Beim schmelzen bleict die temperatur gleich bis alles geschmolzen ist

Definition, Prinzip der Bestimmung, Einflussfaktoren, Tipps und Tricks zur Messung, Vorschriften und mehr

Der Schmelzpunkt ist eine charakteristische Eigenschaft eines kristallinen Feststoffs und die Temperatur, bei der die feste Phase in den flüssigen Zustand übergeht. Darüber hinaus ist der Schmelzpunkt die am häufigsten bestimmte thermische Kennzahl zur Charakterisierung kristalliner Feststoffe. Die Schmelzpunktbestimmung wird in verschiedenen Branchen in der Forschung sowie der Qualitätskontrolle verwendet, um feste kristalline Substanzen zu identifizieren und ihre Reinheit zu prüfen.

Auf dieser Seite erlangen Sie grundlegendes Wissen zur Schmelzpunkttechnik. Ausserdem erhalten Sie praktische Tipps und Tricks für Ihre tägliche Arbeit.

1. Was ist der Schmelzpunkt?

Der Schmelzpunkt ist eine charakteristische Eigenschaft eines kristallinen Feststoffs und die Temperatur, bei der die feste Phase in den flüssigen Zustand übergeht. Dieses Phänomen tritt auf, wenn die Substanz erwärmt wird. Während des Schmelzprozesses wird die gesamte der Substanz zugeführte Energie in Form von Schmelzwärme verbraucht, während die Temperatur konstant bleibt (siehe Diagramm rechts). Während des Phasenübergangs ist das Material sowohl in fester als auch in flüssiger Form vorhanden.

Kristalline Stoffe bestehen aus feinen Partikeln, die eine regelmässige, dreidimensionale Anordnung annehmen – ein Kristallgitter. Die Partikel im Gitter werden durch die Gitterkräfte zusammengehalten. Beim Erwärmen des kristallinen Feststoffs wird den Partikeln nun Energie zugeführt, wodurch sie in Bewegung versetzt werden, bis die Anziehungskräfte nicht mehr ausreichen, um die Partikel zusammenzuhalten. Die Kristallstruktur wird zerstört und der Feststoff schmilzt.
Je stärker die Anziehungskräfte zwischen den Partikeln, desto mehr Energie muss zugeführt werden, um sie zu überwinden, und desto höher ist der Schmelzpunkt. Die Schmelztemperatur eines kristallinen Feststoffs ist daher ein Indikator für die Stabilität seines Kristallgitters.

Am Schmelzpunkt ändert sich nicht nur der Aggregatzustand, sondern auch weitere physikalische Eigenschaften ändern sich erheblich. Dazu zählen thermodynamische Werte wie die spezifische Wärmekapazität und die Enthalpie sowie rheologische Eigenschaften wie Volumen oder Viskosität. Nicht zuletzt ändern sich auch die optischen Eigenschaften wie Doppelbrechung und Lichtdurchlässigkeit. Da die Lichtdurchlässigkeit verglichen mit anderen physikalischen Eigenschaften relativ einfach bestimmt werden kann, wird sie zur Bestimmung des Schmelzpunkts herangezogen.

2. Wozu wird der Schmelzpunkt gemessen?

Der Schmelzpunkt wird häufig zur Charakterisierung organischer und anorganischer kristalliner Verbindung sowie zur Bestimmung ihrer Reinheit gemessen. Reine Stoffe schmelzen bei exakten und genau definierten Temperaturen (innerhalb eines extrem geringen Temperaturbereichs von 0,5 bis 1 °C). Verunreinigte Stoffe weisen hingegen meistens einen grösseren Schmelzbereich auf. Verunreinigte Substanzen schmelzen in der Regel bei einer geringeren Temperatur als reine Substanzen. Dieses Verhalten ist als Schmelzpunkterniedrigung bekannt und kann zur qualitativen Bestimmung der Reinheit einer Substanz genutzt werden.

