PHYSIKALISCHES INSTITUT F-PRAKTIKUM Protokoll Differenz-Thermoanalyse Intsar Ahmad Bangwi und Sven T. Köppel Abgabe: 20.02.2011 Versuchsdurchführung: 24.01.2011
Thermische Analyse Der Begriff Thermische Analyse beschreibt verschiedene Messverfahren, durch deren Hilfe Materialien charakterisiert werden können. Es wird die Eigenschaft der Materialien in Abhängigkeit der Temperaturänderung und Zeit gemessen. Es gibt drei wichtige Thermoanalyseverfahren: - die Differenzthermoanalyse (DTA) - die Thermogravimetrie (TG) - die Dynamische Differenzkalorimetrie (Differential Scanning Calometry, DSC) Weitere Verfahren, die sich Teilweise durch Kombination der der Hauptverfahren ergeben sind: - die Simultane Thermische Analyse (STA) Differenzthermoanalyse (DTA) Hierbei werden zwei Materialproben gleichzeitig verwendet. Das zu untersuchende Material wird zusammen mit dem Referenzmaterial zeitgleich in der gleichen Messaparatur erhitzt und wieder abgekühlt. Das Referenzmaterial ist meist, je nach Situation, Korund für keramische Proben und Molybdän für metallische Proben. Außerdem ist zu beachten, dass das Referenzmaterial und evtl. Umgebungsgas chemisch inert sind, also sich im Versuchsaufbau weitgehend Reaktionsunfreudig zeigen. Das Referenzmaterial sollte im Untersuchungstemperaturbereich keinen Phasenübergang aufweisen. Die Messung erfolgt durch zwei Thermoelemente, die sich je im Material und Referenzmaterial befinden. Die Messdifferenz kann als Messkurve aufgetragen werden, und anschließend Reaktionstemperatur und Reaktionswärme bestimmt werden. F-Praktikum Differenz-Thermoanalyse - Intsar A. Bangwi Sven T.Köppel Seite 1
Thermogravimetrie(TG) Bei der Thermogravimetrie wird die Massenänderung eines Materials untersucht, die bei Aufwärm -und Abkühlprozessen auftritt. Die Massenänderung wird mit Hilfe von Thermowaagen bestimmt. Die Thermowaagen arbeiten nach dem elektromagnetischen Prinzip. Die metallische Waage wird durch EM-Spulen in der Ausgangsposition gehalten. Neben der Messung der Massenänderung in Abhängigkeit der Temperatur wird diese auch in Abhängigkeit der Zeit aufgezeichnet, die DTG-Kurve. Während der Aufheiz- und Abkühlphase tritt eine gewisse Massenänderung ein, welche durch Änderung der Auftriebskraft zustande kommt. Die Massenänderung m bei einer Temperaturänderung von T 0 nach T ist: m = Vρ(T 0 ) 1 T 0 T mit V Volumen und ρ Dichte bei T 0 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) Die Dynamische Differenzkalorimetrie ist eine Weiterentwicklung der DTA. Hierbei werden die Differenzströme zwischen Ofen und Material gemessen und als Funktion der Zeit bzw. Temperatur aufgetragen. Die Messkurve zeigt nun Peaks auf, deren Fläche proportional zur Wärmeaufnahme bzw. Abgabe sind. Das DSC wird wiederum unterschieden in: - Wärmefluss-DSC: Die Proben werden auf einer wärmeleitenden Scheibe gestellt. Bei Erhitzung fließt die Wärme über die Scheibe zum Temperaturfühler. Bei gleichen Proben fließen gleiche Wärmeströme, die Wechselstromdifferenz ist also Null. Bei Zustandsänderung der Proben F-Praktikum Differenz-Thermoanalyse - Intsar A. Bangwi Sven T.Köppel Seite 2
