[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. 深共晶溶媒 Deep Eutectic Solvent
  2. キレート効果 Chelate Effect
  3. コールドスプレーイオン化質量分析法 Cold Spray Ion…
  4. 溶媒の同位体効果 solvent isotope effect
  5. 極性表面積 polar surface area
  6. 血液―脳関門透過抗体 BBB-penetrating Antib…
  7. UiO-66: 堅牢なジルコニウムクラスターの面心立方格子
  8. Spin-component-scaled second-ord…

注目情報

ピックアップ記事

  1. 名大の巽教授がIUPAC次期副会長に
  2. 特許庁「グリーン早期審査・早期審理」の試行開始
  3. 有機アジド(1):歴史と基本的な性質
  4. 創薬化学
  5. 村橋 俊一 Shun-Ichi Murahashi
  6. Louis A. Carpino ルイス・カルピノ
  7. 知られざる有機合成のレアテク集
  8. カルボラン carborane
  9. 第49回―「超分子の電気化学的挙動を研究する」Angel Kaifer教授
  10. 金城 玲 Rei Kinjo

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

アクリルアミド類のanti-Michael型付加反応の開発ーPd触媒による反応中間体の安定性が鍵―

第622回のスポットライトリサーチは、東京理科大学大学院理学研究科(松田研究室)修士2年の茂呂 諒太…

エントロピーを表す記号はなぜSなのか

Tshozoです。エントロピーの後日談が8年経っても一向に進んでないのは私が熱力学に向いてないことの…

AI解析プラットフォーム Multi-Sigmaとは?

Multi-Sigmaは少ないデータからAIによる予測、要因分析、最適化まで解析可能なプラットフォー…

【11/20~22】第41回メディシナルケミストリーシンポジウム@京都

概要メディシナルケミストリーシンポジウムは、日本の創薬力の向上或いは関連研究分野…

有機電解合成のはなし ~アンモニア常温常圧合成のキー技術~

(出典:燃料アンモニアサプライチェーンの構築 | NEDO グリーンイノベーション基金)Ts…

光触媒でエステルを多電子還元する

第621回のスポットライトリサーチは、分子科学研究所 生命・錯体分子科学研究領域(魚住グループ)にて…

ケムステSlackが開設5周年を迎えました!

日本初の化学専用オープンコミュニティとして発足した「ケムステSlack」が、めで…

人事・DX推進のご担当者の方へ〜研究開発でDXを進めるには

開催日:2024/07/24 申込みはこちら■開催概要新たな技術が生まれ続けるVUCAな…

酵素を照らす新たな光!アミノ酸の酸化的クロスカップリング

酵素と可視光レドックス触媒を協働させる、アミノ酸の酸化的クロスカップリング反応が開発された。多様な非…

二元貴金属酸化物触媒によるC–H活性化: 分子状酸素を酸化剤とするアレーンとカルボン酸の酸化的カップリング

第620回のスポットライトリサーチは、横浜国立大学大学院工学研究院(本倉研究室)の長谷川 慎吾 助教…

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