[スポンサーリンク]

chemglossary

熱分析 Thermal analysis

[スポンサーリンク]

熱分析 (Thermal analysis)とは、熱に関する物質の物性を調べる方法である。構造に関する情報は得られないが、物質の熱に対する挙動を理解することができる。

熱分析とは

Wikipediaでは熱分析とは、物質の温度を制御しながら、その応答を分析する手法の総称と記されている。学生実験で、融点測定器を使って合成した有機化合物の融点を測定した経験があるかもしれないが、これは広義の熱分析といえる。

融点測定器(モノタロウより)

この熱分析の中で現在広く使われている分析は、

  • 熱重量分析(Thermogravimetric analysis:TGA):温度を変えて質量変化を測定
  • 示差熱分析(Differential thermal analysis:DTA):温度を変えて基準物質との温度差を測定
  • 示差走査熱量測定(Differential scanning calorimetry:DSC):温度を変えて測定試料と基準物質との間の熱量の差を計測
  • 熱機械分析(Thermomechanical analyzer:TMA):温度を変えて試料寸法の変化を測定

などが挙げられる。以降、それぞれの分析手法について解説していく

熱質量分析

温度を変える(一般的には室温から高温)ことで物質の質量の変化を測定する手法である。市販装置では加熱炉の中に精密な天秤が組み込まれていて、各温度に対する質量が測定される。

TGの構造、駆動コイルにより質量を検出している(引用:日立ハイテク

例えば、シュウ酸カルシウムを室温から1000度まで加熱すると、下記の反応で質量が減少する

  • CaC2O4・H2O → CaC2O4 + H2O ↑
  • CaC2O4 → CaCO3 + CO ↑
  • CaCO3 → CaO + CO2

これをTGで実測すると下の図のようになる。

シュウ酸カルシウムのTG曲線、図では脱離した化学種が明示されているが、このような情報は、発生したガスを分析することで判明できる。

このように基本的には物質の蒸発や昇華する温度帯を調べることができる。また、一定の温度で加熱することで蒸発量の測定や、材料同士のTG曲線の比較により不純物の有無を構造解析を行わずに調べることができる。多くの機器では密閉性が高い加熱炉の構造になっており、空気だけでなく不活性雰囲気ガスを流すことで不活性雰囲気下で測定することが可能である。また、加熱により発生したガスをFT-IRやガスクロ、質量分析器で分析できるような装置も市販されている。

示差熱分析

DTAは、測定したいサンプルと標準サンプルを加熱炉に入れ温度を変化させ二つのサンプルの温度の差を測定する手法である。サンプルに何も起こらなければ、測定サンプルと標準サンプルは同じ温度変化を示すが、変化が起きると示す温度に差が生まれる。これにより発熱や吸熱を伴う相変化や酸化、ガラス転移、結晶化する温度を観測できる。標準サンプルは測定する温度帯で何も変化しない物質である必要があり、例えば酸化アルミニウムが使われる。

先ほどの熱試料とこの示差熱を同時に測定する手法をTG-DTAと呼び、それを行うことができる装置も広く市販されている。TGとDTA曲線の変化パターンによりなにが起きているかを推測することができる。

TGとDTA曲線による現象の理解、例えば、TGで質量の減少が見えDTAで下のピークが見えた場合は、熱分解や脱水、昇華・蒸発の可能性がある。(引用:カネカリサーチ

示差走査熱量測定

DSCは、DTAと同じで標準サンプルとの温度の差を測定する手法である。違いは温度の測定方法であり、DTAは直接サンプルの温度を測定していたが、DSCではサンプルは熱抵抗体の上に置かれ、温度も熱抵抗体の温度を測定している。そのためサンプルと標準物質の温度差は単位時間当りの熱量になる。そのためピークの面積を計算するとその変化に使われた熱量がわかり、ほかの実験結果と比較することができる。

DSCの構造(引用:日立ハイテク

インジウムのDSC曲線、156度のピークは融点であり、サンプル量とピーク面積により-28.42J/gと計測されている。

TG-DTA同様にTG-DSCと呼ばれる二つの熱分析を同時に行う装置も市販されている。また、炉内を加圧できるDSCも市販化されていて、反応暴走時の検証や酸化安定性の評価などを行うことができる。

これらTGA、DTA、DSCの分析は、液体や固体のサンプルを小さな容器に入れて測定する。容器の素材は、アルミニウムからアルミナ、ステンレスなど様々なあり測定試料の腐食性と測定温度帯によって決定する。また密閉できる容器もあり気体への相変化を伴う測定や自己反応性のサンプルの測定も可能である。

