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1. Análisis térmico: Termogravimetría.
Scarlette CasanovaMerino.
Ignacio ToledoUribe.
Nicolas VillanuevaVelásquez.
AylinZapata Jeria.
Julio-2022

2. RESUMEN
En este trabajo se aborda la termogravimetría, la cual es un tipo de método analítico
que emplea una relación entre peso vs una temperatura aplicada, además se explican
sus bases teóricas y el funcionamiento de los instrumentos utilizados en este tipo de
análisis térmico, junto a una representación gráfica de estos. Se nombrarán diversas
aplicaciones de esta técnica analítica como el análisis de composición de una muestra
o estudios respecto a la cinética de partículas y la estabilidad térmica de las
moléculas. Sin embargo, se profundizará respecto a la aplicación de la
termogravimetría en los estudios de reacciones en estado sólido, la cual consiste (en
rasgos generales) en la identificación de compuestos desprendidos de una molécula
utilizando el porcentaje de pérdida de masa.

3. INTRODUCCIÓN O MARCO TEÓRICO
En química analítica existen diversos tipos de métodos analíticos, dentro de ellos se
encuentran los análisis térmicos, los cuales representan un conjunto de técnicas que
miden las propiedades físicas de una sustancia en función del tiempo al ser sometidos
a un programa controlado de temperatura. Este tipo de análisis investiga el
comportamiento de una muestra.
Se destacan 4 tipos de análisis térmicos:
1. Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC): Se miden los cambios de entalpía con
respecto al cambio de temperatura.
2. Análisis Térmico Diferencial (DTA): Mide la diferencia de temperatura que se
acumula en un analito y una referencia.
3. Análisis Termomecánico (TMA): Se mide la deformación de una muestra cuando
esta es sometida a fuerza constante y un programa de temperatura y atmosfera
controlada.
Análisis Termogravimétrico (TGA): Se mide el cambio de masa en una muestra cuando
esta se somete a cambios de temperatura.
Figura Nº1: Curvas representativas de análisis térmico.

4. Los análisis térmicos son ampliamente utilizados en los campos científicos e
industriales, ya que permiten la realización de mediciones cuantitativas y cualitativas
en una amplia variedad de materiales que poseen un rango amplio en los cambios de
temperatura. (1)
La termogravimetría es un método dinámico que determina la variación de masa en
una muestra dentro de una atmosfera controlada en función de la temperatura a
velocidad de calentamiento o enfriamiento constante. Este análisis térmico emplea
cambios de temperatura para generar reacciones y cambios físicos en los materiales
para obtener información térmica y química. (1)
La termogravimetría se desglosa en 3 mediciones en función de la temperatura
aplicada.
1. Medición isotérmica: Es aquella en donde la temperatura es constante.
2. Medición Cuasi-isotérmica: Consiste en que la muestra se calienta hasta tener
una masa constante en cada uno de los incrementos de temperatura.
3. Medición dinámica: Es una medición con un incremento lineal de la
temperatura, donde se calienta o enfría a velocidad constante. (1)
El TGA realiza un pesaje continuo de una muestra pequeña de material en una
atmosfera controlada a medida que la temperatura aumenta con una velocidad lineal
programada. A la gráfica de pérdida de masa en función de la temperatura se le
conoce como termograma o curva de descomposición térmica. (1)
Gráfico N°1: Termograma. (2)

5. Los equipos de termogravimetría son de carga superior y ofrecen diseños atractivos
para el usuario, entregando un sistema de medición con una sensibilidad máxima. Los
hornos de estos equipos disponen de altas velocidades de enfriamiento y
calentamiento, también poseen un control de temperatura de mucha precisión en
rangos de temperatura de -150 C° a 2400 C°.
Equipo de termogravimetría: analizador termogravimétrico, modelo Shimadzu3, TGA-
50.
Imagen N°1: Termobalanza Shimadzu TGA-50 (3)
Imagen N°2: Interior de una Termobalanza. (4)
Esquema general de un equipo termogravimétrico (también conocido como
termobalanza) y sus partes.

