TERMOANALÍZIS

Átírás

1 ..34. Termoanalízis Ph.Hg.VIII. Ph.Eur TERMOANALÍZIS 1/5:34 javított 6.1 A termoanalízis körébe azon módszerek tartoznak, amelyekkel egy anyag valamely fizikai tulajdonságának változását a hőmérséklet függvényében mérjük. Azok a módszerek a legelterjedtebbek, amelyekkel az anyagból vett minta energia- vagy tömegváltozását mérjük. TERMOGRAVIMETRIA A termogravimetria olyan módszer, amellyel meghatározott hőmérsékleti program szerint változtatott hőmérséklet függvényében az anyagból vett minta tömegének változását regisztráljuk. Készülék. Egy termomérleg legfontosabb részei: az anyag adott hőmérsékleti program szerinti hevítésére vagy hűtésére alkalmas berendezés, szabályozható gáztérbe helyezett mintatartó, elektronikus mérleg és regisztráló berendezés. Egyes műszerekhez a mintából távozó illékony termékek vizsgálatára alkalmas egység is csatlakoztatható. A hőmérsékleti skála ellenőrzése. A hőmérséleti skálát a gyártó által mellékelt használati utasítás szerint, megfelelő anyaggal ellenőrizzük. Az elektronikus mérleg ellenőrzése. Megfelelő, bizonylattal ellátott referenciaanyagból (például CRS kalcium-oxalát-monohidrát) alkalmas mennyiséget helyezünk a mintatartóba, és regisztráljuk a tömeget. A használati utasítás szerint beállítjuk a fűtés sebességét és megkezdjük a hőmérséklet emelését. Felvesszük a termogravimetriás görbét, amely a hőmérséklet vagy az idő függvényében (az abszcisszán balról jobbra növekedő értékekkel) ábrázolja a tömegváltozást (az ordinátán felfelé növekedő értékekkel). A hőmérséklet emelését kb. 3 C-on megszüntetjük. Az ábrán lemérjük a tömeg idő vagy a tömeg hőmérséklet görbe kezdeti és végső egyenes szakaszai közti különbséget; ez felel meg a tömegveszteségnek. A bizonylattal ellátott referenciaanyag deklarált tömegvesztesége a feliraton fel van tüntetve. Vizsgálat. A vizsgálandó anyaggal a fentiek szerint járunk el, de figyelembe vesszük a megfelelő cikkelyben előírt körülményeket. A kapott ábrán mért különbség alapján kiszámoljuk a vizsgálandó anyag tömegveszteségét, amelyet Δ m/m %-ban adunk meg.

2 ..34. Termoanalízis Ph.Hg.VIII. Ph.Eur Amennyiben a készüléket gyakran használjuk, elegendő, ha a hőmérsékleti skálát és az elektronikus mérleget szabályos időközönként ellenőrizzük. Egyébként minden mérés előtt el kell végezni az ilyen ellenőrzéseket. Mivel a vizsgálati gáztér fontos tényező, a gáz nyomását, illetve áramlási sebességét, valamint összetételét minden egyes mérés alkalmával fel kell jegyezni. PÁSZTÁZÓ DIFFERENCIÁLKALORIMETRIA A pásztázó differenciálkalorimetria (Differential Scanning Calorimetry; DSC) olyan módszer, amellyel adott anyag (vagy keverék) hevítés (vagy hűtés) folyamán lezajló energiaváltozásait követhetjük, továbbá meghatározhatjuk entalpia- és fajhőváltozásait, valamint azokat a hőmérsékleteket, amelyeken ezek a változások végbemennek. A módszert annak a hőmérsékletre vonatkoztatott hőáramlás-különbségnek a hőmérséklet függvényében történő meghatározására használjuk, amely a vizsgálati minta és az összehasonlító cella között mutatkozik az elnyelt vagy felszabadult hő következtében. A DSC készülékeknek két típusa használatos. Az egyik típus esetében energiakompenzációval zéró hőmérsékletkülönbséget tartunk fenn a minta és a referenciaanyag között, a másik típus esetében pedig állandó felfűtési sebességet alkalmazunk, és a minta és a referenciaanyag közti hőáramlásbeli különbséget a hőmérséklet differenciálhányadosaként regisztráljuk. Készülék. Az energiakompenzációs készülék fő része a kemence, amelyben a referenciacellát és a vizsgálati cellát tartalmazó mintatartó található. A hőáramláskülönbség mérésén alapuló készülék kemencéjében egyetlen cella van, a referenciatégely és a mintatégely elhelyezésére szolgáló mintatartóval. A készülék további alkotóelemei: számítógéphez csatlakoztatható hőmérsékletprogramozó, hőértékelő(k) és regisztrálóberendezés. A méréseket szabályozott gáztérben kell végezni. A készülék kalibrálása. A készülék hőmérsékleti- és entalpia-skáláját nagy tisztaságú indiummal vagy egyéb, megfelelő bizonylattal ellátott anyaggal kalibráljuk, a használati utasítás szerint. A linearitást két fém pl. indium és cink kombinációjával ellenőrizhetjük. Vizsgálat. A vizsgálandó anyag megfelelő mennyiségét megfelelő tégelybe mérjük és a tégelyt a mintatartóba helyezzük. A cikkelyben előírtak alapján beállítjuk a kezdeti és a végső hőmérsékletet, valamint a felfűtési sebességet.

