卡尔费休水分测定法是以甲醇为介质以卡氏液为滴定液.docx

1、卡尔费休水分测定法是以甲醇为介质以卡氏液为滴定液1. 在 卡 尔 费 休 水 分 测 定 法 中 主 要 的 溶 剂 为 甲 醇 . 但 是 有 一 些 样 品 不 溶 于 甲 醇 , 要 测 定 这 些 样 品 的 含 水量,就需要选择其它溶剂或配合使用多种溶剂使样品溶解,并将水分 释放出来 &前言卡 尔 费 休 水 分 测 定 法 是 以 甲 醇 为 介 质 以 卡 氏 液 为 滴 定 液 进 行 样 品水分测量的一种方法。此 方法操作简单，准确 度高，广 泛应用于医 药 、石 油 、化 工 、农 药 、染 料 、粮 食 等 领 域 。尤 其 适 用 于 遇 热 易 被 破 坏的样品。一

2、般 情 况 下 ，产 品 中 水 分 的 含 量 异 常 会 严 重 地 影 响 产 品 的 质 量 和 使用效果。例 如：药 品、日 用品、食 品中所含水分过高会影响其稳定 性、理化性状、及使用效果和保质期,化学试剂中所含水分过多会影 响其化学特性等。因 此，对产品中的水分进行检查并控制其限度非常 重要。以前，人们普遍应用加热干燥法，此种方法不但繁琐、费时， 而且系统误差较大不能满足现代化生产中对产品检验的需要。1935 年， Karl Fischer 发现了 一种用滴 定法测 定含 水量 从 1ppm到 100%的 样 品 的 方 法 。该 方 法 测 定 水 分 含 量 的 用 途 广

3、泛 、结 果 准 确 可 靠、重 复性好，能 够最大限度 的保证分析结果的准确性。而 且该方法 滴定时间短，一 般情况下测定一个样品仅需 2 到 5 分钟，适应现代化 生产中快速检测的要求。因而卡尔费休氏水分测定法得到了各 界的 一致认可，现在已成为国际上通用的经典水分测定法。2.基 本 原 理卡 尔费 休 水分 测定 法是 一种 非水 溶 液中 的氧化 还 原滴 定法，其 滴定的 基本 原理 是碘 氧 化二 氧化 硫时 需要 一定 量的 水参 与反 应，化学 反应方程式如下：I 2+SO2+2H 2O 2HI+H 2SO4 （2-1）I 2+SO2+H 2O+3RN+R 1OH 2RNHI+

4、RNSO 4R1 （2-2）卡氏试剂中含有分子碘而呈深褐色,当含有水的试剂或样品加入后, 由于化 学反应, 生 成甲基硫酸化合物 (RNSO4R1) 而使 溶液 变成黄色, 由 此可用目测法判断终点,即由浅黄色变成橙色.但是目测法误差教大 而且在测定有颜色的物质时会遇到麻烦。国 家标准大都规定用“永停 法”来判定卡氏反应的终 点，其原理为：在反应溶液中插入双铂 电极， 在两电极之间加上一固定的电压，若溶剂中有水存在时 ，则溶液中不 会有电对存在，溶液不导电，当反应到达终点时，溶液中存在I 2和I - 电对，即：2I - = I 2+2e （ 2-3）因此，溶 液的导电性会突然增大，在 设有外加

5、电压的 双铂电极 之间的 电流值 突然增 大，并且稳定在我们事先设定一个阈值上面，即可判断 到了滴定终点，机 器便会自动停止滴定，从而通过消耗KF试 剂的体积 计算出样品的含水量。3.溶 剂 的 选 择3.1常 用 溶 剂由 于 此 法 是 测 量 样 品 中 水 分 含 量 ，因 此 需 要 使 用 一 种 非 水 物 质 作 为溶剂，使 样品溶解。通 常情况下，甲 醇是比较理想的溶剂。此 反应 是可逆 反应 ，为 了使 反 应向 右进 行， 反应 系统 中加 入了 过量 的 SO2， 无水甲醇可以溶解大量 SO2，因此无水甲醇便成了首选的 溶剂。另 外 ， 甲 醇 作 溶 剂 还 有 防