Grundsätzlich wird die Bestimmung des Schmelzpunkts in verschiedenen Branchen in der Forschung und Entwicklung sowie der Qualitätskontrolle verwendet, um feste kristalline Substanzen zu identifizieren und ihre Reinheit zu prüfen.

3. Prinzip der Schmelzpunktbestimmung

Am Schmelzpunkt ändert sich die Lichtdurchlässigkeit eines Stoffes. Da die Lichtdurchlässigkeit verglichen mit anderen physikalischen Eigenschaften relativ einfach bestimmt werden kann, wird sie zur Bestimmung des Schmelzpunkts herangezogen. Pulverförmige kristalline Stoffe sind im kristallinen Zustand opak und im flüssigen Zustand transparent. Dieser deutliche Unterschied in den optischen Eigenschaften kann zur Bestimmung des Schmelzpunkts gemessen werden. Dazu wird die prozentuale Intensität des Lichts, das durch die Substanz in der Kapillare scheint (d. h. die Transmission), aufgezeichnet. Dies erfolgt in Abhängigkeit von der gemessenen Ofentemperatur.

Der Schmelzprozess von kristallinen Feststoffen läuft in drei Phasen ab: Am Zerfallpunkt ist die Substanz grösstenteils fest und es ist nur eine geringe Menge an geschmolzenem Material vorhanden. Am Meniskuspunkt ist die Substanz grösstenteils geschmolzen, aber es ist noch festes Material vorhanden. Am Klarpunkt ist die Substanz vollständig geschmolzen.

4. Die Kapillarmethode

Die Schmelzpunktbestimmung wird in der Regel in dünnen Glaskapillaren mit einem Innendurchmesser von 1 mm und einer Wandstärke von 0,1 bis 0,2 mm durchgeführt. Eine fein gemahlene Probe wird bis zu einer Füllhöhe von 2 bis 3 mm in die Kapillare eingefüllt und in ein beheiztes Stativ (Flüssigkeit oder Metallblock) in geringem Abstand zu einem extrem genauen Thermometer platziert. Die Temperatur im beheizten Stativ wird mit einer vom Benutzer voreingestellten festen Rate erhöht. Zur Bestimmung des Schmelzpunkts der Probe wird der Schmelzprozess visuell überwacht. Moderne Instrumente wie die Excellence-Schmelzpunktbestimmungsgeräte von METTLER TOLEDO ermöglichen eine automatische Bestimmung des Schmelzpunkts und Schmelzbereichs sowie die visuelle Überwachung durch eine Videokamera. Die Kapillarmethode wird durch viele lokale Pharmakopöen als Standardtechnik für die Schmelzpunktbestimmung vorgeschrieben.

Mit den Excellence-Schmelzpunktbestimmungsgeräten von METTLER TOLEDO können bis zu sechs Kapillaren gleichzeitig gemessen werden.

5. Anforderungen der Pharmakopöe an die Schmelzpunktbestimmung

Die Anforderungen der Pharmakopöen an die Schmelzpunktbestimmung umfassen Mindestanforderungen für die Bauweise des Schmelzpunktbestimmungsgeräts und für die Durchführung der Messung.

Die Anforderungen der Pharmakopöen auf einen Blick:

• Nutzen Sie Kapillaren mit Aussendurchmessern von 1,3 bis 1,8 mm und einer Wandstärke von 0,1 bis 0,2 mm.
• Heizen Sie mit einer konstanten Heizrate von 1 °C/min.
• Wenn nicht anders angegeben, schreiben die meisten Pharmakopöen vor, dass die Temperatur am Schmelzende an Punkt C (Ende des Schmelzvorgangs = Klarpunkt) aufgezeichnet wird, wenn keine feste Substanz mehr übrig ist.
• Die aufgezeichnete Temperatur entspricht der Temperatur der Heizvorrichtung, wobei es sich um ein Ölbad oder einen Metallblock, in dem sich das Thermoelement befindet, handeln kann.

Die Schmelzpunktmessinstrumente von METTLER TOLEDO erfüllen die Anforderungen der Pharmakopöen vollständig.

