Progress of thermal analysis in earth sciences

The historical origins of the present state of thermal analysis investigations in geosciences are outlined. The majority of about 80 contributions to ESTAC 4 concerning geosciences dealt with applied and technical mineralogy and crystallography. Others are discussed with respect to new of improved techniques, minerals and rocks, thermodynamics and kinetics of minerals, and archeometry. Finally, subjects are suggested that could be treated at future meetings.

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Zusammenfassung Der historische Ursprung des gegenwärtigen Standes thermoanalytischer Untersuchungen auf dem Gebiet der Geowissenschaften wird diskutiert. Von den auf dem ESTAC-4 vorgestellten ca. 80 Beiträgen zu Geowissenschaften mit Schwerpunkt Angewandte und Technische Mineralogie und Kristallographie werden einige unter den Aspekten: Neue oder verbesserte Methoden, Mineralien und Gesteine, Thermodynamik und Kinetik von Mineralen, Archäometrie diskutiert. Abschliessend werden Vorgeschläge für Themen künftiger Treffen gemacht.

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. 80 ESTAS 4 , . , , , , . , .

     

Thermal and structural relationships within the Cd-picoline-chloride family including the α, β and γ-types

Thermal and structural properties of complexes of CdCl₂ with picolines were studies. The structures of tetra-- and tetra--picoline as well as di-- and di--picoline complexes were found to be identical and their thermal decomposition paths were analogous. New polynuclear complexes which could not be obtained from solution have been prepared through thermal decomposition. Their symmetry and cell dimensions were determined.

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Zusammenfassung Es wurden die thermischen und strukturellen Eigenschaften von CdCl₂-Komplexen mit Pikolinen untersucht Die Strukturen der tetra-- und tetra--, sowohl der di-- und di--Pikolinkomplexe wurden als gleich befunden, der Verlauf ihrer thermischen Zersetzung war ähnlich. Auf dem Wege der thermischen Zersetzung konnten neue polynukleare Polymerkomplexe hergestellt werden, was in Lösung nicht gelang. Es wurden deren Symmetrie und Zellabmaße ermittelt.

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. , ---, - , . , . .

     

The use of TA — GLC — MS as a quantitative specific EGA technique for the investigation of complex thermal decomposition reactions: The thermal decomposition of calcium propanoate

A versatile and flexible system is described for evolved gas analysis using a GLC, MS (mass scan and SIM modes) and GLC-MS. Gases evolved from materials in two differential thermal analysis units, a thermobalance or a micro-furnace linked directly to the MS or GLC can be analysed. Details are given of computer controlled data acquisition and processing. The techniques are applied to the thermal decomposition of calcium propanoate. Mechanisms are suggested to account for the observed decomposition products and the solid state process. Evidence is presented to support the view that the latter occurs via nucleation followed by two-dimensional growth with an activation energy of 315 kJ mol^–1 and a pre-exponential factor of 4.8×10²¹s^–1.

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Zusammenfassung Ein vielseitiges und flexibles System zur Analyse von gebildeten Gasen wird beschrieben, das GLC, MS (in Massen-scanning und SIM Betriebsweise) und GLC-MS umfaßt. Damit können die in zwei differentialthermoanalytischen Einheiten, einer Thermowaage oder einem direkt mit dem MS- oder GLC-Gerät gekoppelten Mikroofen aus den zu untersuchenden Substanzen entwickelten Gase analysiert werden. Einzelheiten der komputerkontrollierten Datengewinnung und Steuerung werden angegeben. Die Techniken werden zur Untersuchung der thermischen Zersetzung von Calciumpropionat herangezogen. Mechanismen werden vorgeschlagen, die die beobachteten Zersetzungsprodukte und die Festkörperreaktion erklären. Beweise werden dafür erbracht, daß bei letzterer eine Keimbildung und darauffolgendes zweidimensionales Wachstum vor sich geht, wobei die Aktivierungsenergie 315 kJ·mol^–1 und der präexponentielle Faktor 4.8·10²¹·s^–1 beträgt.

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- (), - (MC) MC. - , , . . . . , , 315 .^–1 4,8·10^{21 –1}.

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The authors gratefully acknowledge the provision of an equipment grant and Research Studentships to G.S. and S.B.W. by the SERC.     

