Smeltepunktet afgøres af, hvad

Hvad udgør et smeltepunkt?

Karakteristika, principper for bestemmelse, påvirkende faktorer, metoder til måling samt relevante regler og meget mere

Et smeltepunkt er en definerende egenskab for solide, krystallinske substanser. Det repræsenterer den temperatur, hvor materialet skifter fra sin faste form til flydende tilstand. Analysen af smeltepunktet, en form for termisk analyse, er den mest anvendte metode til karakterisering af solide, krystallinske materialer. Den finder anvendelse inden for både forskning, udvikling og kvalitetskontrol i forskellige sektorer til identifikation af krystallinske stoffer samt sikring af deres renhed.

På denne side vil du modtage essentiel viden om smeltepunktsteknologien, suppleret med praktiske anvisninger til den daglige anvendelse.

1. Hvad udgør et smeltepunkt?

Smeltepunktet er en definerende egenskab for ethvert krystallinsk fast stof. Det er den temperatur, hvor stoffets faste fase transformeres til en flydende fase. Denne transformation indtræffer, når materialet opvarmes. Under selve smeltningsprocessen absorberes al tilført energi som smeltevarme, hvilket resulterer i en konstant temperatur, som vist i diagrammet nedenfor. Under denne faseovergang eksisterer materialets to fysiske tilstandsformer parallelt.

Krystallinske materialer består af små partikler, der er arrangeret i et regelmæssigt, tredimensionelt mønster - kendt som et krystallinsk gitter. Disse partikler holdes sammen af intermolekylære kræfter. Når et krystallinsk fast stof opvarmes, øges partiklernes kinetiske energi, og de vibrerer mere intenst. Dette fortsætter, indtil de tiltrækningskræfter, der binder dem sammen, gradvist svækkes. Som en konsekvens heraf nedbrydes den krystallinske struktur, og det faste materiale smelter.
Styrken af de intermolekylære kræfter bestemmer den energi, der kræves for at overvinde dem. Jo mere energi der skal bruges, jo højere bliver smeltepunktet. Derfor afspejler smeltepunktet for et krystallinsk fast stof dets gitterstruktur stabilitet.

Ved det specifikke smeltepunkt undergår materialet ikke kun en ændring i sin samlede tilstand; der sker også markante ændringer i en række andre fysiske egenskaber. Disse inkluderer termodynamiske parametre som specifik varmekapacitet, entalpi samt reologiske egenskaber som volumen og viskositet. Hertil kommer ændringer i optiske egenskaber såsom dobbeltbrydning, refleksion og lystransmission. Af disse egenskaber kan ændringen i lys transmission, i modsætning til andre fysiske værdier, let måles og anvendes til at detektere smeltepunktet.

2. Hvorfor er det relevant at måle smeltepunkter?

Smeltepunkter anvendes hyppigt til at karakterisere både organiske og uorganiske krystallinske forbindelser samt til at vurdere deres renhed. Rene stoffer smelter ved en distinkt og veldefineret temperatur, typisk inden for et snævert interval på 0,5 til 1 °C. Urene eller forurenede stoffer udviser derimod generelt et bredere smelteinterval. Temperaturen, hvor et forurenet stof er fuldstændigt smeltet, er ofte lavere end for det rene modstykke. Dette fænomen, kendt som smeltepunkt-depression, kan anvendes til at opnå kvalitativ information om et stofs renhedsniveau.

Generelt tjener smeltepunktbestemmelse et dobbelt formål i laboratoriet: det understøtter forskning og udviklingsaktiviteter og bidrager til kvalitetskontrol i forskellige industrisegmenter, hvilket muliggør identifikation og renhedsvurdering af en bred vifte af stoffer.

