TERMOANALÍZIS

2.2.34. Termoanalízis

Ph.Hg.VIII. – Ph.Eur.6.1 - 1

01/2005:20234 javított 6.1

2.2.34. TERMOANALÍZIS 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. 230 °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.



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.



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.

2.2.34.-1. 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 2.2.34. – 1. 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.



szilárd-szilárd átalakulás:

allotrópia-polimorfia üvegesedés deszolvatáció amorf-kristályos

szilárd-folyadék átalakulás:

olvadás

szilárd-gáz átalakulás:

szublimáció

folyadék-szilárd átalakulás:

fagyás átkristályosodás

folyadék-gáz átalakulás:

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 ΔHf olvadáshővel jellemezhető. A folyamat egy végtelenül keskeny hőmérsékleti tartományban, a T0 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 2.2.34. – 2. ábrát).



2.2.34.-2. 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 – x2) = x2 és T × T0 = T 02 ] szolgál alapul:

RT02 T = T0 − × x2 , ΔH f

(1)

ahol x2

=

a szennyező móltörtje, azaz a szennyező mólszáma osztva az összes mólszámmal a folyékony fázisban (vagy olvadékban) T (kelvin fok) hőmérsékleten,

T0

=

a kémiailag tiszta anyag olvadáspontja (kelvin fokban),

ΔH f

=

az anyag moláris olvadáshője, joule-ban,


=

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 2 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:

x2 =

1 × x 2* , F

(2)

ahol F

=

a vizsgált minta megolvadt része,

x 2*

=

a szennyező móltörtje a vizsgált mintában.

Ha az egész minta megolvadt, F = 1 és x 2 = x 2* . A 2) egyenletet az 1) egyenletbe helyettesítve:

x 2* RT02 1 T = T0 − × F ΔH f Az olvadáshő értékét az olvadást jelző csúcs integrálásával kapjuk meg.



A tiszta anyag olvadáspontját (T0) a kelvin fokban kifejezett hőmérséklet függvényében felvett 1/F görbéből nyerjük extrapolálással. A görbe – szükség esetén linearizációval nyert – meredekségéből (α), amely nem más,

x 2* mint RT , megkaphatjuk x 2* értékét. ΔH f 2 0

Az x 2* 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.

TERMOANALÍZIS

Recommend Documents