Introduction
L'acide citrique est un acide tricarboxylique largement utilisé dans les secteurs alimentaire, pharmaceutique et cosmétique, ainsi que dans des applications chimiques telles que les agents chélateurs et la synthèse de polymères d'origine biologique. Comme il est fréquemment exposé à des températures élevées lors de sa transformation et de son stockage, il est essentiel de bien comprendre sa Stabilité thermiqueUn matériau est thermiquement stable s'il ne se décompose pas sous l'influence de la température. Une façon de déterminer la stabilité thermique d'une substance est d'utiliser un ATG (analyseur thermogravimétrique). stabilité thermique, son comportement de déshydratation et son mécanisme de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition afin d'éviter toute perte indésirable de substances actives ou le dégagement de produits de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition gazeux. L'analyse thermique simultanée, associée à l'analyse des gaz dégagés, constitue un outil puissant permettant de caractériser non seulement la perte de masse et les effets thermiques associés, mais aussi l'identité chimique des composés volatils libérés, ce qui permet une interprétation fiable et sans ambiguïté des processus thermiques sous-jacents.
Conditions de mesure
Tableau 1 : Conditions de mesure
| Instrument | STA Jupiter® FT-IR INVENIO |
|---|---|
| Échantillon | Acide citrique |
| Masse de l'échantillon | 14 mg |
| Plage de température | 30 - 400 °C |
| Vitesse de chauffage | 20 K/min |
| Atmosphère | N₂, 70 ml/min |
| Creuset | Pt, 85 μl avec couvercle perforé |
Résultats et discussion
La courbe TGA-DSC de la figure 1 montre un comportement thermique en plusieurs étapes de l'acide citrique.
Une perte de masse d'small e de 4,2 % se produit jusqu'à environ 100 °C, accompagnée d'un large signal EndothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est endothermique si la conversion nécessite de la chaleur.endothermique en DSC avec une température maximale de 59 °C et d'un pic DTG à 66 °C. Cette étape est attribuée à la libération d'eau de CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée.cristallisation.
À 150 °C, la courbe DSC présente un pic EndothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est endothermique si la conversion nécessite de la chaleur.endothermique marqué, qui résulte de la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion de l’acide citrique. Au-delà de cette température, le matériau entre dans la zone de dégradation thermique. L'étape principale de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition se produit entre environ 190 °C et 240 °C et entraîne une perte de masse importante de 90,8 %. La courbe DTG indique une vitesse de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition maximale à 221 °C, tandis que la courbe DSC présente un pic EndothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est endothermique si la conversion nécessite de la chaleur.endothermique marqué à 223 °C. Cette étroite concordance entre les courbes DTG et DSC confirme que le processus de perte de masse le plus important est directement lié à une Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. réaction de décomposition EndothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est endothermique si la conversion nécessite de la chaleur.endothermique.
Les données TGA-DSC fournissent des informations claires sur la plage de température, la perte de masse et les caractéristiques thermiques de ces événements. Cependant, ces données ne permettent pas à elles seules d’ Identify r la nature chimique des gaz libérés. C’est pourquoi il est essentiel de coupler l’analyse thermique à la spectroscopie FT-IR de la phase gazeuse dégagée. Le spectre FT-IR enregistré à 60 °C, correspondant à la première étape de perte de masse, présente la structure fine rotationnelle-vibrationnelle caractéristique de l’eau gazeuse dans les régions comprises entre 3 500 et 4 000 cm⁻¹ et entre 1 300 et 2 000 cm⁻¹, ce qui confirme que la perte de masse initiale à basse température est due à de l’eau liée physiquement ou de manière lâche plutôt qu’à une quelconque Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. réaction de décomposition (voir figure 2). En revanche, le spectre FT-IR enregistré à 220 °C, qui correspond à la principale étape de perte de masse, révèle deux pics d’absorption dominants : une bande en doublet vers 2 300–2 360 cm⁻¹, caractéristique du dioxyde de carbone, et une bande forte et nette vers 1 750-1 800 cm⁻¹, attribuée aux VibrationsUn processus mécanique d'oscillation est appelé vibration. La vibration est un phénomène mécanique par lequel des oscillations se produisent autour d'un point d'équilibre. Dans de nombreux cas, la vibration est indésirable, car elle gaspille de l'énergie et crée des sons indésirables. Par exemple, les mouvements vibratoires des moteurs, des moteurs électriques ou de tout autre dispositif mécanique en fonctionnement sont généralement indésirables. Ces vibrations peuvent être causées par des déséquilibres dans les pièces rotatives, des frottements inégaux ou l'engrènement des dents d'un engrenage. Une conception soignée permet généralement de minimiser les vibrations indésirables.vibrations d’étirement du groupe carbonyle. Ces signaux démontrent que l’étape principale de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition est due à la décarboxylation de la molécule d’acide citrique, accompagnée de la formation simultanée de fragments contenant un groupe carbonyle.
Résumé
La caractérisation thermique de l'acide citrique par TGA-DSC simultanés, associée à une analyse FT-IR en phase gazeuse, révèle un profil thermique en trois étapes comprenant une perte initiale d'humidité résiduelle, la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion et une Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition majeure induite par la décarboxylation au-delà d'environ 200 °C. Le couplage de l'analyse thermique et des données sur les gaz dégagés par FT-IR s'est avéré essentiel pour attribuer correctement chaque événement thermique à un processus physique ou chimique spécifique, fournissant ainsi une base solide pour définir des limites de température de traitement et de stockage sûres pour l'acide citrique dans les applications industrielles.