差热分析

第一篇：差热分析

物理化学实验教案（魏西莲）

实验五 差热分析

【实验目的】

1.用差热仪绘制CuSO4·5H2O等样品的差热图。2.了解差热分析仪的工作原理及使用方法。

3.了解热电偶的测温原理和如何利用热电偶绘制差热图。【实验要求】

1.掌握差热分析原理和定性解释差热谱图。2.热仪绘制五水硫酸铜等样品的差热图。【实验原理】

物质在受热或冷却过程中，当达到某一温度时，往往会发生熔化、凝固、晶型转变、分解、化合、吸附、脱附等物理或化学变化，并伴随着有焓的改变，因而产生热效应，其表现为物质与环境(样品与参比物)之间有温度差。差热分析(Differentiai Thermal Analysis.简称DTA)就是通过温差测量来确定物质的物理化学性质的一种热分析方法。

差热分析仪的结构如图5-1所示。它包括带有控温装置的加热炉、放置样品和参比物的坩埚、用以盛放坩埚并使其温度均匀的保持器、测温热电偶、差热信号放大器和信号接收系统(记录仪或微机)。差热图的绘制是通过两支型号相同的热电偶，分别插入样品和参比物中，并将其相同端连接在一起(即并联，见图5-1)。A、B两端引入记录笔1，记录炉温信号。若炉子等速升温，则笔1记录下一条倾斜直线，如图5-2中T；A、C端引入记录笔2，记录差热信号。若样品不发生任何变化，样品和参比物的温度相同，两支热电偶产生的热电势大小相等，方向相反，所以ΔVAC＝0，笔2划出一条直线，如图5-2中AB、DE、GH段，是平直的基线。反之，样品发生物理化学变化时，ΔVAC≠0，笔2发生左右偏移(视热效应正、负而异)，记录下差热峰如图5-2中BCD、EFG所示。两支笔记录的时间—温度(温差)图就称为差热图，或称为热谱图。

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图5-1 差热分析原理图

从差热图上可清晰地看到差热峰的数目、位置、方向、宽度、高度、对称性以及峰面积等。峰的数目表示物质发生物理化学变化的次数；峰的位置表示物质发生变化的转化温度(如图5-2中TB)；峰的方向表明体系发生热效应的正负性；峰面积说明热效应的大小：相同条件下，峰面积大的表示热效应也大。在相同的测定条件下，许多物质的热谱图具有特征性：即一定的物质就有一定的差热峰的数目、位置、方向、峰温等，因此，可通过与已知的热谱图的比较来鉴别样品的种类、相变温度、热效应等物理化学性质。因此，差热分析广泛应用于化学、化工、冶金、陶瓷、地质和金属材料等领域的科研和生产部门。理论上讲，可通过峰面积的测量对物质进行定量分析。

样品的相变热ΔH可按下式计算：

H

图5-1 典型的差热图

KmDBTd

（1）

式中，m为样品质量；b、d分别为峰的起始、终止时刻；ΔT为时间τ内样品与参比物的温差； DBTd代表峰面积；K为仪器常数，可用数学方法推导，但较麻烦，本实验用已知热效应的物质进行标定。已知纯锡的熔化热为59.36×10-3J·mg-1，可由锡的差热峰面积求得K值。【仪器试剂】

差热分析仪(实验用CDR-4P型)1套。分析纯BaCl2·2H2O；CuSO4·5H2O；NaHCO3；Sn；参比物α-Al2O3。

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【实验步骤】

1.仪器常数的测定

(1)开启仪器电源开关，将各控制箱开关打开，仪器预热20～30min。然后开启计算机开关。

(2)取两只空坩埚，将参比物（α-Al2O3）和标准样品样品（Sn）分别称取5mg左右，放在样品杆上部的两只托盘上。，样品放在左边，参比物放在右边，盖好保温盖。

(3)通水和通气：接通冷却水，开启水源使水流畅通，保持冷却水流量约200mL·min-1～300mL·min-1；根据需要在通气口通入一定流量的保护气体。

(4)将差热放大器单元的量程选择开关置于±100μV档，转动“调零”旋钮，使“差热指示”表头指在“0”位。

(5)按住第三个按键，出现run时立即松手，等待1min，仪器不出现异常就可以打开电炉开关，开始升温。

(6)点击计算机上的软件程序，设置量程、起始温度、结束温度、样品名称、样品重量和操作者等。同时记录升温曲线和差热曲线，直至温度升至发生要求的相变且基线变平后，鼠标点击存盘返回（注意不要点击停止记录）。

