¿Qué es el punto de fusión?

Definición, principio de determinación, influencias, trucos y consejos de medición, normativas y mucho más

El punto de fusión es una propiedad característica de las sustancias sólidas cristalinas. Es la temperatura a la que la fase sólida cambia a la fase líquida. La determinación del punto de fusión es el análisis térmico que se usa con más frecuencia para caracterizar los materiales sólidos cristalinos. Se usa tanto para la investigación y el desarrollo, como para el control de calidad en varios sectores industriales con el fin de identificar sustancias sólidas cristalinas y comprobar su pureza.

En esta página, descubrirá conceptos básicos sobre la técnica de punto de fusión. Asimismo, se incluyen trucos y consejos para aplicar en el trabajo diario.

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¿Qué es el punto de fusión?
¿Por qué se miden los puntos de fusión?
Principio de determinación del punto de fusión
El método capilar
Requisitos de la farmacopea para la determinación del punto de fusión
Preparación correcta de muestras
Configuración del instrumento
Calibración y ajuste de un instrumento de punto de fusión
Influencia de la velocidad de calentamiento en la medición del punto de fusión
Medición del punto de fusión: trucos y consejos
Efecto de las impurezas en el punto de fusión: descenso del punto de fusión
Determinación del punto de fusión mixto

1. ¿Qué es el punto de fusión?

El punto de fusión es una propiedad característica de las sustancias sólidas cristalinas. Es la temperatura a la que la fase sólida cambia a la fase líquida. Este fenómeno se produce cuando la sustancia se calienta. Durante el proceso de fusión, toda la energía añadida a la sustancia se consume en forma de calor de fusión y la temperatura permanece constante (consulte el diagrama de la derecha). Durante el cambio de fase, coexisten las dos fases físicas del material.

Los materiales cristalinos se componen de finas partículas que forman una distribución tridimensional normal: una estructura reticular cristalina. Las partículas que se encuentran dentro de la estructura reticular se mantienen unidas mediante fuerzas reticulares. Cuando el material sólido cristalino se calienta, las partículas se empiezan a cargar de energía y a mover con más fuerza, hasta que finalmente las fuerzas de atracción que hay entre ellas dejan de contar con la suficiente fuerza para mantenerlas unidas. La estructura cristalina se desintegra y el material sólido se funde.
Cuanto más potentes sean las fuerzas de atracción entre las partículas, más energía se necesitará para superarlas. Así, cuanta más energía se necesite, más alto será el punto de fusión. Por tanto, la temperatura de fusión de un sólido cristalino es un indicador de la estabilidad de su estructura reticular.

En el punto de fusión no solo cambia el estado del agregado, sino que también lo hacen significativamente muchas otras características físicas. Entre estas, se encuentran los valores termodinámicos, la capacidad calorífica específica, la entalpía y las propiedades reológicas, como el volumen o la viscosidad. Por último, pero no menos importante, las propiedades ópticas (la reflexión birrefringente y la transmisión de luz) también cambian. En relación con otros valores físicos, el cambio en la transmisión de luz se puede determinar fácilmente y, por lo tanto, puede usarse para la detección del punto de fusión.

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Cuál es el punto de fusión de una sustancia

2. ¿Por qué se miden los puntos de fusión?

Normalmente, los puntos de fusión se usan para caracterizar compuestos cristalinos orgánicos e inorgánicos y para establecer su pureza. Las sustancias puras se funden a una temperatura elevada y muy definida (un intervalo de temperatura muy pequeño de 0,5 a 1 °C), mientras que las sustancias impuras y contaminadas suelen presentar un intervalo de fusión amplio. La temperatura a la que se funde todo el material de una sustancia contaminada suele ser inferior a la de una sustancia pura. Este comportamiento se conoce como descenso del punto de fusión y se puede usar para obtener información cualitativa sobre la pureza de una sustancia.

Por lo general, la determinación del punto de fusión se usa en el laboratorio tanto para la investigación y el desarrollo, como para el control de calidad en varios sectores industriales con el fin de identificar y comprobar la pureza de diferentes sustancias.

