差示扫描量热仪研究草酸钴残渣催化高氯酸铵的反应实验

1．实验目的

1)熟悉差示扫描量热仪的基本结构、原理与测试方法和过程。

2)了解差示扫描量热法在物质结构与性能表征方面的应用。

3)了解草酸钴残渣对高氯酸铵在N₂气氛中催化热分解反应的特点。

4)学习识别DSC图谱。

2．实验仪器及主要性能参数

差示扫描量热仪(DSC823^e)，其主要技术参数如下：

温度范围：-60～700℃;

测量范围：±200mW;

温度准确度：±0.1℃；

温度精度：±0.02℃；

升温速率：0.02～300℃/min;

量热灵敏度：0.04uW;

量热准确度：1％；

数据采集速率：50个/s;

讯号时间常数：1. 7s。

3．实验辅助设备及试剂

天平：1/100000感应式全自动天平；

带盖铝坩埚:40uL;

高纯氮、卷边机、干燥器等材料。

4．实验步骤

1)打开仪器主机电源；

2)打开计算机；

3)打开N₂气瓶后，启动制冷机；

4)称量：用1/100000天平称取1.4mg左右的草酸钴和高氯酸铵混合物(质量比为2:98)于铝坩埚内，加盖并卷边后放入自动进样器中；

5)打开新建方法窗口，输入起始温度50℃、终止温度500℃、升温速率20℃/min，点击“N₂”，输入气体流速30mL/min，起方法名称并保存；

6)切换到实验窗口，输入文件名、样品名称、重量、坩埚位置，开始实验测试；

7)测试结束后打开数据库，找到测试的文件名调出，分析图形、处理数据并打印图谱、归类保存文件；

8)仪器冷却至室温后，关制冷机，关气，退出软件系统，关闭计算机；

9)整理工作台，保持干净整洁。

5．实验处理及谱图解析

打开数据库，找到测试的文件名，调出图谱，若基线不平，用手动的方法加以较正，而后再做数据处理，求出其热量、起始分解温度和峰温等相关数据，并转换成文本文件加以保存，打印数据处理结果及图谱。图28-15为加入2％草酸钴残渣的高氯酸铵(ammonium perchlorate, AP)热分解的DSC曲线图。

图28-15       加入2％草酸钴残渣的高氯酸铵热分解的DSC曲线图

本实验的反应式为

NH₄ClO₄→CO₂+NH₃+N₂+N₂O+NO+NO₂＋HCl+Cl₂+ClO₂＋H₂O+O₂＋…

根据图谱和数据处理结果可看出，催化热分解反应一步完成，243℃左右为高氯酸铵的晶型转化温度，高氯酸铵由正交晶型转变为立方晶型，加入草酸钴残渣后对高氯酸铵晶型转变过程没有影响。在草酸钴残渣的催化作用下，纯高氯酸铵在331℃的低温放热峰和在434℃的高温放热峰消失，在324℃左右只出现一个放热峰，这说明催化热分解反应速率较快且放热比较集中。草酸钴残渣还使高氯酸铵的总表观分解热明显增加，高氯酸铵的分解放热量从655J/g升高到1336.34J/g,增加了1倍。高氯酸铵的热分解得到很好的催化效果。与草酸钴催化高氯酸铵相比，分解温度相差不大，但总表观分解热由1100J/g左右升至1336.34J/g，大约增加了200J/g。

6．注意事项

1)定期用标准物质校正仪器温度、热量(每月一次)。

2)被测物质一定要具有代表性。

3)含能材料试样量一定要少，否则不但达不到试样分解的正常曲线，反而还会损伤仪器。

4)做动力学实验时，一组样品量要尽量一致，之间的误差最好不要超过0.02mg，可减少人为因素所引起的不规律性。

5)在测试前先开气后开制冷机，测试结束先关制冷机后关气。