6. Figura Nº2: Esquema General de una Termobalanza. (5)
Datos: Esquema del diseño de una termobalanza. A) Brazo, B) soporte de la muestra,
C) contador de peso, D) lámpara y fotodiodos, E) bobina, F) imán, G) control del
amplificador, H) calculador de Tara, I) amplificador, 1J) registro.
El equipo utilizado busca medir la masa en relación con la temperatura con una
resolución de 0,001 mg.
Un analizador termogravimétrico consta principalmente, de una termobalanza, un
horno, un sistema de control y medida de la temperatura, un sistema de gas de purga
y un microprocesador.
Algunas características del analizador termogravimétrico:
1. Alta sensibilidad y reproducibilidad
Utiliza un mecanismo de equilibrio de peso ligero con un fulcro de banda tensa.
Mantiene las fluctuaciones de línea de base extremadamente bajas y permite un
análisis altamente preciso y reproducible.
2. Admite una amplia variedad de medidas
 Los canales de flujo están disponibles para los gases de reacción.
 Compatible con altas temperaturas hasta 1500 °C (modelo H)
 Puede medir grandes volúmenes (modelo TGA-51).
Para la aplicación a estudiar que consiste en la degradación térmica de biomasa, se
disponen de muestras que fueron controladas desde la temperatura ambiente (~24°C)

7. hasta 900 °C con tasa de calentamiento de 10 °C/min. Las medidas de masa fueron
realizadas a cada 5 s.
A continuación, se nombrarán y describirán brevemente algunos estudios en los cuales
se utilizó la termogravimetría:
 Estudio de estabilidad térmica, polímeros.
La termogravimetría se puede aplicar en los estudios de estabilidad de polímeros
debido a que poseen diferentes estabilidades térmicas. Existen materiales que se
degradan debido a la inestabilidad que es provocada por el aumento de temperatura.
El TGA nos proporciona un método rápido para distinguir polímeros en función del
rango de la temperatura. (1)
Gráfico N°2: Descomposición térmica de cinco Polímeros. (1)
 Estudio de análisis de suelo.
La termogravimetría se puede aplicar en análisis de suelos, lo que nos permite conocer
la gehidrología, que es una rama de la ciencia donde se estudia el agua en las rocas y
los suelos. Generalmente se aplica en el área de la agricultura o en investigaciones
sobre el impacto ambiental.
Hay estudios que se basan en determinar si los suelos que se analizan podrían estar
contaminados por As, Cd, Pb, Zn. Este análisis se caracteriza principalmente por saber
la magnitud y distribución de elementos potencialmente tóxicos presentes en los
suelos. Es importante saber que algunos suelos tienen características fisicoquímicas en
las cuales se tiende a acumular metales en la superficie. Lo que provoca un riesgo a la
salud humana y del ecosistema. (6)
El análisis termogravimétrico se utilizó para determinar la pérdida de masa en función
de la temperatura. El análisis se hizo con una muestra de 35,14mg de suelo en un
rango de temperatura entre 109,27ºC a 1192,94ºC.

8. Gráfico N°3: Termograma de Descomposición de un suelo contaminado. (6)
 Estudio de nuevos compuestos químicos.
La termogravimetría se puede aplicar al área de las farmacéuticas, pues existen
estudios donde se evalúa el comportamiento de complejos metálicos con diferentes
fármacos, cuando se utilizan los iones metálicos como el Cu (II), Zn (II), Fe (II), Co
(II), Ni (II), Cd (II), se obtienen resultado de aumentos de actividad antimicrobiana y
la disminución de la resistencia a los antibióticos.
Este trabajo planteó la síntesis de dos fármacos que derivan de la pirazinamida (PZA)
que incluyen un centro del metal Co (II), con la finalidad de producir compuestos anti-
turberculosis con el potencial de acabar con los casos de cepas resistentes a PZA.
El análisis termogravimétrico se utilizó en los complejos para ver la descomposición del
complejo (A) [Co(PZA)2Cl2] y el complejo (B) [Co(PZA)2(NO3)2].H2O. Al final de la
descomposición térmica de cada complejo, los resultados que se muestran en la tabla
ayudarán a ver la pureza del complejo. (7)
Gráfico N°3: Termograma de descomposición del complejo Co-PZa. (7)