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3. Principio de determinación del punto de fusión

En el punto de fusión se produce un cambio en la transmisión de luz. En relación con otros valores físicos, el cambio en la transmisión de luz se puede determinar fácilmente y, por lo tanto, puede usarse para la detección del punto de fusión. Los materiales cristalinos en polvo son opacos en el estado cristalino y transparentes en el estado líquido. Esta clara diferencia de las propiedades ópticas se puede medir con el fin de determinar el punto de fusión registrando el porcentaje de intensidad luminosa que atraviesa la sustancia en el capilar (es decir, la transmitancia) en relación con la temperatura medida del horno.

Existen diferentes fases en el proceso de punto de fusión de una sustancia sólida cristalina: en el punto de colapso, la sustancia es mayormente sólida y contiene solo una pequeña cantidad de material fundido. En el punto de menisco, la gran mayoría de la sustancia se ha fundido, pero todavía quedan restos de material sólido. Finalmente, en el punto de claridad, la sustancia se ha fundido completamente.

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4. El método capilar

La medición del punto de fusión se realiza normalmente en tubos capilares de vidrio fino con un diámetro interior de 1 mm y un grosor de las paredes de entre 0,1 y 0,2 mm. Las muestras finamente molidas se colocan en el tubo capilar hasta un nivel de llenado de entre 2 y 3 mm y se introducen en un soporte calefactado (un baño de líquido o un bloque de metal) cerca de un termómetro de gran exactitud. La temperatura del soporte de calentamiento aumenta a una velocidad fija programada por el usuario. Se inspecciona visualmente el proceso de fusión para determinar el punto de fusión de la muestra. Los instrumentos modernos, como los instrumentos de punto de fusión Excellence de METTLER TOLEDO, permiten la detección automatizada del punto y el intervalo de fusión, y la inspección visual mediante una cámara de vídeo. El método capilar se debe llevar a cabo en numerosas farmacopeas locales como técnica estándar para la determinación del punto de fusión.

Con el empleo de los instrumentos de punto de fusión Excellence de METTLER TOLEDO se pueden medir hasta 6 capilares al mismo tiempo.

Más información sobre las ventajas de los instrumentos digitales de punto de fusión

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5. Requisitos de la farmacopea para la determinación del punto de fusión

Requisitos de la farmacopea para el punto de fusión

En los requisitos de la farmacopea relativos a la determinación del punto de fusión, se incluyen los requisitos mínimos tanto para el diseño de los aparatos de punto de fusión, como para la realización de la medición.

Descripción general de los requisitos de la farmacopea:

Use capilares con diámetros exteriores de entre 1,3 y 1,8 mm y un grosor de paredes de entre 0,1 y 0,2 mm.
Aplique una velocidad de calentamiento constante de 1 °C/min.
Si no se indica de otro modo, en la mayoría de las farmacopeas, la temperatura al final de la fusión se registra en el punto C (fin de fusión = punto de claridad) cuando no queda nada de sustancia sólida.
La temperatura registrada representa la temperatura del soporte de calentamiento, que puede tratarse de un baño de aceite o un bloque de metal, en el que se coloca el termopar.

Los instrumentos de punto de fusión de METTLER TOLEDO cumplen totalmente con los requisitos de la farmacopea.

Para obtener información detallada sobre las normas y los estándares, visite la página

www.mt.com/MPDP-norms

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6. Preparación correcta de muestras

La preparación correcta de muestras es un factor crucial para conseguir mediciones del punto de fusión exactas.

Para la preparación de la muestra, se tritura una sustancia pulverulenta seca en un mortero y se introduce en los capilares, que después se colocan en el horno. La caja de accesorios de punto de fusión contiene dos conjuntos de 150 capilares de punto de fusión, un mortero de ágata con mano de mortero, unas pinzas, una espátula (b) y 5 herramientas de llenado de capilares (a). Asimismo, la caja de accesorios de punto de fusión contiene tres estándares de punto de fusión: ya sean las sustancias de referencia de punto de fusión de METTLER TOLEDO (benzofenona, ácido benzoico y sacarina) o los estándares de referencia de punto de fusión de la USP (cafeína, vainilla y acetanilida).

A continuación, se muestra el proceso de preparación de muestras usando las herramientas de punto de fusión de METTLER TOLEDO:

Paso 1: en primer lugar, se debe secar la muestra en el desecador. A continuación, se muele finamente una pequeña porción de la muestra en el mortero.

