La decomposizione dell’acido citrico rivelata mediante TGA-DSC-FT-IR

Introduzione

L'acido citrico è un acido tricarbossilico ampiamente utilizzato nell'industria alimentare, farmaceutica e cosmetica, nonché in applicazioni chimiche quali gli agenti chelanti e la sintesi di polimeri a base biologica. Poiché durante la lavorazione e lo stoccaggio è spesso esposto a temperature elevate, è fondamentale comprendere con precisione la sua Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica, il comportamento di disidratazione e il percorso di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione per evitare la perdita indesiderata di sostanze attive o il rilascio di prodotti di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione gassosi. L’analisi termica simultanea, abbinata all’analisi dei gas emessi, offre uno strumento potente per caratterizzare non solo la perdita di massa e i relativi effetti termici, ma anche l’identità chimica delle sostanze volatili rilasciate, consentendo un’interpretazione affidabile e inequivocabile dei processi termici sottostanti.

Condizioni di misurazione

Tabella 1: Condizioni di misurazione

Risultati e discussione

La curva TGA-DSC riportata nella Figura 1 mostra un comportamento termico a più fasi dell'acido citrico.

Fino a circa 100 °C si verifica una perdita di massa del 4, small, accompagnata da un ampio segnale EndotermicoUna transizione campionaria o una reazione è endotermica se per la conversione è necessario il calore.endotermico nella DSC con una temperatura di picco di 59 °C e un picco DTG a 66 °C. Questa fase è attribuita al rilascio di acqua di CristallizzazioneLa cristallizzazione è il processo fisico di indurimento durante la formazione e la crescita dei cristalli. Durante questo processo viene rilasciato il calore di cristallizzazione.cristallizzazione.

A 150 °C, la curva DSC mostra un picco EndotermicoUna transizione campionaria o una reazione è endotermica se per la conversione è necessario il calore.endotermico netto, dovuto alla Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione dell’acido citrico. Al di sopra di questa temperatura, il materiale entra nella regione di degradazione termica. La fase principale di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione si verifica tra circa 190 °C e 240 °C e comporta una notevole perdita di massa pari al 90,8 %. La curva DTG mostra la velocità massima di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione a 221 °C, mentre la curva DSC presenta un forte picco EndotermicoUna transizione campionaria o una reazione è endotermica se per la conversione è necessario il calore.endotermico a 223 °C. Questa stretta corrispondenza tra DTG e DSC conferma che il processo di perdita di massa più consistente è direttamente collegato a una Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. reazione di decomposizione endotermica.

I dati TGA-DSC forniscono informazioni chiare sull’intervallo di temperatura, sulla perdita di massa e sulle caratteristiche termiche degli eventi. Tuttavia, questi dati da soli non sono in grado di Identify are la natura chimica dei gas rilasciati. Per questo motivo, è essenziale abbinare l’analisi termica alla spettroscopia FT-IR della fase gassosa evoluta. Lo spettro FT-IR registrato a 60 °C, corrispondente alla prima fase di perdita di massa, mostra la struttura fine rotazionale-vibrazionale caratteristica dell’acqua gassosa nelle regioni intorno a 3500-4000 cm⁻¹ e 1300-2000 cm⁻¹, confermando che la perdita di massa iniziale a bassa temperatura è dovuta all’acqua legata fisicamente o in modo debole piuttosto che a una Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. reazione di decomposizione; si veda la Figura 2. Al contrario, lo spettro FT-IR registrato a 220 °C, che corrisponde alla fase principale di perdita di massa, rivela due caratteristiche di assorbimento dominanti: una banda doppia intorno a 2300-2360 cm⁻¹, caratteristica dell’anidride carbonica, e una banda forte e nitida intorno a 1750-1800 cm⁻¹, attribuita alle VibrazioniUn processo meccanico di oscillazione è chiamato vibrazione. La vibrazione è un fenomeno meccanico in cui si verificano oscillazioni intorno a un punto di equilibrio. In molti casi, le vibrazioni sono indesiderate, perché sprecano energia e creano suoni indesiderati. Ad esempio, i movimenti vibratori dei motori, dei motori elettrici o di qualsiasi dispositivo meccanico in funzione sono tipicamente indesiderati. Tali vibrazioni possono essere causate da squilibri nelle parti rotanti, da attriti non uniformi o dall'ingranamento dei denti degli ingranaggi. In genere, una progettazione accurata riduce al minimo le vibrazioni indesiderate.vibrazioni di stiramento del carbonile. Questi segnali dimostrano che la fase principale di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione è guidata dalla decarbossilazione della molecola di acido citrico, con la contemporanea formazione di frammenti contenenti carbonile.

Sintesi

La caratterizzazione termica dell’acido citrico mediante TGA-DSC simultanea, combinata con l’analisi FT-IR in fase gassosa, rivela un profilo termico in tre fasi costituito da una perdita iniziale di umidità residua, dalla Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione e da una Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione significativa guidata dalla decarbossilazione al di sopra di circa 200 °C. L’integrazione tra l’analisi termica e i dati relativi ai gas evoluti ottenuti mediante FT-IR si è rivelata essenziale per attribuire correttamente ciascun evento termico a uno specifico processo fisico o chimico, fornendo una solida base per definire i limiti di temperatura di lavorazione e stoccaggio sicuri per l’acido citrico nelle applicazioni industriali.