Ausführliche Informationen zu internationalen Normen und Standards finden Sie unter

www.mt.com/MPDP-norms

6. Gute Probenvorbereitung

Eine gute Probenvorbereitung ist für eine genaue Messung des Schmelzpunkts entscheidend.

Zur Probenvorbereitung wird eine trockene, pulverförmige Substanz in einem Mörser gemahlen und in Kapillaren gefüllt, die anschliessend in den Ofen geschoben werden. Die Zubehörbox zur Schmelzpunktbestimmung enthält Sätze aus 150 Schmelzpunktkapillaren, einen Achatpistill und Mörser, Pinzetten, einen Spatel und fünf Kapillarenbefüllungsinstrumente. Darüber hinaus enthält die Zubehörbox drei Schmelzpunktstandards: entweder die Schmelzpunkt-Referenzsubstanzen von METTLER TOLEDO (Benzophenon, Benzoesäure, Saccharin) oder die USP-Schmelzpunkt-Referenzstandards (Koffein, Vanillin, Acetanilid).

Probenvorbereitung mit Tools für die Schmelzpunkbestimmung von METTLER TOLEDO:

Schritt 1: Zuerst muss die Probe in einem Exsikkator getrocknet werden. Dann wird ein kleiner Teil der Probe in einem Mörser fein gemahlen.

Schritt 2: Mehrere Kapillaren werden gleichzeitig vorbereitet, um sie in einem METTLER TOLEDO-Schmelzpunktbestimmungsgerät zu messen. Das Tool zum Befüllen der Kapillaren erleichtert das Befüllen, da die leeren Kapillaren in einer Art Klammer sicher gehalten werden. Mit dem Werkzeug kann ausserdem mühelos ein kleiner Teil der Probe aus einem Mörser entnommen werden.

Schritt 3: Die kleine Menge der Probe am oberen Ende der Kapillaren wird dann in den Kapillaren nach unten bewegt, indem die Kapillaren aus der Klammer genommen und mehrmals vorsichtig auf den Tisch geklopft werden. Dadurch sammelt sich die Probe am Boden der Kapillaren, sie wird verdichtet und der Einschluss von Luftblasen wird vermieden.

Schritt 4: Die korrekte Füllhöhe kann mit der auf dem Tool eingravierten Skala geprüft werden. In der Regel sollte die Füllhöhe höchsten 3 mm betragen.

Schritt 1 der Probenvorbereitung für eine Schmelzpunktanalyse

Schritt 2a der Probenvorbereitung für eine Schmelzpunktanalyse

Schritt 2b der Probenvorbereitung für eine Schmelzpunktanalyse

Schritt 3 der Probenvorbereitung für eine Schmelzpunktanalyse

Schritt 4 der Probenvorbereitung für eine Schmelzpunktanalyse

7. Einstellungen im Gerät

Ebenso wie die richtige Probenvorbereitung sind auch die richtigen Einstellungen im Gerät von entscheidender Bedeutung, um einen Schmelzpunkt genau zu bestimmen. Zur Vermeidung von Ungenauigkeiten aufgrund einer falschen Heizrate müssen die Starttemperatur, die Endtemperatur und die Heizrate richtig eingestellt werden.

a) Starttemperatur

Die Schmelzpunktbestimmung beginnt bei einer vordefinierten Temperatur knapp unterhalb des erwarteten Schmelzpunkts. Das Heizstativ wird schnell aufgeheizt, bis die Starttemperatur erreicht ist. Sobald die Starttemperatur erreicht ist, werden die Kapillaren in den Ofen eingeführt und die Temperatur wird mit der definierten Heizrate erhöht.
Allgemeine Formel zur Berechnung der Starttemperatur:
Starttemperatur = erwarteter Schmelzpunkt – (5 min * Heizrate).

