rmjournalЭталоны. Стандартные образцыMeasurement Standards. Reference Materials2687-0886D. I. Mendeleyev Institute for Metrology10.20915/2077-1177-2023-19-1-29-40rmjournal-379Research ArticleСовременные методы анализа веществ и материаловModern methods of analysis of substances and materialsСтандартные образцы температуры плавления органических веществ: перспективы разработкиMelting Point Certified Reference Materials for Organic Substances: Development PerspectivesКазарцевЯ. В.KazartsevYa. V.

Ярослав Валерьевич Казарцев –  научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории Государственных эталонов и научных исследований в области калориметрии сжигания и высокочистых веществ метрологического назначения

190005, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 19

Researcher ID: GLT-5514–2022

 

Yaroslav V. Kazartsev – R esearcher of the laboratory for measurement standards and scientific research in the field of combustion calorimetry and high-purity organic substances for metrological purposes

19 Moskovskiy ave., St. Petersburg, 190005

Y.V.Kazartsev@vniim.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9980-3553КорчагинаЕ. Н.KorchaginaE. N.

Елена Николаевна Корчагина – канд. техн. наук, руководитель научно-исследовательской лаборатории Государственных эталонов и научных исследований в области калориметрии сжигания и высокочистых веществ метрологического назначения

190005, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 19

Elena N. Korchagina –  Cand. Sci. (Eng.), Head of the laboratory for measurement standards and scientific research in the field of combustion calorimetry and high-purity organic substances for metrological purposes

19 Moskovskiy ave., St. Petersburg, 190005

e.n.korchagina@vniim.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5950-4308СоловьёвИ. В.SolovevI. V.

Соловьев Игорь Вадимович –  канд. физ.-мат. наук, ведущий инженер научно-исследовательской лаборатории Государственных эталонов и научных исследований в области калориметрии сжигания и высокочистых веществ метрологического назначения

190005, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 19

Igor V. Solovev –  Cand. Sci. (Phys.-Math.), Leading Engineer of the laboratory for measurement standards and scientific research in the field of combustion calorimetry and high-purity organic substances for metrological purposes

19 Moskovskiy ave., St. Petersburg, 190005

ivsol250647@yandex.ruФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева»РоссияD. I. Mendeleyev Institute for MetrologyRussian Federation2023150320231912940Copyright © Казарцев Я.В., Корчагина Е.Н., Соловьёв И.В., 20232023Казарцев Я.В., Корчагина Е.Н., Соловьёв И.В.Kazartsev Y.V., Korchagina E.N., Solovev I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rmjournal.ru/jour/article/view/379

Область измерений температуры плавления высокочистых органических веществ на сегодняшний день включает большое количество средств измерений, используемых в сфере медицины, биологии, производства парфюмерно-косметической продукции.

Цель данного исследования – выявление особенностей и обоснование подходов к разработке стандартных образцов температуры плавления органических веществ, обеспеченных метрологической прослеживаемостью к основным единицам SI величины «температура» (°C).

В задачи исследования входило обоснование выбора веществ-кандидатов на роль СО; определение процедуры аттестации СО; установление ограничений, влияющих на процедуру аттестации; оценка неопределенности для аттестованных значений температуры плавления СО.

В ходе исследования выполнен анализ состояния метрологического обеспечения в области измерений температуры плавления. Представлено краткое описание эталонного комплекса, предназначенного для измерений температуры плавления и степени чистоты органических веществ в диапазоне от +40 °C до +250 °C, приведена его функциональная схема. Сформулированы основные требования к веществам –  кандидатам на роль СО. Рассмотрены результаты определения температуры плавления бензофенона, бензойной кислоты, янтарной кислоты, антрацена и кофеина, полученные методом прямых измерений температуры фазового перехода и методом косвенных измерений, основанным на регистрации момента оптической прозрачности исследуемых веществ. Представлены результаты межлабораторных сличительных испытаний на образцах исследуемых веществ, позволившие получить достоверные данные по температуре возникновения оптической прозрачности при различной скорости нагрева. Предложен способ согласования результатов, заключающийся в представлении в паспортах разрабатываемых

СО аттестованного значения температуры плавления, определяемой методом прямых измерений температуры фазового перехода в термодинамическом режиме, а также аттестованных значений температуры оптической прозрачности при различных скоростях нагрева, как дополнительных характеристик вещества. Сформулированы исследовательские задачи для дальнейшей работы.

