Методы физико-химических исследований процессов и материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2928 

Кафедра функциональных наносистем и высокотемпературных 
материалов 

 
 
 

Методы физико-химических 
исследований процессов  
и материалов 

 

Лабораторный практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2016 

УДК 669.02 
 
М54 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. Ж.В. Еремеева 

Авторы: М.Р. Филонов, Ю.В. Конюхов, Д.В. Кузнецов, С.И. Котов, М.Г. Таранов, 
А.Р. Иштеев, В.Н. Мазов, А.П. Новицкий, С.В. Порохин 

 
Методы физико-химических исследований процессов и 
материалов : лаб. практикум / М.Р. Филонов [и др.]. – М. : 
Изд. Дом МИСиС, 2016. – 103 с. 
ISBN 978-5-906846-06-8 

Лабораторный практикум предназначен для закрепления теоретического 
материала по отдельным разделам курса «Методы физико-химических исследований процессов и материалов» и развития у студентов навыков проведения экспериментов с применением современной аппаратуры и приборов, 
определения природы и закономерностей изучаемых явлений и процессов. 
Представлены лабораторные работы по применению термических методов анализа для исследования процессов и свойств материалов, определению 
важных свойств жидкостей: вязкости, плотности, поверхностного натяжения 
и давления пара, а также получению навыков определения удельной поверхности нанопорошков, размеров частиц и стабильности коллоидных систем. 
Предназначен для студентов технических специальностей. 

УДК 669.02 

 
 Коллектив авторов, 2016 
ISBN 978-5-906846-06-8 
 НИТУ «МИСиС», 2016 

М54 

СОДЕРЖАНИЕ 

Лабораторная работа 1. Термический анализ твердофазных 
превращений в режиме линейного нагрева ............................................ 5 
Лабораторная работа 2. Термомеханический анализ материалов ..... 21 
Лабораторная работа 3. Определение теплопроводности  
твердых тел методом вспышки ............................................................. 27 
Лабораторная работа 4. Определение поверхностного  
натяжения и плотности жидкостей ....................................................... 39 
Лабораторная работа 5. Измерение вязкости на ротационном  
и вибрационном вискозиметрах ............................................................ 50 
Лабораторная работа 6. Определение давления пара методом 
испарения с открытой поверхности ...................................................... 57 
Лабораторная работа 7. Определение удельной поверхности 
порошковых материалов методом низкотемпературной  
адсорбции азота ...................................................................................... 65 
Лабораторная работа 8. Определение стабильности  
коллоидных систем ................................................................................. 74 
Лабораторная работа 9. Определение типа, концентрации  
и подвижности основных носителей заряда  
по измерениям эффекта Холла .............................................................. 82 
Лабораторная работа 10. Спектрофотометрическое определение 
кинетики окисления ............................................................................... 91 
Приложение. Данные для расчета поверхностного натяжения  
методом Дорсея .................................................................................... 100 

Предисловие 

В условиях повышения требований современной науки и промышленности необходимо совершенствование научных исследований и быстрое внедрение их результатов в производство. Эффективность научных исследований в значительной степени определяется 
научно обоснованным выбором методики исследования и планированием эксперимента. Правильно поставленный научный эксперимент с использованием современной аппаратуры и приборов позволяет получить достоверные и точные данные, установить природу и 
закономерности изучаемых явлений и процессов. При этом требуется 
математическая обработка результатов с использованием современных пакетов программного обеспечения. 
Каждая из лабораторных работ данного практикума предназначена для закрепления теоретического материала по отдельным разделам курса «Методы физико-химических исследований процессов и 
материалов» и развития у студентов навыков проведения экспериментов с применением современной аппаратуры и приборов. Экспериментальные результаты, получаемые в лабораторных работах, студенты обязаны подвергнуть математической обработке, оформить с 
соблюдением действующих требований к научной документации и 
защитить полученные результаты. 

Лабораторная работа 1 

ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТВЕРДОФАЗНЫХ 
ПРЕВРАЩЕНИЙ В РЕЖИМЕ  
ЛИНЕЙНОГО НАГРЕВА 

1.1. Цель работы 

Исследование твердофазных превращений методами термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии в режиме 
линейного нагрева, применение методов неизотермической кинетики 
для расчета энергии активации и установление режима лимитирования. 

