热分析动力学一、 基本方程对于常见的固相反应来说，其反应方程可以表示为)(C )(B )(A g s s +→ （1）其反应速度可以用两种不同形式的方程表示：微分形式 )(d d ααf k t= （2） 和积分形式t k G =)(α （3）式中：α――t 时物质A 已反应的分数；t ――时间；k ――反应速率常数；f (α)—反应机理函数的微分形式； G(α)――反应机理函数的积分形式。

由于f （α）和G （α）分别为机理函数的微分形式和积分形式，它们之间的关系为：ααααd /)]([d 1)('1)(G G f == （4）k 与反应温度T （绝对温度）之间的关系可用著名的Arrhenius 方程表示：)/exp(RT E A k -= （5）式中：A ――表观指前因子； E ――表观活化能； R ――通用气体常数。

方程（2）～（5）是在等温条件下出来的，将这些方程应用于非等温条件时，有如下关系式：t T T β0+= （6）即：β/=t d dT式中：T 0――DSC 曲线偏离基线的始点温度（K ）； β――加热速率（K ·min -1）。

于是可以分别得到：非均相体系在等温与非等温条件下的两个常用动力学方程式：)E/RT)f(A t d d αexp(/-=α (等温) （7）)/exp()(βd d RT E f AT -=αα (非等温) （8）动力学研究的目的就在于求解出能描述某反应的上述方程中的“动力学三因子” E 、A 和f(α)对于反应过程的DSC 曲线如图所示。

在DSC 分析中，α值等于H t /H 0，这里H t 为物质A ′在某时刻的反应热，相当于DSC 曲线下的部分面积，H 0为反应完成后物质A ′的总放热量，相当于DSC 曲线下的总面积。

二、 微分法2．1 Achar 、Brindley 和Sharp 法：对方程)/exp()(βd d RT E f AT -=αα进行变换得方程：)/exp(d d )(βRT E A Tf -=αα （9）对该两边直接取对数有：RTEA T f -=ln d d )(βln αα （10）由式（11）可以看出，方程两边成线性关系。

通过试探不同的反应机理函数、不同温度T 时的分解百分数，进行线性回归分析，就可以试解出相应的反应活化能E 、指前因子A 和机理函数f(α).2．2 Kissinger 法Kissinger 在动力学方程时，假设反应机理函数为nf )1()(αα-=，相应的动力学方程表示为：nRTE Ae t)1(d d /αα-=- （11）该方程描绘了一条相应的热分析曲线，对方程（12）两边微分，得⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--t Aet eA t t nRTE RTE nd )1(d d d )1(d d d d //αααtn Ae t T RT E e A n RTE RTE nd d )1(d d )1()()1(1/2/ααα--------=t n Ae t T RT E t n RTE d d )1(d d d d 1/2ααα----= ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=--RTE n e An RT t T E t /12)1(d d d d αα （12）在热分析曲线的峰顶处，其一阶导数为零，即边界条件为： T =T p （13）d d d d =⎥⎦⎤⎢⎣⎡t t α （14）将上述边界条件代入（13）式有：RTE n pe An RTt T E/1p2)1(d d ---=α （15）Kissinger 研究后认为：1p )1(--n n α与β无关，其值近似等于1，因此，从方程（16）可变换为：p/2pRT E Ae RTE -=β（16）对方程（15）两边取对数，得方程（18），也即Kissinger 方程：pikkk2pi1ln βln T R E E R A T i -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ ，i=1，2，…，4 （17）方程（18）表明，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛2piβln Ti 与pi1T 成线性关系，将二者作图可以得到一条直线，从直线斜率求E k ，从截距求A k ，其线性相关性一般在0.9以上。

2．3 两点法Kissinger 法是在有假定条件下得到的简化方程。

如果我们不作任何假设，只是利用数学的方法进行，可以得到两点法。

由方程（2）、（5）知)(d d ααf Ae tRTE -= （18）方程（19）两边对T 微分，得⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⎪⎭⎫ ⎝⎛--2//)('β)(d d RT E e f A e Af Tdt d RTE RTE ααα （19）当T =T p 时，反应速率达到最大，α=αp ，从边界条件有：0,d d d d pp=⎪⎭⎫⎝⎛==αααT T Tt我们得到第一个方程：0)('β2p/pp=+-RTE e f ART E α （ 20） 方程（20）两边对T 微分，得RTE RTE RTE e f RTAE e f Ae Af Tt /222'22/22)('β3)(β)(d d d d ---+⎩⎨⎧=⎪⎭⎫ ⎝⎛αααα⎭⎬⎫-++-4222222)()("βT R ERT E e f f A RTE αα （21）这相当于对DSC 曲线求二阶导，为的是求DSC 曲线的拐点。

