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卡尔费休法测水最全的相关知识

作者:陕西保健网
来源:http://www.xapfxb.com/yuer
更新日期:2021-02-28 12:30

-

2021年2月28日发(作者:尿毒症的早期症状)
本文来自百度空间
:
分析、
化验相关技术与管理

/li mengdalian/home

,由
金属元素整理。

绪论


测定溶剂、纸张、油品、医药、电镀、

涂料以及其它产品中的水份含量成为现代产

品质量
控制中重要的一部分内容 。
如无水有机溶剂体系、
须干燥储存的油品、
医药和涂料等产品中,
微量水的 存在都会对体系的稳

定性、
效用产生很大的影响,
因此必须将水

控制在一个相当
低的含量,
这时就需要快捷

实用的微量水分测定技术来监测其中的水分。

卡尔费休滴定正
满足了这种要求,是精确且

简便实用的微量水分测定方法。


水分测定常用的方法


烘干称重法——烘干法的优点是对设备要求不严。但它的

缺点也是明显的,烘干法费时、
费力,
综合费用并不低,

尤其对于含水量较小的样品,所需样品量大,
且检测结果

并不精
确可靠。


红外水分仪——检测原理与烘干称重的方法相同,相对于

传统方法,结果更加精确,但在
检测中一些挥发性样品也

会被计算为水分。


气相色谱法——灵敏度大大提高,可以检测到
100ppm


右,甚至更低,但是对与固体样
品,特别是无机固体样品

不方便检测。


卡尔费休滴定法——这是一种检测水分的专一性方法,检

测速度很快,灵敏度很高,而且
针对大多数不同的样品都

有相应的检测方法,具有很广泛的适用性。


卡尔费休试剂的发现


1935

Karl

Fischer
发现了,
在以吡啶、
甲醇和二氧

化硫为介质的体系中,
碘单质可以和
水以稳定的化学

计量方式发生反应,
于是他公开发表了

测定水含量

的新方法

的报道,

此,这种方法成为测定水含量

的一个新方法得到了世界性的广泛应用。
Karl

Fischer
在最
初的研究中借鉴了
Bunsen
反应

上述反应是可逆的,
为了使反应向正方向移动并定量

进行,
须加入碱性物质(吡啶)
,体系最佳的
pH
值范

围是
5-7



卡尔费休滴定的先决条件


基于
Karl
Fischer
的发现,在
1979
年,
Eugen
Scholz


士的领导下,他的小组发现了用以
替代吡啶的更好的碱,

并研究出了
KF
反应的两步反应机理。从此,我们确定了

卡尔费休
试剂中必要的化学成分及其作用,从而为今后的

卡尔费休滴定在不同领域中的应用建立了
试剂化学配方应


卡尔费休滴定机理


CH 3OH+SO 2+RN <==> [RNH]SO3CH3
第一步反应中的反应机理



H2O+ 2I

+[RNH]SO3CH

3 +2RN
<==>
[RNH]SO4CH

3 +2[RNH]I
第二步反应中的
反应机理


卡尔费休试剂的成分及作用

卡尔费休试剂中的化学成分

:醇





二氧化硫
















醇在反应中是一个具有亲核攻击能力基团的物质。

最合适的醇就是甲醇,因为其反应活性
最强,并能提供一个良

好的质子活性体系。


碱在滴定过程中所起到的作用是中和反应中产生的酸 性物质,
保证体系在合适的
pH
范围中
进行,它还要易与碘,二氧化硫结
合。以降低二者蒸气压的作用。
Scholz
通过研
究发现,
吡啶并不是最合适的碱性物质。
因为吡啶的碱性弱,
因此在反应中不能把产生的酸
性 物质完全中和,这就造成了卡尔费休反应速率的缓慢。太强的碱性物质又会使体系的
pH
太高, 产生副反应。


