Vogel: Análise Química Quantitativa
12.3 Instrumentação da termogravimetria
Os resultados termogravimétricos podem ser bem diferentes em amostras
com diferentes histórias. Assim, por exemplo, as curvas de TG e de DTG
mostraram que hidróxido de magnésio preparado por precipitação tem
temperatura de decomposição diferente da do hidróxido natural [5]. Por
isto, deve-se procurar descobrir a origem e o método de obtenção da
amostra.
12.3 Instrumentação da termogravimetria
12.3.1 Um bom modelo de termobalança
Os critérios de Lukaszewski e Redfern [6]
(a) A termobalança deve ser capaz de registrar continuamente a variação
do peso da amostra em função da temperatura e do tempo.
(b) O forno deve atingir a temperatura máxima desejada. (Em algumas
termobalanças modernas pode-se trabalhar entre –150 e 2400°C.)
(c) A taxa de aquecimento deve ser linear e reprodutível.
(d) A câmara da amostra deve estar na zona quente do forno que, por sua
vez, deve ter temperatura uniforme.
(e) A termobalança deve permitir o aquecimento em diversas velocidades
e permitir o aquecimento em diversas atmosferas controladas e no
vácuo. O instrumento deve ser também capaz de permitir estudos em
condições isotérmicas.
(f) O mecanismo da balança deve estar protegido do forno e do efeito de
gases corrosivos.
(g) A temperatura da amostra deve ser medida o mais acuradamente
possível.
(h) Deve-se usar uma balança com sensibilidade adequada ao estudo de
quantidades muito pequenas de amostras.
Outros critérios para termobalanças modernas
(a) Aquecimento e resfriamento rápido. Isto permite completar várias
análises em um tempo relativamente curto.
(b) O instrumento deve ser capaz de obter as curvas termogravimétricas
derivadas (DTG).
(c) No caso da EGA, o acoplamento adequado entre a termobalança e o
analisador de gases (cromatógrafo a gás, espectrômetro de massas,
infravermelho com transformadas de Fourier) deve ser eficiente.
(d) Velocidade de aquecimento dinâmica. Isto permite altas velocidades de
aquecimento nas regiões em que não há perda de peso e variações
contínuas em função da velocidade de decomposição da amostra.
12.3.2 Principais componentes de uma termobalança
Dispõe-se atualmente de muitos instrumentos comerciais de características
semelhantes. As termobalanças modernas são controladas por computador e
podem gerar um grande número de programas de temperatura. Os principais
componentes de uma termobalança são a balança e o forno. As amostras são
colocadas em um cadinho raso de platina ligado a uma microbalança
registradora automática. O tipo de balança mais comum em
termogravimetria é a balança de ponto nulo. Neste tipo de balança, quando
o peso muda, o fiel da balança sofre um desvio em relação a sua posição
normal. Um sensor detecta o desvio e induz uma força que recoloca a
balança na posição original. A força restauradora é proporcional à mudança
de peso.
Fig. 12.4 Componentes principais de uma termobalança
O recipiente que contém a amostra é colocado em um compartimento de
quartzo ou vidro Pyrex localizado no interior do forno. Um termopar,
colocado imediatamente abaixo do cadinho da amostra, mede a temperatura
do forno. O sinal resultante é registrado no eixo das abcissas do registrador.
Uma termobalança moderna é controlada completamente por computador, o
que permite uma grande variedade de programas de aquecimento,
resfriamento e isotermas. O computador controla também a atmosfera da
amostra. Outra importante característica é o tempo de resfriamento entre os
experimentos, que é de alguns minutos apenas entre 1000°C e a temperatura
do laboratório.
Um exemplo de termobalança moderna é o modelo TGA 2950 da TA
Instruments. A Fig. 12.5 mostra seus principais componentes. O sistema
opera com o princípio da balança nula e usa um transdutor muito sensível
ligado a um sistema de suspensão de correia esticada (taut-band), o que
permite a detecção de mudanças muito pequenas na massa da amostra. Um
servomecanismo óptico regula a quantidade de corrente que flui através da
bobina do transdutor e mantém o braço da balança na posição horizontal de
referência (nula). Uma fonte de luz infravermelha (LED) e um par de
diodos fotossensíveis detectam o movimento do braço. Um anteparo
colocado no topo do braço da balança controla a quantidade de luz que
chega a cada fotossensor. Quando a amostra perde ou ganha peso, a
quantidade de luz que atinge cada diodo não é mais a mesma. O sinal não
balanceado alimenta o programa de controle, que altera a corrente que
movimenta o medidor e leva a balança a voltar à posição nula. A
quantidade de corrente é diretamente proporcional à mudança de massa da
amostra. A velocidade de aquecimento e a temperatura da amostra são
medidas por um termopar adjacente à amostra. Isto permite a medida exata
da temperatura e o ajuste da temperatura do ambiente e da velocidade de
aquecimento selecionados pelo operador.
O recipiente cheio com a amostra é colocado na plataforma adequada. A
orientação do recipiente pode ser ajustada para a manipulação automática.
Ao apertar o botão “START” (iniciar) inicia-se uma série de eventos:
rotação da plataforma da amostra, levantamento da amostra, aquecimento do forno e início do programa de condições experimentais e procedimentos
previamente definido. A remoção da amostra e o resfriamento rápido do
forno também podem ser programados pelo operador. Durante um
experimento, os dados são automaticamente coletados, armazenados na
memória eletrônica e, posteriormente, analisados e colocados em gráfico.
Opcionalmente, pode-se ter a mudança automática da atmosfera com um
comutador de gás e a capacidade de manipulação automática de várias
amostras com um autoamostrador.
Fig. 12.5 Termobalança moderna (Cortesia de TA Instruments, Newcastle, Inglaterra)
Fig. 12.6 Interface entre o TGA 2950 e um outro sistema como, por exemplo, um
espectrômetro de massas ou um infravermelho com transformada de Fourier (Cortesia de
TA Instruments, Newcastle, Inglaterra)
A Fig. 12.6 mostra um esquema da interface entre o equipamento TGA
2950 e um espectrômetro de infraver-melho com transformadas de Fourier
(FT-IR) ou com um espectrômetro de massas (MS), usados na análise de
desprendimento de gases (EGA). Só é necessária a conexão da porta de
saída do fluxo de gás de purga aos espectrômetros. A interface entre o TGA
2950 e os FT-IR é menos problemática do que com os espectrômetros de
massa em que existe uma diferença apreciável de pressão entre os dois
componentes. O FT-IR é de valor inestimável na identificação de
substâncias tóxicas que podem ser liberadas na decomposição térmica de materiais poliméricos. Além disto, quando as substâncias liberadas têm a