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Dichtebestimmung von Flüssigkeiten – So geht´s
Bei der Dichte handelt es sich um eine temperaturabhängige Stoffkonstante und jeder Reinstoff weist eine charakteristische Dichte auf. Aus diesem Grund kann die Dichte – neben anderen Stoffeigenschaften wie Schmelz- und Siedetemperatur – zur Identifizierung von Substanzen eingesetzt werden.
Was genau versteht man unter der Dichte?
Die Dichte ist eine physikalische Stoffeigenschaft und entspricht der Masse (m) einer Probe geteilt durch das Volumen (V). Die absolute Dichte wird dabei mithilfe des griechischen Buchstabens ρ (rho) angegeben und kann nach folgender Formel berechnet werden:
absolute Dichte ρ = m/V [g/cm3]
Die Dichte einer Substanz hängt von der Temperatur ab, dabei beträgt die übliche Temperatur zur Dichtebestimmung 20 °C.
Im Europäischen Arzneibuch ist unter den Methoden der Physik und der physikalischen Chemie unter der Ziffer 2.2.5 die Bestimmung der relativen Dichte beschrieben. Darunter versteht man die absolute Dichte einer Substanz bei 20 °C bezogen auf die absolute Dichte von Wasser ebenfalls bei 20 °C.
relative Dichte d = (ρ Substanz)/(ρ Wasser)
Die relative Dichte wird ohne Einheit angegeben, es handelt sich also um eine dimensionslose Größe.
Bestimmung der relativen Dichte mit einem Pyknometer
Im Europäischen Arzneibuch ist die Bestimmung der relativen Dichte unter anderem bei den Flüssigkeiten Ethanol 96 % (V/V), Glycerol und Dickflüssigem Paraffin vorgeschrieben.
Die relative Dichte wird in der Apotheke meist mithilfe eines Pyknometers bestimmt. Ein solches Messgerät besteht aus einem Glaskolben mit einem speziellen Schliffstopfen. Dieser Stopfen besitzt einen dünnen vertikalen Durchlass, aus dem die überschüssige Flüssigkeit beim Befüllen des Pyknometers abfließen kann. Dadurch kann das gesamte Volumen des Pyknometers mit Flüssigkeit gefüllt werden.
Die Methode der Dichtebestimmung beruht nun darauf, dass jeweils das gleiche Volumen von Wasser und der zu untersuchenden Flüssigkeit exakt gewogen wird. Für beide Messungen wird dazu das gleiche Gerät verwendet, das verwendete Pyknometer muss auf „In“ geeicht sein.
Gut zu wissen: Was bedeutet bei Volumenmessgeräten die Angabe „In“ oder „Ex“?
Flüssigkeiten werden im Labor als Volumen abgemessen. Bei auf „In“ (Einguss) justierten Volumenmessgeräten entspricht die eingefüllte Flüssigkeitsmenge genau der auf dem Messgerät aufgedruckten Volumenangabe. Zu solchen Messgeräten gehören Messkolben, Messzylinder und das Pyknometer.
Volumenmessgeräte wie Vollpipetten und Büretten sind dagegen auf Ausfluss („Ex“) justiert. Die abgegebene Flüssigkeitsmenge entspricht dabei der angegebenen Volumenangabe.
Vorgehensweise zur Bestimmung der relativen Dichte
Zunächst wird das Leergewicht des trockenen Pyknometers auf der Analysenwaage bestimmt und notiert. Danach kann das Gerät mit Wasser gefüllt werden, dabei tritt überschüssiges Wasser durch die kapillare Öffnung aus und muss abgewischt werden. Nun kann die Masse des gefüllten Pyknometers auf der Analysenwaage gewogen werden. Pyknometer und Wasser sollten bei der Messung Raumtemperatur haben. Die Masse an Wasser kann folgendermaßen berechnet werden:
mWasser = Masse (Pyknometer mit Wasser) – Masse (Pyknometer leer)
Das verwendete Pyknometer wird anschließend ausgeleert, mit einem flüchtigen Lösungsmittel wie Ethanol oder Aceton ausgespült und idealerweise mit Druckluft ausgeblasen. Ein Trocknen im Trockenschrank ist nicht zu empfehlen, da dabei das angegebene Volumen des Pyknometers verändert werden kann.