Теоретическая значимость полученных результатов заключается в разработке теоретико-методологических подходов к процедуре аттестации СО температуры плавления на основе чистых органических веществ, позволяющих на более качественном уровне повысить точность проводимых измерений в области термического анализа.

The field of the melting point measurements of high-purity organic substances today includes a large number of measuring instruments used in the field of medicine, biology, and the production of perfumery and cosmetic products.

The purpose of the research is to identify the features and justify approaches to the development of melting point certified reference materials of organic substances provided with metrological traceability to the SI base measurement units «temperature» (°C).

The objectives of the research included justification of the choice of substances-candidates for CRMs; determination of the certification procedure for RMs; establishment of restrictions affecting the certification procedure; estimation of uncertainty for certified values of the melting point CRMs.

In the course of the research, a state analysis of metrological assurance in the field of melting point measurements was performed. An overview of the reference complex designed to measure the melting point and purity of organic substances in the range from +40 °C to +250 °C is presented, its functional diagram is given. The basic requirements for substancescandidates for CRMs are identified. The study presents the results of determining the melting point of benzophenone, benzoic acid, succinic acid, anthracene, and caffeine obtained by direct measurements of the phase transition temperature and by indirect measurements based on recording the moment of optical transparency of the substances under study. The results of interlaboratory comparisons on samples of the studied substances are presented, which made it possible to obtain reliable data on the temperature of the emergence of optical transparency at different heating rates. A method for reconciling the results is proposed; it consists in presenting the certified value of the melting point determined by the method of direct measurements of the phase transition temperature in the thermodynamic mode, as well as the certified values of the optical transparency temperature at various heating rates as additional characteristics of the substance in the passports of the developed CRMs. Research objectives for further work are formulated.

The theoretical significance of the results obtained lies in the development of theoretical and methodological approaches to the certification of melting point CRMs based on pure organic substances, which make it possible to improve the measurement accuracy in the field of thermal analysis at a higher quality level.