在DSC 曲线的拐点处，我们有边界条件：0,d d d d pi22=⎪⎭⎫ ⎝⎛==αααT T Tt将该条件代入方程（22），从而得到第二个方程iiRT E iRT E ie f RTAE e f A/222'22)('β3)(β--+αα+4222222)()("βiiRT E iTR ERT E e f f Ai-+-αα=0 （22）联立方程（21）和（22），即得到只与反应温度T 、机理函数f(α)有关的方程如下：021)()]f(Y[E,422=-+++=iiEUTR E RTeD C B α()mmRT f T A mαβ'2E R Ee=式中：()()22''R ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=mmiT f f B αα()()222''R 3immiTT f f C •=αα()()()422'R 1''mmiiTf f f D •=αααmimiTT TT U R -=通过解方程就可求出非等温反应动力学参数E 和A 的值。

在该方法中，只需要知道升温速率β，拐点的温度T i 、分解百分数αi ，峰顶的温度T m 、分解百分数αm ，就可以试算不同的f(α)，以求解出对应于该f(α)时的活化能E 值、指前因子A 值。

三 积分法对于积分法，t k G =)(α则由方程（8）求积分得⎰⎰⎰-=-==TTT TRT E AT RT E A f G 0d )/exp(βd )/exp(β)(d )(0αααα)(β)(βd β2u ueR AE u p R AE u u e R AE uu uπ-∞-==-=⎰（23） 式中：RTEu u u u u p =-=);()exp()(π对P （u ）的不同处理，构成了一系列的积分法方程，其中最著名的方法和方程如下：3．1 Ozawa 法通过对方程（23）变换，得Ozawa 公式：RT E RG AE 4567.0315.2)(log βlog --⎪⎭⎫⎝⎛=α （24）方程（24）中的E ，可用以下两种方法求得。

方法1：由于不同βi 下各热谱峰顶温度T pi 处各α值近似相等，因此可用“T 1~βlog ”成线性关系来确定E 值。

令：R Ea L i Ty Z ii4567.0),,2,1(/1βlog pii-====315.2)(log -=αRG AEb这样由式（24）得线性方程组),,2,1(L i b ay Z ii=+=解此方程组求出a ，从而得E 值。

Ozawa 法避开了反应机理函数的选择而直接求出E 值，与其它方法相比，它避免了因反应机理函数的假设不同而可能带来的误差。

因此往往被其它学者用来检验由他们假设反应机理函数的方法求出的活化能值，这是Ozawa 法的一个突出优点。

3．2 Phadnis 法RTE uRTE eERT u e R E u p R E T eFK/22T 0/)(d ---==⋅=⎰式中2)(FKueu p u-=TE RT f G d d )()(2ααα= （25）该方程由Phadnis 等人提出。

对于合适的机理函数，)()(ααf G 与TT d d 2α成线性关系，由此求出E 值，但无法求出A 值。

3．3 Coats-Redfern 近似式取方程（23）右端括号内前二项，得一级近似的第一种表达式——Coats-Redfern 近似式：RTE uuRTE e E RT E RT u u e R E u u e R E u p R E T e/232T 0/21221)(d ----⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⋅=⎰ （26）式中：⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=--u u e u u e u P uuCR2112)(23并设nf )1()(αα-=，则有RTE ne E RT E RT A /221β)1(d -⎪⎭⎫⎝⎛-=-⎰ααα积分方程（4-3），整理，两边取对数，得当1≠n 时，RT E E RT E AR n T n-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡----21βln )1()1(1ln 21α （27）当1=n 时，RT E E RT E AR T -⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--21βln )1ln(ln 2α （28） 上述两个方程都称为Coats-Redfern 方程。

由于对一般的反应温区和大部分的E 值而言，121,1≈⎪⎭⎫ ⎝⎛->>E RT RT E ，所以方程（4-4）和（4-5）右端第一项几乎都是常数，当1≠n 时，⎥⎦⎤⎢⎣⎡----)1()1(1ln 21n T nα对T 1作图，而1=n 时，⎥⎦⎤⎢⎣⎡--2)1ln(ln T α对T1作图，都能得到一条直线，其斜率为R E -（对正确的n 值而言）。

3． 4 Mac Callum-Tanner 近似式该法无需对p(u)作近似处理，可以证明，对于一定的E 值，-log p(u )与1/T 为线性关系，并可表达为：Tau u p +=-)(log而且，E 对a 也是线性关系，可表达为：bE y a +=于是有TbEy u u p ++=-)(log虽然u 对E 不是线性关系，但是log u 对log E 是线性关系，即：E c A u log log log +=于是有TbEy AE u p c++=-)(log借助于附录A 中列出的log p(u)~u 表计算出相应的常数后，代入上式，得：TE Eu p MT001.0217.0449.04828.0)(log 4357.0++=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-=T E E u p 001.0217.0449.04828.0MT4357.010)(式中：E ―― 活化能，kcal/mol T ―― 温度，K上述方程称Mac Callum-Tanner 近似式。