Kinetic analysis of consecutive reactions using TG and DSC techniques

A complex mechanism of thermal degradation processes was postulated for the reaction type , and a theoretical analysis of DTG and DSC curves was followed by corresponding mathematical simulation. In this scheme, compoundS represents a volatile product (e.g. gas and/or vapor), which is a necessary assumption in order to explain the differences in results which can arise after the kinetic analysis of DTG and DSC experimental data.Mathematical simulation was performed with different values of the Arrhenius parameter for both reaction rate constants (k ₁, andk ₂) in the range 83.1–291.0 kJ/mol for the activation energy and with corresponding values for the frequency factor (10⁵–10¹⁹ min^–1). The influence of endothermic heat effects (50–200 kJ/mol) in the reactionsAE andRS was also investigated. The calculated rates of mass and heat change (DTG and DSC), for different heating rates, showed that the maximum values of the two curves are reached at different temperatures. The non-uniformity of the DTG and DSC maxima depends on the difference between the values of the reaction rate constants and their temperature sensitivities (E ₁ andE ₂) and also on the heating rate.The theoretical analysis performed demonstrated the possibility of determining the reaction rate parameters (k ₁ andk ₂) in the case of consecutive first-order reactions, by using simultaneous TG and DSC analysis.The proposed theoretical analysis is supported by experimental DTG/DSC data concerning the pyrolysis of oil shale, which were interpreted in terms of consecutive reactions.

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Zusammenfassung Unter Annahme eines komplexen Mechanismus für thermische Abbauprozesse wurde für den Reaktionstyp eine theoretische analyse von DTG- und DSC-Kurven, gefolgt von einer entsprechenden mathematischen Simulation durchgeführt. Hier stellt die VerbindungS ein flüchtiges Produkt dar (lias oder Dampf), was eine notwendige Bedingung zur Erklärung von unterschiedlichen Ergebnissen nach der kinetischen Analyse der experimentellen DTG- und DSC-Daten ist. Bei der mathematischen Simulation wurden unterschiedliche Arrheniusparameterwerte benutzt, für beide Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten (k₁ und k₂) in einem Intervall von 83,1–291,0 kJ/mol für die Aktivierungsenergie sowie unter Anwendung entsprechender Frequenzfaktoren (10⁵–10¹⁹ min^–1). Für die ReaktionenA R undR S wurde auch der Einfluß von endothermen Wärmeeffekten (50–200 kJ/mol) untersucht. Die berechneten Geschwindigkeiten für die Veränderung von Masse und Wärme (DTG und DSC) bei verschiedenen Aufheizgeschwindigkeiten zeigen, daß beide Kurven ihr Maximum bei unterschiedlichen Temperaturen erreichen. Die Ungleichmäßigkeit der DTG- und DSC-Maxima basiert auf den unterschiedlichen Werten der Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten, deren Temperaturempfindlichkeit (E ₁ undE ₂ und hängt auch von der Aufheizgeschwindigkeit ab. Die durchgeführte theoretische Analyse zeigt, daß es mit Hilfe simultaner DTG- und DSC-Untersuchungen möglich ist, im Falle konsekutiver Reaktionen erster Ordnung die Reaktionsgeschwindigkeitsparameter (k ₁ undk ₂) zu bestimmen. Das vorgeschlagene theoretische Analysenverfahren wird am Beispiel der experimentellen DTG/DSC-Daten der Pyrolyse von Ölschiefer und Anwendung konsekutiver Reaktionen illustriert.

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. S (. ), , . ( _{1 2}) 83,1–291,0 · ^–1 (10⁵–10^{19 –1}). (50–200 ·^–1) AR RS. ( ) , . (E ₁ E ₂), . , ₁, ₂ . / , .

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The authors are greatful for financial support to the KFA International Bureau D-5170 Jülich on the German side, and to the Research Fund of the Belgrade Region Business Association for the Exploration, Production and Exploitation of Oil Shales, Belgrade, and SOUR Jugopetrol, Belgrade on the Yugoslavian side.     

CO oxidation to CO2 by Mo?V?P heteropolyacid in the presence of an aqua complex of Pd(II)

Kinetic oxidation of CO to CO₂ by Mo–V–P heteropolyacid in the presence of an aqua complex of Pd(II) has been studied. The reaction is suggested to involve the participation of carbonyl complexes of Pd(I). It has been established that VO ₂ ⁺ ions formed in HPA dissociation inhibits the reaction.

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CO CO₂ - Pd(II). Pd(I). , VO ₂ ⁺ , , .

     

Thermal studies on some complexes of Pd(II)

The formulae suggested for a series of complexes of Pd(II) with various amino acids have been verified by thermal methods using a derivatograph. A correlation of the obtained kinetic parameters with the structures suggested by electronic and IR spectra of the substances has been attempted.

