Akceptuję
W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczone w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów w naszej Polityce Prywatności

Zamknij X
Niespodzianka
Strona główna Artykuły

Analiza Termiczna: teoria, nomenklatura i zastosowanie

Streszczenie

Metodami szybko się rozwijającymi i wkraczającymi w wiele dziedzin nauki są analizy termiczne (TA). Ze względu na różnorodność zastosowań (przemysł, chemia, biologia, ochrona środowiska itp.) tych metod nomenklatura tej dziedziny nie jest jednolita. Przedstawienie poprawnych sformułowań i podstaw teoretycznych pozwoli na ujednolicenie wiedzy z tego zakresu oraz stanowić będzie podstawę szczegółowym rozważaniom dotyczących analizie termicznej. Szereg informacji dostarczanych metodami TA  pozwala na zastosowanie tych metod w przemyśle  farmaceutycznym i spożywczym.

Słowa kluczowe: analiza termiczna, termograwimetria, różnicowa kalorymetria skaningowa, termodylatometria, teoria derywatograficzna Osmonda, technika różnicowa Robertsa–Austena.

Skróty

DSC - różnicowa kalorymetria skaningowa
TA – analiza termiczna
TD - termodylatometria
TG - termograwimetria

Wprowadzenie

Stan agregacji materii zmienia się znacząco podczas zmian temperatury, ulegając przemianom fizycznym i/lub przemianom (reakcjom) chemicznym. W stałym stanie skupienia substancje mogą występować w różnej postaci: krystalicznej, w stanie szklistym, amorficznym lub częściowo krystalicznym. Metasabilne są trzy ostanie postacie a niekiedy niektóre formy polimorficzne substancji krystalicznych. Materia występująca w tych stanach ulega procesom relaksacyjnym, a przemiany fizyczne prowadzące do zmian stanu jej agregacji mają wówczas charakter kinetyczny [1,2].

W celu badania przemian chemicznych, takich jak stechiometria, ciepło, kinetyka reakcji, stosuje się różne  techniki termoanalityczne w zależności od badanego procesu. Wyróżnia się następujące rodzaje przemian chemicznych:
•    przemiany chemiczne faz skondensowanych przebiegające z udziałem składnika atmosfery gazowej jako substratu reakcji pierwotnych (np. proces siarczanowania di tlenkiem siarki)
•    przemiany chemiczne faz skondensowanych przebiegające z udziałem składnika atmosfery gazowej jako substratu reakcji wtórnych(np. procesy utleniania w fazie gazowej lotnych produktów termicznego rozkładu)
•    przemiany chemiczne faz skondensowanych przebiegające bez udziału składnika atmosfery gazowej
•    przemiany chemiczne faz skondensowanych, których produktami są tylko fazy skondensowane (np. procesy poliaddycji w stopie)
•    przemiany chemiczne faz skondensowanych, których produktami są fazy skondensowane i produkty gazowe (np. reakcje polikondensacji czy termicznego rozkładu soli kwasów organicznych)
•    przemiany chemiczne faz skondensowanych, których produktami są tylko produkty gazowe (procesy termicznego rozkładu substancji organicznych do produktów lotnych w temperaturze ich powstawania).

Szybkość procesu powyższych przemian materii zależy od jej rodzaju, warunków prowadzenia przemiany (katalizator/inhibitor przemian chemicznych, skład atmosfery gazowej mającej kontakt z próbką) i temperatury. Warunkiem koniecznym do przeprowadzania analiz termicznych nieodwracalności przemian, którą można uzyskać dzięki warunkom pomiaru oraz zapewnienie warunków do osiągnięcia zamierzonego stopnia konwersji składników próbki w procesie o określonej stechiometrii. Stabilne chemicznie materiały, podczas przemian fizycznych jest odwracalna np. odszklenie–zeszklenie, topnienie–krystalizacja, przemiany w ciekłych kryształach (z wyjątkiem przechłodzenia). Całkowicie nieodwracalny nieodwracalnymi procesami są egzotermiczne procesy relaksacyjne (zimna krystalizacja), przemiany fizyczne wymuszające przemiany chemiczne, przemiany fazowe typu: faza skondensowana oraz reakcje chemiczne, zarówno typu rozkładu jak i syntezy procesach chłodzenia [1, 2].