9. APLICACIÓN
Análisis termogravimétrico de biomasas utilizadas en conversión térmica perteneciente
a la industria agrícola.
En los últimos años el uso de las biomasas se ha incrementado
de manera segura, especialmente en países agrícolas y países
sudamericanos. En Chile la biomasa destinada a energía
calórica es de un 18% llegando a un 20% en algunas zonas del
sur del país, mientras que el porcentaje de participación en
energías eléctricas urbanizadas es de un 5%, proveniente de
biomasa industrial. (8) Otra participación muy activa que tienen
las biomasas en nuestro país corresponde a su uso en la
fabricación de aceites vegetales.
Las biomasas se definen como “la fracción biodegradable de los
productos, residuos y desechos de origen biológico… “ (8) por lo que la biomasa es toda
la materia orgánica capaz de ser utilizada como fuente energética o combustible, esta
definición abarca un gran conjunto de materias orgánicas que se clasifican por su origen
y por su naturaleza.
Una manera muy general de clasificar estas materias sería:
 Agrícolas y forestales
 Residuos (industriales, urbanos, aguas residuales, etc.)
La obtención de energía por medio de las biomasas se puede obtener mediante la
combustión, la gasificación y la pirólisis.
La pirólisis es un proceso de conversión de energía térmica en el cual la biomasa es
descompuesta por un aumento de temperatura, este proceso tiene un comportamiento
complejo pues en él suceden diversos tipos de reacciones simultáneas por lo que un
mecanismo de medición exacto para este tipo de reacciones aún no ha sido posible (9).
La descomposición de la pirolisis de biomasas es estudiada
por medio de análisis termogravimétrico (TGA), donde el
esquema cinético más aceptado es el de reacciones
paralelas independientes, el cual se basa en que cada
componente de la biomasa analizada reaccione de manera
independiente a una temperatura determinada y la suma de
estas reacciones describiría al proceso en su totalidad.
La biomasa contiene tres componentes principales,
hemicelulosa, celulosa y lignina. Los tres de ellos presentan
diversas energías de activación. Donde la mayor energía de
activación pertenece a la celulosa con un rango entre 125 y
225 KJ/mol, luego la hemicelulosa presenta rangos de
activación entre 100-200 KJ/mol y finalmente, la energía de
activación más baja oscila entre los 50-150 KJ/mol de la
lignina.
Gráfico N°4: Incremento de
uso de biomasas (España)
(15)
Gráfico N°5: Valores de
activación energética por
medio del Log factorial (13)

10. El objetivo de esta investigación fue el estudio de descomposición térmica de cuatro
biomasas a través del esquema de reacciones paralelas independientes y obtener una
relación entre el logaritmo del factor pre-exponencial y la energía de activación.
Las biomasas utilizadas para este trabajo fueron residuos comunes de la industria
agrícola y la industria maderera del país investigador, las
cuales fueron:
 Madera caixeta (Tabebuia cassinoidesLam), madera
común en las zonas de Brasil utilizada para la
manufacturación de lápices.
 Cascarillas de arroz (Oryza sativa L), el tipo de arroz
más abundante del mundo.
 Bagazo, el residuo de la fabricación de la azúcar a partir
de la caña.
 Hojas de caña de azúcar (Saccharum officinarumL),
planta responsable del 70% del azúcar a nivel mundial.
Estas biomasas fueron molidas utilizando un molino de
martillos, los cuales se utilizan para la molienda y trituración
de elementos pequeños y blandos-medios duros. Luego fueron
sometidas a un análisis próximo, este tipo de análisis es usado
para determinar el porcentaje de humedad y de material
inorgánico.
Una vez conocido el porcentaje de humedad en las biomasas, estas se pondrán en un
horno mufla los cuales son utilizados en los laboratorios para el secado de sustancias y
muestras. Las biomasas estuvieron en el horno hasta que él % de humedad y materia
inorgánica fuera despreciable siguiendo la norma de solidos en biomasas ASTM E1756-
08 (10).
Se realiza un análisis de poder calorífico, donde se evalúa la cantidad de producción que
tiene un combustible para evaporar una muestra húmeda y un análisis elemental,
encargado de la cuantificación de elementos presentes en materiales orgánicos (como
el carbono, el oxígeno, etc.)
El análisis termogravimétrico efectuado en esta investigación fue realizado en un
analizador termogravimétrico de origen japones (Modelo Shimadzu versión TGA-50) el
cual mide la variación de la masa con relación a la temperatura aplicada con una
resolución de 0,001 mg, además el gas utilizado para la creación de la atmosfera inerte
fue el nitrógeno.
Las variaciones de temperatura fueron desde una temperatura ambiente (24°C
aproximadamente) hasta un máximo de 900°C, con una tasa de calentamiento de
10°C/min. Para ubicar la muestra, estas fueron instaladas en un porta muestras de 6
mm de diámetro y 2,5 mm de altura. Las masas de las muestras fueron:
 Madera caixeta = 9,9 mg
 Cascarillas de arroz = 5,6 mg
 Hojas de caña de azúcar = 3,0 mg
 Bagazo = 1,6 mg