熱機械分析

熱機械分析では、試料を押しつぶしたり引っ張りながら温度を変化させ、その機械的変化を測定する手法である。例えばゴムは温度によって弾性が異なるが、この分析ではそれを数値を用いて連続的に測定できる。

ポリクロロプレンゴムのTMA曲線

荷重をかけてサンプルをセットし温度を変化させる。サンプルに変化があると荷重をかけているプローブが動くのでその動いた距離を測定する。様々なプローブがあり用途に応じたものを使う。

TMAの構造

プローブのバリエーション

このように熱分析は、原理は単純だが様々な様々な用途に使える分析である。一つの測定でも温度条件を変えれば結果は変わるため、結果を深く考察する必要がある分析方法である。

関連書籍

[amazonjs asin=”B06Y53MTFW” locale=”JP” title=”熱分析 第4版 (KS化学専門書)”] [amazonjs asin=”4621084445″ locale=”JP” title=”プラスチック分析 入門”]

関連リンク

Avatar photo

Zeolinite

投稿者の記事一覧

ただの会社員です。某企業で化学製品の商品開発に携わっています。社内でのデータサイエンスの普及とDX促進が個人的な野望です。

関連記事

  1. リチャード・ロブソン Richard Robson
  2. 二重可変領域抗体 Dual Variable Domain Im…
  3. 二光子吸収 two photon absorption
  4. 有機触媒 / Organocatalyst
  5. クオラムセンシング Quorum Sensing
  6. 金属-有機構造体 / Metal-Organic Framewo…
  7. 光親和性標識 photoaffinity labeling (P…
  8. エレクトロクロミズム Electrochromism

注目情報

ピックアップ記事

  1. マリウス・クロア G. Marius Clore
  2. イー・タン Yi Tang
  3. Hantzschエステル:Hantzch Ester
  4. 文献管理のキラーアプリとなるか? 「ReadCube」
  5. 中国化学品安全協会が化学実験室安全規範(案)を公布
  6. 竹本 佳司 Yoshiji Takemoto
  7. 重水素標識反応 Deuterium Labeling Reaction
  8. 超強塩基触媒によるスチレンのアルコール付加反応
  9. カール・ダイセロス Karl Deisseroth
  10. 【ケムステSlackに訊いてみた③】化学で美しいと思うことを教えて!

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2019年2月
 123
45678910
11121314151617
18192021222324
25262728  

注目情報

最新記事

求職者の「内定6社でも決めきれない理由」を深掘りし、密な連携でベストマッチングを支援

化学業界における転職の難しさは、「同じ職種であっても、分野が異なれば即戦力になりづらい点」にあります…

キョウチクトウ科植物に含有される多量体型アルカロイドの完全化学合成に成功―ビスロイコノチンAおよびボウシゴニンBの世界初の全合成―

第714回のスポットライトリサーチは、千葉大学大学院医学薬学府(天然物創薬化学研究室)博士課程後期3…

科学捜査! ― 見えない指紋を化学の力で光らせよ ―

近年、分子構造に起因した発光メカニズムの解明が進み、単一分子で複数の機能を有する分子の研究が活発化し…

光で結晶の傷が癒える!?光応答性分子を用いた自己修復への挑戦

第713回のスポットライトリサーチは、立教大学理学部(森本研究室)に所属されていた西村涼 助教にお願…

ウェビナー「化学的リン酸化試薬(モノリン酸化アミダイト)の開発とRNA合成への応用」アーカイブ配信中! 【富士フイルム和光純薬】

高純度RNA合成には、効率的な精製法の確立が不可欠です。そこで、名古屋大学大学院 理学研究科の阿部 …

有機合成化学協会誌2026年6月号:抗体・薬物複合体・機能性有機蛍光色素・速度論的反応機構解析・触媒的脱水型ベンジル化・植物由来モノマー

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2026年6月号がオンラインで公開されています(記事公…

50代で初めての転職。面接対策から退職交渉までフォローし、マッチングを成功させた「伴走」の重要性

40~50代からの転職に、不安を抱く人は少なくありません。年齢的なハードル、これまで築いてきたキャリ…

PFAS代替素材市場について調査結果を発表

この程、TPCマーケティングリサーチ株式会社(本社=大阪市西区、代表取締役社長=松本竜馬)は、202…

【28卒】太陽HD研究開発 1day仕事体験

太陽HDでの研究開発職を体感してみませんか?私たちの研究活動についてより近くで体…

分子間相互作用で「π–π スタッキング」を考える【芳香環の相互作用を見直す: 後編】

芳香環が平行に近接するときの分子間相互作用は、静電相互作用、分散力、脱溶媒和、誘起作用、交換反発とい…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP