113年公務人員特種考試 – 儀器分析 (四)

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問題

差熱分析法（differential thermal analysis, DTA）可用於觀察化合物的物理及化學變化。

請分別寫出氧化反應（oxidation）、結晶現象（crystallization）、脫附現象（desorption）在差熱分析法中會產生放熱訊號（exothermic peak）或吸熱訊號（endothermic peak）。

請說明高分子的玻璃化轉變（glass transition）無法在DTA 產生放熱訊 號或吸熱訊號的原因。

解答

差熱分析法（DTA）是一種用於分析物質在加熱過程中的物理或化學變化的技術。這種分析通常能觀察到物質的放熱反應（exothermic reaction）或吸熱反應（endothermic reaction），並在差熱曲線上表現為不同的訊號峰。以下是氧化反應、結晶現象和脫附現象在差熱分析中的特點：

1. 氧化反應（Oxidation）:

• 氧化反應是指物質與氧氣反應，通常會產生熱能。在差熱分析中，氧化反應表現為一個放熱訊號（exothermic peak）。這是因為在氧化過程中，化合物的化學結構發生變化，並釋放出熱量。這個放熱峰顯示在差熱曲線上，通常在物質達到一定溫度時出現。

2. 結晶現象（Crystallization）:

• 結晶是一個物理過程，其中液態或非晶態的物質變為結晶態。結晶現象在差熱分析中通常表現為放熱訊號（exothermic peak）。當物質從無序狀態轉變為有序的晶體結構時，會釋放能量，因此在DTA曲線上表現為放熱峰。

3. 脫附現象（Desorption）:

• 脫附是指吸附在固體表面的分子或原子被移除的過程。這個過程在差熱分析中通常顯示為吸熱訊號（endothermic peak），因為脫附需要能量來打破分子或原子與固體表面的吸附力。在DTA曲線上，當進行脫附過程時，會觀察到吸熱峰。

高分子的玻璃化轉變（glass transition）是指高分子從玻璃態轉變為高彈態的過程，這種轉變通常在一個相對寬廣的溫度範圍內進行，而非在一個特定溫度點發生。在玻璃化轉變中，高分子材料的性質如硬度和彈性會發生變化，但是這個轉變與熱量的吸收或釋放並不明顯，因此在差熱分析（DTA）中不容易觀察到明顯的放熱訊號或吸熱訊號。

以下是三個關鍵原因，解釋為何玻璃化轉變在DTA中不產生明顯的熱訊號：

1. 熵變的微小性：玻璃化轉變主要涉及分子運動的微小變化，主要是分子間的自由度增加，這導致熵的變化相對較小。因此，與融化或結晶等過程相比，玻璃化轉變所涉及的熱量變化不顯著。
2. 非一階過渡：玻璃化轉變是一種二階或更高階的物理過渡，不伴隨顯著的潛熱釋放或吸收。這與一階過渡（如融化或結晶）不同，後者涉及大量的熱量交換和明顯的熱峰。
3. 廣泛的溫度範圍：玻璃化轉變發生在一個廣泛的溫度範圍內，並沒有一個明確的轉變點。這使得在DTA曲線上難以捕捉到明確的熱峰，因為熱量的變化分散在一段較長的時間和溫度範圍內。

因此，儘管差熱分析是一種寶貴的分析工具，用於觀察許多物質的熱行為，但對於研究高分子的玻璃化轉變這種細微的熱變化來說，它的靈敏度可能不足。對於這類研究，通常會使用差示掃描量熱法（DSC），它對於捕捉熱量變化的靈敏度更高，更適合觀察這類細微的熱過渡。