6、止 副 反 应 发 生 的 作 用 。 Karl Fischer 用吡啶来吸收反应生成的 HI 和 H2SO4 以确保反应的顺利进行。后来 Smith Bryanz 和 Mitchell 将 这 个 反 应 描 述 成 两 步 ：I 2+SO 2 +H 2O+3C 5H5N 2C5H5NH +I- + C 5H5NSO33-1）C5 H 5N.SO 3+CH 3OH C5H5N H+CH 3SO4- （3-2 ）在 第 一 步 反 应 中 ， KF 试 剂 和 水 反 应 生 成 不 稳 定 的 硫 酸 酐 吡 啶 （C5H5NSO3）， 此产 物容易分解 成吡 啶和二 氧化 硫。 作为溶 剂

7、的 无 水 甲 醇 可 与 其 反 应 生 成 稳 定 的 甲 基 硫 酸 氢 吡 啶 （C5H5N H+CH 3SO4-）。因此，甲醇不仅作为溶剂，还参与了反应。这样滴定的总反应式可以写作：I 2 +SO 2 +3C 5H 5N+CH 3OH+H 2O 2（C 5H5N+H）I +（C 5H5N+H）O SO2?OCH3 （3-3 ）由此可见 ，甲醇作溶剂不仅有溶解大量SO2的作用，还有防止副反 应发生的作用。但甲醇在此并不是必须的，在无醇的溶剂中，碘和水反应的方程 式如下：I2+SO 2+H 2O+3 C 5H5N 2 C5H5N H+I- + C 5H5NSO3（不稳定）（ 3-4 ）B

8、5C5N.SO 3+H 2O B5C5N H+HSO 4-（稳定）（3-5 ）可 以 看 出 ，此 时 水 与 碘 的 化 学 计 量 数（ 水 ：碘 的 分 子 摩 尔 比 ）为 2:1 ， 而 有 醇 存 在 时 水 与 碘 的 化 学 计 量 数 为 1: 1 。3.2其 它 溶 剂在 卡 尔 费 休 水 分 测 定 法 中 主 要 的 溶 剂 为 甲 醇 。但 是 有 一 些 样 品 不溶于甲 醇 ，要 测 定这 些样 品的 含水 量，就 需 要选 择其 它溶 剂或 配 合使 用多种溶剂使样品溶解，并 将水分释放出来。现 在，人们常常应用多 元溶剂 来溶 解以 前在 甲 醇中 不易 溶

9、解 的样 品，从 而也 就扩 大了 卡 氏法 测定水分的应用范围。例 如：用 正癸醇、甲 酰 胺、甲 醇以 8：2：1 的 比例配制溶剂，来溶解测定奶酪的含水量，可 以使得到的 s 值小于 0.5%。 其它样品所所选用的溶剂配制如表 3-1 所示：样品结果相对 标准 偏差（ s）溶剂奶酪27.6%0.4%正 癸醇/二甲 酰/甲醇 =8： 2：1肝泥香肠61.6%0.4%正 癸醇/二甲 酰/甲醇 =8： 2：1芥菜72.4%0.6%正 癸 醇 / 二 甲 酰 =1 ： 1鸡精4.9%0.3%正 癸醇/二甲 酰/甲醇 =8： 2：1烟草11.5%0.5%甲醇木材9.8%0.4%甲醇丙烯画颜料54.

10、3%0.5%二甲酰表 3-1对不同溶解性的固体，要依不同样品的极性和溶解性选择溶剂， 如 表 3-2 ， 表 3-3 所 示 ：固体类型溶剂及部分操作微溶固体甲醇混合 2 到 3 分钟，但 不能在 40 毫升甲醇 中测量 超过 3 次部分溶解甲醇 ：氯仿=1：1 或甲醇：正癸醇=1：1 测量结果会 超过 真实结果 10%，所以应换用纯甲醇易溶性固体甲醇 ：二甲酰 =1：1可以 在 40 毫升溶剂中进行 8 次 测定 。 表 3-2液态有机物盐类冰醋酸直接柠檬酸铵甲醇丙酮吡啶氯化钡甲醇苯甲醇氯化钙甲醇丁醇甲醇或直接柠檬酸钙甲醇四氯化碳甲醇酒石酸钠甲醇氯仿甲醇硫酸锌甲醇环戊醇甲醇醋酸镁甲醇乙醚甲醇