Paso 2: se preparan varios capilares simultáneamente para la medición con un instrumento de METTLER TOLEDO. La herramienta de llenado de capilares ayuda perfectamente en el llenado, puesto que los capilares vacíos se conservan de un modo seguro en una sujeción con forma de clavija. La recogida de pequeñas porciones de muestras de un mortero es una tarea sencilla gracias a la ayuda de la herramienta.

Paso 3: después, la pequeña cantidad de muestra que se encuentra en la parte superior de los capilares desciende por el capilar al soltar el agarre y rebotar con suavidad en los capilares en la mesa varias veces. Esta acción compacta con fuerza la muestra en la parte inferior del capilar. El “efecto rebote” causa una fuerte compactación de la sustancia y evita la inclusión de bolsas de aire.

Paso 4: se puede comprobar la altura de llenado adecuada con una regla grabada en la herramienta de llenado de capilares. Por lo general, la altura de llenado no debe superar los 3 mm.

Paso 1 para la preparación de muestras para un análisis del punto de fusión

Paso 2a para la preparación de muestras para un análisis del punto de fusión

Paso 2b para la preparación de muestras para un análisis del punto de fusión

Paso 3 para la preparación de muestras para un análisis del punto de fusión

Paso 4 para la preparación de muestras para un análisis del punto de fusión

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7. Configuración del instrumento

Además de una preparación correcta de muestras, las configuraciones de los instrumentos tienen la misma importancia para determinación exacta del punto de fusión. La selección correcta de la temperatura inicial, la temperatura final y la velocidad de calentamiento de la rampa son fundamentales para evitar inexactitudes causadas por un aumento de calor en la muestra, la cual da error demasiado rápido:

a) Temperatura inicial

La determinación del punto de fusión comienza a una temperatura predeterminada cercana al punto de fusión esperado. Hasta alcanzar la temperatura inicial, el soporte de calentamiento se precalienta rápidamente. Los capilares se introducen en el horno a la temperatura inicial y esta comienza a incrementarse hasta alcanzar la velocidad de calentamiento de la rampa definida.
Fórmula habitual para calcular la temperatura inicial:
Temperatura inicial = punto de fusión previsto – (5 min.* de velocidad de calentamiento)

b) Velocidad de calentamiento de la rampa

La velocidad de calentamiento de la rampa consiste en la velocidad fija del aumento de temperatura entre la temperatura inicial y la final en la rampa de calentamiento.
Los resultados dependen en gran medida de la velocidad de calentamiento: cuanto más alta sea la velocidad de calentamiento, más elevada será la temperatura de punto de fusión observada.
Las farmacopeas aplican una velocidad de calentamiento constante de 1 °C/min. Para obtener muestras con la máxima exactitud y sin descomponerlas, aplique 0,2 °C/min. Con sustancias que se descomponen, se debe aplicar una velocidad de calentamiento de 5 °C/min. En el caso de las mediciones de exploración, se puede aplicar una velocidad de calentamiento de 10 °C/min.

c) Temperatura final

Se trata de la temperatura máxima que se debe alcanzar en una determinación.
Fórmula habitual para calcular la temperatura final:
Temperatura final = punto de fusión previsto + (3 min.* de velocidad de calentamiento)

d) Modo termodinámico o de la farmacopea

Existen dos modos para la evaluación del punto de fusión: el punto de fusión de la farmacopea y el punto de fusión termodinámico. El modo de la farmacopea pasa por alto que la temperatura del horno es diferente (más alta) durante el proceso de calentamiento a la temperatura de la muestra, lo que significa que se mide la temperatura del horno en lugar de la de la muestra. Como consecuencia, el punto de fusión de la farmacopea depende mucho de la velocidad de calentamiento. Por lo tanto, las mediciones son solo comparables si se aplica la misma velocidad de calentamiento.
Por otro lado, el punto de fusión termodinámico se obtiene restando el resultado matemático de un factor termodinámico “f” y la raíz cuadrada de la velocidad de calentamiento del punto de fusión de la farmacopea. El factor termodinámico es un factor específico del instrumento empíricamente determinado. El punto de fusión termodinámico es el punto de fusión físicamente correcto. Este valor no depende de la velocidad de calentamiento u otros parámetros. Es muy útil, ya que permite una comparación de los puntos de fusión de diferentes sustancias independientemente de la configuración experimental.

