Rozpouštění

Roztoky

Příprava roztoků patří k velmi důležitým činnostem farmaceuta, neboť mnoho látek se v laboratorní praxi používá ve formě roztoků ve vhodném rozpouštědle nebo jejich směsi.

Roztoky jsou homogenní (jednofázové) směsi látek, v nichž rozlišujeme látku rozpuštěnou (solutum) a látku rozpouštějící, nebo-li rozpouštědlo (solvendum). Za rozpouštědlo se obvykle považuje složka, která v soustavě převažuje. Podle povahy rozpuštěné látky a rozpouštědla můžeme rozlišovat roztoky kapalné, plynné i pevné. Ve farmacii se používají především roztoky kapalné, které se získávají rozpouštěním pevné (tuhé) látky v kapalném rozpouštědle.

Podle velikosti částic rozlišujeme roztoky pravé, které jsou tvořeny molekulami nebo ionty rozpuštěné látky. Velikost těchto částic je menší než 10-9 m. Při rozpouštění látek makromolekulární povahy získáme roztoky nepravé (koloidní), v nichž mají částice velikost v rozmezí od 10-9 po 10-6 m. Tyto roztoky mají některé vlastnosti odlišné od roztoků pravých, jsou viskóznější a vykazují rozptyl světla (Tyndalův jev).

Rozpustnost látek

Rozpustností se rozumí nejvyšší množství látky, které se za daných podmínek (teplota a tlak) rozpustí v určitém množství rozpouštědla, obvykle ve 100 g.

Vyjádření rozpustnosti podle ČL

Český lékopis uvádí v ustanoveních, která se týkají vlastností látek, vždy jejich rozpustnost v běžných rozpouštědlech. K vyjádření rozpustnosti se používají slovní výrazy, odvozené na základě objemu rozpouštědla potřebného k rozpuštění 1 gramu látky při teplotě 15-25°C. Přitom se rozumí:

Popisný výraz Objem rozpouštědla (ml)/1 g látky
velmi snadno rozpustný méně než 1
snadno rozpustný 1 – 10
dobře rozpustný 10 – 30
mírně rozpustný 30 – 100
těžce rozpustný 100 – 1000
velmi těžce rozpustný 1000 – 10 000
prakticky nerozpustný více než 10 000

Termín „částečně rozpustný“ se používá k popisu směsi, v níž se rozpouští některá ze složek. Termín „mísitelný“ se využívá k popisu kapaliny, která je s rozpouštědlem mísitelná v každém poměru.

Kinetika rozpouštění

Prosté rozpouštění pevných látek je založeno na mechanismu difuze, tj. průniku molekul rozpouštěné látky mezi molekuly rozpouštědla. K difuzi dochází po překonání přitažlivých sil mezi molekulami rozpouštěné látky vlivem ataku (atrakční síly) molekulami rozpouštědla (difuze). Přitom platí, že „podobné se rozpouští v podobném“.

Za předpokladu kulovité částice je rychlost rozpouštění, tj. změna hmotnosti pevné látky v čase (dm/dt), úměrná difuznímu koeficientu látky D, ploše rozpouštění S, tloušťce difuzní vrstvy h a koncentračnímu gradientu (Cs – C).

vzorec

Difuzní koeficient látky vyjadřuje rychlost, s jakou molekuly látky postupují v daném prostředí (rozpouštědle). Rychlost pohybu molekul a jejich vzájemné interakce lze ovlivnit tepelnou energií. Rozlišujeme endotermní rozpouštění, které teplo spotřebovává a které lze urychlit zahřátím, a exotermní rozpouštění, kdy se teplo naopak uvolňuje, a které lze urychlit chlazením (Příprava roztoku).

Plocha rozpouštění vyjadřuje povrch částic, na kterých se rozpouštění realizuje. Čím jsou částice menší, tím větší je jejich plocha. Proto lze rozpouštění urychlit rozdrobněním.

Difuzní vrstva se vytváří na povrchu rozpouštěné částice. Označuje rozhraní mezi koncentrací nasycené vrstvy roztoku, přiléhající k povrchu částice (Cs), a koncentrací látky ve zbytku rozpouštědla (C). Čím je tloušťka difuzní vrstvy menší a koncentrační gradient větší, tím rychleji rozpouštění probíhá. Proto se rozpouštění urychluje mícháním, obvykle skleněnou tyčinkou (difuze).