Terminologia i definicje w analizie termicznej

Ujednolicenie terminologii stosowanej w zakresie analizy termicznej rozpoczęto wraz z powstaniem International Confederation for Thermal Analysis (ICTA) (1968). Pojęcia i terminy zmieniały się na przestrzeni lat.  Obecnie obowiązują zalecenia ICTAC z roku 1998/1999 [3, 4, 5, 6]. Zgodnie z podaną w literaturze nomenklaturą: analiza termiczna oznacza analizę zmian właściwości próbki związanych z narzuconym próbce reżimem temperaturowym (wszelkie sekwencje zmian temperatury w stosunku do czasu, zmiany te są zaprogramowane z góry. Badanie próbek metodami termicznymi może odbywać się bezpośrednio, polegające na rejestracji temperatury badanego materiału i jego przemian lub pośrednio, polegające na rejestracji zmian innej właściwości materiału, ale zależnej od temperatury.
Do bezpośrednich analiz termicznych zalicza się wiele metod, których klasyfikacja została wprowadzona na podstawie rodzaju badanych właściwości. Do podstawowych metod termicznych zaliczamy: termograwimetrię (TG) oznacza technikę, którą określa się zmiany masy próbki, a różnicową kalorymetrię skaningowa (DSC) technikę, którą określa się zmiany różnicy strumieni cieplnych (różnicy mocy cieplnej) próbki badanej do próbki odniesienia, występujące pod wpływem narzuconego próbkom reżimu temperaturowego. Technika DSC jest formalnie metodą kalorymetryczną jednak w literaturze zalicza się ją często do  technik termoanalitycznych [5, 7]. Do metod pośrednich zaliczamy: metodę dylatometryczna (termodylatometria, TD) – z użyciem dylatometru rejestruje się zmiany długości próbki/próbek, które zmieniają się wraz z temperaturą oraz metodę elektryczną (rezystometryczna), w której mierzy się zmiany oporności właściwej nagrzewanej próbki.

W badaniach i analizie pomiarów wykorzystuje się teorię derywatograficzną Osmonda, w której rejestruje się czas ΔT, który jest konieczny do takiego nagrzania lub ostudzenia próbki, aby temperatura zmieniła się o określoną wartość Δt; temperaturę przemiany wskazuje ostre maksimum (pik) na wykresie zmian stosunku ΔT/Δt w czasie. Większość metod wykorzystuje w pomiarach technikę różnicową Robertsa–Austena. Próbka badanego materiału i próbka odniesienia (nie ulegająca przemianom) są umieszczane w tym samym piecu; temperaturę mierzy się z użyciem termopary zwykłej (pomiar temperatury pieca) oraz różnicowego obwodu z dwoma termoparami, reagującego na różnicę między temperaturami obu próbek (Rys.1).


 
Rysunek 1) Schemat termicznej analizy różnicowej wg Robertsa–Austena


Zastosowanie metod analizy termicznej

Oprócz czysto chemicznego zastosowania analiz termicznych (analiza fazowa, oznaczanie składu chemicznego i czystości, pomiar ciepła przemian fazowych i reakcji chemicznej, wyznaczanie ciepła właściwego substancji, wyznaczanie parametrów kinetycznych reakcji, temperatura zeszklenia)mają one ogromne znaczenie w badaniu próbek organicznych. Pomiary te pozwalają wyznaczyć temperaturę i ciepło topnienia nowo zsyntetyzowanych związków oraz ich stabilności termicznej. Ma to olbrzymie znaczenie, gdy związek ten będzie wykorzystywany w medycynie. Analiza termiczna pozwala wyznaczyć czystości substancji farmaceutycznych a także stwierdzić czy preparaty te nie uległy przemianom w wyniku nie właściwego przechowywania. Metody te pozwalają na szczegółowe opisanie czynności optycznych substancji i ich mieszanin. Jednym z głównych aspektów badawczych jaki daje analiza termiczna jest obserwowanie zmian polimorficznych substancji oraz kompatybilności składników mieszanin. Analiza termiczna ma zastosowanie także w przemyśle szczególnie przy produkcji sorbentów, gdyż metody te pozwalają na ilościowe oznaczanie wody krystalizacyjnej i wody zaabsorbowanej. Metody analiz termicznych wykorzystuje się w przemyśle spożywczym do badania degradacji tłuszczów jadalnych na skutek reakcji utleniania, żelowania i retrodegradacji skrobi, analizy napojów alkoholowych, mięsa. A nawet zbadania warunków zamrażania i suszenia produktów spożywczych.

