Introducere
În timp ce tehnicile analitice precum EDX sau ICP-MS oferă o analiză detaliată a elementelor chimice, de exemplu, a celor prezente într-o probă de sare [1], metodele de analiză termică pot fi utilizate și pentru a identifica și caracteriza diferiți compuși chimici prezenți într-o astfel de probă. Analiza termică simultană (STA), care se referă la termogravimetrie (TGA) și calorimetrie diferențială cu baleiaj (DSC) efectuate simultan într-un singur experiment, a fost, de exemplu, utilizată pentru a investiga materiile prime de ciment, inclusiv prezența și impactul impurităților de sare din metale alcaline [2]. Un alt exemplu este procesul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire și capacitatea termică specifică a materialului cu schimbare de fază (PCM) nitrat de sodiu, NaNO3, care a fost studiat cu ajutorul DSC [3].
Această lucrare abordează măsurătorile STA pe NaCl, KCl, sarea de masă obișnuită și așa-numita sare de Himalaya, concentrându-se pe topirea, evaporarea parțială și analiza compozițională a sărurilor. Sărurile alcaline precum NaCl (halit) și KCl (silvită) joacă un rol important în viața noastră de zi cu zi. În timp ce NaCl este principalul component al sării de masă sau de bucătărie, KCl poate fi folosit, de exemplu, ca sare de drum iarna. Sarea de Himalaya originară din Pakistan este o sare naturală care conține - alături de NaCl - diverse minerale și oxizi precum Fe2O3 [1], care este responsabil pentru culoarea ușor roz (a se vedea fotografia de mai sus).
Experimental
Măsurătorile au fost efectuate utilizând STA 449 F5 Jupiter® (a se vedea figura 1). Acest instrument, care are un cuptor SiC care permite o temperatură maximă a probei de 1600°C, poate fi echipat opțional cu schimbător automat de probe (ASC) și tehnici de cuplare pentru analiza gazelor evoluate, cum ar fi MS, FT-IR sau GC-MS. Domeniul de cântărire al balanței este la fel de larg ca 35 g, cu o rezoluție a balanței de 0,1 μg pe întregul domeniu. Un alt avantaj al STA 449 F5 Jupiter® este funcționalitatea software TG-BeFlat® care ia automat în considerare efectul de flotabilitate, astfel încât măsurătorile de referință nu mai sunt necesare pentru testele standard.
Condițiile de măsurare aplicate pentru această lucrare sunt rezumate în tabelul 1.
Tabelul 1: Condiții de măsurare aplicate pentru această lucrare
Condiții de măsurare | |
|---|---|
| Instrument | STA 449 F5 Jupiter® |
| Suport de probă | TGA-DSC tip S |
| Creuzete | PtRh (0,19 ml) |
| Viteza de încălzire | 10 K/min |
| Masa probelor | 23 ± 1 mg |
| Atmosferă | N2 |
| Debitul gazului de purjare | 70 ml/min |
Probele NaCl [4] și KCl [5] aveau o puritate nominală de 99,8%, în timp ce pentru sarea de masă și sarea de Himalaya nu erau disponibile informații cu privire la puritate. Toate probele au fost măsurate sub forma unui strat subțire de granule care acoperea fundul creuzetului; materialul de probă nu a fost nici măcinat, nici compactat.
Rezultate și discuții
În figura 2 sunt reprezentate schimbarea masei în funcție de temperatură și debitul de căldură al probei de NaCl. La o temperatură de debut extrapolată de 802,1°C, s-a observat un efect EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermic cu o temperatură de vârf de 813°C și o entalpie de 480 J/g, care poate fi atribuită topirii probei. Temperatura de debut, care reflectă punctul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire, se potrivește bine cu valoarea din literatură de 801°C; entalpia de 480 J/g este, de asemenea, în bună concordanță cu valoarea căldurii de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire de 484 J/g găsită în literatură [6]. Peste aproximativ 800°C, a avut loc o pierdere de masă de 0,9%, care se datorează evaporării parțiale a probei.
Rezultatele STA pentru proba de KCl sunt prezentate în figura 3. Din nou, s-au observat topirea și evaporarea parțială; punctul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire, detectat la 771,4°C, este în bună concordanță cu valoarea de 772°C din literatură, iar valoarea entalpiei de 361 J/g este din nou în conformitate cu valoarea de 351 J/g raportată în referință [6].
