Czystość eutektyczna

Czystość eutektyczna

System eutektyczny to jednorodna mieszanina 2 składników, która topi się i krzepnie jak czysta substancja. Obecność dodatkowego składnika („zanieczyszczenie”) powoduje obniżenie temperatury topnienia głównego składnika. Efekt ten można zobrazować wykorzystując metodę DSC (Różnicową Kalorymetrię Skaningową). 

W przypadku materiałów o czystości wyższej niż 98,5% molowych można zastosować DSC do określenia ilości zanieczyszczeń w mieszaninie, a raczej czystości głównego składnika. Metodę opisano w normach ASTM E928, DIN 51004 i DIN 51007. W tym celu stosuje się uproszczone równanie Van´ta Hoffa: 

Ts: Temperatura topnienia aktualnej mieszaniny (próbki) [K]  

T0: Temperatura topnienia 100% czystej substancji [K]  

R: Stała gazowa  

X2: ułamek molowy zanieczyszczenia  

ΔHf: ciepło topnienia [J / mol]  

F: Frakcja stopiona 

To równanie można zapisać jako: 

lub jako równanie prostej na dwuwymiarowym wykresie x-y: 

y = m⋅x + b

Wartości Ts wykreślone jako funkcja 1 / F powinny dawać prostą z 

  • punktem przecięcia na osi Y:

T0

Nachylenie linii: 

W praktyce wynik zwykle nie jest linią prostą ze względu na stopienie wstępne, którego nie można dostatecznie wykryć za pomocą DSC. Linearyzację przeprowadza się przez dodanie współczynnika korekcji c do całkowitej powierzchni i do każdego obszaru częściowego: 

Współczynnik korygujący c musi być mniejszy niż 20%, aby zapewnić wiarygodność metody. 

Krzywa Ts = f (1 / F) (dane nielinearyzowane) i dane zlinearyzowane przez zastosowanie współczynnika korekcji c

Ułamek molowy domieszki (X) otrzymuje się z nachylenia krzywej zlinearyzowanej i znając ciepło topnienia czystej substancji. 

Badana substancja powinna mieć określoną temperaturę topnienia i określoną masę cząsteczkową.

  • Ta metoda badawcza nie ma zastosowania do materiałów, które rozkładają się podczas topienia.
  • Należy wyczyścić tygiel z próbką przy użyciu odpowiedniego rozpuszczalnika, a następnie przeprowadzić etap wstępnego podgrzewania.
  • Pomiary należy wykonywać przy zastosowaniu: 
    • małej szybkości ogrzewania, np. 0,3 do 0,7 K/min (ASTM E928) lub 1 K/min (DIN 51004 / DIN 51007). Większą szybkość ogrzewania można zastosować do temperatury 25 K poniżej przewidywanego efektu topnienia. 
    • małej masy próbki (około 1 do 3 mg).
  • Po zakończeniu pomiaru należy ponownie zważyć próbkę. Jeśli próbka straciła więcej niż 1% masy, dane nie mogą zostać zaakceptowane. 

Przykład: obniżenie temperatury topnienia z powodu zanieczyszczeń w mieszaninach eutektycznych

  • Główny składnik: fenacetyna; 
  • Zanieczyszczenie: kwas p-aminobenzoesowy. 

Wzrost ilości kwasu p-aminobenzoesowego w mieszaninie prowadzi do obniżenia temperatury topnienia i poszerzenia piku topnienia. Mieszanina topi się jako czysta substancja. 

DSC curves of pure phenacetin (green) and phenacetin with 2 and 5 mol% impurity


Related Methods

DSC