早期的卡尔费休试剂:甲醇,二氧化硫,碘,吡啶。
但随着发展,针对不同的应用,醇的
种类也有所增加。而吡啶也被更好的碱性物质所取代。


卡尔费休滴定的方法


容量法

其体系分为滴定剂和溶剂,样品加入到溶剂系统中,滴定剂对样品进行滴定。

库仑法

库仑法滴定是一种滴定技术,
KF
反应所需的

2I


通过电离子在阳极被氧化而产
生的:阳极反应式为:
2I
-
- 2e
-


----I2

容量法卡尔费休试剂


加入试剂预滴定


容量法卡尔费休试剂分为:

单组分试剂


将必需的化学成分集中一个体系中(滴定剂)
,溶剂提供的是样品的载体。


双组分试剂


将必需的化学成分分配到两个体系中(滴定剂;溶剂)
。这样就使试剂的保质期变长,并且
使滴定的反应速度加快。


容量法试剂的重要参数:

滴定度

X mg

/ml

加样检测(液体样品,固体样品)


库仑法卡尔费休试剂


库仑法法卡尔费休试剂分为:


按仪器类型分

有隔膜试剂

无隔膜试剂


按功能类型分

阳极液试剂

阴极液试剂

试剂的主要化学成分都在阳极液中,
与容量试剂不同的是,
单质碘被还原态的碘离子所取代 。
在反应中,碘离子在阳极被氧化成碘单质,然后参与到卡尔费休的化学反应中去。


库仑法的化学计量依据:
m=M*Q/(z*F)

有隔膜,无隔膜的区别


有隔膜库仑仪(加试剂预滴定,加样检测)


无隔膜库仑仪(加试剂预滴定,加样检测)


卡尔费休滴定的结果计算


WE=
试剂的滴定度,单位:
mg/ml

a=
试剂的耗 用量(体积
ml

,通过实验所获得的最基本的数据


e=
被测样品的质量,单位:
mg

水的质量
=a*WE

含水量结果
W= [

a*WE

/e]*100%


容量法、库仑法的适用范围


常规情况下以所测样品的含水量的多少进行划分的:


容量法适合于检测< br>1mg-100mg
的水分;库仑法适合于检测
10ug-10mg
的水分。< br>

针对一些特殊的样品,应该灵活的进行区分

如:测醛类样品的含水量,应使用容量法。


测难溶的物时,需要使用较多氯仿,二甲苯增溶,应使用容量法。


测不溶的粘性物质,应使用容量法。


体系中水分及有机溶剂的影响


水分含量的影响


体系的水含量会对卡尔费休的化学计量产生影响,如果体系的水含量超


1 mol/L
,则化学
反应就会趋向于这时候
2mol
的水消耗
1mo l
的碘,这对反应结果会产生很大的影响。

因此
在检测中应当注意体系中水 含量。
如:
双组分试剂
HYDRANAL- solvent
的水容量是7mg/ml

那么
50ml
的溶剂只能检测
350mg
的水。这时应在加样前稀释样品,或减小进样量,以保证
卡尔费休反应能按照正确的化学计量方式进行 。



有机溶剂含量的影响


在甲醇或乙醇体 系(质子体系)中,水和碘能够按照
1

1
的化学计量方式进行反应,而在< br>质子惰性体系中,
水和碘会按照大于
1

1
的化学计量方式进 行反应。
随着醇的碳链的增长,
这种惰性会越来越强。


Karl Fischer
辅助试剂及作用


氯仿,二甲苯

其作用是为脂肪类,
油类等难溶于甲醇的物质提供一个良好的溶解体系。
另外氯仿还为无机
盐类中的水分提供一个良好的分散体系。


甲酰胺

< br>为粘稠,
不溶类的物质提供一个分散体系,
并萃取物质中的水分,
使其较快的参 与到反应中
来。如:苯酚尿素甲醛树脂,常规状况下,测定水含量需要
30
分钟,而在 高温下,加入甲
酰胺只需要
4-6
分钟。可以溶解极性样品。


酸,碱


调节体系的
pH
值,使其在合适的范围内进行滴定。


卡尔费休滴定的辅助手段


温度控制:


