于欣欣，張利利，戴 鵬，吳明在

(安徽大學(xué)，安徽 合肥 230601)

綜合熱分析儀通過(guò)測(cè)量物質(zhì)質(zhì)量隨溫度的變化量，對(duì)物質(zhì)的組分、結(jié)構(gòu)和熱相關(guān)性質(zhì)等進(jìn)行測(cè)定，在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的都有重要應(yīng)用。在講授這門(mén)實(shí)用性實(shí)驗(yàn)技術(shù)的同時(shí)進(jìn)行必要的科研基礎(chǔ)訓(xùn)練，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，提高其創(chuàng)新能力，為今后的科學(xué)研究工作打下基礎(chǔ)。同時(shí)，綜合熱分析儀操作簡(jiǎn)單，適用范圍廣，將其納入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有切實(shí)的可行性?；谝陨显颍诰C合熱分析基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一列“綜合熱分析應(yīng)用技術(shù)”作為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一項(xiàng)基本內(nèi)容。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1．1 實(shí)驗(yàn)?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(xué)習(xí)熱重曲線的分析方法，了解各參數(shù)的物理意義。

1．2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)原理

綜合熱分析儀主要通過(guò)測(cè)定物質(zhì)在加熱過(guò)程中質(zhì)量的變化來(lái)研究物質(zhì)性質(zhì)及其變化過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的組成的鑒別。其物理過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

其中，Δ W為質(zhì)量變化;T是溫度;t是時(shí)間。

綜合熱分析儀實(shí)驗(yàn)得到的曲線即為熱重曲線(TG曲線)，包括溫度-時(shí)間曲線和質(zhì)量-時(shí)間曲線。曲線的陡降處為樣品失重區(qū)，平臺(tái)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(shí)驗(yàn)儀器和材料

儀器:綜合熱分析儀(HCT-1，北京恒久科學(xué)儀器廠)

材料:五水合硫酸銅

熱分析儀主要由熱重測(cè)量系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)、氣氛控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成。本實(shí)驗(yàn)所用儀器的熱重測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的主要部件，由坩堝、爐子、保護(hù)管、天平和平衡錘組成。當(dāng)天平因試樣質(zhì)量變化而出現(xiàn)微小傾斜時(shí)，光電傳感器就產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)極性的信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行繪圖處理。溫度測(cè)量系統(tǒng)則由坩堝下方的測(cè)溫?zé)犭娕驾敵龅臒犭妱?shì)，先經(jīng)過(guò)熱電偶冷端補(bǔ)償器，再由溫度放大器進(jìn)行放大，送入計(jì)算機(jī)。氣路系統(tǒng)則采用＂二選一”模式，可在兩路氣體間進(jìn)行切換;同時(shí)，設(shè)有3個(gè)進(jìn)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(shí)驗(yàn)步驟

1．打開(kāi)水泵、儀器電源，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，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(shí)驗(yàn)樣品，進(jìn)行樣品的熱重曲線測(cè)量。雙擊熱分析儀軟件，點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”按鈕，軟件將自動(dòng)彈出“設(shè)置新升溫參數(shù)”對(duì)話框，按提示輸入所需參數(shù)。參數(shù)填寫(xiě)完畢后，點(diǎn)擊“檢查”，如無(wú)錯(cuò)誤，再點(diǎn)擊“確認(rèn)”。

3．實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，盡快移出并清理樣品，以防腐蝕儀器。利用軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行分析，理解報(bào)告中各參數(shù)的物理意義，根據(jù)測(cè)試曲線分析失重過(guò)程，并完成測(cè)試報(bào)告。

1．5 實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)

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(dòng)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(shí)則采用邊往上移動(dòng)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(shí)使支架受力并發(fā)生形變，造成質(zhì)量測(cè)量的誤差。

2．參數(shù)的選擇

儀器預(yù)熱時(shí)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(huì)影響所獲得的TG曲線的質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(guò)程。

1．6 學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖1 五水合硫酸銅的熱重曲線

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得曲線線型平滑、拐點(diǎn)和臺(tái)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(duì)應(yīng)于3次失水過(guò)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(gè)水有3種成鍵方式:2個(gè)水僅以配位鍵與銅離子結(jié)合;2個(gè)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(gè)H2O最穩(wěn)定，它通過(guò)氫鍵與［SO4］2-中的氧原子相連，又通過(guò)氫鍵與硫酸銅中的1個(gè)H2O相連。五水合硫酸銅在升溫過(guò)程中先失去2個(gè)以配位鍵鍵合的2個(gè)水，再失去配位鍵和氫鍵鍵合的23個(gè)水，再失去以氫鍵鍵合的1個(gè)水，重量比為2 2 1。由以上分析可見(jiàn)，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?cái)?shù)值與理論值較符合，但是也不能否認(rèn)有誤差的存在。誤差可能來(lái)自于五水硫酸銅在空氣中已存在少量失水，使得測(cè)得的總失重量低于理論值(36%)。而TG曲線中所出現(xiàn)的波動(dòng)和漂移則可能來(lái)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(dǎo)致的散熱和導(dǎo)熱不均等。

1．7 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，從學(xué)生對(duì)熱分析儀基本結(jié)構(gòu)和工作原理等基本理論知識(shí)的掌握、樣品的測(cè)量結(jié)果及數(shù)據(jù)分析對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)。教學(xué)實(shí)踐表明學(xué)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(duì)其功能和用途有了基本的認(rèn)識(shí);但是，由于質(zhì)量測(cè)量、樣品安裝等操作引起的誤差還是存在，數(shù)據(jù)并未達(dá)到最佳。

2 結(jié) 論

通過(guò)案例講解和自主操作的訓(xùn)練，學(xué)生基本掌握了樣品的安裝方法，能獨(dú)立完成綜合熱分析儀的操作過(guò)程，并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本解讀。綜合熱分析儀的引入，提高了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的研究性和創(chuàng)新性，使得學(xué)生能夠初步體會(huì)到科研的樂(lè)趣，對(duì)細(xì)致、謹(jǐn)慎又充滿挑戰(zhàn)的科研的過(guò)程有了一個(gè)初步的了解，為其今后自主開(kāi)展科學(xué)研究打下一定的基礎(chǔ)。

［1］ 成青，熱重分析技術(shù)及其在高分子材料領(lǐng)域的應(yīng)用［J］．廣東化工，2008(35)，50-52．

［2］ 刁靜人，熱重分析結(jié)果的影響因素分析［J］．磁性材料及器件，2012(43)，49-52．

［3］ 吳寶平，曲典，王燕，等．表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014(5):55-57．

［4］ 周云，陰金香，張四純，等．大型儀器設(shè)備在大學(xué)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的應(yīng)用［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011(30):274-277．

［5］ 張惠，沈玉華，謝安建．掃描電子顯微鏡在本科生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用教學(xué)探索［J］．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2014(27):74-76．

［6］ 寧長(zhǎng)春，索郎桑姆．以科研工作的介紹的融入促進(jìn)大學(xué)物理教學(xué)［J］．大學(xué)物理，2012(31):39-43．