Puntos de fusión y goteo: análisis automatizado

En esta guía de puntos de fusión y goteo se explica el principio de medición del análisis automatizado de los puntos de fusión y goteo y se ofrecen trucos y consejos para realizar mejores mediciones y verificaciones del rendimiento.

Visite esta página web para descargar la guía de análisis automatizado de los puntos de fusión y goteo

Punto de fusión automatizado y análisis del punto de goteo

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8. Calibración y ajuste de un instrumento de punto de fusión

Antes de poner en funcionamiento la unidad, se recomienda verificar la exactitud de la medición. Con el fin de verificar la exactitud de la temperatura, este instrumento se calibra usando estándares de punto de fusión con puntos de fusión certificados exactos. De este modo, los valores nominales, incluidas las tolerancias, se pueden comparar con los valores medidos reales.

Si se produce un error en la calibración, es decir, si los valores de temperatura medidos no coinciden con el intervalo de los valores nominales certificados de las respectivas sustancias de referencia, debemos ajustar el instrumento.

Con el fin de asegurar la exactitud de las mediciones, se recomienda calibrar periódicamente el horno con las sustancias de referencia certificadas, por ejemplo, una vez al mes.

Los instrumentos de punto de fusión Excellence se ajustan antes de salir de la fábrica usando las sustancias de referencia de METTLER TOLEDO. Se realiza una calibración de tres puntos con benzofenona, ácido benzoico y cafeína y después se realiza un ajuste. Este ajuste se verifica con una calibración de vainilla y nitrato potásico.

Calibración y ajuste del punto de fusión

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9. Influencia de la velocidad de calentamiento en la medición del punto de fusión

Los resultados dependen en gran medida de la velocidad de calentamiento: cuanto más alta sea la velocidad de calentamiento, más elevada será la temperatura de punto de fusión observada. Esto se debe a que el punto de fusión no se mide directamente dentro de la sustancia, sino fuera del capilar en el bloque de calentamiento, debido a motivos técnicos. Por tanto, la temperatura de la muestra tiene un retraso respecto a la temperatura del horno. Cuanto más alta sea la velocidad de calentamiento, más rápida será la subida de la temperatura del horno, lo que aumentará la diferencia entre el punto de fusión medido y la temperatura de fusión real.

Debido a la dependencia de la velocidad del aumento de calor, las mediciones realizadas de los puntos de fusión son comparables entre sí solo si se efectúan usando las mismas velocidades.

El comportamiento de la temperatura de la muestra y el horno

La determinación del punto de fusión comienza a una temperatura predeterminada cercana al punto de fusión esperado. La línea sólida roja representa la temperatura de la muestra (consulte la siguiente figura). Al comienzo de un proceso de fusión, tanto la temperatura de la muestra como la del horno son idénticas; la temperatura de la muestra y la del horno están térmicamente equilibradas de antemano. La temperatura de la muestra incrementa proporcionalmente en comparación con la del horno. Debemos tener en cuenta que la temperatura de la muestra aumenta con un pequeño retraso causado por el tiempo requerido para la transmisión de calor del horno a la muestra. Mientras se calienta, la temperatura del horno es siempre más alta que la de la muestra. Llegado un punto, el calor del horno funde la muestra dentro del capilar. La temperatura de la muestra se mantiene estable hasta que la muestra se funde del todo. Identificamos diferentes valores de temperatura T_A y T_C del horno que se definen mediante las respectivas fases del proceso de fusión: puntos de colapso y de claridad. La temperatura de la muestra dentro del capilar aumenta significativamente una vez la muestra se ha fundido del todo. Esta aumenta de forma equivalente a la temperatura del horno mostrando un retraso similar como al principio.

Diferencias entre el punto de fusión de la farmacopea y el punto de fusión termodinámico

Por otro lado, el punto de fusión termodinámico se obtiene restando el resultado matemático de un factor termodinámico “f” y la raíz cuadrada de la velocidad de calentamiento del punto de fusión de la farmacopea. El factor termodinámico es un factor específico del instrumento empíricamente determinado. El punto de fusión termodinámico es el punto de fusión físicamente correcto (consulte la siguiente figura). Este valor no depende de la velocidad de calentamiento u otros parámetros. Es muy útil, ya que permite una comparación de los puntos de fusión de diferentes sustancias independientemente de la configuración experimental.