3. Grundlæggende princip for smeltepunktbestemmelse

På det specifikke smeltepunkt observeres en ændring i lys transmissionen. Sammenlignet med andre fysiske parametre kan variationen i lys transmission nemt kvantificeres, hvilket gør det til et egnet redskab til smeltepunktsdetektion. Krystallinske pulveriserede materialer er uigennemsigtige i deres faste, krystallinske tilstand, men bliver gennemsigtige, når de overgår til væskeform. Denne markante kontrast i optiske karakteristika kan måles for at fastslå smeltepunktet. Dette gøres ved at registrere den procentvise lysintensitet, der passerer gennem prøven i kapillaren, også kendt som transmittans, i relation til den målte ovntemperatur.

Processen for et krystallinsk fast stof involverer forskellige stadier under smeltningen: Ved kollaps-punktet er materialet primært fast, med en minimal mængde smeltet substans. Ved meniskpunktet er størstedelen af materialet smeltet, men der er stadig rester af fast stof til stede. Klart-punktet signalerer den fuldstændige overgang til flydende form.

5. Farmakopéens standarder for smeltepunktbestemmelse

Farmakopéens krav til smeltepunktbestemmelse omfatter både minimumskrav til udformningen af smeltepunktsapparaterne og til selve udførelsen af målingen.

Farmakopéens krav opsummeret:

Anvend kapillærer med en ydre diameter på 1,8 mm og en vægtykkelse på 0,2 mm.
Følg en konstant opvarmningshastighed på 1 °C/min.
Medmindre andet er specificeret, registreres temperaturen ved afslutningen af smeltningen i de fleste farmakopéer ved punkt C (End of Melting = Clear Point), hvilket indikerer, at der ikke længere er fast stof til stede.
Den registrerede temperatur refererer til den lokale temperatur ved varmeblokken, som kan være et oliebad eller en metalblok, hvor termoelementet er placeret.

METTLER TOLEDOs smeltepunktsinstrumenter opfylder uden undtagelse farmakopéernes standarder.

For yderligere detaljer vedrørende internationale normer og standarder, besøg venligst vores hjemmeside.

6. Optimal prøveforberedelse

En grundig og korrekt prøveforberedelse er fundamental for at opnå præcise resultater ved smeltepunktmåling.

Til prøveforberedelse kræves det, at et tørt, pulveriseret stof males i en morter og derefter fyldes i kapillærerne, som herefter anbringes i ovnen. Kassen med tilbehør til smeltepunktsanalyse indeholder sæt af smeltepunktskapillærer, en agatstøder og morter, en pincet, en spatel (b) samt fem kapillærfyldningsværktøjer (a). Desuden medfølger tre smeltepunktsstandarder - enten METTLER TOLEDOs referencestoffer (Benzophenon, Benzoesyre, Saccharin) eller USP-standarder (Koffein, Vanillin, Acetanilid).

Fremgangsmåde for prøveforberedelse med METTLER TOLEDOs smeltepunktsværktøjer:

Trin 1: Først skal prøven tørres grundigt i en eksikkator. Derefter males en lille mængde af prøven fint i en morter.

Trin 2: Flere kapillærer forberedes sideløbende til måling med et METTLER TOLEDO-instrument. Kapillærfyldningsværktøjet assisterer optimalt med påfyldningen, idet de tomme kapillærer fastholdes sikkert i et stift greb. Det er let at opsamle en lille prøveportion fra en morter ved hjælp af dette værktøj.

Trin 3: Den lille mængde prøve, der er placeret øverst i kapillærerne, flyttes derefter ned i bunden ved at slippe grebet og forsigtigt banke kapillærerne mod bordet gentagne gange. Denne manøvre sikrer en tæt pakning af prøven i kapillærens bund og forhindrer dannelsen af luftlommer.

Trin 4: Den korrekte fyldningshøjde kan kontrolleres ved hjælp af den indgraverede lineal på kapillærfyldningsværktøjet. Generelt bør den fyldte højde ikke overstige 3 mm.