低温 ——对于有些氧化性很强的物质,
存在常温下不断的消耗碘的副反应,
低温能够较好的
抑制这种副反应,这时便采用低温的方式进行检测。


高温——对于一些难溶物质, 如塑料、食品、蛋白质,在高温下有利于内部水分的分散,配
合甲酰胺,其滴定时间会大大缩短。


试剂与样品不直接接触:


特殊的库仑法测定——卡氏炉


不同化合物中的水分检测


烃、醇、醚


卤代烃







羧酸

羧酸酯,
羧酸盐


N
的化合物


S
的化合物


B
的化合物

硅烷,
硅烷醇

过氧化物

无机盐

无机酸




样品的处理原则


对于不同的样品而言,使用卡尔费休进行水分 测定,对于选择什么试剂,选用什么仪器。应
遵循几个原则:


1
、要尽量保证样品在体系中能够溶解,通过选择合适的溶剂或添加增溶剂等方法来实现。

< br>2
、如果样品属于不溶物质,那么应通过一些辅助方法或加入辅助试剂,让样品的水分能够
充分的分散到体系当中。


3
、样品不能与试剂发生干扰卡尔费休化学计 量的副反应,如果发生副反应,应选用合适的
试剂,辅助试剂来抑制这种副反应,或者选择辅助设备进行 检测。


4
、应根据样品的特性来选择合适的仪器。


卡尔费休常见问题


卡尔费休滴定出现异常的产生因素:


1
、卡尔费休的化学计量受到影响:样品中的水与碘单质应该以
1

1
反应,如果出现此计
量受到破坏;或者体系
pH
值不在合理的 范围内。此时实验结果就会受到影响。


2

仪器出现问题,仪器没有通过有效手段将反应体系与外界隔绝起来。
或者电极出现污染。


试剂的处理


在使用中,
对现成的卡尔费休试剂进行适当的处理, 可节约操作时间,
并方便使用,所以针
对自己的样品,应配制合适的测试体系。


1
、减少试剂本身的含水量。


将分子筛灼烧后,加入 到溶剂(容量法)中。可以降低溶剂体系中的含水量,以减少预滴定
的时间并可节约滴定剂。


2
、配制溶解能力较强的试剂。

将试剂
(容量法的溶剂 ,
库伦法的阳极液)与氯仿或二甲苯混合,
要注意氯仿的含量不能使
滴定中的化学计量 改变。


3
、配制具有缓冲能力的试剂


对于一般的弱酸
(碱)
性样品,
容量法可以使用
HYDRANAL- Solvent

HYDRANAL-Buffer
作溶剂,但对于较强酸性(碱性) 样品或者在库仑法中使用,可以另外配制缓冲试剂。将固
体的缓冲物质与试剂混合
(容量法的溶 剂,
库伦法的阳极液)
加入固体的缓冲物质的量要根


据自己的样品进行计算。


样品的取样量


控制每次检测样品的量对卡尔费休滴定具有很重要的意义,并能帮你选择合适的检测方式。


1
、样品的最小量


每次取样的最小量至少要保证其含水量大于仪器的分辨率,以及考虑到漂移所带来的影响。

容量法水分仪的分辨率与滴定管的分辨率,试剂的滴定度有关。

库仑法水分仪的分辨率与
最小电流有关。


2
、样品的最大量


每次取样的最大量要保证其含水量不会超过体 系的水容量(容量法)
,试剂所能测定最大含
水量(库仑法)以及滴定杯的容量。如果样品与试 剂存在副反应或
pH
值太高(太低)
,还
要考虑到这些因素,加样量的范围要 相应的变窄。


标准水的使用


由于卡尔费休试剂的滴 定度会随时间的变化而变化,
因此,
就需要我们对试剂和整个仪器系
统进行标定。最普遍的方法就是使用蒸馏水进行标定,
但使用蒸馏水有一个很大的缺点,

于进 样量往往都很小,所以容易产生较大的误差。


所以,建议使用已经商品化的标准水试剂。


选择标准水试剂大致可以按照所使用的仪器进行选择。


容量法:
HYDRANAL-Standard 5.00(
液体
)
含水量
5.00
±

0.02mg/ml

HYDRANAL

Water Standard 10.0 (
液体
)
含水量
10.0mg/g

HYDRANAL-Standard sodium tartrate-2-hydrate(
固体
)