Metody analityczne wykorzystywane są w badaniu, syntetyzowaniu i sieciowaniu polimerów. Pozwalają opisać elastyczność i wytrzymałość tych związków, co determinuje wykorzystanie danego polimeru w przemyśle. W badaniach polimerów bada się także ich wzajemną kompatybilność w mieszaninach (niemieszalne, całkowicie mieszalne, częściowo mieszalne lub złożone morfologia mieszaniny).

Podsumowanie

Techniki stosowane w analizie termicznej są bardzo różnorodne. Poznanie podstaw teoretycznych analizy termicznej pozwoli zrozumieć poszczególne techniki w zakresie niezbędnym do poprawnego projektowania i przeprowadzania pomiarów a także ułatwi poprawność interpretacji ich wyników. Zastosowanie analiz termicznych jest coraz szersze i obejmuje wiele dziedzin nauki stąd też nomenklatura powinna być jednoznaczna i ujednolicona niezależnie od działu w jakim została zastosowana.

Autor: Karolina Wójciuk

Literatura:

[1] Wunderlich B. 1997. The Basis of Thermal Analysis, w E.A. Turi (ed.), Thermal Characterization of Polymeric Materials. Academic Press (1997) 205
[2] Wunderlich. 1990. B. Thermal Analysis. Academic Press
[3]Gmelin E. 1999. Report of the Chairman of the Scientific Commissions and Working Groups, ICTAC News, 32/2 (1999) 10-12
[4]Hemminger W., Wilburn F.W., Gravelle P.C., Haglund B.O., Hianes P.J., Hakvoort G., Ohlyba M., Simon J., Sarge S.M., ICTAC Nomenclature Committee Report: „Recommendation for Names and Definitions in Thermal Analysis and Calorimetry”, ICTAC News, 31/2 (1998) 107-122
[5] Hemminger W., Sarge S.M., Definitions, Nomenclature, Terms and Literature, w Gallacher P.K. (ed.serii), Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry, Brown M.E. (ed. vol. 1): Principles and Practice, Elsevier (1998) 1-73
[6] ICTAC Nomenclature of Thermal Analysis, ICTAC News, 37/2 (2004) 62-70
[7]Höhne G.W.H., Hemminger W., Flammersheim H.-J. 1996. Differential Scanning Calorimetry. An Introduction for Practitioners, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York



Tagi: analiza termiczna, termograwimetria, różnicowa kalorymetria skaningowa, termodylatometria, teoria derywatograficzna Osmonda, technika różnicowa Robertsa–Austena, lab, laboratorium, laboratoria
Drukuj PDF
wstecz Podziel się ze znajomymi

Recenzje



Informacje dnia: Chemia powierzchniowa między grafenem a cieczami Dieta śródziemnomorska pomocna w osteoporozie Polacy opracowali innowacyjną metodę pozyskiwania metali Coraz mniej tlenu w wodach Bałtyku Lekkie, porowate materiały o wielu zastosowaniach Mózg unikalny jak odcisk palca Chemia powierzchniowa między grafenem a cieczami Dieta śródziemnomorska pomocna w osteoporozie Polacy opracowali innowacyjną metodę pozyskiwania metali Coraz mniej tlenu w wodach Bałtyku Lekkie, porowate materiały o wielu zastosowaniach Mózg unikalny jak odcisk palca Chemia powierzchniowa między grafenem a cieczami Dieta śródziemnomorska pomocna w osteoporozie Polacy opracowali innowacyjną metodę pozyskiwania metali Coraz mniej tlenu w wodach Bałtyku Lekkie, porowate materiały o wielu zastosowaniach Mózg unikalny jak odcisk palca