11、柠檬酸三钠甲醇二烷甲醇或直接高氯酸铵吡啶吡啶直接注：现在有卡尔费休试剂专用溶 液，某些物质用常规溶剂测定时 往往得不到准确结果，如 柠檬酸， 环氧氯丙烷，醛，酮采用相应的 卡氏专用溶液可得到极佳效果。二甲苯、甲苯、 多元醇 、苯、酚、 甘油甲醇酯直接乙醇直接甲酰胺、甲酸直接表 3-34.卡 尔 费 休 试 剂通过上面 介绍，我们就可以对 卡尔 费 休试剂的基本组成进行一 下大概的推断 ，其 主要成份应该是碘、二 氧化硫、溶 剂和有机碱，溶 剂主要是醇类，这 也是经典的容量法卡尔费休试剂。该试剂具有以下 特点：1、试剂中含有极难闻恶臭气味和较大的毒性，有损于测试者的健康 和环境。2、由于存在下列

12、反应，溶液在储存过程中会产生副反应，消耗了试 剂中的碘分子，导致滴定度的下降。I2+SO2+3C 5H 5N+2CH 3OH 2C 5H 5NHI+C 5H5NSO 3CH 34-1 ) 3、试剂中含有甲醇，由于甲醇可与含羰基（C=O）有机物发生醇醛 或醇酮缩合反应（4-2 ）（4-3 ），而生成水使测量不准确或终点不明确， 因此其应用范围受到限制。RCHO+2CH 3OH RCH （OCH 3）+ H 2O （4-2）OCH3C=O+2CH 3OH H2O +=C/OCH3（4-3）为了保证反应的正向进行，试剂中二氧化硫、有机碱和醇类物质 都是过量的。中国、英国、美国、日本四国药典均收载了费

13、休氏滴定法（容量 滴定法和库仑滴定法）。其中中、英、美三国药典均只收载了1种费休 试液的配制方法，英国药典和美国药典还介绍了一些商品费休试剂， 日本药局方则收载了3种费休试剂的配制方法。4.1分类容量法卡尔费休试剂主要是按组元分为单组元，双组元和混合型、 对瓶卡尔费休试剂；其中每一类卡尔费休试剂又分为含吡啶型和无吡 啶型（用咪唑来取代吡啶）。4.1.1单组元容量法卡尔费休试剂：现在国内某些生产厂家推出的单组元卡氏试剂包括无吡啶型和 含吡啶型。这些试剂用含羟基的其它物质代替甲醇，稳定性大大加强， 有较长的保质期。实验表明，在无外界水分进入的情况下，副反应极 小，滴定度趋进于一常数。可测定醛酮类物

14、质（要与合适溶液匹配）， 使用范围增加。无吡啶型试剂用无毒无味的有机碱代替吡啶，保护健 康和环境。反应速度快，有较快的反应动力学。使用方便、简单，终 点明确。无吡啶型有滴定度 f=5 6，f=3 4，f=2 3 三种。含吡啶 型有滴 定度 f=5 6，f=3 4 两种 。滴 定度 高的 试剂 适用 于含 水 量高 的物质。含吡啶型试剂保留了吡啶，去掉了甲醇，增加了应用范围。使用方法：单组元试剂可直接使用。单组元试剂作为滴定液，溶 剂为甲醇、卡氏专用溶液或其他溶剂。4.1.2双 组元 容量法卡 尔费休试 剂：双组 元容量 法卡 尔费 休试 剂由 滴定 液（ A 液 ）和 溶 液（ B 液 ）组

15、成 。溶 液 用 来 溶 解 样 品 ，滴 定 液 用 来 测 量 水 分 含 量 。滴 定 液 包 括 含 吡 啶型和 无吡 啶型 。每 种类 型又 包括 滴定 度 5 6mg/ml 和 3 4mg/ml 两 种。使用卡氏试剂专用溶液与传统溶剂（如甲醇）相比，反应速度更 快 ，终 点 更 加 敏 锐 。接 近 终 点 时 ，溶 液 的 颜 色 由 无 色 至 浅 黄 色 ，电 流 就可产生突变。一 些特殊的溶液，用来测定特定样品，以 确保被测样 品在测定过程中介质均一、数 据重现性好、准确度高。某 些物质用常 规的溶剂测定时，往往得 不到准确 的结果。如测柠 檬酸、环氧氯 丙烷、 醛酮类物质