Rozpustnost látek, které mají povahu slabých kyselin nebo zásad, je závislá také na aktuální aciditě (pH) rozpouštědla. Přitom slabé zásady jsou dobře rozpustné ve zředěných roztocích kyselin a naopak slabě kyselé látky v roztocích alkálií.

Rozpouštědla

Na rozdíl od chemie je výběr rozpouštědel pro přípravu léčivých přípravků omezen základním požadavkem na jejich nízkou toxicitu a dráždivost.

Pokud se v textu název rozpouštědla neuvádí, rozumí se vždy pod označením „roztok“ roztok vodný. Kde je použití vody předepsáno nebo zahrnuto v analytických postupech popsaných v lékopisu nebo pro přípravu zkoumadel, použije se voda vyhovující požadavkům článku Aqua purificata, pokud nejsou specifické požadavky na její mikrobiální kvalitu. V takovém případě se použije voda vhodné kvality (Aqua pro iniectione, apod.). Výraz „voda destilovaná“ označuje čištěnou vodu připravenou destilací.

Termín „ethanol“ bez bližšího určení označuje ethanol bezvodý. Ostatní označení ethanolu jsou doplněna číselným údajem o koncentraci, např. ethanol 96,0 % (V/V) obsahuje 96% objemových procent ethanolu (C2H6OH).

Polární (hydrofilní) rozpouštědla

Čištěná voda - Aqua purificata

je základní a nejčastější rozpouštědlo ve farmacii. Připravuje se z pitné vody destilací, iontovou výměnou, reverzní osmózou nebo jinou metodou. Voda je netoxická, dostupná a relativně levná. Má vysokou polaritu a proto je rozpustnost řady látek ve vodě omezená. To lze do jisté míry korigovat využitím směsi s jiným polárním rozpouštědlem, tzv. kosolvens, např. ethanolem, glycerolem nebo propylenglykolem.

Nevýhodou vodných roztoků je nízká chemická a mikrobiologická stabilita. Voda je vhodným prostředím pro většinu chemických a biochemických reakcí, jako je oxidace, hydrolýza nebo enzymatické reakce. Ve vodném prostředí se také snadno množí mikroorganismy, a proto se vodné roztoky často musí konzervovat přísadou protimikrobních látek nebo sterilizovat.

Lékopis rozlišuje Čištěnou vodu nerozplněnou a Čištěnou vodu rozplněnou do vhodných obalů. Ta má omezenou stabilitu a při uchovávání za teploty místnosti (15-25°C) je použitelná pouze 24 hodin.

Ethanol - Ethanolum

je hygroskopická, hořlavá kapalina s teplotou varu asi 78oC. Má nízkou relativní hustotu. Je mísitelný s vodou v každém poměru; při mísení dochází k objemové kontrakci.

Lékopis rozlišuje několik druhů ethanolu s odstupňovanou koncentrací, z nichž některé se používají ve farmacii tradičně a jsou známy i pod tradičními názvy (synonymy):

  • Ethanol bezvodý - Ethanolum anhydricum, který obsahuje nejméně 99,5 (V/V) ethanolu.
  • Ethanol 96% (V/V) - Ethanolum 96%
  • Ethanol 85% (V/V) - Ethanolum 85% (Syn.: Spiritus concentratus, líh 85%),
  • Ethanol 60% - Ethanolum 60% (Syn.: Spiritus dilutus, líh 60%) a
  • Ethanol denaturovaný benzinem - Ethanolum benzino denaturatum, což je ethanol 96% s přídavkem 1% lékařského benzinu.

Protože ethanol je méně polární než voda, většina nepolárních látek se v něm rozpouští snáze než ve vodě. Ve směsi s vodou je ethanol nejčastěji používaným polárním rozpouštědlem a také vyluhovadlem rostlinných drog. Jeho použití pro přípravky k vnitřnímu použití je limitováno jeho farmakologickým efektem.

Glycerol - Glycerolum

je sirupovitá viskózní kapalina sladké chuti, na omak mastná. Je mísitelný s vodou a s ethanolem 96%, ale prakticky nerozpustný v mastných olejích. Jeho nevýhodou je značná hygroskopicita (pohlcování vzdušné vlhkosti).

