Инструментальные методы анализа: термический анализ и низкотемпературная адсорбция азота

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
А.Г. БАННОВ, М.В. ПОПОВ 
 
 
 
 
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ 
МЕТОДЫ АНАЛИЗА 
 
ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ  
И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ 
АДСОРБЦИЯ АЗОТА 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

 

УДК 543.57:546.17-183(075.8) 
          Б 232 
 

Рецензенты: 

канд. хим. наук, доцент Т.П. Александрова, 
д-р техн. наук, профессор А.Н. Загоруйко 
 
 
Работа подготовлена на кафедре химии и химической технологии  
и предназначена для студентов III и IV курсов МТФ, обучающихся 
 по направлениям 18.03.01 «Химическая технология»  
и 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы 
 в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» 
 
 
Баннов А.Г. 
Б 232   
Инструментальные методы анализа: термический анализ 
и низкотемпературная адсорбция азота: учебное пособие /  
А.Г. Баннов, М.В. Попов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 
72 с. 

ISBN 978-5-7782-3847-3 

В настоящей работе изложена общая теоретическая информация 
об инструментальных методах анализа наноматериалов, таких как 
термический анализ и низкотемпературная адсорбция азота. Дана характеристика приборов Netzsch STA 449 C и Quantachrome NOVA 
1000е, а также представлены методики работы на данном оборудовании и методы обработки полученной информации. 
Адресовано студентам химико-технологического профиля. 
 
 
 
УДК 543.57:546.17-183(075.8) 
 
 
ISBN 978-5-7782-3847-3  
 
 
 
 
 
© Баннов А.Г., Попов М.В., 2019 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2019 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Инструментальные методы анализа основаны на зависимости физических свойств вещества от его природы, причем аналитический 
сигнал представляет собой величину физического свойства, функционально связанную с концентрацией или массой определяемого компонента. 
В инструментальных методах анализа применяют специально приспособленные инструменты. По определению Международного союза 
теоретической и прикладной химии (IUPAC): «Инструмент – устройство, используемое для наблюдения, измерения или сообщения сведений о качественном состоянии, заменяющее, облагораживающее или 
увеличивающее действия человека, или дополняющее их». 
В качестве инструментов применяют различного типа аналитические приборы, предназначенные для проведения основных процедур 
анализа и регистрации его результатов. 
В инструментальных методах используют физические и физикохимические свойства веществ, которые фиксируются регистрирующей 
аппаратурой. Чувствительность анализа может быть при этом существенно повышена. Многие физико-химические свойства специфичны, 
что увеличивает селективность анализа. Инструментальные методы 
используют как для обнаружения веществ (качественный анализ), так 
и для количественного их определения (в количественном анализе). 
Количественный анализ веществ проводят двумя способами: 
– определение количества вещества по его физическим свойствам; 
– определение точки эквивалентности в титриметрических методах 
анализа по изменению физических свойств раствора. 
Инструментальные методы анализа могут включать: химические 
превращения определяемого соединения; растворение образца; концентрирование анализируемого компонента; маскирование мешающих 
веществ и др. 

В отличие от «классических» химических методов анализа, где 
аналитическим сигналом служит масса вещества или его объем, в инструментальном анализе в качестве аналитического сигнала используют интенсивность излучения, силу тока, электропроводность, разность 
потенциалов и др. 
Инструментальные методы классифицируют в соответствии с используемыми для измерений свойствами веществ: 
 оптические – основаны на измерении оптических свойств веществ и их растворов; 
 электрометрические – измеряют электрические параметры растворов веществ; 
 резонансные – используют явления резонансного поглощения 
веществом электрического или магнитного поля; 
 радиометрические – измеряют количество веществ или с по- 
мощью радиоактивных индикаторов, по их радиоактивности; 
 термические – измеряют тепловые эффекты, сопровождающие 
нагрев, высушивание, титрование веществ; 
 хроматографические – применяется хроматографический метод 
разделения в комбинации с детекторами разделенных веществ; 
 масс-спектральные – основаны на измерении массы ионизированных осколков молекул веществ; 
 ультразвуковые – измеряют скорость ультразвука в растворах 
веществ. Скорость ультразвука пропорциональна концентрации раствора и пр. 
В настоящем учебном пособии более подробно рассмотрены два 
метода исследования различного рода материалов: термический анализ 
и низкотемпературная адсорбция азота. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  
О ТЕРМИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ 