Ist das Pyknometer wieder komplett trocken, kann es nun bis zum Überlaufen mit der Prüfflüssigkeit befüllt werden. Nach dem Aufsetzen des Stopfens muss die austretende Flüssigkeit wieder abgewischt werden. Nun kann das gefüllte Pyknometer erneut auf der Analysenwaage gewogen und die Masse der Untersuchungslösung berechnet werden:
mSubstanz = Masse (Pyknometer mit Substanz) – Masse (Pyknometer leer)
Die gewünschte relative Dichte kann dann mithilfe folgender Formel berechnet werden:
relative Dichte d = (ρ Substanz)/(ρ Wasser) = ((m Substanz)/(V Substanz))/((m Wasser)/(V Wasser))
Da das Volumen von Substanz und Wasser gleich ist, kann es aus der Gleichung herausgekürzt werden. Die relative Dichte lässt sich also aus dem Quotienten von Substanzmasse und Masse des Wassers berechnen:
relative Dichte d = (m Substanz)/(m Wasser)
Dichtebestimmung auch nach einer alternativen Methode des DAC möglich
Neben der Identitätsprüfung von Ausgangsstoffen ist die Bestimmung der Dichte auch eine ideale Methode zur Inprozessprüfung und zur Prüfung von Defekturarzneimitteln. In Ergänzung zum Arzneibuch schlägt der Deutsche Arzneimittel-Codex (DAC) eine Bestimmung der Dichte mithilfe eines Messkolbens vor. Die genaue Vorgehensweise dazu wird in der DAC-Probe 14 „Prozessbegleitende Dichtebestimmung von Flüssigkeiten“ beschrieben.
Dazu wird ein Messkolben mit Schliffstopfen mit einem Volumen von mindestens 10 ml genau gewogen und mit der auf 20 °C temperierten Flüssigkeit bis zur Markierung aufgefüllt. Nach Verschließen des Messkolbens wird dieser erneut gewogen. Die Dichte der Flüssigkeit kann dann nach folgender Formel berechnet werden:
ρ = (Masse des mit Flüssigkeit gefüllten Messkolbens [g] - Masse des leeren Messkolbens [g])/(Volumen des Messkolbens [ml])
Die mit dieser Methode erhaltene Dichte ist zwar nur ein Näherungswert, die Genauigkeit ist aber zur Inprozesskontrolle oder zur Prüfung von Defekturarzneimitteln ausreichend.
Angaben zur Dichte sind im NRF zu finden
Zur Inprozessprüfung wird die Dichte meist an der fertig hergestellten Zubereitung bestimmt. Angaben zur Dichte sind bei NRF-Vorschriften im Abschnitt Pharmazeutische Erläuterungen unter dem Punkt „Chemische, physikalische und galenische Eigenschaften“ zu finden. Beispielsweise kann die Dichte bei folgenden flüssigen Zubereitungen als Inprozessprüfung bestimmt werden:
- Coffeincitrat-Lösung 20 mg/ml (NRF 3.1.): Dichte ρ = 1,008 g/ml
- Ethacridinlactat-Monohydrat-Lösung 0,25 % mit Lidocain 0,5 % (NRF 7.7.): Dichte ρ = 1,229 g/ml
- Captopril-Lösung 2 mg/ml (NRF 10.5.): Dichte ρ = 1,0 g/ml
Bei der Herstellung von Defekturen spielt die Dichtebestimmung nach der DAC-Probe 14 ebenfalls eine Rolle. Der verantwortliche Apotheker muss dabei eine Prüfanweisung für das fertig hergestellte Arzneimittel erstellen. Als geeignetes Prüfverfahren kann bei flüssigen Darreichungsformen die Dichte bestimmt werden, Beispiele hierfür sind:
- Chlorhexidindigluconat-Mundspüllösung (NRF 7.2.): Dichte ρ = 1,09 bis 1,10 g/ml
- 2-Propanolhaltige Aluminiumchlorid-Hexahydrat-Lösung 15 % (NRF 11.1.): Dichte ρ = 0,90 bis 0,94 g/ml
- Methadonhydrochlorid-Lösung (NRF 29.1.): Dichte ρ = 1,08 bis 1,12 g/ml
Quellen:
- https://www.mt.com/de/de/home/applications/Application_Browse_Laboratory_Analytics/Density/density-measurement.html
- Werz A.: Chemisch-pharmazeutische Übungen für PTA, Deutscher Apotheker Verlag, Stuttgart 2024.