Trin 1 af prøveforberedelsen til en smeltepunktsanalyse

Trin 2a af prøveforberedelsen til en smeltepunktsanalyse

Trin 2b af prøveforberedelsen til en smeltepunktsanalyse

Trin 3 af prøveforberedelsen til en smeltepunktsanalyse

Trin 4 af prøveforberedelsen til en smeltepunktsanalyse

7. Instrumentopsætning

Udover en korrekt prøveforberedelse er instrumentets indstillinger afgørende for præcis smeltepunktbestemmelse. Et korrekt valg af starttemperatur, slutningstemperatur og opvarmningshastighed er essentielt for at undgå unøjagtigheder forårsaget af forkert eller for hurtig temperaturstigning i prøven:

a) Starttemperatur

Smeltepunktbestemmelsen initieres ved en forudbestemt temperatur, der ligger tæt på det forventede smeltepunkt. Indtil denne starttemperatur opvarmes varmeblokken hurtigt. Ved nået starttemperatur indsættes kapillærerne i ovnen, og temperaturstigningen begynder med den definerede hastighed.
Generel formel til beregning af starttemperaturen: Starttemperatur = forventet MP - (5 min opvarmningshastighed)

b) Opvarmningshastighed

Opvarmningshastigheden definerer den konstante temperaturstigning mellem start- og sluttemperaturen under opvarmningscyklussen.
Resultaterne er stærkt afhængige af opvarmningshastigheden - jo højere hastighed, desto højere observeret smeltepunktstemperatur.
Farmakopéerne foreskriver en ensartet opvarmningshastighed på 1 °C/min. For maksimal præcision og for ikke-nedbrydelige prøver anbefales 0,2 °C/min. Ved stoffer, der nedbrydes, bør en hastighed på 5 °C/min anvendes. Til indledende undersøgelser kan en opvarmningshastighed på 10 °C/min benyttes.

c) Sluttemperatur

Den maksimale temperatur, der skal opnås under bestemmelsen.
Generel formel til beregning af sluttemperaturen: Sluttemperatur = forventet MP + (3 min opvarmningshastighed)

d) Termodynamisk / Farmakopé-tilstand

Der findes to tilstande for evaluering af smeltepunkter: Farmakopé smeltepunkt og termodynamisk smeltepunkt. Farmakopé-tilstanden tager ikke højde for, at ovnens temperatur afviger (er højere) under opvarmningsprocessen sammenlignet med prøvens temperatur. Dette betyder, at ovnens temperatur måles i stedet for prøvens faktiske temperatur. Som følge heraf er farmakopé-smeltepunktet stærkt influeret af opvarmningshastigheden. Derfor er målingerne kun sammenlignelige, hvis der anvendes identiske opvarmningshastigheder.
Det termodynamiske smeltepunkt opnås derimod ved at subtrahere produktet af en termodynamisk faktor 'f' og kvadratroden af opvarmningshastigheden fra farmakopé-smeltepunktet. Den termodynamiske faktor er en empirisk fastlagt, instrumentspecifik konstant. Det termodynamiske smeltepunkt er den fysisk korrekte smeltepunktstemperatur. Denne værdi er uafhængig af opvarmningshastigheden eller andre parametre. Denne måling er yderst værdifuld, da den muliggør sammenligning af smeltepunkter for forskellige substanser uafhængigt af den specifikke forsøgsopsætning.

8. Kalibrering og justering af et smeltepunktsinstrument

Før enheden tages i brug, anbefales det at verificere dens målenøjagtighed. For at kontrollere temperaturnøjagtigheden kalibreres instrumentet ved hjælp af standarder med kendte og certificerede smeltepunkter. På denne måde kan de nominelle værdier, inklusive tolerancer, sammenlignes med de faktiske målte resultater.

Hvis kalibreringen fejler, dvs. hvis de målte temperaturværdier ikke stemmer overens med de certificerede nominelle værdier for de pågældende referencestoffer, er det nødvendigt at foretage en justering af instrumentet.

For at sikre pålidelige målinger anbefales det at kalibrere ovnen med certificerede referencestoffer regelmæssigt, mindst én gang om måneden.