FiguraN°11: Biomasasanalizadas.
Fuente.Elaboraciónpropia
Figura N°6: Biomasas

11. A través del análisis termogravimétrico se pudieron diferenciar las diversas etapas por
las que pasa la biomasa en el proceso de descomposición térmica, siendo estas secado,
liberación de volátiles y carbonización. La etapa de secado, la cual es una técnica
analítica que se enfoca en la eliminación de agua de una muestra (11) fue registrada
entre la temperatura inicial y 150°C para todas las biomasas, la humedad liberada de
las biomasas fue de 2,7%, 5,8%, 7,3% y 3,8% para madera de caixeta, cascarilla de
arroz, hojas de caña y bagazo respectivamente. Este secado puede ser visualizado con
mayor intensidad en el intervalo de 50°C y 60°C. Entre los valores de 150°C y 200°C no
se aprecia ninguna variación de masa significativa (menor al 1%).
La etapa de liberación de volátiles, etapa en la cual se eliminan las sustancias toxicas,
fue observada entre los rangos de temperatura de 200°C y 420°C para todas las
biomasas, en esta liberación ocurre la mayor pérdida de peso para las biomasas: 69,1%,
47,2%, 68,2% y 74,5% para madera, arroz, hojas y bagazo respectivamente. Aplicando
la derivada de la curva es posible observar puntos máximos entre los 365°C y 390°C
para todas las biomasas. Los volátiles liberados en esta etapa corresponden a productos
formados por reacciones de descomposición de polímeros de la biomasa, como la
celulosa y la hemicelulosa. La lignina también entra en esta categoría, sin embargo, la
temperatura de reacción de estos volátiles ocurre aproximadamente a los 600°C.
Por encima de las 420°C comienza la etapa de carbonización de la biomasa, donde la
pérdida de masa es lenta y poca, pues el material ya elimino su material volátil y su
humedad. El residuo final luego de alcanzar los 900°C fue de 14,2%, 36,7%, 17,3% y
12,7% para madera de caixeta, cascarilla de arroz, hojas de caña y bagazo
respectivamente. Este peso final corresponde a la suma del material carbonizado y las
cenizas minerales del mismo, donde destaca que el más elevado con diferencia fue el de
la cascarilla de arroz (12).
Los datos recogidos de este análisis químico son utilizados para el cálculo de las energías
de activación mediante un análisis cinético. Como conclusión, la termogravimetría
realizada en un esquema de tres reacciones paralelas hace posible la demostración de
Gráfico N°6: Análisis (13) Gráfico N°7: Análisis termogravimétrico en
función de la derivada. (13)

12. las energías de activación de cada biomasa estudiada, las cuales varían entre los 90
KJ/mol y 220 KJ/mol .
CONCLUSIONES
La termogravimetría es una técnica perteneciente a la rama del análisis térmico, la cual
consiste en la medición de pérdida de masa de una muestra mientras se somete a un
aumento de temperatura. Esta técnica analítica es fácil de utilizar pues es económica y
la muestra analizada no necesita una preparación especial como lo podría ser la de un
análisis termo mecánico. Sin embargo, esta técnica también tiene sus defectos pues es
una técnica que no permite entregar conclusiones directas de sus resultados,
normalmente esta técnica debe de ser acompañada por una calorimetría de barrido
diferencial, otro defecto sería la necesidad de creación de una atmosfera controlada para
la ejecución de la técnica. En el caso estudiado sobre las biomasas, los datos arrojados
luego del análisis realizado deben de ser utilizados en conjunto con otras técnicas
analíticas como lo son el análisis cinético o bien el análisis próximo.
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ANEXOS