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Zusammenfassung Es wurden Formeln für eine Serie von Komplexverbindungen des Pd(II) mit verschiedenen Aminosäuren vorgeschlagen und thermogravimetrisch bewiesen. Die Übereinstimmung zwischen den erhaltenen kinetischen Parametern und den durch ERS und Infrarotspektroskopie angedeuteten Strukturen wurde geprüft.

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Résumé On a vérifié par thermogravimétrie des formules brutes proposées pour les combinaisons complexes du Pd(II) avec divers acides aminés. On a examiné la correlation entre les paramètres cynétiques obtenus et les structures déduites des spectres IR et electroniques.

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ë , Pd(II) . , , .

     

Thermoanalytical studies on the preparation of industrial crystalline aluminium sulphate

Changes in the water content of aluminium sulphate hydrate were investigated gravimetrically at room temperature in air with different relative humidities. The samples conditioned in this way were characterized by thermoanalytical (TG, DTG, DSC) and X-ray diffraction measurements. Industrial aluminium sulphate hydrate obtained by freezing the melt has a partly crystalline structure. After grinding, this material crystallizes during storage. This process requires a humid atmosphere; increasing relative humidity brings about more intensive crystallization.It was found that the crystallization of aluminium sulphate from the melt is facilitated by a higher water content of the melt.

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Zusammenfassung VerÄnderungen des Wassergehalts von Aluminiumsulfat-Hydrat bei Zimmertemperatur in Luft unterschiedlicher relativer Feuchtigkeit wurden gravimetrisch untersucht. Die auf diese Weise konditionierten Proben wurden durch thermoanalytische (TG, DTG, DSC) und röntgendiffraktometrische Messungen charakterisiert. Durch Erstarren der Schmelze erhaltenes industrielles Aluminiumsulfat-Hydrat ist teilweise kristallin. Nach dem Mahlen kristallisiert dieses Material wÄhrend der Lagerung. Dieser Proze\ erfordert eine feuchte AtmosphÄre, wobei sich der Kristallisationsgrad mit steigender relativer Feuchtigkeit erhöht. Es wurde festgestellt, da\ die Kristallisation des Aluminiumsulfats durch einen höheren Wassergehalt der Schmelze gefördert wird.

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. , , . , , . . , . , .

     

Influence of the nonmetallic component in binary chromium compounds on their catalytic activity in carbon monoxide oxidation

Oxidation kinetics of carbon monoxide on chromium carbide, nitride and boride has been studied. The activity of chromium compounds was compared with the electronic state of the chromium atom according to XPS data. A reaction mechanism is proposed and an assumption is made on the predominant effect of the nonmetallic component on the character of change in the catalytic activity of chromium compounds.

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, . . .

     

Application of natural zeolites for air separation

The application for air separation purposes of modified versins of clinoptilolite and mordenite containing tuffs, deposited in the Tokaj Mountains (Hungary), is demonstrated. The importance of adsorption kinetics in the design of any pressure swinging adsorption (PSA) operation is shown.

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, , (), . .

     

Caracterisation par analyse thermique differentielle des complexes de l'aluminium avec les acides fulviques et humiques

Résumé L'analyse thermique différentielle sous oxygène permet de caractériser divers complexes formés entre l'aluminium et les acides fulviques (ou humiques): en particulier, les complexes pseudo-solubles ne sont pas identiques aux complexes floculés. Les liaisons hydrogènes qui unissent l'alumine hydratée aux acides fulviques (ou humiques) dans la forme floculée rendent l'ensemble beaucoup moins stable thermiquement que les trois formes complexes pseudo-solubles.

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Differential thermal analysis in oxygen renders possible the investigation of various complexes of aluminium with fulvic acid (or humic acid). The pseudo-soluble complexes are not identical with the flocculated complexes. The hydrogen bonds linking hydrated aluminium with fulvic (or humic) acids in the flocculated form reduce the thermal stability of the complexes compared with the three pseudo-soluble forms.

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Zusammenfassung Die Differentialthermoanalyse in Sauerstoff ermöglicht die verschiedenen Komplexe des Aluminiums mit Fulvinsäure (oder Huminsäure) zu charakterisieren. Die pseudo-löslichen Komplexe sind nicht identisch mit den flockulierten Komplexen. Die das hydratierte Aluminium mit den Fulvinsäuren (oder Huminsäuren) in der flockulierten Form verbindenden Wasserstoffbindungen vermindern die thermische Stabilität der Verbindung gegenüber den drei pseudo-löslichen Formen.

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, , . - . , , , - .

     

Active state of copper in catalysts for low-temperature methanol synthesis

Copper-containing catalysts have been investigated in low-temperature methanol synthesis. It is shown that the active component of the catalyst is the copper ion and not the metallic copper as is supposed previously.