1.2. Теоретическое введение 

Определение термических характеристик наноматериалов в процессе синтеза, получение полупродуктов и контроль свойств конечного продукта проводятся различными термоаналитическими методами. 
Наибольшее распространение в настоящее время находят методы 
термогравиметрии (ТГ), деривативной термогравиметрии (ДТГ), 
дифференциального термического анализа (ДТА), дифференциальной 
сканирующей калориметрии (ДСК), термомеханического анализа 
(ТМА), определения количества и состава выделившегося газа (ЕГА). 
Термогравиметрия – количественный метод термического анализа, при котором регистрируется изменение массы образца в зависимости от температуры или времени при нагревании в заданной среде 
с регулируемой скоростью. 
Существительное «derivative» в переводе с английского языка означает «производная». Поэтому в деривативной термогравиметрии 
(ДТГ), или термогравиметрии по производной, регистрируется производная изменения массы по времени dm/d или температуре 
dm/dT. Полученный график изменения массы представляет собой 
первую производную изменения масс, площадь под которой пропорциональна абсолютному изменению массы образца. 
Для оценки скорости твердофазного взаимодействия используют 
степень превращения . Количество прореагировавшего вещества 
применительно к ТГ – величина, связанная с начальным m0, конечным mк значениями массы образца и его массой mi в данный момент 
времени  соотношением 

0

0
к

i
m
m
m
m


 

. 
(1.1) 

Скорость твердофазной реакции – величина, пропорциональная 
производной от степени превращения вещества по времени: 

 
d
d




. 
(1.2) 

На рис. 1.1 представлены характерные для твердофазных реакций 

кривые  = f() и d
( )
d
f T
 

. 

 

Рис. 1.1. Зависимость степени превращения от времени (а)  
и зависимость скорости процесса от температуры (б):  
Тн – температура начала процесса; Тк – температура конца процесса; 
Tmax – максимальная температура 

На кривой (рис. 1.1, а)  = f() можно выделить три периода: 
I – индукционный период (завершается образованием стабильных 
зародышей новой фазы); 
II – период ускорения реакции (за счет автокатализа); 
III – период спада скорости реакции. 
Данная кривая может быть применена для описания периодов 
развития технологий и закономерности развития биологических систем. Во втором периоде зарождается новая жизнь или технология, 
начинает развиваться и в свое время выходит на участок интенсивного роста. Прежняя технология (жизнь) постепенно затухает. Циклы 
повторяются непрерывно. 
Из графика, представленного на рис. 1.1, б, можно определить 
температурный интервал протекания процесса, а также температуру, 
при которой фиксируется максимальная скорость реакции. Эту температуру принято считать оптимальной для проведения процесса с 
точки зрения экономии энергии. 
Удельная скорость твердофазной реакции – скорость реакции, отнесенная к единице реакционной поверхности S или к единице реакционного пространства V: 

 
уд
1 d
d
S





; 
уд
1 d
d
V




. 
(1.3) 

Реакционная способность твердых тел определяется не их химическим и фазовым составом, а их активностью, структурой, удельной 
поверхностью, а также их дефектностью. 
Например, у наноматериалов значительно ниже температура плавления по сравнению с массивными материалами. Такой эффект (Гиббса – Томсона) обусловлен увеличением свободной энергии кристалла, поскольку при уменьшении его размера отношение площади поверхности к объемной доле кристалла становится значительным. 
Применение метода термогравиметрии к конкретной системе возможно в том случае, если при тепловых воздействиях наблюдается 
изменение массы вещества. Если изменения массы не происходит, 
необходимо использовать другие методы термического анализа, например дифференциальный термический анализ (ДТА), дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК). Если изменение массы 
очень мало (<1 %), то могут оказаться более эффективными такие 
методы, как обнаружение выделившегося газа (ЕГА). 
Метод ДТА позволяет измерять тепловые эффекты процессов, в 
том числе небольшие по величине. Это достигается применением 