entsteht eine Wärmestromdifferenz, welche proportional zur Temperaturdifferenz ist. - Leistungskompensierte-DSC Hier werden die Proben in thermisch isolierten Öfen untergebracht. Die Proben werden Temperatursynchron erhitzt bzw. abgekühlt, sodass zu jedem Zeitpunkt die Proben die gleiche Temperatur haben. Die dafür eingesetzte Leistung wird als Funktion der Temperatur aufgezeichnet. Simultane Thermische Analyse (STA) Die STA ist eine Kombination aus DTA und TG. Hierdurch ist es möglich die Temperatureffekte aus der DTA und die Massenänderung aus TG gleichzeitig zu betrachten und die Enthalpieänderung zu bestimmen. Außerdem wird durch die Kombination die Messunsicherheit verringert. F-Praktikum Differenz-Thermoanalyse - Intsar A. Bangwi Sven T.Köppel Seite 3
Das Thermoelement Das Thermoelement basiert auf dem Effekt der Wärmeleitung. Grundvoraussetzung für die Wärmeleitung ist, dass ein Temperaturgefälle in einem Körper vorhanden ist. Dadurch, dass die beiden Enden des Körpers ein Temperaturgefälle aufweisen, befinden sich die Elektronen auf der wärmeren Seite in heftiger Schwingung. Das heißt auch, dass es durch die höhere Bewegungsenergie einen schnelleren Elektronenfluss von warm zu kalt gibt. Somit ist das eine Ende elektronenärmer und das Andere elektronenreicher. F-Praktikum Differenz-Thermoanalyse - Intsar A. Bangwi Sven T.Köppel Seite 4
Der Seebeck Effekt Der Seebeck Effekt besagt nun, dass bei Verbinden zweier unterschiedlicher Leiter, die eine unterschiedliche Temperatur besitzen bei geöffnetem Stromkreis eine Spannung, also die Thermospannung gemessen werden kann. Die Thermospannung ist proportional zur Temperaturdifferenz. Aufbau des Thermoelements Bei Aufbau 1 wird die Referenztemperatur an den Klemmen des Messgerätes verwendet. Bei Aufbau2 wird T1 als Referenztemperatur verwendet. F-Praktikum Differenz-Thermoanalyse - Intsar A. Bangwi Sven T.Köppel Seite 5
Der Versuch Im ersten Schritt wurde die Masse des Probenmaterials, in unserem Fall Gold, bestimmt. Da sich die Proben bei der Versuchsdurchführung(DSC-Messung) anschließend in Tigel(kleine Schälchen) befinden, müssen diese bei der Massenbestimmung berücksichtigt werden. leeres Referenz-Tigel 0,1591g leeres Gold-Tigel 0,16163g Gold (ohne Tigel) 0,12214g Die Tigel wurden im zweiten Schritt in die DSC-Messapparatur eingesetzt. Nach Schließen des Ofens und Evakuierung der Messapparatur konnte ein Programm gestartet werden, welches die Messung vollautomatisch durchführt und die Messkurven aufzeichnet. F-Praktikum Differenz-Thermoanalyse - Intsar A. Bangwi Sven T.Köppel Seite 6
Bei obigem Messbild ist in Rot (gestrichelt) das typische Temperaturprofil dargestellt. In Grün sind die beiden Peaks beim Aufheiz- bzw. Abkühlvorgang zu erkennen. Die blaue Kennlinie zeigt die TG Messung an. Wir sehen an der insgesamt fallenden kurve, dass ein gewisser Massenverlust gegeben ist. Mit Hilfe der zweiten Grafik die Schmelztemperatur bestimmen. Wir erhalten folgende Ergebnisse für unsere Messprobe GOLD: - Schmelztemperatur (gemessen): 1066,60 C Literaturwert(wikipedia.de): 1064,18 C - Schmelzenthalpie(wikipedia.de): 12,4 kj mol F-Praktikum Differenz-Thermoanalyse - Intsar A. Bangwi Sven T.Köppel Seite 7