質(zhì)鑒定的特征曲線，類似于人類的指紋圖。

1．3 實驗儀器和材料

儀器:綜合熱分析儀(HCT-1，北京恒久科學儀器廠)

材料:五水合硫酸銅

熱分析儀主要由熱重測量系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)、氣氛控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機組成。本實驗所用儀器的熱重測量系統(tǒng)采用上皿、不等臂、吊帶式天平、光電傳感器等。熱天平是熱重測量系統(tǒng)的主要部件，由坩堝、爐子、保護管、天平和平衡錘組成。當天平因試樣質(zhì)量變化而出現(xiàn)微小傾斜時，光電傳感器就產(chǎn)生一個相應(yīng)極性的信號，送入計算機進行繪圖處理。溫度測量系統(tǒng)則由坩堝下方的測溫熱電偶輸出的熱電勢，先經(jīng)過熱電偶冷端補償器，再由溫度放大器進行放大，送入計算機。氣路系統(tǒng)則采用＂二選一”模式，可在兩路氣體間進行切換;同時，設(shè)有3個進氣/出氣口，既可通入惰性氣氛又可通入具有腐蝕性的反應(yīng)氣體。

1．4 實驗步驟

1．打開水泵、儀器電源，啟動計算機，將儀器預(yù)熱30 min。檢查冷卻循環(huán)水，數(shù)據(jù)線和氣路連接情況。

2．裝入實驗樣品，進行樣品的熱重曲線測量。雙擊熱分析儀軟件，點擊“開始采集”按鈕，軟件將自動彈出“設(shè)置新升溫參數(shù)”對話框，按提示輸入所需參數(shù)。參數(shù)填寫完畢后，點擊“檢查”，如無錯誤，再點擊“確認”。

3．實驗結(jié)束后，盡快移出并清理樣品，以防腐蝕儀器。利用軟件對實驗曲線進行分析，理解報告中各參數(shù)的物理意義，根據(jù)測試曲線分析失重過程，并完成測試報告。

1．5 實驗難點

1．樣品的安裝和取出

升起加熱爐，露出支撐桿(熱電偶組件);將試樣裝入陶瓷坩堝中，并用鑷子將坩堝移動至支架上方約1 mm處，讓坩堝自由落下;雙手降下加熱爐體，一定要小心操作，注意防止撞斷支撐桿。取下坩堝時則采用邊往上移動鑷子邊夾取坩堝的方式。此操作方式是為了避免在安放和夾取坩堝時使支架受力并發(fā)生形變，造成質(zhì)量測量的誤差。

2．參數(shù)的選擇

儀器預(yù)熱時間、試樣用量、試樣的粒徑、試樣裝填方式和升溫速率等參數(shù)都會影響所獲得的TG曲線的質(zhì)量。在實驗精度范圍內(nèi)，選擇較慢的升溫速度、較少的樣品用量和較小的試樣粒度有利于獲得更高質(zhì)量的TG曲線。本實驗稱取5～10 mg五水合硫酸銅，以10℃/min的升溫速率升溫至280℃，利用熱分析儀分析水合硫酸銅的脫水過程。

1．6 學生實驗數(shù)據(jù)分析

圖1 五水合硫酸銅的熱重曲線

學生在實驗中所測得曲線線型平滑、拐點和臺階明顯，具有較高的質(zhì)量。數(shù)據(jù)表明五水合硫酸銅在280℃范圍內(nèi)有3次失重，對應(yīng)于3次失水過程。第1次失重在58～101℃，失重比例為14．1%;第二次失重在101～136℃，失重比例為13．3%;第三次失重在215～278℃，失重比例為7．2%。3 次失重的重量比例為 1．961．841，近似約等于2 2 1。分三步失水是由5水合硫酸銅的特殊結(jié)構(gòu)決定的。五水合硫酸銅的5個水有3種成鍵方式:2個水僅以配位鍵與銅離子結(jié)合;2個水與銅離子以配位鍵結(jié)合，并且與外部的H2O以氫鍵結(jié)合;第5個H2O最穩(wěn)定，它通過氫鍵與［SO4］2-中的氧原子相連，又通過氫鍵與硫酸銅中的1個H2O相連。五水合硫酸銅在升溫過程中先失去2個以配位鍵鍵合的2個水，再失去配位鍵和氫鍵鍵合的23個水，再失去以氫鍵鍵合的1個水，重量比為2 2 1。由以上分析可見，TG曲線可以很好的反映出五水合硫酸銅的結(jié)構(gòu)特征，失重數(shù)值與理論值較符合，但是也不能否認有誤差的存在。誤差可能來自于五水硫酸銅在空氣中已存在少量失水，使得測得的總失重量低于理論值(36%)。而TG曲線中所出現(xiàn)的波動和漂移則可能來自于樣品中存在溫度梯度，如由試樣質(zhì)量稍大、試樣粒度和裝填方式導致的散熱和導熱不均等。

1．7 教學效果評價

在實驗過程中，從學生對熱分析儀基本結(jié)構(gòu)和工作原理等基本理論知識的掌握、樣品的測量結(jié)果及數(shù)據(jù)分析對學生進行評價。教學實踐表明學生基本掌握了綜合熱分析儀的基本理論及儀器的使用，并對其功能和用途有了基本的認識;但是，由于質(zhì)量測量、樣品安裝等操作引起的誤差還是存在，數(shù)據(jù)并未達到最佳。

2 結(jié) 論

通過案例講解和自主操作的訓練，學生基本掌握了樣品的安裝方法，能獨立完成綜合熱分析儀的操作過程，并能對數(shù)據(jù)進行基本解讀。綜合熱分析儀的引入，提高了大學物理實驗的研究性和創(chuàng)新性，使得學生能夠初步體會到科研的樂趣，對細致、謹慎又充滿挑戰(zhàn)的科研的過程有了一個初步的了解，為其今后自主開展科學研究打下一定的基礎(chǔ)。

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