b) Heizrate

Die Heizrate ist die feste Rate der Temperatursteigerung zwischen der Start- und der Endtemperatur.
Die Qualität der Resultate ist stark von der Heizrate abhängig. Je höher die Heizrate, desto höher der gemessene Schmelzpunkt.
Pharmakopöen wenden eine konstante Heizrate von 1 °C/min an. Verwenden Sie für ein Maximum an Genauigkeit und Proben, die sich nicht zersetzen, 0,2 °C/min. Bei Substanzen, die sich zersetzen, sollte eine Heizrate von 5 °C/min verwendet werden. Für Messungen zur groben Bestimmung ist eine Heizrate von 10 °C/min ausreichend.

c) Endtemperatur

Die maximale Temperatur, die bei der Schmelzpunktbestimmung erreicht wird.
Allgemeine Formel zur Berechnung der Endtemperatur:
Endtemperatur = erwarteter Schmelzpunkt + (3 min * Heizrate).

d) Thermodynamischer/Pharmakopöe-Modus

Es gibt zwei Modi für die Schmelzpunktbestimmung: das Pharmakopöe-Verfahren und das thermodynamische Verfahren. Im Pharmakopöe-Modus wird nicht berücksichtigt, dass die Ofentemperatur während des Heizprozesses höher ist als die Probentemperatur. Das bedeutet, dass anstelle der Probentemperatur die Ofentemperatur gemessen wird. Daher ist der Schmelzpunkt bei diesem Verfahren stark von der Heizrate abhängig. Messungen sind somit nur vergleichbar, wenn die gleiche Heizrate verwendet wird.
Beim thermodynamischen Verfahren hingegen wird das Produkt aus einem thermodynamischen Faktor f und der Quadratwurzel der Heizrate vom Schmelzpunkt nach Pharmakopöe-Verfahren subtrahiert. Der thermodynamische Faktor ist ein empirisch ermittelter gerätespezifischer Faktor. Der thermodynamische Schmelzpunkt ist der physikalisch korrekte Schmelzpunkt. Er hängt nicht von der Heizrate oder anderen Parametern ab und ist besonders nützlich, da sich mit ihm die Schmelzpunkte verschiedener Substanzen unabhängig vom experimentellen Aufbau vergleichen lassen.

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8. Kalibrierung und Justierung eines Schmelzpunktbestimmungsgeräts

Bevor das Gerät in Betrieb genommen wird, sollte seine Messgenauigkeit geprüft werden. Zur Prüfung der Temperaturgenauigkeit wird das Gerät anhand von Schmelzpunktstandards mit exakten, zertifizierten Schmelzpunkten kalibriert. Auf diese Weise können die Nennwerte und ihre Toleranzen mit den tatsächlichen Messwerten verglichen werden.

Falls die Kalibrierung fehlschlägt, d. h. wenn die gemessenen Temperaturwerte nicht mit den zertifizierten Nennwerten der jeweiligen Referenzsubstanzen übereinstimmen, muss das Gerät justiert werden.

Zur Gewährleistung der Messgenauigkeit wird die regelmässige (z.B. monatliche) Kalibrierung des Ofens mit zertifizierten Referenzsubstanzen empfohlen.

Excellence-Schmelzpunktbestimmungsgeräte werden werkseitig mit Referenzsubstanzen von METTLER TOLEDO justiert. Nach einer Dreipunkt-Kalibrierung mit Benzophenon, Benzoesäure und Koffein wird eine Justierung durchgeführt. Die Justierung wird dann durch eine Kalibrierung mit Vanillin und Kaliumnitrat überprüft.

9. Einfluss der Heizrate auf die Schmelzpunktbestimmung

Die Qualität der Resultate ist stark von der Heizrate abhängig. Je höher die Heizrate, desto höher der gemessene Schmelzpunkt. Ursache hierfür ist, dass die Schmelzpunkttemperatur aus technischen Gründen nicht direkt in der Substanz, sondern ausserhalb der Kapillare am Heizblock gemessen wird. Die Probentemperatur ist daher niedriger als die Ofentemperatur. Je höher die Heizrate, desto schneller steigt die Ofentemperatur und desto grösser die Differenz zwischen dem gemessenen Schmelzpunkt und der tatsächlichen Schmelztemperatur.

