Термографический метод

Термографический метод исследования основан на по-

степенном нагревании почвенных образцов на специальных

приборах (рис. 13) в интервале от 20 до 1200 0 С. Метод при-

меняется в двух вариантах – дифференциальный термиче-

ский анализ (ДТА) и термовесовой (ТВ).

Рис. 13. Прибор НТР‑62 для термического анализа

Термографический метод исследования веществ при-

меняется во многих отраслях науки и техники, в том числе в

почвоведении. Этим методом можно решать целый ряд задач.

1. Определять минералогический состав илистой

фракции почв, а иногда и почв в целом.

2. Выявлять карбонаты, гипс и другие соли в почве,

если их содержание достаточно высокое (2–4 %). Иногда

определяют и кварц.

3. Изучать превращение минералов при нагревании и

охлаждении, плавлении, термической диссоциации, окисле-

нии, восстановлении и образование новых минералов.

4. Выявлять гидрофильность изучаемых объектов и

скорость выделения воды при нагревании.

5. Устанавливать количество воды и других веществ,

выделяющихся при различных температурах.

Термографический анализ позволяет решать и другие,

более сложные задачи.

В почвоведении чаще всего применяется дифференци-

альный термический анализ (ДТА). Сущность данного ана-

лиза состоит в том, что при нагревании почв или минералов

в них происходят различные реакции: деградации, окисле-

ния, разрушения кристаллической решетки, образования

новой фазы и т. д. Эти реакции протекают в строго опреде-

ленных температурных интервалах для каждого минерала и

сопровождаются выделением или поглощением тепла.

При ДТА в процессе нагревания непрерывно регистри-

руют температуру объекта и разность температур объекта и

эталонного вещества. Регистрация проводится различными

способами, в том числе на фотобумаге при помощи зеркаль-

ных гальванометров, соединенных с термопарами. Аппарат

для термоанализа называется пирометром Курнакова.

Нагревание образца на данном приборе ведется в ин-

тервале 20–1200 0 С. Контроль за температурой осуществля-

ется при помощи термопары, погруженной в образец, и зер-

кального гальванометра. Во время нагревания в термопаре

возникает электродвижущая сила и термоток. С ростом тем-

пературы увеличивается электродвижущая сила термопары

и соответственно отклоняется зеркальце гальванометра, луч

света от которого фиксируется на фотобумаге. Для визуаль-

ного наблюдения за повышением температуры в опреде-

ленные промежутки времени включается милливольтметр,

также имеющий шкалу температур. Чаще всего использу-

ется платино-платинородиевая термопара, выдерживающая

температуру до 1600 0 С.

Подготовка почв к термографическому анализу и

получение термограмм. Для определения минералоги-

ческого состава илистой фракции почв из неё необходимо

удалить гумус перекисью водорода при нагревании на во-

дяной бане до 50–60 0 С, так как органические вещества во

время термоанализа создают сильные эффекты, которые

маскируют эффекты от минералов. Кроме того, углерод ор-

ганического вещества вступает при высоких температурах

во взаимодействие с термопарой, изменяет её свойства и

тем самым выводит из строя. При сгорании органических

веществ уменьшаются объем и масса образца и возникает

механическое разобщение образца с термопарой.

Если стоит задача изучить гумус почв термическим

анализом, тогда термопары необходимо изолировать от об-

разца керамическим или кварцевым чехлами.

После удаления органического вещества образец под-

сушивают, слегка растирают и доводят до стандартной

влажности. Для этого образец помещают на 3–5 суток в

эксикатор, где поддерживается постоянная влажность воз-

духа при помощи азотно-кислого кальция – Ca (NO3)2. Если

не доводить образец до стандартной влажности, то величи-

на эндотермического эффекта при температуре 1000 С бу-

дет случайной, что не позволит судить о гидрофильности

образца и нельзя будет сравнивать термограммы различных

объектов.

Подготовленный образец помещают в одно из отделе-

ний двухкамерного тигля, а в другое отделение – инертное

вещество. Им может быть прокаленный оксид алюминия,

оксид магния или каолин. Изучаемый образец берется по

массе. Инертное вещество и изучаемый образец плотно и

равномерно утрамбовывают, а затем опускают в них тер-

мопары. В анализируемый образец опускают нормальную

термопару, а в инертное вещество – дифференцированную.

Затем образец снова утрамбовывают и тигель закрывают

крышкой.