Používá se jako součást směsí polárních rozpouštědel, v nichž zvyšuje rozpustnost a stálost některých ve vodě omezeně rozpustných léčiv.

Český lékopis rozlišuje dva druhy glycerolu:

  • Glycerol – Glycerolum, který obsahuje 98 – 101% glycerolu (1,2,3-propantriolu)
  • Glycerol 85% - Glycerolum 85%

Propylenglykol - Propylenglycolum

Propylenglykol (propan-1,2-diol) je viskózní čirá bezbarvá kapalina mísitelná s vodou a ethanolem 96%. Používá se ve směsi s vodou ke zvýšení rozpustnosti ve vodě omezeně rozpustných léčiv. Také samostatně je vehikulem pro bezvodé hydrofilní roztoky. Má bakteriostatické účinky.

Semipolární rozpouštědla

Aceton – Acetonum,

Čirá, těkavá, bezbarvá semipolární kapalina mísitelná s vodou a s ethanolem 96%. Jeho páry jsou hořlavé. Používá se především jako technická pomocná látka.

Ether - Ether solvens,

Ether (diethylether) je čirá bezbarvá těkavá, hořlavá kapalina. Má narkotické účinky. Je dobře rozpustný ve vodě, mísitelný s ethanolem 96% a mastnými oleji. Používá se zejména jako technická pomocná látka při odmašťování a extrakci rostlinných drog, jako kosolvens, jen výjimečně je součástí tekutých přípravků k vnitřnímu užití (Hofmanské kapky neboli Spiritus ethereus, etherový líh).

Nepolární (lipofilní) rozpouštědla

Rostlinné mastné oleje - Olea plantarum pinguia

Oleje jsou převážně tuhé nebo tekuté triacylglyceroly mastných kyselin. Jde o čiré, většinou světle žluté tekutiny prakticky nerozpustné ve vodě a v ethanolu 96%. V označení olejů musí být uvedeno, zda byly připraveny mechanickým lisováním nebo extrakcí a dále název a množství přidaného antioxidantu.

Lékopis popisuje tři kvalitativní druhy olejů:

  1. panenské (virginale) – oleje získané z čerstvé drogy mechanickým postupem. Obsahují vysoký podíl volných a nenasycených mastných kyselin (vysoké číslo kyselosti). Jejich nevýhodou je omezená stabilita. Snadno podléhají oxidaci (žluknutí), které se projeví změnou zbarvení a zápachem.
  2. čištěné (raffinatum) – oleje, které se upravují a čistí chemickou nebo fyzikální cestou. Tím se zbavují řady nežádoucích příměsí (např. dezodorace, bělení, sušení, apod.). Při alkalické neutralizací se snižuje obsah volných mastných kyselin (pod 0,1%) a zvyšuje se stabilita oleje. Zvláštním postupem je čištění chlazením (winterizace), kdy z oleje za nízké teploty vypadnou voskovité podíly, které by mohly tvořit zákal nebo sediment.
  3. hydrogenované (hydrogenatum) - panenské nebo čištěné oleje, ve kterých se odstraňují dvojné vazby sycením vodíkem.

V lékárenské praxi nejčastěji používají následující oleje:

  • Slunečnicový olej čištěný (Helianthi oleum raffinatum)
  • Olivový olej panenský (Olivae oleum virginale)  nebo čištěný (raffinatum)
  • Lněný olej panenský (Lini oleum virginale)
  • Ricinový olej panenský (Ricini oleum virginale) – tento olej je výjimečný, neboť vykazuje polární vlastnosti. Je to čirá téměř bezbarvá nebo slabě žlutá viskózní hygroskopická tekutina, dobře rozpustná v etheru a mísitelná ethanolem 96 %.
  • Z živočišných olejů se uplatňují zejména Rybí olej typu A (Jecoris aselli oleum typus A) a Rybí olej typu B (Jecoris aselli oleum typus B), které mají charakteristický zápach a obsahují vysoký podíl vitaminů A, D3 a nenasycených mastných kyselin.

Uhlovodíky

Tekutý parafín - Paraffinum liquidum s viskozitou 110 až 230 mPa.s

Parafín tekutý lehký - Paraffinum perliquidum s viskozitou 25 až 80 mPa.s

jsou čištěné směsi tekutých nasycených uhlovodíků získaných z ropy. Jsou to bezbarvé průsvitné olejovité kapaliny, téměř bez chuti a zápachu, dobře rozpustné v etheru a v uhlovodících, těžce rozpustné v ethanolu 96%.