(7)打开炉盖，取出坩埚，等炉壁温度降到100℃时。打开炉盖，继续降温，待炉温降至50℃以下时，换上另一样品，按上述步骤操作。

2.差热曲线处理（略）

3.实验完毕，等炉温降到100℃以下时，关闭仪器开关和微机，关闭总电源。

【注意事项】

 坩埚一定要清理干净，否则埚垢不仅影响导热，杂质在受热过程中也会发生物理化学变化，影响实验结果的准确性。

 样品必须研磨的很细，否则差热峰不明显；但也不要太细。一般差热分析样品研磨到200目为宜。样品要均匀平铺在坩锅底部。否则作出的曲线极限不平整。

 实验过程中注意不要动计算机键盘。

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【数据记录】

样品 峰号 开始温度 峰顶温度 结束温度 外延点温度 峰面积 质量

【数据处理】

1.由所测样品的差热图，求出各峰的起始温度和峰温，将数据列表记录。2.根据公式（1）由锡的差热峰面积求得K值，然后求出所测样品的热效应值。3.样品CuSO4·5H20的三个峰各代表什么变化，写出反应方程式。根据实验结果，结合无机化学知识，推测CuSO4·5H2O中5个H2O的结构状态。【实验成败的关键】

（1）坩埚一定要清洗干净，否则坩埚不仅影响导热，杂质在受热过程中也会发生物理化学变化，影响实验结果的准确性。

（2）称量一定要准确。两个坩锅一定要平整的放在坩锅架上。【实验讨论】

1.差热仪根据使用温度不同而选用不同材料的热电偶，不同热电偶的使用范围参见附录。同样材料的热电偶，在相同的温度下，其热电势也不尽相同。差热分析实验所用的两根热电偶，应事先挑选，选择热电势尽可能相同的热电偶以配对。否则基线会有较大的漂移。差热分析基线平稳的条件有以下几点：(1)有加热均匀的保持器和适当的基准物；(2)选用热电势尽可能相同的热电偶；(3)加热速度不宜太快；(4)热电偶要插在保持器孔眼的中心。

2.从理论上讲，差热曲线峰面积(S)的大小与试样所产生的热效应(ΔH)大小呈正比，即ΔH=KS，K为比例常数。将未知试样与已知热效应物质的差热峰面积相比，就可求出未知试样的热效应。实际上，由于样品和和参比物之间往往存在CuSO4。5H2O 1

Sn

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着比热、导热系数、粒度、装填紧密程度等方面不同，在测定过程中又由于熔化，分解转晶等物理、化学性质的改变，未知物试样和参比物的比例常数K并不相同，所以用它来进行定量计算误差较大。但差热分析可用于鉴别物质，与X射线衍射，质谱、色谱、热重法等方法配合可确定物质的组成、结构及动力学等方面的研究。

3.在自装差热仪上，信号记录部分可用微机接收。加热炉部分在保持器中添加一根热电偶，接上专用K型热偶温度放大器将微弱的电信号放大，由采集数据程序接收，在微机屏幕上显示出差热图。在微机屏幕上，时间为横坐标，温度和温差为纵坐标，差热图上出现三条不同颜色的线：其中两条线与双笔记录仪的两条线相同；第三条线是样品温度线(在一般双笔记录仪上见不到这—条线)，它显示了样品在实验过程中的实际温度，样品发生脱水反应时温度比参比物温度略低，其差值可从右边纵坐标上读出；有热效应时的温差也可以从右边纵坐标上读出(左边纵坐标上显示的为温度)。【思考题】

1.DTA实验中如何选择参比物？常用的参比物有哪些？

2.差热曲线的形状与那些因素有关？影响差热分析结果的主要因素是什么？ 3.DTA和简单热分析(步冷曲线法)有何异同？

4.试分析差热曲线上的热力学平衡和非平衡线段。

5.DTA实验中,若把样品和参比物位置放颠倒，对所测差热图谱有何影响？对实验结果有无误差？这什么？

6.差热峰前后基线不在同一水平线上，是何原因？

第二篇：差热分析在药品质量研究中的应用范文

近年来，热分析（Therma lanalysis，TA）广泛应用于药品、食品、化妆品、陶瓷、纺织、航天等众多研究领域中，特别是在药品质量研究过程中有其独到之 处。据统计，在药物研究领域中，热分析的使用占10%~13%。不少国家已经把热 分析方法作为控制药品质量的主要方法，美国药典、英国药典、欧洲药典与日本 药局方均已经将其作为法定方法收载。我国的2005年版《药典》首次将热分析收 入，并规定有关的新药申报资料中必须要有热分析的检验报告，因此热分析方法 引起了业内人士的日益重视。

那么热分析具有什么样的特点，一般都应用在哪些领域？在实际的应用中应 该注意哪些问题？近日，记者就这些问题采访了中国药品生物制品检定所的杨腊虎主任。

■便捷灵敏 优势突出

药物在程序升温的过程中，会表现出来熔融、晶态变化、分解等热特征，对 进行分析从而得出相关结果的过程就是热分析，这种方法可分为差时扫描量热法（DSC）和热重分析法(TG)两种。在药品质量研究中，热分析一般用于晶型变化、熔点测定、相容性变化、最佳配方筛选、降解反应过程、水分以及挥发物质的检