После зарядки тигля печь закрывают керамической

крышкой, заряжают фотобумагой барабан, на котором будут

отображаться кривые нагревания – термограммы. Время,

в течение которого регистрируется термограмма, зависит

от величины навески – чем больше навеска, тем продол-

жительней нагревание. По Н. И. Горбунову [23], наиболее

удобная величина навески 0,2 –0,5 г. Такая навеска позволя-

ет получить необходимую термограмму и все необходимые

термоэффекты.

Расшифровка и описание термограмм. При расшиф-

ровке термограмм удобно пользоваться термограммами эта-

лонных (чистых) минералов (рис. 14). Для примера опишем

термограммы нескольких минералов. Например, термо-

грамма каолинита имеет два больших эффекта – эндотер-

мический при температуре 5900 С и экзотермический – при

9750 С (см. рис. 14). Эндотермический эффект обусловлен

разрушением кристаллической решетки и удалением кон-

ституционной воды. Он имеет большую площадь по сравне-

нию с эффектами многих глинистых минералов. Экзотерми-

ческий эффект при 9750 С обусловлен образованием нового

кристаллического вещества из продуктов разрушения као-

линита.

Термограмма галлуазита имеет много общего с тер-

мограммой каолинита, но несколько отличается от неё.

Во‑первых, у галлуазита есть небольшой эндотермический

эффект при 50–1000 С, связанный с выделением воды. Этот

минерал обычно имеет высокую дисперсность и содержит

рыхлосвязанную воду, которая выделяется при нагрева-

нии. Второе отличие – эффект при 550–6000 С имеет фор-

му неравностороннего конуса. Он обусловлен выделением

межслоевой воды и разрушением кристаллической решет-

ки. Экзотермический эффект при температуре 925–1055 0 С

обязан образованию нового кристаллического вещества.

На термограмме монтмориллонита выделяются три

эндотермических эффекта при 115, 650 и 8250 С. Первый

минимум большой, иногда раздвоенный, обусловлен выде-

лением гигроскопической и рыхлосвязанной воды. Второй

и третий эффекты вызваны разрушением решетки.

Пример термограммы илистых фракций, полученных

нами из солонца коркового многонатриевого, приведен на

рис. 15.

Рис. 14. Термограммы минералов

Рис. 14. Продолжение

Рис. 14. Окончание

Рис. 15. Термограммы илистых фракций солонца корково-

го многонатриевого: П – предколлоиды; К – коллоиды

Таким образом, термический анализ минералогиче-

ского состава почв имеет ряд преимуществ по сравнению

с рентгенографическим и электронно-микроскопическим

методами:

1. Объективность полученных данных (результаты

термического анализа автоматически фиксируются на фото-

бумаге).

2. Большая скорость анализа и сравнительно неслож-

ная аппаратура.

Однако чувствительность термического анализа срав-

нительно невелика и в значительной мере зависит от при-

роды анализируемого вещества.

Например, каолинит дает большие эффекты и его

можно обнаружить практически всегда. Нетрудно опреде-

лить кальцит и гипс. Гораздо труднее определить монтмо-

риллонит и практически невозможно различить бейделлит

и гидрослюды, даже если их количество в образце вели-

ко. В этом случае для определения гидрослюд используют

данные валового содержания калия. Следует отметить, что

данные валового химического анализа образца необходимо

иметь при определении любого минерала.

Контрольные вопросы и задания

1. Какими методами определяют минералогический

состав почв? Какие минералы являются первичными и ка-

кие – вторичными? Дать им характеристику.

2. В чем заключается методика подготовки почв к ми-

нералогическому анализу? Зачем в почве необходимо раз-

рушать карбонаты перед выделением илистой фракции? На

какие фракции можно разделить илистую фракцию?

3. В чем состоит сущность электронно-микроскопиче-

ского метода исследования минералов? Какие существуют

типы электронных микроскопов? Каким образом готовят

образцы для электронно-микроскопического анализа и как

расшифровывают фотографии минералов?

4. На чем основан рентгенографический метод ис-

следования минералов? В чем заключается подготовка об-

разцов к этому анализу? Что такое ориентация анализиру-

емых образцов? Как расшифровать рентгеновские снимки?

Сколько раз анализируется один образец для рентгеногра-

фического анализа?

5. Термографический анализ и его сущность. Под-

готовка образцов к термографическому анализу. Как рас-

шифровать термограмму минералов? Какие задачи можно

решить с помощью термографического анализа?__

Дата добавления: 2014-08-04; просмотров: 919; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!