Da die Schmelzpunktbestimmung stark von der Heizrate abhängig ist, sind verschiedene Messwerte nur miteinander vergleichbar, wenn sie mit der gleichen Heizrate ermittelt wurden.

Temperaturverhalten von Probe und Ofen

Die Schmelzpunktbestimmung beginnt bei einer vordefinierten Temperatur knapp unterhalb des erwarteten Schmelzpunkts. Die rote durchgezogene Linie stellt die Probentemperatur dar (siehe Abbildung unten). Zu Beginn des Schmelzprozesses sind Proben- und Ofentemperatur identisch, die Ausgangstemperatur ist also für Ofen und Probe gleich. Die Probentemperatur steigt proportional zur Ofentemperatur. Es gilt zu beachten, dass die Probentemperatur mit etwas Verzögerung steigt, da die Wärme erst vom Ofen auf die Probe übertragen werden muss. Beim Erwärmen ist die Ofentemperatur immer etwas höher als die Probentemperatur. An einem gewissen Punkt bringt die Hitze des Ofens die Probe in der Kapillare zum Schmelzen. Die Probentemperatur bleibt dann konstant, bis die gesamte Probe geschmolzen ist. Es sind verschiedene Ofentemperaturen TA und TC festzustellen, die durch die jeweiligen Stufen des Schmelzprozesses definiert werden: Zerfallpunkt und Klarpunkt. Die Probentemperatur innerhalb der Kapillare steigt deutlich an, sobald die Probe vollständig geschmolzen ist. Sie steigt parallel zur Ofentemperatur mit einer ähnlichen Verzögerung wie zu Beginn.

Pharmakopöe-Verfahren vs. thermodynamisches Verfahren

Es gibt zwei Modi für die Schmelzpunktbestimmung: das Pharmakopöe-Verfahren und das thermodynamische Verfahren. Im Pharmakopöe-Modus wird nicht berücksichtigt, dass während des Heizprozesses die Ofentemperatur höher ist als die Probentemperatur. Das bedeutet, dass anstelle der Probentemperatur die Ofentemperatur gemessen wird. Daher ist der Schmelzpunkt bei diesem Verfahren stark von der Heizrate abhängig. Die Messungen sind somit nur vergleichbar, wenn die gleiche Heizrate verwendet wird.

Beim thermodynamischen Verfahren hingegen wird das Produkt aus einem thermodynamischen Faktor f und der Quadratwurzel der Heizrate vom Schmelzpunkt nach Pharmakopöe-Verfahren subtrahiert. Der thermodynamische Faktor ist ein empirisch ermittelter instrumentenspezifischer Faktor. Der thermodynamische Schmelzpunkt ist der physikalisch korrekte Schmelzpunkt (siehe Abbildung unten). Er hängt nicht von der Heizrate oder anderen Parametern ab. Dieser Wert ist besonders nützlich, da sich mit ihm die Schmelzpunkte verschiedener Substanzen unabhängig vom experimentellen Aufbau vergleichen lassen.
 