температура плавленияанализаторы температуры плавлениястандартные образцы температуры плавлениятермический анализскорость нагреваэталон температурыmelting pointmelting point analyzersmelting point certified reference materialsthermal analysisheating ratetemperature standardИсследование выполнено в рамках научно-исследовательской работы «Разработка и исследование мер температуры плавления на основе высокочистых органических веществ» и опытно-конструкторской работы «Создание эталонного комплекса для измерений температуры плавления и степени чистоты органических веществ» во ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева». Все измерения проводились с использованием оборудования ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева».The research was carried out within the research work «Development and study of melting point measurements based on high-purity organic substances» and development work «Creation of a reference complex for measuring the melting point and purity of organic substances» at the D. I. Mendeleyev Institute for Metrology. All measurements were carried out using the equipment of the D. I. Mendeleyev Institute for Metrology.ReferencesАлександров Ю. И. Точная криометрия органических веществ. Л.: Химия, 1975. 160 с.Aleksandrov Yu. I. Accurate cryometry of organic substances. Leningrad: Khimiia Publ.; 1975. 160 p. (In Russ.).Александров Ю. И. Спорные вопросы современной метрологии в химическом анализе. СПб.: Изд-во им. Н. И. Новикова, 2003. 303 с.Aleksandrov Yu. I. Controversial issues of modern metrology in chemical analysis. St. Petersburg: Izd-vo im. N. I. Novikova; 2003. 303 p. (In Russ.).Yalkowsky S. H., Alantary D. Estimation of melting points of organics // Journal of Pharmaceutical Sciences. 2018. Vol. 107, № 5. P. 1211–1227. https://doi.org/10.1016/j.xphs.2017.12.013Yalkowsky S. H., Alantary D. Estimation of melting points of organics. Journal of Pharmaceutical Sciences. 2018;107(5):1211–1227. https://doi.org/10.1016/j.xphs.2017.12.013Giani S., Riesen R., Schawe J. E.K. An Indirect Method for Vapor Pressure and Phase Change Enthalpy Determination by Thermogravimetry // International Journal of Thermophysics. 2018. Vol. 39, № 84. P. 84. https://doi.org/10.1007/s10765–018–2407-yGiani S., Riesen R., Schawe J. E. K. An Indirect Method for Vapor Pressure and Phase Change Enthalpy Determination by Thermogravimetry. International Journal of Thermophysics. 2018;39(84):84. https://doi.org/10.1007/s10765–018–2407-yFeist M. Thermal analysis: basics, applications, and benefit // ChemTexts. 2015. № 1. P. 8. https://doi.org/10.1007/s40828–015–0008-yFeist M. Thermal analysis: basics, applications, and benefit. ChemTexts. 2015;(1):8. https://doi.org/10.1007/s40828–015–0008-yYalkowsky S. H., Alantary D. Estimation of melting points of organics // Journal of Pharmaceutical Sciences. 2018. Vol. 107, № 5, P. 1211–1227. https://doi.org/10.1016/j.xphs.2017.12.013Yalkowsky S. H., Alantary D. Estimation of melting points of organics. Journal of Pharmaceutical Sciences. 2018;107(5):1211–1227. https://doi.org/10.1016/j.xphs.2017.12.013Jain A., Yalkowsky S. H. Comparison of two methods for estimation of melting points of organic compounds // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2007. Vol. 46, № 8. https://doi.org/10.1021/ie0614428Jain A., Yalkowsky S. H. Comparison of two methods for estimation of melting points of organic compounds. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2007;46:8. https://doi.org/10.1021/ie0614428О разработке стандартных образцов температуры плавления высокочистых органических веществ / Я. В. Казарцев [и др.] // Стандартные образцы в измерениях и технологиях: сборник трудов III Междунар. науч. конф., Екатеринбург, 11–14 сентября 2018 года. Том Ч. «Ru». Екатеринбург: УНИИМ, 2018. С. 79–80.Kazartcev Ya. V., Korchagina E. N., Mishina K. A., Shehovtsov D. A. On the development of certified reference materials for melting point of high-purity organic substances. In: Reference materials in measurement and technology: Collection of works Ith international scientific conference, 11–14 September 2018, Ekaterinburg, Russia. Ekaterinburg: UNIIM; 2018. p. 79–80. (In Russ.).Tiers G. V. D. Calibration of capillary melting-point apparatus to the international temperature scale of 1990 (ITS-90) by use of fluxed highly pure metals // Analytica Chimica Acta. 1990. № 