含水量
15.66
±
0.05%

库仑法:
HYDRANAL

Water Standard 1.00 (
液体
)
含水量
1.00mg/g

HYDRANAL

Water Standard 0.10 (
液体
)
含水量
0.10mg/g

卡氏炉:
HYDRANAL

Water Standard KF- Oven(
固体
)
含水量
5.55%

标准水的选择可以根据实际应用灵活变化。


食品

< br>对于食品中的水分含量,
建议使用容量法进行滴定,
由于食品中含有细胞结构,
释放水分较
缓慢,
应通过一些辅助手段来进行检测,
食品中很少会含有能引起副反应的 物质。
所以辅助
手段主要的目的一般都是增溶或促进水分散。


碳水化合物

脂肪和脂肪类物质

乳制品和蛋白质

蔬菜类食品

面粉及其制品

巧克力,糖果
及口香糖


药物


卡尔费休滴定法已经成为药品含水量测定的标准方法。

如:
欧洲药典
()

美国
药典
(USP)
欧洲药典中介绍了的卡尔费休试剂配置方法,
但含有吡啶,
有时候需要自己配制,
但 欧洲药典也允许使用其他试剂,
而在美国药典中几乎没有这方面的限制。
在药典中介绍了
用于各种产品(欧洲药典
442
种,美国药典
285
种)分析的正确方法,
HYDRANAL
系列的
卡尔费休试剂可用于所有这些分析方法。


草药的萃取物

栓剂

药膏和霜类

与卡尔费休试剂有副反应的药物

药片样品

静脉注射的粉



化妆品

含油和脂肪的化妆品

以水或酒精为基质的化妆品

爽身粉

指甲油、指甲油去除剂

婴儿油、杏仁油


工业产品

水压油、绝缘油、变压器油

电动机油、润滑油

矿物油(原油,重油)


碳氢化合物


涂料、油漆和粘合剂

塑料


具体的测定实例:

化合物的测定
-
烃、醇、醚


烃类、醇类对
KF
试剂的影响是不存在的。

但是在滴定中需要注意的是溶解性的问题,


小分子的烃类可以在甲醇中溶 解,
但是长链及多环烃类需要使用长链醇,
氯仿等这类物质作
为溶剂,以提高样品的溶 解能力。


C8-C15
的烃类样品可以加入
1-
丙醇溶解样品。

C20
以上的烃类、
醇类或醚类样品需加入氯
仿来溶解样品。

需要注意的是,当加入氯仿作为增溶剂的条件下,甲醇的含量不能低于

35%*。否则会影响到化学计量,如果是库仑仪,整个滴定体系的电导能力会下降,也会影
响到结果。

化合物的测定
-
卤代烃


卤代烃中的水分可以直接用
KF
试剂进行测定。


C10
以上的卤代烃,需要加入增溶剂。


在实际应用 工业检测中,
可能要注意,
工业化生产出的卤代烃可能含有游离氯,
氯具有氧化
性,因此
(HRN)I
中的碘可能会被氧化成单质碘。这样碘又可以与水反应,这种状况下, 测
定结果会小于实际的含水量。一般加入
1-
十四烯的效果非常好,其双键能与游离氯 加成。
消除氯的影响。这时要考虑溶解性问题。需向体系中加入氯仿。


化合物的测定
-



大多数的酚类都可以直接滴定,但是较大分子量的酚,
氨基酚在检测中会遇到问题。
在检测
一些苯酚的衍生物时( 如:
2-
硝基酚;
3-
溴苯酚)
,出现无法达到终点的情况,碘一直 在消
耗。通过研究发现,
加入酸性物质可以抑制这种反应,其机理我们尚不清楚,我们推测碘将
这类化学物质氧化,从而在宏观上出现了碘在不断消耗的现象。而这种反应与
pH
值有 很大
的关系。所以要加入酸性物质,将体系的
pH
值调至酸性范围,抑制碘被消耗。< br>
在检测这
类物质时,容量法要更优于库仑法。