Silikonové oleje

Dimetikon – Dimethiconum

je lineární poly(dimethylsiloxan). Jednotlivé druhy se rozlišují číslem za názvem, které udává viskozitu. Jsou to čiré bezbarvé kapaliny nerozpustné ve vodě a ethanolu. Jsou velmi lipofilní, přesto na omak nejsou mastné. Proto jsou součástí řady přípravků k vnějšímu použití. Mají změkčující (emolientní) účinek na pokožku, používají se také jako odpěňovače.

Simetikon - Simethiconum

se připravuje zavedením 4 % až 7 % oxidu křemičitého do
poly(dimethylsiloxanu). Jedná se o viskózní šedobílé opalizující kapaliny s vlastnostmi i použitím podobnými dimetikonu.

Benzín lékařský - Benzinum medicinale

je čištěná směs nasycených uhlovodíků, převážně se šesti a sedmi uhlíkovými atomy vyrobená frakční destilací ropy.

Jedná se o čirou bezbarvou snadno zápalnou kapalinu. Je prakticky nerozpustný ve vodě, mísitelný s acetonem, ethanolem 96%, silicemi a mastnými oleji (s výjimkou Ricini oleum virginale). Jeho páry jsou hořlavé a ve směsi se vzduchem výbušné. Skladuje se chráněn před světlem a ohněm.

Používá se k denaturaci ethanolu a jako pomocné rozpouštědlo (technická pomocná látka).

Vyjadřování koncentrace roztoků

Roztoky, které obsahují maximální množství látky, které se za daných podmínek v rozpouštědle rozpustí, se nazývají nasycené. Pokud je množství látky nižší, je roztok nenasycený, v opačném případě je roztok přesycený

Přesycenosti roztoku lze dosáhnout změnou podmínek rozpouštění, především teploty. Zvýšením teploty se u většiny látek rozpustnost zvýší a lze dosáhnout rozpuštění většího množství látky. Ochlazením se pak část látky vylučuje ve formě krystalů. Toho lze využít při čištění látek krystalizací (lat.zshk.cz/vyuka/krystalizace.aspx). Pokud se ochlazuje pomalu, lze někdy přesycený roztok zchladit, aniž by došlo k vypadnutí krystalů. Takový roztok je však z dlouhodobého hlediska nestabilní a krystalizace nastává při sebemenší změně podmínek (zamíchání, zatřepání).

Látková koncentrace

Podle SI soustavy se koncentrace roztoků látek, jejichž molekulová hmotnost je definována, vyjadřuje látkovou koncentrací.

Základní jednotkou je 1 mol. Přitom se rozlišuje molární koncentrace, tj. látkové množství rozpuštěné látky v objemu roztoku (mol/l) nebo molální koncentrace, tj. látkové množství rozpuštěné látky vztažené ke hmotnosti rozpouštědla (mol/kg). Molární koncentrace roztoku se označuje c, zatímco molální koncentrace m.

Mohou se používat i dílčí jednotky, jako je milimol - mmol/l nebo mmol/kg.

Pro přípravu roztoku v látkové koncentraci je nutné vyjádřit potřebnou hmotnost rozpouštěné látky. Ta se zjistí jako násobek látkové koncentrace a hmotnosti jednoho molu látky vyjádřené v gramech (g/mol). Např. pro přípravu 0,1 molárního roztoku chloridu sodného (M (NaCl) = 58,44 g/mol) je potřeba:

0,1 · 58,44 = 5,844 g NaCl

Při přípravě 1 molárního roztoku se postupuje tak, že se předepsané množství molů látky (vyjádřené v gramech) rozpustí v menším objemu rozpouštědla při 20°C a doplní se 20°C teplým rozpouštědlem v odměrné baňce do 1,0 litru (odměrná baňka). Teplotu je nutné dodržet, jinak dochází k chybám zaviněným změnami objemu kapaliny.

Při přípravě 1 molálního roztoku se postupuje tak, že se předepsané množství molů látky (vyjádřené v gramech) rozpustí v 1 kilogramu rozpouštědla. Příprava je tedy snazší, neboť hmotnost nezávisí na teplotě.

Látková koncentrace se používá zejména v analytické chemii. Ve farmacii se molární koncentrace používá např. k vyjadřování koncentrace infuzních roztoků.