237. P. 241–244. https://doi.org/10.1016/S0003–2670(00)83924-0Tiers G. V. D. Calibration of capillary melting-point apparatus to the international temperature scale of 1990 (ITS-90) by use of fluxed highly pure metals. Analytica Chimica Acta. 1990;237:241–244. https://doi.org/10.1016/S0003–2670(00)83924-0New static apparatus and vapor pressure of reference materials: Naphthalene, benzoic acid, benzophenone, and ferrocene / Monte M. J. S. [et al.] // Journal of Chemical & Engineering Data. 2006. Vol. 51, № 2. P. 757–766. https://doi.org/10.1021/je050502yMonte M. J. S., Santos L. M. N. B. F., Fulem M., Fonseca J. M. S., Sousa C. A. D. New static apparatus and vapor pressure of reference materials: Naphthalene, benzoic acid, benzophenone, and ferrocene. Journal of Chemical & Engineering Data. 2006;51(2):757–766. https://doi.org/10.1021/je050502yMeasuring complex for simultaneous determination of purity and melting point of high-purity organic substances / Ia. Kazartcev [et al.] // Thermal Analysis and Calorimetry : abstracts 12th European Symposium, August 27–30, 2018, Brasov, Romania. Brasov: 2018. P. 459.Kazartcev Ia., Mishina K., Korchagina E., Varganov V. Measuring complex for simultaneous determination of purity and melting point of high-purity organic substances. In: Thermal Analysis and Calorimetry : abstracts 12th European Symposium, 27–30 August 2018, Brasov, Romania. Brasov: 2018. p. 459.Moiseeva N. P. Methods of Constructing an Individual Calibration Characteristic for Working Platinum Resistance Thermometers // Measurement Techniques. 2001. № 44. P. 502–507. https://doi.org/10.1023/A:1012314420995Moiseeva N. P. Methods of Constructing an Individual Calibration Characteristic for Working Platinum Resistance Thermometers. Measurement Techniques. 2001;44:502–507. https://doi.org/10.1023/A:1012314420995Gronvold F. Adiabatic Calorimeter for the Investigation of Reactive Substances from 25 to 775 degrees C. Heat Capacity of alphaAluminum Oxide // Acta Chememica Scandinavica. 1967. № 21. P. 1695–1713. https://doi.org/10.3891/acta.chem.scand.21–1695Gronvold F. Adiabatic Calorimeter for the Investigation of Reactive Substances from 25 to 775 degrees C. Heat capacity of alphaaluminum oxide. Acta Chememica Scandinavica. 1967;21:1695–1713. https://doi.org/10.3891/acta.chem.scand.21–1695Gronvold F. Adiabatic calorimetry and solid-state properties above ambient temperature // Pure and Applied Chemistry. 1993. Vol. 65, no. 5. P. 927–934. https://doi.org/10.1351/pac199365050927Gronvold F. Adiabatic calorimetry and solid-state properties above ambient temperature. Pure and Applied Chemistry. 1993;65(5):927–934. https://doi.org/10.1351/pac199365050927О создании эталонного комплексадля разработки мер температуры плавления на основе чистых органических веществ / Е. Н. Корчагина [и др.] // Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ: сборник трудов V международной научно-технической конференции, Санкт-Петербург, 23–24 мая 2019. Санкт-Петербург: ФГАОУ ВО НИУ ИТМО, 2019. С. 125–131.Korchagina E. N., Kazartsev Ia. V., Varganov V. P., Solovev I. V. On the creation of a standard complex for the development of melting temperature measures based on pure organic substances. In: Modern methods and tools for studying the thermophysical properties of substances: Proceedings of the V International Scientific and Technical Conference, St. Petersburg, May 23–24, 2019. St. Petersburg: Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education National Research University ITMO: 2019. p. 125–131. (In Russ.).Эталонный комплекс для измерений температуры плавления и степени чистоты органических веществ / Я. В. Казарцев [и др.] // Приборы. 2020. № 11. С. 48–54.Kazartsev Ia. V., Varganov V. P., Korchagina E. N., Solovev I. V. Standard complex for measuring the melting temperature and the degree of purity of organic substances. Devices. 2020;11:48–54. (In Russ.).Александров Ю. И., Варганов В. П., Френкель И. М. Способ определения параметров фазового перехода твердое тело – жидкость и устройство для его осуществления: пат. SU1221566 A1; заявл. 08.05.1984; опубл. 30.03.1986.Aleksandrov Iu. I., Varganov V. P., Frenkel I. M. Method for determining the parameters of the phase transition solid – liquid and a device for its implementation. Patent RF, no SU1221566 A1, 1986. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.