Partnerzy

GoldenLine Fundacja Kobiety Nauki Job24 Obywatele Nauki NeuroSkoki Portal MaterialyInzynierskie.pl Uni Gdansk MULTITRAIN I MULTITRAIN II Nauki przyrodnicze KOŁO INZYNIERÓW PB ICHF PAN FUNDACJA JWP NEURONAUKA Mlodym Okiem Polski Instytut Rozwoju Biznesu Analityka Nauka w Polsce CITTRU - Centrum Innowacji, Transferu Technologii i Rozwoju Uniwersytetu Akademia PAN Chemia i Biznes Farmacom Świat Chemii Forum Akademickie Biotechnologia     Geodezja Instytut Lotnictwa EuroLab

Szanowny Czytelniku!

 
25 maja 2018 roku zacznie obowiązywać Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/679 z dnia 27 kwietnia 2016 r (RODO). Potrzebujemy Twojej zgody na przetwarzanie Twoich danych osobowych przechowywanych w plikach cookies. Poniżej znajdziesz pełny zakres informacji na ten temat.
 
Zgadzam się na przechowywanie na urządzeniu, z którego korzystam tzw. plików cookies oraz na przetwarzanie moich danych osobowych pozostawianych w czasie korzystania przeze mnie ze strony internetowej Laboratoria.net w celach marketingowych, w tym na profilowanie i w celach analitycznych.

Kto będzie administratorem Twoich danych?

Administratorami Twoich danych będziemy my: Portal Laboratoria.net z siedzibą w Krakowie (Grupa INTS ul. Czerwone Maki 55/25 30-392 Kraków).

O jakich danych mówimy?

Chodzi o dane osobowe, które są zbierane w ramach korzystania przez Ciebie z naszych usług w tym zapisywanych w plikach cookies.

Dlaczego chcemy przetwarzać Twoje dane?

Przetwarzamy te dane w celach opisanych w polityce prywatności, między innymi aby:

Komu możemy przekazać dane?

Zgodnie z obowiązującym prawem Twoje dane możemy przekazywać podmiotom przetwarzającym je na nasze zlecenie, np. agencjom marketingowym, podwykonawcom naszych usług oraz podmiotom uprawnionym do uzyskania danych na podstawie obowiązującego prawa np. sądom lub organom ścigania – oczywiście tylko gdy wystąpią z żądaniem w oparciu o stosowną podstawę prawną.

Jakie masz prawa w stosunku do Twoich danych?

Masz między innymi prawo do żądania dostępu do danych, sprostowania, usunięcia lub ograniczenia ich przetwarzania. Możesz także wycofać zgodę na przetwarzanie danych osobowych, zgłosić sprzeciw oraz skorzystać z innych praw.

Jakie są podstawy prawne przetwarzania Twoich danych?

Każde przetwarzanie Twoich danych musi być oparte na właściwej, zgodnej z obowiązującymi przepisami, podstawie prawnej. Podstawą prawną przetwarzania Twoich danych w celu świadczenia usług, w tym dopasowywania ich do Twoich zainteresowań, analizowania ich i udoskonalania oraz zapewniania ich bezpieczeństwa jest niezbędność do wykonania umów o ich świadczenie (tymi umowami są zazwyczaj regulaminy lub podobne dokumenty dostępne w usługach, z których korzystasz). Taką podstawą prawną dla pomiarów statystycznych i marketingu własnego administratorów jest tzw. uzasadniony interes administratora. Przetwarzanie Twoich danych w celach marketingowych podmiotów trzecich będzie odbywać się na podstawie Twojej dobrowolnej zgody.

Dlatego też proszę zaznacz przycisk "zgadzam się" jeżeli zgadzasz się na przetwarzanie Twoich danych osobowych zbieranych w ramach korzystania przez ze mnie z portalu *Laboratoria.net, udostępnianych zarówno w wersji "desktop", jak i "mobile", w tym także zbieranych w tzw. plikach cookies. Wyrażenie zgody jest dobrowolne i możesz ją w dowolnym momencie wycofać.
 
Więcej w naszej POLITYCE PRYWATNOŚCI
 

Newsletter

Zawsze aktualne informacje