3 ..34. Termoanalízis Ph.Hg.VIII. Ph.Eur Elkezdjük a vizsgálatot és felvesszük a differenciáltermoanalitikai görbét, amely az abszcisszán a hőmérsékletet vagy időt (balról jobbra növekvő értékekkel), az ordinátán pedig az energiaváltozást (a változás endoterm vagy exoterm jellegének megfelelően beállítva) ábrázolja ábra. Termogram Az a hőmérséklet, amelyen az átalakulás bekövetkezik (kezdeti hőmérséklet) megfelel a meghosszabbított alapvonal és a legnagyobb meredekség pontjához (inflexiós pont) szerkesztett érintő metszéspontjának (A) (lásd a ábrát). A hőmérsékletfüggő átalakulás befejeződését a görbe csúcsa jelzi. Az átalakulás entalpiája arányos az alapvonaltól mért görbealatti területtel; az arányossági tényezőt valamely ismert anyag (pl. indium) olvadáshőjének ugyanazon körülmények között végzett mérésével határozzuk meg. Minden termogramnak tartalmaznia kell a következő adatokat: az alkalmazott körülmények, a legutóbbi kalibrálás eredménye, a minta mérete és azonosítása (beleértve a korábbi hőkezeléseket is), tartály, gáztér (megnevezés, áramlási sebesség, nyomás), a hőmérsékletváltozás iránya és sebessége, a műszer és a regisztráló berendezés érzékenysége. Alkalmazások. Fázisátalakulások. Meghatározzuk az anyagnak a hőmérséklet függvényében mutatott fázisátalakulásaira jellemző hőmérsékletet, hőkapacitásváltozást, valamint entalpiát.

4 ..34. Termoanalízis Ph.Hg.VIII. Ph.Eur szilárd-szilárd átalakulás: szilárd-folyadék átalakulás: szilárd-gáz átalakulás: folyadék-szilárd átalakulás: folyadék-gáz átalakulás: allotrópia-polimorfia üvegesedés deszolvatáció amorf-kristályos olvadás szublimáció fagyás átkristályosodás párolgás Kémiai átalakulások. Adott kísérleti körülmények között végbemenő reakció reakcióhőjének és reakcóhőmérsékletének mérése. Ezáltal lehet meghatározni pl. valamely bomlás vagy deszolvatáció kinetikáját. Fázisdiagramok. Szilárd elegyek fázisdiagramjainak elkészítése. A fázisdiagram elkészítése fontos lépés lehet valamely gyógyszerkészítmény összetételének kialakításában és a fagyasztva-szárítás folyamatának optimalizálásában. A tisztasági fok meghatározása. DSC-vel mérve az olvadáshőt és az olvadáspontot, néhány milligramm mintából, egyetlen termodiagram felvételével meghatározhatjuk adott anyagban a szennyező mennyiségét és feleslegessé válnak a tényleges hőmérséklet (olvadáspont) meghatározásához szükséges, pontos és többször megismételt mérések. Elméletileg, egy teljes egészében kristályos, tiszta anyag olvadása állandó nyomáson ΔH f olvadáshővel jellemezhető. A folyamat egy végtelenül keskeny hőmérsékleti tartományban, a T olvadáspontnak megfelelő hőmérsékleten megy végbe. E tartomány kiszélesedése érzékenyen jelzi a szennyezéseket. Ennélfogva, ugyanazon anyag mintái, amelyek csak a bennük lévő szennyező néhány tized százalékában térnek el egymástól, olyan termodiagramokat adnak, amelyek vizuálisan is megkülönböztethetők (lásd a ábrát).