Melting Point Excellence-instrumenterne forlader fabrikken efter at være blevet finjusteret ved hjælp af METTLER TOLEDOs referencestoffer. En kalibrering over tre punkter udføres med benzophenon, benzoesyre og koffein, efterfulgt af en justeringsprocedure. Justeringen verificeres derefter ved en kalibrering med vanillin og kaliumnitrat.

9. Indflydelsen af opvarmningshastighed på smeltepunktsmålingen

Resultaterne er stærkt afhængige af opvarmningshastigheden - jo hurtigere opvarmning, desto højere observeret smeltepunktstemperatur. Årsagen er, at smeltepunktstemperaturen, af tekniske årsager, ikke måles direkte i selve prøven, men snarere uden for kapillaren ved varmeblokken. Dette medfører, at prøvens temperatur halter bagefter ovnens temperatur. Jo højere opvarmningshastigheden er, desto hurtigere stiger ovntemperaturen, hvilket forstærker forskellen mellem det målte smeltepunkt og den sande smelteværdi.

På grund af denne afhængighed af den dynamiske temperaturstigning kan smeltepunktsmålinger kun sammenlignes meningsfuldt, hvis de er udført med identiske hastighedsparametre.

Temperaturadfærd for prøve og ovn

Smeltepunktbestemmelsen indledes ved en foruddefineret temperatur, der ligger tæt på det forventede smeltepunkt. Den ubrudte røde linje illustrerer prøvens temperatur (se nedenstående figur). Ved starten af smelteprocessen er prøvens og ovnens temperaturer identiske; ovn og prøve er termisk afbalancerede på forhånd. Prøvens temperatur stiger i takt med ovnens temperatur. Det er vigtigt at bemærke, at prøvens temperatur viser en let forsinkelse i sin stigning, hvilket skyldes den tid, der kræves for varmeoverførsel fra ovnen til prøven. Under hele opvarmningsfasen vil ovnens temperatur konsekvent være højere end prøvens. På et bestemt tidspunkt smelter ovnens varme prøven inde i kapillaren. Prøvens temperatur forbliver konstant, indtil hele mængden er smeltet. Vi kan identificere forskellige ovntemperaturværdier, T_A og T_C, som definerer de respektive stadier af smelteprocessen: kollaps-punktet og klart-punktet. Prøvens temperatur inde i kapillaren stiger markant, når den er fuldt smeltet. Den følger ovnens temperatur parallelt og udviser en lignende forsinkelse som i begyndelsen af processen.

Farmakopé MP versus Termodynamisk MP

Der findes to metoder til at evaluere smeltepunkter: Farmakopé smeltepunkt og termodynamisk smeltepunkt. Farmakopé-metoden ignorerer den faktiske temperaturforskel (højere) mellem ovnen og prøven under opvarmning, hvilket betyder, at det er ovnens temperatur, der måles, ikke prøvens. Som et resultat er farmakopé-smeltepunktet stærkt påvirket af opvarmningshastigheden. Derfor er målingerne kun sammenlignelige, hvis den samme opvarmningshastighed anvendes.

Det termodynamiske smeltepunkt derimod bestemmes ved at trække det matematiske produkt af en termodynamisk konstant 'f' og kvadratroden af opvarmningshastigheden fra farmakopé-smeltepunktet. Den termodynamiske faktor er en empirisk bestemt, instrumentspecifik parameter. Det termodynamiske smeltepunkt repræsenterer det fysisk korrekte smeltepunkt (se nedenstående figur). Denne værdi er uafhængig af opvarmningshastigheden eller andre variable. Det er en yderst brugbar parameter, da den tillader sammenligning af smeltepunkter for forskellige stoffer uafhængigt af den specifikke instrumenteringsopsætning.