наряду с обычной термопарой дифференциальной термопары. Спай 
обычной и один из спаев дифференциальной термопары помещают в 
эталон (инертное вещество). Второй спай дифференциальной термопары помещают в исследуемое вещество. Равномерное повышение 
температуры исследуемого вещества с момента начала процесса или 
превращения при равномерном нагреве печи сменяется замедляющимся или ускоряющимся, и при этом фиксируется разность температур образца и эталона ΔТ. Эта величина определяется соотношением скорости нагрева и теплового эффекта, точнее так называемого 
термического эффекта, т.е. интенсивности выделения или поглощения тепла при проектировании процесса во времени. 
При непрерывной записи показаний термопар, т.е. снятии термограмм, получают кривую ΔT с дифференциальной термопары, называемую также кривой изменения энтальпии и обозначаемую как кривая ДТА, и кривую с термопары, измеряющей температуру эталона 
(температурная кривая). 
Для количественных расчетов термического эффекта и энтальпии 
можно воспользоваться площадью между кривыми температур образца и эталона (дифференциальной температурной кривой и нулевой линией). Определение кинетических характеристик по данным 
ДТА сопряжено с рядом трудностей – максимальное изменение температуры по ходу процесса проявляется обычно с некоторым запозданием, зависящим от количества исследуемого материала, его теплопроводности и других изменяющихся свойств. 
Площадь, ограниченная дифференциальной кривой, определяется 
по формуле 

 



2

1
d

t

t

m
H
T t
gk




, 
(1.4) 

где m – масса реагирующего вещества (образца);  
H – теплота реакции;  
g – геометрический фактор, постоянный для данного прибора;  
k – коэффициент теплопроводности образца;  
T – дифференциальная температура (разность температур  
образца и эталона);  
t1 и t2 – пределы интегрирования. 

Это простое выражение связывает с помощью констант пропорциональности g и k теплоту реакции, протекающей в образце, с площадью пика дифференциальной кривой. При этом пренебрегают 

членами, содержащими производные, и градиентами температуры в 
образце и предполагают, что площадь пика под кривой не зависит от 
удельной теплоемкости образца. В связи с этим определяемая температура термического эффекта несколько завышена по сравнению с 
температурой, соответствующей максимальной скорости процесса. 
Это затрудняет и делает менее точной обработку результатов для получения кинетических характеристик процесса. В большинстве случаев указанное различие максимумов приходится не принимать во 
внимание. Точность метода, в частности по этой причине, не превышает 5...10 %. 
Для количественных измерений H удобнее использовать дифференциальные сканирующие калориметры (ДСК), регистрирующие 

тепловой поток 

0

d
d
T

q
t
 







. По внешнему виду кривая ДСК очень по
хожа на кривую ДТА, за исключением принятых единиц измерения 
по оси ординат. Как и в методе ДТА, площадь пика, ограничиваемая 
кривой ДСК, прямо пропорциональна изменению энтальпии. Калибровочный коэффициент Kв в этом случае не зависит от температуры.  
На рис. 1.2 представлены основные типы линий для определения 
энтальпии: 1 – горизонтальная слева (идет горизонтально от начальной точки до правой границы оцениваемого интервала); 2 – горизонтальная справа (начинается справа в предположении, что там окончание реакции; базовая линия проводится горизонтально до тех пор, 
пока она ниже линии сигнала); 3 – линейная (соединяет по прямой 
первую и последнюю точки оцениваемого интервала); 4 – горизонтальная, пропорциональная площади (соединяет начальную и конечную точки при помощи кривой, пропорциональной площади пика 
между кривой и базовой линией; начало и конец базовой линии горизонтальны); 5 – тангенциальная, пропорциональная площади (наиболее универсальный тип; в начальной и конечной точках переходит в 
соответствующие касательные к измеренной кривой). 
В настоящее время все перечисленные виды анализов по отдельности не используются. Синхронные, или совмещенные, ТГДТА(ДСК) и другие анализы являются эффективным инструментом 
для изучения термического поведения материалов при воздействии 
различных атмосфер. Другими словами, синхронный термический 
анализ включает одновременное измерение двух типов сигналов. На 
рис. 1.3. приведена схема установки совмещенного ТГ-ДСК термического анализа. 

Рис. 1.2. Типы линий для определения энтальпии 

Для обеспечения простого и точного метода определения выделенных газов (с помощью системы ЕГА для определения количества и 
состава выделившегося газа) с термогравиметрическим анализом может быть скомбинирован ИК Фурье-спектрометр. Это дает информацию относительно характеристик образца, таких как термическая стабильность или пути разложения. Схема совмещенного термогравиметрического анализа и ИК Фурье-спектрометра представлена на рис. 1.4.