La termogravimetria (TGA): perdita di massa e residuo

La termogravimetria risponde a una domanda semplice e potente: quanto pesa un campione mentre lo si riscalda? Misurando con continuità la massa in funzione della temperatura, la TGA rivela perdita di solventi, evaporazione di acqua, decomposizioni e residuo finale, trasformando una bilancia di altissima precisione in uno strumento di indagine chimica.

Vediamo che cos’è la TGA, come si legge una curva termogravimetrica, perché la derivata DTG è così utile e che cosa ci dicono le perdite di massa e il residuo.

Che cos’è la termogravimetria

La termogravimetria (TGA, da thermogravimetric analysis) misura la variazione di massa di un campione mentre la temperatura cambia secondo un programma controllato, di norma una rampa lineare (per esempio 10 °C al minuto). Il cuore dello strumento è una termobilancia: una microbilancia capace di rilevare variazioni dell’ordine del microgrammo, alloggiata in un forno con atmosfera controllata. Il risultato è una curva che mostra come la massa diminuisce (o, più raramente, aumenta) al crescere della temperatura.

Leggere una curva TGA

Una curva termogravimetrica si legge come una successione di gradini. Ogni tratto orizzontale corrisponde a una massa stabile; ogni discesa corrisponde a un processo che fa perdere massa al campione. L’altezza del gradino, espressa in percentuale, dice quanta massa si è persa; la temperatura a cui avviene dice a quale processo attribuirla. Un campione reale mostra spesso più gradini in sequenza: prima i componenti più volatili, poi quelli che decompongono a temperatura più alta.

perdita % = m_iniziale − m_finalem_iniziale × 100

La massa iniziale è quella pesata a inizio rampa; la massa finale di ciascun gradino è quella raggiunta quando la curva torna orizzontale. Questo semplice rapporto permette di quantificare ogni evento: per esempio una perdita del 5 % a bassa temperatura può corrispondere a umidità adsorbita, mentre una perdita del 40 % a temperatura elevata può indicare la decomposizione del componente organico principale.

Perdita di solventi e acqua

Le prime perdite di massa, a temperatura relativamente bassa (tipicamente sotto i 150–200 °C), corrispondono di solito all’allontanamento di sostanze volatili: acqua adsorbita in superficie, acqua di cristallizzazione legata al reticolo, solventi residui di sintesi o di formulazione. La temperatura a cui esce l’acqua aiuta a distinguerne il tipo: l’umidità superficiale evapora presto, mentre l’acqua di idratazione richiede temperature più alte per essere liberata dal cristallo.

Decomposizione e residuo

A temperatura più alta intervengono le decomposizioni: i componenti del materiale si rompono in frammenti volatili che lasciano il campione, producendo i gradini più marcati della curva. In atmosfera inerte (azoto, argon) la materia organica si pirolizza lasciando spesso un residuo carbonioso; in atmosfera ossidante (aria, ossigeno) il carbonio brucia e se ne va come anidride carbonica. Ciò che resta alla fine della rampa è il residuo: tipicamente cariche inorganiche, riempitivi, ossidi metallici o ceneri. La sua percentuale è un dato prezioso per caratterizzare formulazioni e compositi.

La derivata DTG

Spesso, sulla curva TGA, due processi vicini si sovrappongono e i gradini si confondono. Per questo si calcola la derivata della massa rispetto alla temperatura, chiamata curva DTG (derivative thermogravimetry). Dove la massa scende rapidamente, la DTG mostra un picco; dove la massa è stabile, la DTG è piatta. I picchi DTG individuano con precisione la temperatura di massima velocità di perdita di ogni processo, e separano eventi che sulla curva integrale apparirebbero come un unico gradino confuso.

DTG = d md T   (un picco DTG = un evento di perdita di massa)

La DTG è quindi uno strumento diagnostico fondamentale: trasforma una curva «a scalini» in una sequenza di picchi netti, ciascuno associabile a un processo specifico. Confrontare la posizione e l’area dei picchi DTG di un campione con quelli di un riferimento è un modo rapido e robusto di verificare la composizione e la coerenza di un materiale.

Atmosfera e velocità di riscaldamento

Due parametri sperimentali influenzano fortemente la curva. L’atmosfera decide se le decomposizioni sono pirolitiche (gas inerte) o ossidative (aria), e quindi la forma dei gradini e il residuo. La velocità di riscaldamento sposta gli eventi: rampe più rapide tendono a spostare le perdite verso temperature apparenti più alte e a sovrapporre processi vicini, mentre rampe lente li separano meglio. Per confrontare campioni o riferimenti è essenziale lavorare nelle stesse condizioni.

Perché conta nella pratica

Per il tecnico di laboratorio la TGA è uno strumento quotidiano: misura il contenuto di umidità di una materia prima, quantifica il riempitivo di un composito, verifica la quantità di solvente residuo, controlla la coerenza di un lotto confrontandolo con il riferimento. È rapida, richiede pochi milligrammi di campione e dà numeri direttamente utilizzabili nelle specifiche. Saperla leggere — gradini, residuo, picchi DTG — significa ricavare in pochi minuti informazioni composizionali che altrimenti richiederebbero analisi separate e più lunghe.

Domande frequenti

Che cosa misura la termogravimetria?

Misura la massa di un campione in funzione della temperatura, mentre questo viene riscaldato secondo un programma controllato in atmosfera nota. La curva risultante mostra le variazioni di massa: perdite per evaporazione di solventi e acqua, per decomposizione dei componenti, e il residuo finale che non volatilizza. Da queste perdite si ricava la composizione approssimata del materiale.

Come si calcola la perdita di massa in TGA?

Come differenza tra massa iniziale e massa finale di un gradino, divisa per la massa iniziale e moltiplicata per cento, ottenendo una percentuale. Ogni gradino della curva corrisponde a un processo: l’altezza dice quanta massa si è persa, la temperatura a quale evento attribuirla. Sommando o separando i gradini si caratterizza la composizione del campione.

A cosa serve la curva DTG?

La DTG è la derivata della massa rispetto alla temperatura: trasforma i gradini della curva TGA in picchi netti. Dove la massa scende rapidamente compare un picco, che individua la temperatura di massima velocità di perdita. È utile soprattutto per separare due processi vicini che sulla curva integrale apparirebbero come un unico gradino confuso.

Perché l’atmosfera influenza la TGA?

Perché decide il tipo di reazione. In atmosfera inerte (azoto, argon) la materia organica si pirolizza lasciando spesso un residuo carbonioso; in atmosfera ossidante (aria, ossigeno) il carbonio brucia e si allontana come anidride carbonica. La stessa sostanza può quindi dare curve e residui diversi, perciò l’atmosfera va sempre dichiarata e mantenuta costante nei confronti.

Quanto campione serve per un’analisi TGA?

Pochi milligrammi, tipicamente da qualche unità a poche decine di milligrammi, perché la termobilancia è molto sensibile. Quantità piccole e ben distribuite nel crogiolo favoriscono uno scambio termico uniforme e curve nette; campioni troppo grandi creano gradienti di temperatura che allargano e spostano i gradini. La massa esatta va comunque registrata, perché le perdite si esprimono in percentuale.