Introduction
Alors que les techniques analytiques telles que l'EDX ou l'ICP-MS fournissent une analyse détaillée des éléments chimiques, par exemple ceux présents dans un échantillon de sel [1], les méthodes d'analyse thermique peuvent également être utilisées pour identifier et caractériser les différents composés chimiques présents dans un tel échantillon. L'analyse thermique simultanée (STA), qui fait référence à la thermogravimétrie (TGA) et à la calorimétrie à balayage différentiel (DSC) réalisées simultanément dans une expérience, a par exemple été utilisée pour étudier les matières premières du ciment, y compris la présence et l'impact des impuretés de sels de métaux alcalins [2]. Un autre exemple est le processus de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion et la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique du matériau à changement de phase (MCP), le nitrate de sodium, NaNO3, qui ont été étudiés au moyen de la DSC [3].
Ce travail traite des mesures de DSC sur le NaCl, le KCl, le sel de table habituel et le sel dit de l'Himalaya, où la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion, l'évaporation partielle et l'analyse de la composition des sels sont au centre des préoccupations. Les sels alcalins comme le NaCl (halite) et le KCl (sylvite) jouent un rôle important dans notre vie quotidienne. Alors que le NaCl est le principal composant du sel de table ou de cuisine, le KCl peut, par exemple, être utilisé comme sel de voirie en hiver. Le sel de l'Himalaya, originaire du Pakistan, est un sel naturel qui contient, outre le NaCl, divers minéraux et oxydes comme le Fe2O3 [1], qui est à l'origine de sa couleur légèrement rosée (voir photo ci-dessus).
Expérimental
Les mesures ont été effectuées à l'aide du STA 449 F5 Jupiter® (voir figure 1). Cet instrument, qui dispose d'un four SiC permettant une température maximale de l'échantillon de 1600°C, peut être équipé en option du passeur automatique d'échantillons (ASC) et de techniques de couplage pour l'analyse des gaz évolués telles que MS, FT-IR ou GC-MS. La plage de pesée de la balance atteint 35 g avec une résolution de la balance de 0,1 μg sur l'ensemble de la plage. Un autre avantage de la STA 449 F5 Jupiter® est la fonctionnalité du logiciel TG-BeFlat® qui prend automatiquement en compte l'effet de flottabilité, de sorte que les mesures de base ne sont plus nécessaires pour les tests standard.
Les conditions de mesure appliquées pour ce travail sont résumées dans le tableau 1.
Tableau 1 : Conditions de mesure appliquées pour ce travail
Conditions de mesure | |
|---|---|
| Instrument | STA 449 F5 Jupiter® |
| Porte-échantillon | TGA-DSC type S |
| Creusets | PtRh (0,19 ml) |
| Vitesse de chauffage | 10 K/min |
| Masse des échantillons | 23 ± 1 mg |
| Atmosphère | N2 |
| Débit du gaz de purge | 70 ml/min |
Les échantillons NaCl [4] et KCl [5] avaient tous deux une pureté nominale de 99,8 %, tandis qu'aucune information concernant la pureté n'était disponible pour le sel de table et le sel de l'Himalaya. Tous les échantillons ont été mesurés sous la forme d'une fine couche de grains couvrant juste le fond du creuset ; le matériau de l'échantillon n'a été ni broyé ni compacté.
Résultats et discussion
La figure 2 montre la variation de masse et le débit thermique de l'échantillon de NaCl en fonction de la température. À une température d'apparition extrapolée de 802,1 °C, un effet EndothermiqueA sample transition or a reaction is endothermic if heat is needed for the conversion.endothermique avec une température de pointe de 813 °C et une enthalpie de 480 J/g a été observé, ce qui peut être attribué à la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion de l'échantillon. La température d'apparition, qui reflète le Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope).point de fusion, correspond bien à la valeur bibliographique de 801°C ; l'enthalpie de 480 J/g est également en bon accord avec la valeur de la chaleur de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion de 484 J/g trouvée dans la littérature [6]. Au-dessus d'environ 800°C, une perte de masse de 0,9% s'est produite, ce qui est dû à l'évaporation partielle de l'échantillon.