化合物的测定
-



酮类的水分测定需要使用特殊的KF
试剂,因为酮可以和醇发生缩酮。为了抑制这个反应,
我们需要选择亲核攻击能力较合 适的的醇类代替甲醇,
如:
作为反应的体系,
这种醇具有足
够的亲核攻击能力 ,去攻击二氧化硫中的
S
原子。完成
KF
反应的第一步,而它同时没有足够的能力进攻酮类物质中的双健碳原子。


合适的试剂:
HYDRANAL-Composite 5K, HYDRANAL- Ketosolver

HYDRANAL-Coulomat AK,(HYDRANAL-Coulomat CG-K)

化合物的测定
-



醛类的物质不但具有类似于酮类的缩合反应。


还存在其它反应:


在这种状况下,一些基团的吸电子能力直接影响着反应方向。

因此,当基团的吸电子能力
足够强时,会让反应方向偏向从右向左。

所以在我们的醛酮试剂中选择了几种醇类,对这
种反应有很好的抑制作

用。如:

氯乙醇

化合物的测定
-
羧酸


测定羧酸的含水量,需要对羧酸进行中和,保证系统的
pH
值在
5 -7
之间,所以需要加入缓
冲物质,如咪唑等。

大多数羧酸可以直接在已经加入缓冲剂的常规体系中滴定。

但是,

于甲酸,乙酸

还要考虑到羰基碳很容易受到亲核攻击,所 以,我们同样需要在滴定醛酮的
环境中对其进行检测。


化合物的测定
-
羧酸酯、盐


羧酸酯可以在常规体系中直 接进行滴定。
但酯类的溶解需要通过添加增溶剂来处理。
如:

烯酸乙酯,这 是一个
C5
的羧酸酯,但基本上就需要
1-
丙醇或氯仿来增溶。羧酸盐的滴定 同
样也不存在副反应,
但是其溶解能力通常要比酯类还差,
因此需要采用一些辅助手段 ,
加入
甲酰胺,在高温下甲酰胺能够快速的从这类物质中将水萃取出来,从而缩短滴定时间。< br>

化合物的测定
-

N
化合物



N
的化合物,可以按照其性质分为三类。


弱碱性物质 ,这类物质基本上就是一些杂环含
N
化合物,一般都可以在常规的体系中进行
滴定。< br>

强碱性物质,这类物质基本上就是脂肪胺,这类物质在加入到常规的
KF< br>系统中会引起
pH
值得变化,
在碱性环境下,碘单质会被消耗,
从而引 起结果偏大。
因此需要加入酸性缓冲物
质以调节系统的
pH
直到合适的范围。


有副反应的物质,
这类物质较多的就是芳香胺及部分二胺。
其机 理尚未清楚,
其中可能存在
芳香胺被甲基化的反应,因此我们应保证体系在酸性条件下进行,从 而抑制
N
的进攻性反
应。


化合物的测定
-

S
化合物


大多数含硫的化合物能够在常规体系中直接进行性。

但硫醇会被碘氧化,消耗碘,从而使
结果含水量偏高。
2RSH

+

I 2
?

RSSR

+

2HI
因此我们需要加入
N-
乙基顺丁烯二酰
亚胺,以 消除这种情况。但是我们要注意,

N-
乙基顺丁烯二酰亚胺与
-SH
反应后的物质会
具有碱性,这会使体系的
pH
值升高,因此,我们同时需要加入酸性 物质对系统进行
pH

节。


化合物的测定
-

B
化合物


硼酸与甲 醇容易发生酯化反应,在这个反应中,会释放出水分。由于甲醇的反应活性很强,
所以为了抑制这种副反 应,我们应该选择测定醛酮类样品时所用的试剂(即不含甲醇的试
剂)