Aumento de la temperatura de la muestra y el horno

Diferencias entre el punto de fusión de la farmacopea y el punto de fusión termodinámico

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10. Medición del punto de fusión: trucos y consejos

Las muestras coloreadas o en descomposición (azobenceno, dicromato de potasio y yoduro de cadmio) o las que muestran una tendencia a incluir burbujas de aire en la fusión (urea) pueden requerir la reducción del valor umbral B o el uso del valor C como criterio de evaluación, ya que el aumento de la transmisión no será tan alto durante la fusión.
Muestras que se descomponen o se subliman (como el azúcar o la cafeína, respectivamente): selle el capilar mediante llamas. Los componentes volátiles producen una sobrepresión dentro del capilar cerrado que inhibe una mayor descomposición o sublimación.
Muestras higroscópicas: selle el capilar con una llama.
Velocidad de calentamiento: normalmente 1 °C/min. Para obtener muestras con la máxima exactitud y sin descomponerlas, aplique 0,2 °C/min. Con sustancias que se descomponen, recomendamos 5 °C/min y para realizar mediciones de exploración, 10 °C/min.
Temperatura inicial: de 3 a 5 min antes del punto de fusión esperado y por debajo de 5 a 10 °C respectivamente (de 3 a 5 veces la velocidad de calentamiento).
Temperatura final: una curva de medición correcta requiere de una temperatura final que se encuentre aproximadamente 5 °C por encima del evento esperado.
Use el punto de fusión termodinámico si los PNT y el instrumento lo permiten. El punto de fusión termodinámico es la temperatura de punto de fusión físicamente correcto y no depende de los parámetros del instrumento.
Preparación incorrecta de muestras: la muestra que se está investigando debe estar totalmente seca, ser homogénea y pulverulenta. Las muestras húmedas deben secarse primero. Por otro lado, las muestras cristalinas, gruesas y no homogéneas se muelen finamente en el mortero. Para asegurar resultados comparables, es importante llenar los tubos capilares hasta la misma altura y compactar la sustancia adecuadamente en los capilares.
Se recomienda el uso de capilares de punto de fusión fabricados con gran precisión que aseguren resultados muy exactos y repetibles, por ejemplo, los capilares de METTLER TOLEDO. Si se usan otros capilares, los instrumentos se deberían calibrar y, en caso de que sea necesario, ajustar usando estos capilares.

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11. Efecto de las impurezas en el punto de fusión: descenso del punto de fusión

El descenso del punto de fusión es un fenómeno donde se produce una reducción del punto de fusión de un material impuro y contaminado en comparación con un material puro. Esto se debe a que las contaminaciones debilitan las fuerzas reticulares de una muestra sólida cristalina. En conclusión, se requiere de menos fuerza para romper las fuerzas de atracción y destruir la estructura cristalina.

Por lo tanto, el punto de fusión es un indicador útil de la pureza, puesto que se produce una reducción y una ampliación general del intervalo de fusión cuando las impurezas aumenten.

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12. Determinación del punto de fusión mixto

Si dos sustancias se funden a la misma temperatura, una determinación del punto de fusión mixto puede revelar si se tratan de la misma sustancia. La temperatura de fusión de una mezcla de dos componentes es normalmente inferior a la que se usa con cualquier componente puro. Este comportamiento se conoce como descenso del punto de fusión.

Para la determinación del punto de fusión mixto, se mezcla la muestra con la sustancia de referencia en una proporción de 1:1. Siempre que el punto de fusión de una muestra esté presionado por una sustancia de referencia, ambas sustancias no pueden ser idénticas. Si el punto de fusión de una mezcla no gotea, la muestra será idéntica a la sustancia de referencia que se ha añadido.

Normalmente, se determinan tres puntos de fusión: la muestra, la proporción de mezcla 1:1 y de referencia de la muestra y la referencia. La técnica del punto de fusión mixto es una razón importante por la que en las máquinas de punto de fusión de alta calidad pueden albergar al menos tres capilares en los bloques de calentamiento.