Les résultats de la STA pour l'échantillon de KCl sont présentés dans la figure 3. Une fois de plus, la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion et l'évaporation partielle ont été observées ; le Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope).point de fusion, détecté à 771,4°C, est en bon accord avec la valeur de 772°C de la littérature et la valeur d'enthalpie de 361 J/g est à nouveau en accord avec la valeur de 351 J/g rapportée dans la référence [6].
La figure 4 présente les résultats STA obtenus pour l'échantillon de sel de table, qui diffèrent clairement des résultats obtenus pour l'échantillon de NaCl pur (comparer les figures 4 et 2) : Le début du pic DSC principal se situe à 797,2°C et est donc nettement inférieur à la valeur de 802,1°C observée pour le NaCl pur ; en outre, un effet endothermique supplémentaire a été détecté à une température de début extrapolée de 724°C. L'enthalpie de l'effet de fusion principal de 499 J/g est du même ordre que la valeur de 480 J/g observée pour le NaCl pur, alors que l'enthalpie du premier effet n'est que de 6 J/g. Ces résultats démontrent que le sel de table n'est - comme prévu - pas du NaCl pur ; la courbe DSC trouvée pour l'échantillon de sel de table est typiquement observée pour les mélanges de sels binaires [7]. Dans ce cas, le NaI-NaCl avec une concentration de NaI dans la plage de pourcentage inférieure est le candidat le plus probable [7].
Les résultats STA obtenus pour le sel de l'Himalaya présentés dans les figures 5a et 5b sont encore plus complexes que les résultats pour le sel de table. Ceci est déjà visible dans les étapes de perte de masse de 0,06%, 0,07%, 0,05%, 0,05%, 0,17% et 0,10% observées en dessous de 700°C uniquement pour l'échantillon de sel de l'Himalaya (voir figure 5b). En dessous d'environ 400°C, le signal DSC a montré des effets endothermiques qui sont corrélés - et qui sont dus aux étapes de perte de masse ; les détails comme les températures de pointe et les enthalpies peuvent être vus dans la figure 5b. La perte de masse en dessous d'environ 200°C est très probablement due à la libération d'humidité et à la déshydratation du gypse (mélange de CaSO4∙2H2Oet de CaSO4∙½H2O) dont la concentration est estimée à un sous-pourcent. Entre 200°C et 400°C environ, les étapes de perte de masse pourraient être dues à la décomposition de divers carbonates, tandis que l'étape de perte de masse dans la plage de 450°C pourrait être due à la déshydratation de Ca(OH)2. Pour des interprétations plus approfondies des étapes de perte de masse, l'analyse des gaz évolués serait clairement utile [8]. Le résultat de la DSC au-dessus de 580°C est également très complexe (voir figure 5b) : Au moins sept effets DSC endothermiques ont été détectés. Le pic principal à 799°C est à nouveau très probablement dû à un mélange binaire riche en NaCl tel que NaI-NaCl, KCl-NaCl [7] ou Na2CO3- NaCl [7, 9], d'où le pic DSC à 712°C peut également provenir. Les autres effets DSC entre 580°C et 720°C sont probablement dus aux processus de fusion de plusieurs iodures, fluorures, chlorures, carbonates ou sulfates et de leurs mélanges avec NaCl ou KCl [7, 10]. Par exemple, le pic DSC à 587°C pourrait être dû à CaI2 ou K2SO4, le pic aigu à 690°C pourrait être dû à KI et le pic à 679°C pourrait être dû à une transformation structurelle de Fe2O3 [10]. D'autres détails, tels que les températures et les enthalpies de pointe, sont présentés dans la figure 5b. La perte de masse du sel de l'Himalaya de 2,74% au-dessus de 700°C (voir figure 5a), qui est à nouveau due à une évaporation partielle, est significativement plus élevée que celle des autres échantillons étudiés.
Conclusion
F5 L'étude du NaCl, du KCl, du sel de table et du sel de l'Himalaya à l'aide du STA 44900 Jupiter® a démontré que cet instrument est bien adapté à l'étude de substances telles que les sels alcalins et leurs mélanges. Le signal DSC en particulier, qui reflète très clairement les processus de fusion et autres transformations de phase, permet d'étudier les diagrammes de phase par le biais des températures de fusion et même des enthalpies. Le signal TGA indique non seulement l'évaporation de l'échantillon, mais aussi les étapes de perte de masse dues à la décomposition, par exemple, de substances impures, qui peuvent être identifiées et quantifiées dans plusieurs cas.