Плотность твёрдых веществ

ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ

Плотность твёрдых веществ соответствует их средней массе на единицу объёма и обычно выражается в граммах на сантиметр кубический (г/см³).

В отличие от газов и жидкостей, плотность которых зависит только от температуры и давления, плотность твёрдого вещества также зависит от молекулярной упаковки (полиморфизм, степень кристалличности) и пористости. Если твёрдое вещество является кристаллическим или аморфным, его плотность может зависеть от способа получения, обработки и хранения. Поэтому, плотности двух химически эквивалентных твёрдых веществ могут быть различными, и это отличие отражает разницу в структуре твёрдого вещества, которая может включать пустоты, считающиеся частью материала.

Плотность твёрдых веществ может быть выражена по-разному в зависимости от критериев, используемых для измерения объёма, занимаемого твёрдым материалом:

– плотность материала основана на объёме твёрдого материала без учёта каких-либо пустот;

– плотность частиц включает объём твёрдого материала вместе с объёмом пустот пор внутри частиц;

– насыпная плотность порошка включает объём твёрдого материала, пустот внутри частиц и пустот между частицами в слое порошка; следовательно, насыпная плотность зависит от плотности частиц и пространственного расположения частиц в слое порошка и, следовательно, от степени уплотнения порошка.

Следует отметить, что термин «истинная плотность» широко используется в литературе, однако его применение вызывает определённые разногласия (например, иногда он отражает плотность, измеренную методом газовой пикнометрии, а иногда – плотность, определяемую только для кристаллических образцов). Поэтому в данной общей фармакопейной статье не используют этот термин.

Следующие термины плотности относят к различным экспериментальным методам, используемым для определения плотности твёрдых веществ.

– Кристаллическая плотность является характерным свойством определённой кристаллической структуры вещества и лучше всего рассчитывается на основании кристаллографических данных (объём и состав элементарной ячейки), которые обычно определяются с помощью дифракции рентгеновских лучей. В некоторых материалах элементарная ячейка может содержать пустоты, такие как открытые каналы, которые являются частью кристаллической структуры.

– Газовую пикнометрическую плотность определяют путём измерения объёма, занимаемого известной массой твёрдого вещества, который эквивалентен объёму газа, вытесненного твёрдым веществом, определяемому с помощью газового пикнометра (ОФС «Определение газовой пикнометрической плотности порошкообразного вещества»). При измерениях газовой пикнометрической плотности определённый объём не включает объём, занятый открытыми порами, но включает объём, занятый закрытыми порами или порами, недоступными для газа. Благодаря небольшому молекулярному размеру гелия, который является наиболее предпочтительным газом, газу доступно большинство открытых пор. Таким образом, газовая пикнометрическая плотность порошка не сильно отличается от плотности материала. Данная плотность часто является наилучшей оценкой плотности материала аморфного или частично кристаллического образца и поэтому широко применяется для образцов фармацевтических порошков. Однако эта процедура не подходит для твёрдых веществ, которые при взаимодействии с газом выделяют газ в результате сублимации, десольватации или десорбции (например, сорбированная вода).

– Плотность, установленная при помощи ртутного порозиметра, также называемая гранулярной плотностью, определяют путём измерения объёма, занимаемого твёрдым веществом, закрытыми порами или любыми порами, недоступными для ртути (ОФС «Определение размера пор методом ртутной порозиметрии»). Предельный размер пор или минимальный диаметр отверстия зависят от максимального давления проникновения ртути во время измерения, при нормальном рабочем давлении ртуть не проникает в мельчайшие поры, доступные для гелия. Для одного образца можно получить различные значения гранулярной плотности, поскольку для каждого применяемого давления проникновения ртути можно определить плотность, соответствующую предельному размеру пор при этом давлении.

– Неуплотнённая насыпная плотность (минимальное уплотнение) порошка определяют путём измерения объёма образца порошка известной массы, который, возможно, был пропущен через сито, в градуированном цилиндре. В качестве альтернативы, её можно определить, измерив массу известного объёма образца порошка, который был помещён в стакан или мерный стакан через волюметр. Насыпную плотность до и после уплотнения определяют в соответствии с ОФС «Насыпная плотность порошков».