Temperaturanstieg von Probe und Ofen

Pharmakopöe-Verfahren vs. thermodynamisches Verfahren

10. Schmelzpunktbestimmung – Tipps und Tricks

• Gefärbte oder sich zersetzende Proben (Azobenzol, Kaliumdichromat, Cadmiumiodid) oder Proben, die dazu neigen, Luftblasen in die Schmelze aufzunehmen (Harnstoff), können entweder die Absenkung des Schwellenwerts B oder die Verwendung des C-Wertes als Bewertungskriterien erfordern, da der Anstieg der Transmission während des Schmelzens nicht so hoch sein wird.
• Proben, die sich zersetzen (Zucker) oder sublimieren (Koffein): Versiegeln Sie die Kapillare mit einer Flamme. Die flüchtigen Bestandteile erzeugen in der geschlossenen Kapillare einen Überdruck, der eine weitere Zersetzung oder Sublimation verhindert.
• Hygroskopische Proben: Versiegeln Sie die Kapillare mit einer Flamme.
• Heizrate: In der Regel 1 °C/min. Verwenden Sie für ein Maximum an Genauigkeit und Proben, die sich nicht zersetzen, 0,2 °C/min. Bei sich zersetzenden Substanzen empfehlen wir 5 °C/min, bei Messungen zur groben Bestimmung 10 °C/min.
• Starttemperatur: 3 bis 5 Minuten vor bzw. 5 bis 10 °C unter dem erwarteten Schmelzpunkt (3- bis 5-fache Heizrate).
• Endtemperatur: Für eine erfolgreiche Messkurve wird eine Endtemperatur benötigt, die ca. 5 °C über dem erwarteten Ereignis liegt.
• Wenden Sie das thermodynamische Verfahren an, sofern Arbeitsanweisungen und Gerät dies zulassen. Der thermodynamische Schmelzpunkt ist der physikalisch korrekte Schmelzpunkt und von den Parametern des Geräts unabhängig.
• Falsche Probenvorbereitung: Die zu untersuchende Probe muss vollständig trocken, homogen und pulverförmig sein. Feuchte Proben müssen zuerst getrocknet werden. Grobe kristalline und nicht homogene Proben werden in einem Mörser fein gemahlen. Für vergleichbare Resultate müssen alle Kapillaren auf die gleiche Füllhöhe befüllt werden. Ausserdem dürfen keine Lufteinschlüsse in den Proben vorliegen.
• Die Verwendung von Schmelzpunktkapillaren (z. B. Kapillaren von METTLER TOLEDO), die präzise gefertigt sind und für genaue und wiederholbare Resultate sorgen, wird empfohlen. Wenn andere Kapillaren verwendet werden, sollten die Geräte mit diesen Kapillaren kalibriert und ggf. justiert werden.

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11. Auswirkung von Verunreinigungen auf den Schmelzpunkt – Schmelzpunkterniedrigung

Der Begriff „Schmelzpunkterniedrigung“ bezeichnet die Verringerung des Schmelzpunkts einer verunreinigten Probe im Vergleich zu einer reinen Probe. Ursache hierfür ist die Schwächung der Gitterkräfte in kristallinen Feststoffen durch Verunreinigungen. Infolgedessen ist weniger Energie zum Überwinden der Anziehungskräfte und Aufbrechen der Kristallstruktur erforderlich.

Der Schmelzpunkt ist daher ein nützlicher Indikator für die Reinheit, da mehr Verunreinigungen zu einem niedrigeren Schmelzpunkt und einem grösseren Schmelzbereich führen.

12. Bestimmung des Mischschmelzpunkts

Wenn zwei Substanzen bei der gleichen Temperatur schmelzen, kann eine Bestimmung des Mischschmelzpunkts Aufschluss darüber geben, ob die Substanzen identisch sind. Die Schmelztemperatur eines Gemischs aus zwei Stoffen ist in der Regel geringer als die Schmelztemperaturen der beiden reinen Substanzen. Dieses Phänomen wird als Schmelzpunkterniedrigung bezeichnet.

Für die Bestimmung des Mischschmelzpunktes wird die Probe im Verhältnis 1:1 mit einer Referenzsubstanz gemischt. Wenn der Schmelzpunkt der Probe nach dem Mischen mit der Referenzsubstanz niedriger ist, sind die beiden Substanzen nicht identisch. Bleibt der Schmelzpunkt des Gemischs gleich, ist die Probe mit der hinzugefügten Referenzsubstanz identisch.

Üblicherweise werden drei Schmelzpunkte bestimmt: für die Probe, die Referenzsubstanz und das 1:1-Gemisch aus Probe und Referenzsubstanz. Die Bestimmung des Mischschmelzpunkts ist ein wichtiger Grund dafür, dass hochwertige Schmelzpunktbestimmungsgeräte mindestens drei Kapillaren in ihren Heizblöcken aufnehmen können.

Diagramm 1: Probe und Referenzsubstanz sind identisch

Diagramm 2: Probe und Referenzsubstanz sind verschieden

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