Zlomky

Molární zlomek

vyjadřuje podíl látkového množství složky (n1) k celkovému látkovému množství všech složek roztoku (n). Je to bezrozměrná veličina. Součet všech molárních zlomků je roven jedné.

vzorec

Hmotnostní zlomek

vyjadřuje poměr hmotnosti rozpuštěné složky (m1) a hmotnosti celého roztoku (m). Je to bezrozměrná veličina. Součet všech hmotnostních zlomků je roven jedné. Rovněž čisté látky mají hmotnostní zlomek 1.

vzorec

Objemový zlomek

vyjadřuje poměr objemu rozpuštěné složky (v1) a objemu celého roztoku (v). Opět se jedná o bezrozměrnou veličinu. Součet všech objemových zlomků je roven jedné.

vzorec

Procentuální koncentrace

Tradičním způsobem označování koncentrace je procentuální obsah látky v roztoku. Procento je vlastně setina celku. Při vyjadřování koncentrací se výraz „procento“ (%) používá podle okolností v jednom ze dvou významů:

  1. procenta hmotnostní (m/m, hmotnost v hmotnosti)
    udávají počet gramů látky ve 100 g konečného výrobku. 
    Pokud má roztok koncentraci např. 5%, obsahuje 5 g látky ve 100 g roztoku.
    V ČL se označení m/m obvykle nepoužívá; pokud není uvedeno, o jaká procenta se jedná, rozumí se vždy procenta hmotnostní.
  2. procenta objemová (V/V, objem v objemu)
    udávají počet mililitrů látky ve 100 ml konečného výrobku.
    Objemová procenta jsou typická pro vyjadřování koncentrace ethanolu.

Výraz „ppm“ (parts per million) používaný v Ph. Eur. odpovídá hmotnosti v hmotnosti. V lékopise je tento výraz nahrazen podle potřeby údaji µg/g.

Procenta hmotnostně objemová a procenta objemově hmotnostní nejsou v Ph. Eur. ani v ČL povolena. Potřebné koncentrace se vyjadřují za použití příslušných jednotek, obvykle jako g/l nebo ml/kg.

Hmotnostní a objemová procenta lze považovat za dílčí jednotky hmotnostního a objemového zlomku.

Příklady farmaceutických výpočtů jsou dostupné na lat.zshk.cz/vyuka/farmaceuticke-vypocty.aspx

Procvičení

  1. Srovnejte rychlost rozpouštění 3,0 g kyseliny borité ve 100,0 g čištěné vody při 25°C a při 60°C.
  2. Rozpusťte 2,0 g hydroxidu draselného ve 20,0 g čištěné vody a určete, zda se jedná o endotermní nebo exotermní děj.
  3. Rozpusťte 5,0 g mannitolu v 50,0 g čištěné vody a určete, zda se jedná o endotermní nebo exotermní děj.
  4. Srovnejte rychlost rozpouštění 1,0 g síranu měďnatého v 10,0 g čištěné vody bez míchání a při míchání skleněnou tyčinkou.
  5. Připravte 0,25 litru roztoku chloridu sodného v koncentraci 0,2 mol/l.
  6. Připravte 75 g 2,5% vodného roztoku jodidu draselného.

Kontrolní otázky

  1. Pojmenujte jednotlivé složky v roztoku odbornými výrazy.
  2. Co jsou roztoky pravé a koloidní.
  3. Jak se vyjadřuje rozpustnost látek podle ČL.
  4. Charakterizujte jednotlivé stupně rozpustnosti podle lékopisu.
  5. Jaké faktory ovlivňují prosté rozpouštění.
  6. Vysvětlete, jakými mechanismy lze urychlit prosté rozpouštění látek.
  7. Jaká znáte polární rozpouštědla?
  8. Jaká znáte semipolární rozpouštědla?
  9. Jaká znáte nepolární rozpouštědla?
  10. Uveďte základní vlastnosti vybraných rozpouštědel.
  11. Jak se vyjadřuje koncentrace roztoků?
  12. Co vyjadřuje látková koncentrace?
  13. Jaké typy vyjadřování koncentrace pomocí zlomků znáte? 
  14. Co označuje procentuální koncentrace?
  15. Jaké typy procentuální koncentrace používá lékopis?

 

Media