三氧化二硼,偏硼酸
(HBO2)
和硼砂
(Na2B4O7)
都会有 类似的反应存在。在测定这些物质时,
都应该考虑使用特殊试剂。


化合物的测定
-
硅烷醇


硅烷醇,其中的羟基会与甲醇产 生醚化。因此,硅烷醇的滴定需要在醛酮类的溶剂中进行。










仿






















HYDRA NAL-Composite 5K & HYDRANAL-Medium K

化合物的测定
-
过氧化物


在有机过氧化物质中存在两种反应


ROOH + 2HI
?R
OH + I

2 +H

2O

R-CO-OO-CO-R + 2HI
?2RCOOH + I2

对于第一种反应,不会影响到
KF
滴定。

第二个反应,较为合适的方式就是降低温度,让
体系在低温下进行滴

定,从而能够使此反应速度降低。


化合物的测定
-
无机盐


无机盐中的水分可以按照物理方式分为:


结晶水


内含水


这两种水的检测,应考虑到水分的分散性,加入甲酰胺,
并升高体系温度,
都有利于加快水
分检测的速度。


吸附水


这种水分的检测,应在含有氯仿的体系中进行检测,因为氯仿能够较

好的抑制无机盐在醇
中的溶解,这样就提高了吸附水在醇中的分散度。


铜盐在检测时需要引起注意,因为铜离子会使电极产生一个假信号,

加入后,仪器会 马上
出现一个滴定终点,因此需要在氯仿含量较高的环境中进行,并且使用容量法滴定。


化合物的测定
-
无机酸


在测定无机酸时应注 意两点:
无机酸会将体系的
pH
值降低
,
这会使整个反应的速度变慢 。

此须对无机酸进行中和,
使其加入到滴定体系当中来时,
仍然能保持体系
5-7

pH
值范围。

强酸还需要在加入前就进行中和的前处理。

使用
50ml
吡啶,溶 解
5g
待测样品,并用甲醇
稀释到
100ml
,取样检测。

因此,这必然会引入其他试剂中的水分,所以,还要对用于前
处理的试剂进行空白滴定。

酸会与甲醇产生酯化反应,因此需要在无甲醇的介质中滴定。



氯仿的含量


由于
KF
水分仪的检测是通过电化学进行计 量的,
所以,
滴定体系也要求是一个质子活性体
系,在这种情况下,非极性物质的含量 直接决定了电化学计量能否正常进行。

通常,只要
保证体系的甲醇含量在
3 5%*
以上,就可以使电化学计量保持在正常范围内。在库仑法中,
这种影响更明显,因为在测 定中,不但滴定终点通过电化学方式检测,
在反应过程中,
一直
存在着电化学氧化、< br>还原反应,
因此这种质子活性更为重要。
质子惰性体系会影响正确的计
量。所以 ,在库仑法中,要避开大量使用这类增溶剂,氯仿的含量不能超过
30%



卡氏炉的应用


什么样品适合用卡氏炉进行测定


在高温下才能释放出水分的样品,在常规的卡尔费休试剂中不能溶解的样品。

与卡尔 费休
试剂存在副反应,
要避面直接接触,
但这要保证样品在高温下不会分解或释放出能 与试剂发
生反应的化学物质。
载气应尽量使用干燥的氮气,
因为在加热的过程中,有些化合物可能


生氧化。


碘的不断消耗


如果样品与卡尔费休试剂中的碘发生副反应,即使系统中的水分被消耗

完后,碘还在继续
被消耗,这时系统会认为体系还没有达到滴定终点。


例如:


2RSH

+

I 2
?
---- RSSR

+

2HI

2Na 2S 2O

3 + I 2

-----2NaI + Na 2S 4O6

C 6H 8O 6 + I 2 ---C

6H 6O 6 + 2HI

所以必须对样品或者试剂进行处理。


选择卡氏炉,避开样品与试剂直接接触。也可以先把样品用碘醇滴定

后,让副反应完全后
再进行水分滴定。

酚类样品也会消耗碘,这可以在体系中加入酸性缓冲物质,通过降低体


系的
pH
值来抑制这一副反应。


水的不断生成


样品与卡尔费休试剂发生副反应释放出水分。

这种情况,主要是由于卡尔费休试剂中的甲
醇具有很强的活性造成的。

因此要使用无甲醇的工作介质,对样品进行测定。

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