În figura 4 sunt prezentate rezultatele STA obținute pentru proba de sare de masă, care diferă clar de rezultatele obținute pentru proba de NaCl pur (comparați figurile 4 și 2): Debutul vârfului principal DSC este la 797,2°C și, prin urmare, semnificativ sub valoarea de 802,1°C observată pentru NaCl pur; de asemenea, a fost detectat un efect EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermic suplimentar la o temperatură de debut extrapolată de 724°C. Entalpia efectului principal de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire de 499 J/g este în același interval cu valoarea de 480 J/g observată pentru NaCl pur, în timp ce entalpia primului efect este de numai 6 J/g. Aceste rezultate demonstrează că sarea de masă nu este - așa cum era de așteptat - NaCl pur; curba DSC găsită pentru proba de sare de masă este observată de obicei pentru amestecurile binare de săruri [7]. În acest caz, NaI-NaCl cu o concentrație de NaI în procente mai mici este cel mai probabil candidat [7].
Rezultatele STA obținute pentru sarea de Himalaya prezentate în figurile 5a și 5b sunt chiar mai complexe decât rezultatele pentru sarea de masă. Acest lucru poate fi deja observat în treptele de pierdere de masă de 0,06%, 0,07%, 0,05%, 0,05%, 0,17% și 0,10% observate sub 700°C doar pentru proba de sare de Himalaya (a se vedea figura 5b). Sub aproximativ 400°C, semnalul DSC a arătat efecte EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermice care se corelează - și care se datorează etapelor pierderii de masă; detalii precum temperaturile de vârf și entalpiile pot fi văzute în figura 5b. Pierderea de masă sub aproximativ 200°C se datorează, cel mai probabil, eliberării de umiditate și deshidratării gipsului (amestec de CaSO4∙2H2Oși CaSO4∙½H2O) cu o concentrație estimată în intervalul subprocent. Între aproximativ 200°C și 400°C, treptele de pierdere în masă ar putea fi cauzate de descompunerea diferiților carbonați, în timp ce treptele de pierdere în masă în intervalul de 450°C ar putea fi cauzate de deshidratarea Ca(OH)2. Pentru interpretări suplimentare ale etapelor de pierdere a masei, analiza gazelor evoluate ar fi în mod clar utilă [8]. Rezultatul DSC la peste aproximativ 580°C este, de asemenea, foarte complex (a se vedea figura 5b): Au fost detectate cel puțin șapte efecte EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermice DSC. Picul principal de la 799°C se datorează, cel mai probabil, unui amestec binar bogat în NaCl, cum ar fi NaI-NaCl, KCl-NaCl [7] sau Na2CO3- NaCl [7, 9], de unde poate proveni și picul DSC de la 712°C. Celelalte efecte DSC între 580°C și 720°C se datorează probabil proceselor de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire a mai multor ioduri, fluoruri, cloruri, carbonați sau sulfați și amestecurilor acestora cu NaCl sau KCl [7, 10]. De exemplu, vârful DSC de la 587°C ar putea fi cauzat de CaI2 sau K2SO4, vârful ascuțit de la 690°C ar putea fi cauzat de KI, iar vârful de la 679°C ar putea fi cauzat de o transformare structurală a Fe2O3 [10]. Detalii suplimentare, cum ar fi temperaturile de vârf și entalpiile, pot fi văzute din nou în figura 5b. Pierderea de masă a sării de Himalaya de 2,74% peste 700°C (a se vedea figura 5a), care se datorează din nou evaporării parțiale, este semnificativ mai mare decât cea a celorlalte probe investigate.
Concluzie
Investigarea NaCl, KCl, a sării de masă și a sării de Himalaya cu ajutorul STA 449 F5 Jupiter® a demonstrat că acest instrument este foarte potrivit pentru studierea substanțelor precum sărurile alcaline și amestecurile acestora. În special semnalul DSC, care reflectă foarte clar procesele de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire și alte transformări de fază, permite o investigare a diagramelor de fază prin intermediul temperaturilor de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire și chiar al entalpiei. Semnalul TGA indică nu numai evaporarea probei, ci și etapele de pierdere de masă datorate descompunerii, de exemplu, a substanțelor impure, care pot fi identificate și cuantificate în mai multe cazuri.