MÉTODOS DE ANÁLISIS TÉRMICO

QUIMICA ANALÍTICA

MÉTODOS DE ANÁLISIS TÉRMICO

INTRODUCCIÓN

En la química analítica se suelen utilizar muchas técnicas y métodos de investigación entre ellos el método de análisis térmico, este título abarca por lo menos 12 diferentes métodos de análisis de los cuales solo trabajaremos tres de los más importantes. Estos tres son termogravimetría, análisis térmico diferencial y calorimetría de barrido, los cuales suelen sr muy utilizados en la investigación con polímeros aun q también suelen ser utilizadas en las investigaciones farmacológicas, aleaciones, etc.

En la química analítica su utilización es muy importante debido a la metodología analítica e investigativa de esta rama de la química. Para la practica d estos métodos se debe cumplir con uno requisitos para que los resultados sean los requeridos sin haber ninguna anormalidad, tales requisitos como la utilización de gases de purgue para mantener una atmosfera controlada y evitar cambios indebidos en la muestra. La utilización en los dos últimos métodos mencionados de una muestra inerte para la respectiva comparación con la muestra a analizar.

Cabe recalcar que todos estos métodos trabajan bajo la utilización de temperaturas controladas de allí que proviene el térmico en el nombre de estas series de métodos analíticos. La temperatura como componente principal en el método de análisis se mantiene bajo un control estricto para que los resultados sean los indicados sin márgenes de error. Como finalidades de estos experimentos hay muchas pero lo q se desea en específico es que la muestra a analizar presente un cambio de peso, estado o una entalpia.

MÉTODOS DE ANÁLISIS TÉRMICO

La definición generalmente aceptada de análisis térmico abarca al grupo de técnicas en las que se mide una propiedad física de un sistema (sustancia o un material) en función de la temperatura mientras se le somete a un programa de temperatura controlado.

Los efectos del calor sobre los materiales pueden ser varios y producir cambios en muchas de sus propiedades. En el análisis térmico, los cambios de peso configuran la base de la termogravimetría (TG), mientras que la medida de los cambios de energía constituye la base del análisis térmico diferencial (ATD) y de la calorimetría diferencial de barrido (DSC). Así por ejemplo, la termogravimetría nos dice cuándo una muestra pierde o gana peso y cuánto, mientras que el ATD y el DSC nos dice si una reacción o cambio físico es endotérmico o exotérmico, y a menudo es capaz de medir la variación de calor.

MÉTODOS TERMOGRAVIMÉTRICOS

En un análisis termogravimétrico se registra, de manera continua, la masa de una muestra colocada en una atmósfera controlada, o bien en función de la temperatura, o bien en función del tiempo. En el primer caso (experimento dinámico) la temperatura de la muestra va aumentando de manera controlada (normalmente de forma lineal con el tiempo), y en el segundo (experimento isotermo), la temperatura se mantiene constante durante todo el experimento.

La representación de la masa o del porcentaje de masa en función del tiempo o de la temperatura se denomina termograma o curva de descomposición térmica. Existen otros tipos de análisis denominados de termogravimetría diferencial donde se registra o representa la variación de masa o derivada con respecto a la temperatura o respecto al tiempo dependiendo de que el experimento sea dinámico o isotermo respectivamente. En la Figura 10.1 se representan estos dos tipos de termograma:

a) Convencional; b) diferencial.

Figura 10.1.- Termogramas diferencial (curva superior, eje derecho) y convencional (curva inferior, eje izquierdo). Figura tomada de: D.A. Skoog et al. Principios de Análisis Instrumental. Mc Graw Hill, Madrid (2002).

INSTRUMENTACIÓN

Los instrumentos comerciales modernos empleados en termogravimetría constan de: i) una balanza analítica sensible; ii) un horno; iii) un sistema de gas de purga para proporcionar una atmósfera inerte (o algunas veces reactiva) y iv) un microprocesador/microordenador para el control del instrumento y la adquisición y visualización de datos. Además, existe la opción de añadir un sistema para cambiar el gas de purga en las aplicaciones en las que este gas debe cambiarse durante el experimento.

BALANZA

Son asequibles comercialmente diversos diseños diferentes de termobalanzas que son capaces de proporcionar información cuantitativa sobre muestras cuyas masas van desde 1 g hasta 100 g.