Термический анализ – метод исследования физико-химических и 
химических процессов, основанный на регистрации массы и тепловых 
эффектов, сопровождающих превращения веществ в условиях программирования температуры. Поскольку изменение энтальпии ΔH 
происходит в результате большинства физико-химических процессов и 
химических реакций, теоретически этот метод применим к очень 
большому числу систем. Установка для термического анализа включает в себя печь, держатели для образцов, термопары (с самописцами), 
измеряющими температуру печи и образцов. Для записи кривых в координатах температура–время используют фоторегистрирующие пирометры и автоматические потенциометры [1, 2]. 
Обычно выделяют несколько методов, отличающихся друг от друга 
тем, какое свойство материала измеряется: 
 дифференциально-термический анализ (ДТА): температура; 
 дифференциально-сканирующая калориметрия (ДСК): теплота; 
 термогравиметрический анализ (ТГА): масса; 
 термомеханический анализ (ТМА): линейный размер; 
 дилатометрия: объем; 
 динамический механический анализ (ДМА): механическая жесткость и амортизация; 
 диэлектрический термический анализ (ДЭТА): диэлектрическая 
проницаемость и коэффициент потерь; 
 анализ выделяемых газов (ГТА): газовые продукты разложения; 
 термооптический анализ (ТОА): оптические свойства; 
 визуально-политермический анализ (ВПА): форма; 
 лазерный импульсный анализ (ЛПА): температурный профиль; 
 термомагнитный анализ: магнитные свойства. 

При проведении термического анализа можно фиксировать так 
называемые кривые нагревания (или охлаждения) исследуемого образца, т. е. изменение температуры последнего во времени. В случае какого-либо фазового превращения в веществе (или смеси веществ) на кривой появляются площадки или изломы. 
Самым главным, что объединяет все перечисленные методы, является то, что отклик образца записывается в зависимости от температуры (и времени). 
Обычно изменение температуры осуществляется по заранее заданной программе – либо это непрерывное увеличение или уменьшение 
температуры с постоянной скоростью (линейный нагрев/охлаждение), 
либо серия измерений при различной температуре (ступенчатые изотермические измерения). Используются и более сложные температурные профили, использующие осциллирующую (обычно в виде синусоидальных или прямоугольных колебаний) скорость нагревания (термический анализ с модулированной температурой) или изменяющие скорость нагревания в ответ на изменение свойств системы (термический 
анализ, контролируемый образцом). 
Кроме управления температурой образца важно управлять средой, 
в которой проводятся измерения (например, атмосферой). Измерения 
могут быть выполнены на воздухе или в среде инертного газа (например, аргона или гелия). Для этого используется также восстановительная или химически активная газовая среда, образцы помещаются в воду или другую жидкость. 
Большей чувствительностью обладает метод дифференциального 
термического анализа (ДТА), в котором регистрируют во времени изменение разности температур ΔT между исследуемым образцом и образцом сравнения (чаще всего Аl2О3), не претерпевающим в данном 
интервале температур никаких превращений. Минимумы на кривой 
ДТА соответствуют эндотермическим процессам, а максимумы – экзотермическим. Эффекты, регистрируемые в ДТА, могут быть обусловлены: плавлением, изменением кристаллической структуры, разрушением кристаллической решетки, испарением, кипением, возгонкой, а 
также химическими процессами (диссоциация, разложение, дегидратация, окисление-восстановление и др.). Большинство превращений сопровождается эндотермическими эффектами, экзотермичны лишь некоторые процессы окисления-восстановления и структурного превращения. На форму кривых ДТА, как и на форму кривых в термограви

метрии, оказывают влияние многие факторы, поэтому воспроизводимость метода, как правило, недостаточно высокая [1, 2]. 
Под синхронным термическим анализом (СТА) обычно понимают 
совместное использование термогравиметрии (ТГА) и дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК) одного и того же образца на 
одном приборе. В этом случае условия эксперимента практически одинаковы для обоих сигналов (атмосфера, скорость потока газа, давление 
насыщенного пара над образцом, скорость нагрева и охлаждения, термический контакт образца с тиглем и датчиком температуры, эффект 
излучения и т. д.). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

2. ОПИСАНИЕ МЕТОДОВ  
ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА 

2.1. Термогравиметрический анализ 

Термогравиметрия (ТГ) – метод исследования и анализа, основанный на регистрации изменения массы образца в зависимости от его 
температуры в условиях программированного изменения температуры 
среды. 
Процессы, сопровождающиеся изменением массы, следующие. 

Химические реакции: 
– термическое разложение; 
– старение материалов; 
– окисление. 

Физические процессы: 
– испарение воды или другого растворителя; 
– сублимация; 
– некоторые фазовые переходы (температура Кюри) [3]. 
Установка для термогравиметрии состоит из весов непрерывного 
взвешивания (термовесов); печи, в которую помещают образец; приборов, регистрирующих температуру (термопары с самописцами); программного регулятора температуры. Возможны два способа проведения термогравиметрического эксперимента: изотермический, т. е. при 
постоянной температуре печи, и наиболее распространенный – динамический, т. е. при изменении температуры печи во времени (обычно 
при постоянной скорости нагрева). В результате получают кривые зависимости изменения массы Δm образца (термогравиметрическая кривая) либо скорости изменения массы (дифференциальная термогравиметрическая кривая) от времени или от температуры.