综合热分析仪在本科生实验教学中的应用

于欣欣，张利利，戴 鹏，吴明在

(安徽大学，安徽 合肥 230601)

综合热分析仪通过测量物质质量随温度的变化量，对物质的组分、结构和热相关性质等进行测定，在生产、生活和科学研究中的都有重要应用。在讲授这门实用性实验技术的同时进行必要的科研基础训练，既能激发学生的学习兴趣，又能提升学生的科学素养，提高其创新能力，为今后的科学研究工作打下基础。同时，综合热分析仪操作简单，适用范围广，将其纳入本科实验教学具有切实的可行性。基于以上原因，在综合热分析基础上设计了一列“综合热分析应用技术”作为本科实验教学的一项基本内容。

1 实验内容

1．1 实验目的

了解热重分析仪的工作原理、结构组成及应用范围;掌握热重分析仪的使用方法;学习热重曲线的分析方法，了解各参数的物理意义。

1．2 实验内容与实验原理

综合热分析仪主要通过测定物质在加热过程中质量的变化来研究物质性质及其变化过程，从而实现对物质的组成的鉴别。其物理过程的数学表达式为:

其中，Δ W为质量变化;T是温度;t是时间。

综合热分析仪实验得到的曲线即为热重曲线(TG曲线)，包括温度-时间曲线和质量-时间曲线。曲线的陡降处为样品失重区，平台区为样品的热稳定区。由于任何两种物质的热性质不可能完全相同的，因此热重曲线可作为用于物质鉴定的特征曲线，类似于人类的指纹图。

1．3 实验仪器和材料

仪器:综合热分析仪(HCT-1，北京恒久科学仪器厂)

材料:五水合硫酸铜

热分析仪主要由热重测量系统、温度测量系统、气氛控制系统、数据采集系统和计算机组成。本实验所用仪器的热重测量系统采用上皿、不等臂、吊带式天平、光电传感器等。热天平是热重测量系统的主要部件，由坩埚、炉子、保护管、天平和平衡锤组成。当天平因试样质量变化而出现微小倾斜时，光电传感器就产生一个相应极性的信号，送入计算机进行绘图处理。温度测量系统则由坩埚下方的测温热电偶输出的热电势，先经过热电偶冷端补偿器，再由温度放大器进行放大，送入计算机。气路系统则采用＂二选一”模式，可在两路气体间进行切换;同时，设有3个进气/出气口，既可通入惰性气氛又可通入具有腐蚀性的反应气体。

1．4 实验步骤

1．打开水泵、仪器电源，启动计算机，将仪器预热30 min。检查冷却循环水，数据线和气路连接情况。

2．装入实验样品，进行样品的热重曲线测量。双击热分析仪软件，点击“开始采集”按钮，软件将自动弹出“设置新升温参数”对话框，按提示输入所需参数。参数填写完毕后，点击“检查”，如无错误，再点击“确认”。

3．实验结束后，尽快移出并清理样品，以防腐蚀仪器。利用软件对实验曲线进行分析，理解报告中各参数的物理意义，根据测试曲线分析失重过程，并完成测试报告。

1．5 实验难点

1．样品的安装和取出

升起加热炉，露出支撑杆(热电偶组件);将试样装入陶瓷坩埚中，并用镊子将坩埚移动至支架上方约1 mm处，让坩埚自由落下;双手降下加热炉体，一定要小心操作，注意防止撞断支撑杆。取下坩埚时则采用边往上移动镊子边夹取坩埚的方式。此操作方式是为了避免在安放和夹取坩埚时使支架受力并发生形变，造成质量测量的误差。

2．参数的选择

仪器预热时间、试样用量、试样的粒径、试样装填方式和升温速率等参数都会影响所获得的TG曲线的质量。在实验精度范围内，选择较慢的升温速度、较少的样品用量和较小的试样粒度有利于获得更高质量的TG曲线。本实验称取5～10 mg五水合硫酸铜，以10℃/min的升温速率升温至280℃，利用热分析仪分析水合硫酸铜的脱水过程。

1．6 学生实验数据分析

图1 五水合硫酸铜的热重曲线

学生在实验中所测得曲线线型平滑、拐点和台阶明显，具有较高的质量。数据表明五水合硫酸铜在280℃范围内有3次失重，对应于3次失水过程。第1次失重在58～101℃，失重比例为14．1%;第二次失重在101～136℃，失重比例为13．3%;第三次失重在215～278℃，失重比例为7．2%。3 次失重的重量比例为 1．961．841，近似约等于2 2 1。分三步失水是由5水合硫酸铜的特殊结构决定的。五水合硫酸铜的5个水有3种成键方式:2个水仅以配位键与铜离子结合;2个水与铜离子以配位键结合，并且与外部的H2O以氢键结合;第5个H2O最稳定，它通过氢键与［SO4］2-中的氧原子相连，又通过氢键与硫酸铜中的1个H2O相连。五水合硫酸铜在升温过程中先失去2个以配位键键合的2个水，再失去配位键和氢键键合的23个水，再失去以氢键键合的1个水，重量比为2 2 1。由以上分析可见，TG曲线可以很好的反映出五水合硫酸铜的结构特征，失重数值与理论值较符合，但是也不能否认有误差的存在。误差可能来自于五水硫酸铜在空气中已存在少量失水，使得测得的总失重量低于理论值(36%)。而TG曲线中所出现的波动和漂移则可能来自于样品中存在温度梯度，如由试样质量稍大、试样粒度和装填方式导致的散热和导热不均等。

1．7 教学效果评价

在实验过程中，从学生对热分析仪基本结构和工作原理等基本理论知识的掌握、样品的测量结果及数据分析对学生进行评价。教学实践表明学生基本掌握了综合热分析仪的基本理论及仪器的使用，并对其功能和用途有了基本的认识;但是，由于质量测量、样品安装等操作引起的误差还是存在，数据并未达到最佳。

2 结 论

通过案例讲解和自主操作的训练，学生基本掌握了样品的安装方法，能独立完成综合热分析仪的操作过程，并能对数据进行基本解读。综合热分析仪的引入，提高了大学物理实验的研究性和创新性，使得学生能够初步体会到科研的乐趣，对细致、谨慎又充满挑战的科研的过程有了一个初步的了解，为其今后自主开展科学研究打下一定的基础。

［1］ 成青，热重分析技术及其在高分子材料领域的应用［J］．广东化工，2008(35)，50-52．

［2］ 刁静人，热重分析结果的影响因素分析［J］．磁性材料及器件，2012(43)，49-52．

［3］ 吴宝平，曲典，王燕，等．表面增强拉曼光谱检测系统在实验教学中的应用［J］．实验技术与管理，2014(5):55-57．

［4］ 周云，阴金香，张四纯，等．大型仪器设备在大学创新型人才培养中的应用［J］．实验室研究与探索，2011(30):274-277．

［5］ 张惠，沈玉华，谢安建．扫描电子显微镜在本科生创新实验中的应用教学探索［J］．大学物理实验，2014(27):74-76．

［6］ 宁长春，索郎桑姆．以科研工作的介绍的融入促进大学物理教学［J］．大学物理，2012(31):39-43．