Sin embargo, el tipo de balanza más común tiene tan sólo un intervalo entre 5 y 20 mg. Si bien, el soporte de la muestra debe estar situado en el horno, el resto de la balanza debe estar aislado térmicamente del horno. La Figura 10.2 muestra el esquema de un diseño de termobalanza. Un cambio en la masa de la muestra provoca una desviación del brazo, que se interpone al paso de la luz entre una lámpara y uno de los dos fotodiodos. La disminución en la corriente fotodiódica se amplifica y alimenta la bobina E, que está situada entre los polos de un imán permanente F. El campo magnético generado por la corriente en la bobina devuelve al brazo a su posición original. La corriente amplificada del fotodiodo se recoge y transforma en información sobre la masa o pérdida de masa en el sistema de adquisición de datos. En muchos casos los datos de masa frente a temperatura pueden representarse inmediatamente o almacenarse para una posterior manipulación o visualización.

Figura 10.2- Esquema de un diseño de termobalanza: A) brazo; B) copa y soporte de muestra; C) contador de peso; D) lámpara y fotodiodos; E) bobina; F) imán; G) control del amplificador; H) calculador de tara; I) amplificador; J) registro. Figura tomada de: D.A. Skoog et al. Principios de Análisis Instrumental. Mc Graw Hill, Madrid (2002).

HORNO

En la Figura 10.3 se muestra una fotografía de un sistema termogravimétrico típico donde se observa la disposición del horno. El intervalo de temperaturas de la mayoría de los hornos que se usan en termogravimetría va desde la temperatura ambiente hasta 1500 ºC. A menudo se pueden variar las velocidades de calentamiento o enfriamiento del horno desde aproximadamente cero hasta valores tan elevados como 200 ºC/min.

Para evitar la transferencia de calor a la balanza es necesario aislar y refrigerar el exterior del horno. Normalmente se utiliza nitrógeno y argón para purgar el horno y prevenir la oxidación de la muestra. En algunos análisis es deseable cambiar los gases de purga a lo largo del análisis. La Figura 10.4 muestra un ejemplo en el que el gas de purga se cambió automáticamente de nitrógeno a oxígeno y posteriormente se volvió a nitrógeno.

La muestra en este caso era un carbón bituminoso *. Se utilizó nitrógeno durante los primeros 18 minutos mientras se registraba el contenido en humedad y el porcentaje de volátiles; a continuación se cambió el gas por oxígeno durante 4 ó 5 minutos, lo que provocó la oxidación del carbón a dióxido de carbono y finalmente se llevó a cabo una purga con nitrógeno que permitió medir el contenido en cenizas.

Figura 10.3.- Fotografía de un sistema termogravimétrico típico con disposición de horno. Imágenes tomadas de manual de DSC-7 de Perkin-Elmer.

Figura 10.4.- Análisis termogravimétrico en función del tiempo, temperatura y gas de purga de una muestra de carbón bituminoso. Figura tomada de: D.A. Skoog et al. Principios de Análisis Instrumental. Mc Graw Hill, Madrid (2002).

PREPARACIÓN DE MUESTRA

En general, la preparación de una muestra para realizar análisis termogravimétrico no conlleva dificultades. La Figura 10.5 muestra un esquema sobre la manipulación de muestra para situarla en el interior del horno de la balanza termogravimétrica.

Se adiciona una cantidad relativamente pequeña de muestra sobre una cápsula de platino y ésta se suspende, mediante un soporte, de un alambre en forma de gancho quedando finalmente en el interior del horno que a su vez está aislado del exterior mediante un tubo de vidrio. La propia termobalanza se utiliza para pesar la masa inicial de muestra.

Figura 10.5.- Esquema sobre la manipulación de muestra para situarla en el interior del horno de la balanza termogravimétrica. Imagen tomada de manual de DSC-7 de PErkin- Elmer.

CONTROL DEL INSTRUMENTO Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS.

La temperatura registrada en un termograma es idealmente la temperatura real de la muestra. Esta temperatura puede, en principio, obtenerse introduciendo un pequeño termopar directamente en la muestra. Sin embargo, este procedimiento rara vez se sigue debido a las posibles descomposiciones catalíticas de las muestras, a las potenciales contaminaciones de las mismas y errores de pesada que provienen de las terminaciones del termopar.

Debido a estos problemas, las temperaturas registradas se miden generalmente con un pequeño termopar localizado lo más cerca posible del contenedor de la muestra. Las temperaturas registradas dan entonces la temperatura real de la muestra.

Las termobalanzas modernas utilizan normalmente un ordenador para el control de la temperatura, el cual es capaz de comparar automáticamente el potencial de salida del termopar con una tabla que relaciona potenciales con temperaturas que se almacena en la memoria ROM. El microordenador utiliza la diferencia entre la temperatura del termopar y la temperatura especificada para ajustar el potencial del calentador.

APLICACIONES

Los métodos termogravimétricos

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