Konstrukce a interpretace fázových diagramů
http://www.atilim.edu.tr/~ktur/ktur/images/chocolate%20phase%20diagram.gif
J. Leitner Ústav inženýrství pevných látek VŠCHT Praha
1
O čem to bude ?
Co jsou FD a k čemu slouží Trocha historie Jak na to Několik (snad zajímavých) příkladů Nová proměnná: „nanorozměr“ Co říci závěrem?
2
Co je fázový diagram ?
3
Chemie, chemická technologie
Metalurgie, materiálové inženýrství
Biochemie, farmacie, potravinářská chemie
Využití FD Geochemie, chemie životního prostředí
4
O čem to bude ? 5 Co jsou FD a k čemu slouží
Trocha historie
5
Kdo to vymyslel ? Josiah Willard Gibbs (1839-1903) On the Equilibrium of Heterogeneous Substances (1876, 1878) • Základy termodynamiky • Matematický popis fázových rovnovah • Fázové pravidlo
Hendrik Willem Bakhuis Roozeboom (1854-1907) Die heterogenen Gleichgewichte vom Standpunkte Der Phasenlehre (1901) • Praktické použití (Gibbsova) fázového pravidla • Grafická reprezentace fázových rovnovah (FD) 6
Rané experimenty Sir William Chandler Roberts-Austen (1843-1902) 1875 – křivka likvidu (teploty tuhnutí) slitin Ag-Cu
1897 – fázový diagram systému Fe-C
7 Měření teploty
Měření teploty 1900 1850
1892 – optický pyrometr (Le Châtelier) 1887 – termočlánek Pt-Pt/Rh (Le Châtelier) 1871 – odporový teploměr (Siemens)
1848 – termodynamická teplotní stupnice (Thomson) 1821 – termoelektrický jev, termočlánek (Seebeck)
1800 1750 1700
1742 – Celsiova stupnice 1714 – skleněný teploměr se rtutí (Fahrenheit)
1650 1600 1550
1592 – první „praktický“ teploměr (Galileo) 8
O čem to bude ? 5 Co jsou FD a k čemu slouží 5 Trocha historie
Jak na to
9
Přímé experimentální stanovení
Přímý teoretický výpočet ab-initio
Výpočet z termodynamických dat získaných experimentálně, teoretickým výpočtem nebo kvalifikovaným odhadem
10
Dnešní experimentální možnosti Ji-Cheng Zhao (Ed.): Methods for phase diagram determinations, Elsevier, 2007 (ISBN-13: 978-0080446295) Rovnováhy (s)-(l) a (s)-(s) Podle teplotního režimu: • Statické (rovnovážné), T = konst. Stanovení rovnovážného složení koexistujících fází (chemická analýza, XRD, metalografie, OM, SEM-EDS, EPMA-WDS aj.).
• Dynamické, T = f(t). Přímé stanovení průběhu hranic oblastí stability fází (DTA/DSC, termomikroskopie, dilatometrie, elektrický odpor/vodivost, nasycená magnetizace, susceptibilita aj.).
Podle způsobu analýzy: • In-situ HT-XRD, termomikroskopie, DTA/DSC, TGA, p(O2) - (coulometric titration), měření elektrických a magnetických vlastností aj.
• Ex-situ („cook and look“)
11
Analýza „zakalených“ vzorků metodami XRD, SEM-EDS, EPMA-WDS aj.
Dnešní experimentální možnosti
[T1]
[x2] 12
Výpočet FD z termodynamických dat 0
[p]
vapor
β
-400
A
C
solid
B
-600
-800
-1000
T 200
F
400
T 600
S
800
T
B
1000
1200
1400
T [K]
dp ∆α→β H m = dT T ∆α→βVm (solid)
Tlak
µi = µi
liquid
Gm [kJ/mol]
α
-200
(liquid)
A
C
B
(vapor)
T
Teplota
dlnp ∆α→g H m = dT RT132
Výpočet FD z termodynamických dat
µiLIQUID = Gmo ( i,LIQ ) + RT ln xiLIQ + RT ln γ iLIQ
Ge
µ
LIQUID i
Si
µiDIAMOND_A4 = Gmo ( i,DIA ) + RT ln xiDIA + RT ln γ iDIA
=µ
DIAMOND_A4 i
, i = Ge,Si
14
Výpočet FD z termodynamických dat
Si
µiLIQUID = Gmo ( i,LIQ ) + RT ln xiLIQ + RT ln γ iLIQ
µi(s) = Gmo ( i,s ) Ag
µ
LIQUID i
= µ , i = Ag,Si (s) i
15
O čem to bude ? 5 Co jsou FD a k čemu slouží 5 Trocha historie 5 Jak na to
Několik příkladů
16
Výroba léčiv (stabilita polymorfních forem) Význam ve farmacií Tepelná stabilita – tenze par, sublimace, tání Rozpustnost a rychlost rozpouštění (biodostupnost) Patentová ochrana
17
400
solid-II
orthorombic 300
solid-I
monoclinic p(MPa)
T = 489.1 K; p = 256.2 MPa 200
100
liquid
0.0006
0 liquid
p(MPa)
0.0004
420 solid-I
400
T = 440.6 K; p = 12.6 Pa 420
440
vapor
460
480
500
520
T (K)
0.0002
0.0000
T = 440.6 K; p = 12.6 Pa
440
460
T (K)
vapor 480
500
18
Výroba léčiv (nízkotající eutektika) Význam ve farmacií Směsi API + excipient resp. API-1 + API-2 vykazují nižší teploty tání než jednotlivé čisté látky → možné komplikace při výrobě (sušení, tabletování), zhoršená stabilita (skladování).
19
Účinné látky Propyphenazon (PP), Paracetamol (PA), Kofein (CA)
20
Účinné látky Propyphenazon (PP), Paracetamol (PA), Kofein (CA)
21
Účinné látky Propyphenazon (PP), Paracetamol (PA), Kofein (CA)
MELT
Teut = 61 °C22
Výroba léčiv (směsné krystaly) Směsné molekulární krystaly Wiktionary: „A crystal, often a large-molecule crystal, having two or more
distinct molecular components within the crystal lattice“
Význam ve farmacií API + „co-former“ → jiné fyzikální vlastnosti, jiná biodostupnost, jiný klinický efekt.
23
Účinná látka Ibuprofen (IBU) Pomocná látka Kyselina stearová (SA)
24
Výroba léčiv (směsné krystaly) Směsné molekulární krystaly Příprava krystalizací z rozpouštědla
Různá rozpustnost čistých složek určuje oblasti krystalizace: • Čistého směsného krystalu (1) • • • •
API (2) Co-former (3) API + směsný krystal (4) Co-former + směsný krystal (5)
Co-crystal
25
O čem to bude ? 5 5 5 5
Co jsou FD a k čemu slouží Trocha historie Jak na to Několik příkladů
Nová proměnná: „nanorozměr“ 26
Vliv velikosti částic Rovnováha (l)-(g)
Rovnováha (s)-(l)
Zn
Au
p g Vm,l 2γ lg ln sat = p∞ RT rl
TrF M 2γ sl = 1− F ∆H mF ρs rs T∞ 27
p-T diagram
28
O čem to bude ? 5 5 5 5 5
Co jsou FD a k čemu slouží Trocha historie Jak na to Několik příkladů Nová proměnná „nanorozměr“
Co říci závěrem? 29