测等。

热分析可以在较短的时间内获得需要复杂技术的或者长期研究才能得到的各 种信息。这种方法使用样品量少，并且具有灵敏、快捷的特点。例如，对于药品 稳定性的测定，以前往往需要几年的时间，而使用热分析方法，在特定的温度条 件下只要几个月就可以了。

■应用范围日益扩大

近年来，热分析应用范围不断扩大，目前在化学药品对照品、中药化学对照 品、生物化学药品、药用高分子材料、药用辅料以及纳米材料方面都能发挥很好的作用。

热分析在药物多晶型测定，水分的测定、降解物和稳定性的测定以及最佳配 方筛选方面的应用尤其突出：药物的多晶型直接关系到疗效，所以有关研究日益 受到人们的重视，而热分析是测定药物多晶型最有效的手段之一。相对于目前常 用的红外光谱分析与X线衍射测晶型方法，热分析方法不但可以测定药物的多 晶型，还可以测得其晶型是单向性晶型还是可逆性晶型。药物多晶型形成因素复 杂，温度、湿度和压强的改变都可以导致晶型的转变。通过热分析，借助于相关 公式，可以进行晶型转换的动力学计算，计算活化能和转化速率。

药物在合成过程中会残留溶剂，可以用热分析的方法检测出来。热分析方法 还可以检测药物中的水分，并判断其为结合水还是吸附水或者结晶水。

根据热分析的数据，可以判断药物的降解产物与稳定性，对新药研究与药物 的再评价具有重要意义。热分析方法可以用于多种反应动力学研究，来反映药品 的稳定性。例如，检测药物与赋行剂之间的有否化学以及物理反应是一个长期的 稳定性实验，热分析可以大大加速它的进程。

根据热分析相图，可以找到药物的最佳配方，国外的新药研究中常用此法。

另外，在生物制品方面，热分析对细胞的相变、结晶水的测定、细胞分裂生 长速度的测定，热分析能够起到很好的导向作用。

第三篇：差热分析法测sn和kno3系统的相图开放实验小结 理学院应化系 袁连山

“差热分析法测Sn和KNO3系统的相图”开放实验小结

理学院应化系袁连山

物质在加热或冷却过程中，当达到特定温度时，会产生物理变化或化学变化，伴随着有吸热和放热现象，反映着系统的焓发生了变化，差热分析就是利用这一特点，通过测定样品与参比物的温度差对时间的函数关系，来鉴别物质或确定组成结构以及转化温度、热效应等物理化学性质。

在升温或降温时发生的相变过程，是一种物理变化，一般来说由固相转变成液相或气相的过程是吸热过程，而其相反的相变过程则为放热过程。本实验就是利用在升温过程中测Sn和KNO3的相变过程。根据分析差热图谱可以看出差热峰的数目、位置、方向、高度、宽度，进而得出这两种物质在0~400℃范围内发生相变的次数（即是否有晶型的转变），峰的方向判断过程是吸热和放热；峰的位置测出物质发生相变的温度（熔点）；利用峰的高度、宽度，求出其峰面积；对应着两者的质量，用Sn相变焓的数值，进而求出KNO3的相变焓。

学生在实验操作方面得到了动手的机会，本次实验它不是经典的物理化学实验，而是一种探索型的综合实验，通过调节升温速率，物质的质量，走纸速度来优化本实验。学生通过完成对比实验，自己总结出最佳条件，从而增强了学生的动手操作能力，调动学生的学习兴趣，激发了学生学习的主动性、积极性，进而培养了学生思维能力，提高了学生的综合素质。在学生的实验报告方面，学生的实验报告也反映了一些问题，首先本次开放实验的实验目的，学生不是十分理解。本次实验的实验最终目标是通过Sn的相变焓大致算出KNO3相变时的相变焓，学生在此实验报告上却没有反映出来。其次，是在实验报告中，关于差热分析峰面积的测量、计算，学生并没有在实验数据处理过程中反映出来，而是直接得出的。差热峰面积的测量方法，有多种，首先是三角形法，处理现象是对称性好差热峰，此类峰可以看作等腰三角形处理即(y1/2是半峰宽，h是峰高)，根据此公式计算出的结果会偏低，根据经验总结加以修正，则有差热峰的修正公式或等以求得近似的峰面积。此外，还有面积仪法，剪纸称量法，图解积分法等。这些表明了学生在处理实验数据方面还有所不足，还有待进一步提高。

通过本实验对全校学生的开放，让学生进一步加深了对课本知识的综合理解，增强了学生的动手操作能力，激发了学生学习的思维能力，提高了学生学习的兴趣，同时也培养了学生的思维能力；对学生世界观、价值观、人生观的形成有着直接的影响，从而培养出符合社会各方面所需的高质量的人才。综合来看，通过本开放实验，使学生能够懂得怎样去发现问题、思考分析问题，去收集资料来解决问题，培养学生的能力，提高学生的综合素质是有帮助的。因此，本实验作为综合型的开放实验继续对全校学生开放是有必要的。