5 ..34. Termoanalízis Ph.Hg.VIII. Ph.Eur ábra. Termodiagramok tisztaságfüggése A szennyezések móltörtjének DSC-vel végezhető meghatározásához a Van t Hoff egyenlet integrált formájának binér rendszerek koncentrációira (nem aktivitásaira) alkalmazott matematikai közelítése [ln(1 x ) = x és T T = T ] szolgál alapul: T RT = T, (1) x ΔH f ahol x = a szennyező móltörtje, azaz a szennyező mólszáma osztva az összes mólszámmal a folyékony fázisban (vagy olvadékban) T (kelvin fok) hőmérsékleten, T = a kémiailag tiszta anyag olvadáspontja (kelvin fokban), Δ H f = az anyag moláris olvadáshője, joule-ban,

6 ..34. Termoanalízis Ph.Hg.VIII. Ph.Eur R = gázállandó ideális gázokra, joule.kelvin -1.mól -1 -ban. A szennyezettség pásztázó differenciálkalorimetriás meghatározása olyan szennyezőkre korlátozódik, amelyek a fő alkotórésszel eutektikus elegyet képeznek és koncentrációjuk a vizsgálandó anyagban mólszázaléknál kisebb. A módszer nem alkalmazható amorf anyagokra, szolvátokra vagy olyan polimorf vegyületekre, amelyek a vizsgált hőmérsékleti tartományban instabilok, olyan szennyezőkre, amelyek a fő alkotórésszel szilárd oldatot képeznek, olyan szennyezőkre, amelyek a folyékony fázisban, illetőleg a fő alkotórész olvadékában nem oldódnak. A vizsgálandó anyag hevítése folyamán a szennyezőnek teljesen meg kell olvadnia az eutektikus elegy hőmérsékletén. Ennél magasabb hőmérsékleten a szilárd fázis csak a tiszta anyagot tartalmazza. Amint a hőmérséklet az eutektikus elegy hőmérsékletétől folyamatosan emelkedik a tiszta anyag olvadáspontjáig, a szennyező móltörtje a folyadékfázisban állandó csökkenést mutat, minthogy az elfolyósodott tiszta anyag mennyisége folyamatosan nő. Az eutektikus pont feletti bármely hőmérsékletre: 1 x = x, () F ahol F = a vizsgált minta megolvadt része, x = a szennyező móltörtje a vizsgált mintában. Ha az egész minta megolvadt, F = 1 és x = x. A ) egyenletet az 1) egyenletbe helyettesítve: T = T xrt ΔH f 1 F Az olvadáshő értékét az olvadást jelző csúcs integrálásával kapjuk meg.

7 ..34. Termoanalízis Ph.Hg.VIII. Ph.Eur A tiszta anyag olvadáspontját (T ) a kelvin fokban kifejezett hőmérséklet függvényében felvett 1/F görbéből nyerjük extrapolálással. A görbe szükség esetén linearizációval nyert meredekségéből (α), amely nem más, x mint RT, megkaphatjuk x értékét. Δ H f Az x móltörtet százzal szorozva megkapjuk az összes eutektikumképző szennyező mólszázalékát. TERMOMIKROSZKÓPIA A fázisátalakulások a termomikroszkópia segítségével szemmel is követhetők; a módszer lehetővé teszi, hogy adott mintát polarizált fényben, mikroszkóppal vizsgálhassunk egy megfelelően programozott hőmérsékletváltozás folyamán..a termomikroszkópos megfigyelések lehetővé teszik, hogy a termogravimetria és a differenciál termoanalízis alkalmazása során mutatkozó átalakulások mibenlétét egyértelműen azonosítsuk. Készülék. A készülék részei: fénypolarizátorral és fűthető tárgyasztallal felszerelt mikroszkóp, a hőmérsékletet és a fűtési (vagy hűtési) sebességet programozó egység, valamint az átalakulási hőmérsékleteket regisztráló berendezés. Videokamera és videolejátszó csatlakoztatás is lehetséges.