Temperaturstigning af prøve og ovn

Farmakopé smeltepunkt i modsætning til termodynamisk smeltepunkt

Smeltepunktmåling - praktiske råd og vejledninger

Farvede eller nedbrydelige prøver (azobenzol, kaliumdichromat, cadmiumiodid) eller prøver, der har tendens til at indfange luftbobler i smeltetilstand (urinstof), kan kræve enten en sænkning af tærskel B eller anvendelse af kriterium C til evaluering, da stigningen i transmission under smeltning ikke vil være så markant.
Prøver, der nedbrydes (sukker) eller sublimerer (koffein): Forsegl kapillaren med flamme. De flygtige komponenter genererer et overtryk inde i den lukkede kapillær, hvilket hæmmer yderligere nedbrydning eller sublimering.
Hygroskopiske prøver: Forsegl kapillaren med flamme.
Opvarmningshastighed: Standard er 1 °C/min. For maksimal præcision og ikke-nedbrydelige prøver anvendes 0,2 °C/min. Ved nedbrydelige stoffer anbefales 5 °C/min; til indledende undersøgelser kan 10 °C/min benyttes.
Starttemperatur: 3-5 minutter før, eller 5-10 °C under, det forventede smeltepunkt (svarende til 3-5 gange opvarmningshastigheden).
Sluttemperatur: En vellykket målekurve kræver en sluttemperatur, der ligger cirka 5 °C over det observerede punkt.
Anvend det termodynamiske smeltepunkt, hvis SOP og instrument understøtter dette. Det termodynamiske smeltepunkt er den fysisk korrekte måling og er uafhængig af instrumentets parametre.
Uk korrektprøveforberedelse: Prøven, der skal analyseres, skal være fuldstændig tør, homogen og i pulverform. Fugtige prøver skal tørres forudgående. Grovkrystallinske og ikke-homogene prøver skal males fint i en morter. For at sikre ensartede resultater er det essentielt at fylde alle kapillarrør til samme niveau og komprimere stoffet effektivt i kapillærerne.
Det anbefales at anvende smeltepunktskapillærer af høj præcision, som sikrer meget nøjagtige og reproducerbare resultater, såsom dem fra METTLER TOLEDO. Ved anvendelse af andre kapillærer skal instrumenterne kalibreres og om nødvendigt justeres med disse kapillærer.

Har du specifikke spørgsmål, vi kan besvare?

Effekten af urenheder på smeltepunktet - Smeltepunktsdepression

Smeltepunktsdepression er et fænomen, hvor smeltepunktet for et forurenet eller urent materiale reduceres sammenlignet med det rene materiale. Årsagen hertil er, at urenheder svækker de gitterbindinger, der holder en fast krystallinsk prøve sammen. Derfor kræves der mindre energi for at bryde tiltrækningskræfterne og opløse den krystallinske struktur.

Smeltepunktet fungerer således som en værdifuld indikator for renhed, da en generel sænkning og udvidelse af smelteintervallet observeres, efterhånden som niveauet af urenheder stiger.

Bestemmelse af blandet smeltepunkt

Hvis to stoffer viser samme smeltepunkt, kan en undersøgelse af deres blandede smeltepunkt afsløre, om de er identiske. Smeltetemperaturen for en blanding af to komponenter er typisk lavere end for en af de rene komponenter. Denne egenskab er kendt som smeltepunktsdepression.

Ved bestemmelse af blandede smeltepunkter blandes den pågældende prøve med et referencestof i et specifikt forhold. Hvis prøvens smeltepunkt falder ved blanding med et referencestof, kan de to stoffer ikke antages at være ens. Hvis blandingen derimod ikke viser nogen ændring i smeltepunktet, indikerer det, at prøven er identisk med det tilsatte referencestof.

Normalt foretages tre smeltepunktmålinger: for prøven, for referencestoffet og for blandingen af de to. Den teknik, der involverer bestemmelse af blandet smeltepunkt, er en væsentlig grund til, at alle avancerede smeltepunktsmaskiner er udstyret med mindst tre kapillærpladser i deres varmeblokke.

Diagram 1: Prøve og referencestof er identiske

Diagram 2: Prøve og referencestof er forskellige