Thermogravimetrische Analyse

Die Thermogravimetrische Analyse (TGA), auch Thermogravimetrie genannt, ist eine analytische Methode, bei der die Masseänderung einer Probe in Abhängigkeit von der Temperatur und Zeit gemessen wird. Die Probe wird dazu in einem kleinen Tiegel aus feuerfestem, inertem Material (z.B. Platin oder Aluminiumoxid) in einem Ofen auf Temperaturen bis zu 1600 °C erhitzt. Der Probenhalter ist an eine Mikrowaage gekoppelt, welche die Masseänderungen während des Aufheizvorgangs registriert. Ein Thermoelement dicht bei dem Tiegel misst die Temperatur. Moderne TGA-Geräte erlauben über einen angeschlossenen Computer eine Einstellung der Endtemperatur, Heizrate, des Gasstroms o.ä.. Während der Analyse wird der Probenraum je nach Bedarf mit verschiedenen Gasen gespült. Meist verwendet man reinen Stickstoff, um eine Oxidation zu vermeiden. In manchen Fällen wird jedoch auch mit Luft, Sauerstoff oder anderen Gasen gespült. Beim Erhitzen kann die Probe durch Zersetzungsreaktionen oder Verdampfen flüchtige Komponenten an die Umgebung abgeben oder aus der Umgebung z.B. durch Oxidation Reaktionspartner aufnehmen. Die Gewichtsabnahme bzw. -zunahme und die Temperatur, bei welcher die Gewichtsänderung stattfindet, kann spezifisch für eine untersuchte Probe sein. Daraus können Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Stoffes gezogen werden.

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Messprinzip

In der Thermogravimetrie wird die Massenänderung einer festen Probe während eines bekannten Heiz- oder Abkühlvorgangs beobachtet. Die häufigste Anwendung ist dabei ein Aufheizen der Probe mit einer konstanten Heizrate. Massenänderung können durch folgende Ursachen ausgelöst werden:

• Massenverlust einer Probe durch Zerfall (z.B. Verdampfen, Sublimieren)
• Massenverlust durch Reaktion (z.B. Reduktion)
• Massenzunahme durch Reaktion (z. B. Oxidation)

Üblicherweise besteht eine Thermowaage aus folgenden Komponenten:

• Ein in der Temperatur regelbarer Ofen
• Der Waage
• Zuleitungen für Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Helium
• Auswertungsgeräte zur Verarbeitung der Messwerte
• Häufig wird zusätzlich ein Massenspektrometer nachgeschaltet

Ofen mit Temperaturreglung

Die wichtigste Eigenschaft, die der Ofen einer Thermowaage besitzen muss, ist die Erzeugung eines homogenen Temperaturfeldes am Ort der Probe, da schon geringe Temperaturschwankungen bei der Versuchsführung einen Einfluss auf die ausgegebene Kurve haben können. Dabei ist zu beachten, dass der homogene Bereich sich mit steigender Temperatur verkleinert.

Die Waage

Die am häufigsten verwendete Waage arbeitet nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kompensation. Dabei wird der metallische Waagebalken durch zwei, auf beiden Seiten der Waagearme angebrachte elektromagnetische Spulen in immer derselben Position gehalten. Jede Auslenkung der Waage aus ihrer Ruheposition wird von einem photoelektrischen Sensor erfasst und die Spannung der Magnetspulen so geregelt, dass die Waage in der Anfangsposition gehalten wird. Um den auf die Magnetspulen wirkenden Strom möglichst gering zu halten, ist auf der dem Probenarm entgegengesetzten Seite ein Gegengewicht angebracht. Es entspricht in seiner Masse in etwa dem des Tiegels. Während der Messung wird die Änderung der Spannung gemessen, die sich linear zur Massenänderung verhält.

Die Gaszuleitungen

Die an der Thermowaage angebrachten Gaszuleitungen erlauben ein Beschicken der Apparatur (Ofen und Waagenkopf) mit verschiedenen Gasen und Gasgemischen. Als Inertgas wird manchmal Helium verwendet, da es nicht wie Stickstoff im Detektionsbereich der Masse von Kohlenmonoxid im Massenspektrometer auftaucht. Mögliche Reaktionsgase sind synthetische Luft oder Wasserstoff.

Das Massenspektrometer

Das an der Abgasleitung der Thermowaage angeschlossene Massenspektrometer dient zur Detektion der sich aus der Probe verflüchtigenden oder bei einer eventuellen Reaktion entstehen Moleküle und Atome. Dabei werden diese im Vakuum durch Beschuss (mit beispielsweise Elektronen) ionisiert und teilweise in kleinere Komponenten fragmentiert. Diese Fragmente werden durch ein elektrisches Feld nach ihrer Masse getrennt und in einem Detektor aufgezeichnet. Diese ionisierten Fragmente werden nach dem Verhältnis der molaren Masse zur Ladungszahl (M/z) detektiert.

Einflüsse auf die Messung

Es gibt eine Reihe von apparativen und physikalischen Effekten, die einen Einfluss auf die Versuchsergebnisse haben. Vor Versuchsbeginn wird daher häufig eine Blindmessung aufgenommen, da sich auf Grund von Temperatureffekten apparative Größen, wie die Leitfähigkeit der Spulen im Waagenkopf, die Dichte oder die Viskosität der verwendeten Gase ändern können.