Дифференциальный термический анализ (ДТА) относится к
термоаналитическим методам исследования веществ, основанным на
регистрации разности температур между исследуемым образцом и инертным
эталоном в процессе контролируемого нагрева или охлаждения. При
физико-химических превращениях в образце — плавлении, кристаллизации,
адсорбции, десорбции, полиморфных переходах, химических реакциях —
выделяется или поглощается тепло. Эта тепловая аномалия приводит к
изменению температурной разности между образцом и эталоном, что
фиксируется как термический эффект на кривой ДТА.
Аппаратура и регистрация
сигналов
Измерительная система ДТА состоит из следующих основных
элементов:
- печь с возможностью программируемого нагрева и
охлаждения, обеспечивающая линейное изменение температуры со
временем;
- термопары, помещаемые в образец и в эталон,
регистрирующие температуру обоих компонентов;
- измерительный блок, фиксирующий разность температур
(ΔT) между образцом и эталоном;
- регистрирующее устройство, создающее кривую ДТА —
зависимость ΔT от температуры или времени.
В качестве эталона используют термостойкие инертные материалы, такие
как оксид алюминия (Al₂O₃), не проявляющие фазовых переходов в
исследуемом температурном диапазоне.
Характер кривых
На кривой ДТА выделяют:
- эндотермические эффекты (поглощение тепла) —
сопровождаются минимумами на кривой, возникают при плавлении, испарении,
разложении;
- экзотермические эффекты (выделение тепла) —
проявляются максимумами, характерны для кристаллизации, окисления,
химических реакций.
Амплитуда термического эффекта отражает интенсивность процесса, а
положение пика по температуре характеризует его начало, максимум и
завершение.
Области применения
- Фазовые переходы. Метод позволяет точно фиксировать
температуры плавления, кристаллизации, полиморфных превращений,
стеклования.
- Изучение термостойкости. Анализ разложения веществ
при нагревании, определение устойчивости к окислению и деградации.
- Химическая кинетика. Исследование скорости
протекания реакций в твёрдом состоянии.
- Определение состава. При изучении смесей ДТА
выявляет долю компонентов по их характерным тепловым эффектам.
- Контроль качества материалов. Используется в
фармацевтической промышленности для идентификации лекарственных форм, в
металлургии для исследования сплавов, в строительной химии для анализа
цементов и керамики.
Сравнение с другими методами
По сравнению с термогравиметрическим анализом (ТГА), где фиксируется
изменение массы образца, ДТА регистрирует тепловые эффекты без учёта
массы. В отличие от дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), где
измеряется количество тепла, ДТА отражает только разность температур,
что делает метод менее точным количественно, но более простым и
доступным для широкого применения.
Особенности интерпретации
Интерпретация кривых ДТА требует учёта ряда факторов:
- скорость нагрева влияет на смещение пиков и их интенсивность;
- размер частиц и степень измельчения образца изменяют тепловые
эффекты;
- теплопроводность среды и контакт с эталоном определяют точность
регистрации.
При правильной калибровке прибора и использовании стандартных
эталонов метод обеспечивает высокую воспроизводимость результатов и
позволяет проводить комплексные исследования термических свойств.
Преимущества и ограничения
Преимущества:
- универсальность и простота аппаратуры;
- возможность анализа в широком диапазоне температур;
- применимость к веществам различного агрегатного состояния;
- высокая информативность по фазовым превращениям.
Ограничения:
- трудности в точном количественном определении теплоты
переходов;
- чувствительность к условиям эксперимента и подготовке образца;
- ограниченная точность по сравнению с ДСК при исследовании малых
тепловых эффектов.