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, , , .

     

Preparation and properties of zeolite coating on metal surface

Crystals of mordenite were grown on metallic Cr surface by the vapor phase method. The material of zeolite coating on metal surface has been characterized by X-ray powder diffraction and microprobe. It is shown by the results that this material possesses good catalytic properties.

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(Cr) . . , .

     

Reactivity of coordinated O2? ion-radicals in the oxidation of organic compounds

By the flow ESR method, the rates of the reaction of the radical complex Ti(IV)(O ₂ ^– ) with some aromatic compounds in aqueous solution have been measured. An elementary step of these reactions seems to be one-electron oxidation with the formation of a substrate cation-radical.

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- Ti(IV)(O ₂ ^– ) . - -.

     

PMR study of the lifetime of complexes with a strong hydrogen bond at low temperatures

The kinetics of formation and cleavage of hydrogen bonds in complexes of carboxylic acids with proton acceptors have been studied by PMR spectroscopy over the range –100 to 150°C. The activation parameters of the processes have been measured.

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¹H –100° ÷–155°C . .

     

Application of thermokinetics in chemical process analysis,as illustrated by the reaction of phenyl isocyanate andn-Butanol

Shortening the time required for chemical process development from the first laboratory trial through technical and pilot plants to industrial installation is a long-standing aim. Knowledge of the reaction kinetics is of major importance for this purpose. The usefulness of thermokinetics in chemical process engineering is illustrated by reaction of phenyl isocyanate andn-butanol.

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Zusammenfassung Die Abkürzung der Verfahrensentwicklung vom ersten Laborversuch über Technikums- und Pilotanlagen bis zur großtechnischen Anlage ist ein seit langem erstrebtes Ziel. Dabei ist bekanntlich die Kenntnis der Reaktionskinetik von großer Bedeutung. Am Beispiel der Reaktion Phenylisocyanat undn-Butanol wird die Nützlichkeit der Thermokinetik in der chemischen Verfahrensentwicklung aufgezeigt.

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, , , . . -.

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Influence of oxygen on semiconducting properties of polycrystalline zinc oxide in its surface region

The influence of oxygen adsorption on electrical conductivity of sintered ZnO has been studied. The concentration of conduction electrons and their mobility were determined by Hall effect method in the temperature range 200–550 K. It was found that adsorbed oxygen decreases the conduction electron concentration as well as their mobility.

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ZnO. 200–550 . , , .

     

Thermal and X-ray analysis studies of UO3 gel microspheres

The thermal decomposition behaviour of UO₃ gel microspheres has been studied. Thermal analysis involved DTA, TG, DTG and X-ray examination. The effects of washing the UO₃ gel microspheres with hot water and with ammonia solution were investigated, as were the effects of soaking the microspheres in ammonia solution before or after washing on the crystallite size. The results indicate that the thermal decomposition of UO₃ gel microspheres includes five steps: the first two for dehydration, the third for ammonia removal, the fourth for ammonia oxidation and the last step for UO₃ recrystallization.

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Zusammenfassung Die thermische Zersetzung von UO₃-Gelmikrokugeln wurde mittels DTA, TG, DTG und Röntgendiffraktometrie untersucht. Die Auswirkungen des Waschens der UO₃-Gelmikrokugeln mit heißem Wasser und mit Ammoniaklösungen sowie der Einfluß des Wässerns der Mikrokugeln vor und nach dem Waschen mit Ammoniaklösungen auf die Kristallitgröße wurden untersucht. Die thermische Zersetzung der UO₃-Gelmikrokugeln verläuft in 5 Schritten: in den ersten beiden erfolgt die Dehydratisierung, im dritten die Abgabe und im vierten die Oxydation von Ammoniak und schließlich im letzten Schritt die Rekristallisation von UO₃.

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, , ₃. , . , ₃ , , — , — , ₃.

     

Hydrogenation of ethylene on gadolinium X, Y and L-type zeolites

It is shown that Gd-zeolites have a catalytic activity towards ethylene hydrogenation at 1 atm. This activity decreases with an increase in the SiO₂/Al₂O₃ ratio from 2.2 to 6.1 and 4.1, i.e. upon going from an X type zeolite to Y and L. For these types of zeolite the activity grows with an increase in Gd³⁺ content from 50 to 80%. Oxygen addition to the reaction mixture stabilizes the catalytic activity of zeolites.

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, qv 1 . , SiO₂/Al₂O₃ 2,2 6,1 4,1, .. X Y L. , 50 80%. .