16、，这时，用相应的卡氏专用溶液可得到极佳的效果。双组元试剂的滴定液和溶液要分别使用，千万不可混合后使用。 卡氏试剂的专用溶液也可以与单组元卡氏试剂配套使用。使用方法：滴定液（A液）作滴定剂使用，溶液（B液）作溶剂使 用。4.1.3混 合型 、对瓶容 量法卡尔 费休试剂 ： 混合型、对瓶卡尔费休试剂也属于容量法。这些是经典的卡尔费 休 试 剂 。 主 要 成 分 就 是 碘 、 二 氧 化 硫 、 吡 啶 、 甲 醇 等 。 混 合 型 滴 定 度下降比较快，保 存期受到一定限制。但价格便宜，又 符合传统使用 习 惯 。购 买 后 要 尽 快 使 用 ，而 且 使 用 前 要 准 确 标 定 。对

17、 瓶 是 将 试 剂 制 作成甲、乙 液分别储存。乙 液是二氧化硫、吡 啶的甲醇溶液，甲 液是 碘的甲醇溶液。这样，有效的克服了副反应。I2+SO2+3C 5H5N+2CH 3OH 2C 5H 5 NHI+C 5H5NSO 3CH 3(4-4 )在使用前可长期保存。使用方法：混合型与单组元试剂使用方法相同，对瓶的使用方法 有两种：等体积的甲液与乙液混匀，放置 24 小时后使用。使用前 应标定其滴定度；甲液作滴定液，乙液作溶液来溶解样品。注意： 乙液应加入足够量，以确保反应定量进行，满足反应式。每次使用前 应进行准确的标定，混匀后要尽快使用，以免浪费。4.2卡尔费休试剂的发展：以前，卡氏试剂中用

18、的有机碱主要是有毒、恶臭的吡啶。后来，E.Barenrecht 和 J.C.Verhoff 对Karl Fisher 反应进行了更进一步的 研究后，得出了如下结论：吡啶不直接参加反应，也就是说它只起调 节PH值和缓冲剂的作用，可以用其它的有机碱替代。1984 年E.Scholz 发现了一种用咪唑取代吡啶的新的 KF试剂。这种试剂不仅代替了有 毒、有刺激性气味的吡啶, 并且它的反应速度更快, 使滴定结果更准确, 原因在于咪唑的 PH缓冲空间更大。E.Scholz 还对试剂的化学稳定性进 行了研究，发现其它试剂能够改善试剂的稳定性，如：乙醇，2- 丙醇， 或甲氧基乙醇，能取代甲醇。卡氏反应方程式如

19、下：ROH +SO 2 +RN (RNH)SO3R (4-5)(RNH) SO 3 R +I 2+H 2O (RHN) SO4R +2(RNH)I(4-6)现在常用的卡氏试剂有两种：无吡啶型和含吡啶型的试剂。为筛 选出适合的卡氏试剂，有研究人员作过相应的对比实验。实验从用新 鲜试剂开始( 其滴定度为 35) ，每隔一天对两种溶液的滴定度进行标 定，共进行十次，标定结果见表 3-1 。表 3-1 两 种卡尔费 休溶液 滴定 度标 定结 果 (mg/mL)通过 表 3-1 可以 看出，卡氏 试剂 在使 用过程 中，随 着时 间的 推移 ，滴定度越来越小，这是因为卡氏试剂受空气中水的影响。相对而言，

20、 无吡啶卡氏试剂减少得慢一些，也 就是说该试剂的稳定 性好，使 用时 间长，而 AB剂混合后稳定性会很快丧失，一般两个星期应予 更换。因此，选择使用无吡啶卡氏试剂较为合适。但该试剂在使用的过 程中也存在失效的问题。当每次测定的结果很难平行，无法对 测定结 果作出正确的判断时，需重新更换新的卡氏试剂。5.滴 定 剂 的 标 定 :5.1标 定 的 作用 ：在 KF 法 测 定 水 分 含 量 过 程 中 ， 碘 与 水 以 固 定 的 化 学 计 量 数 1 ： 1 进行反应，这就要求我们在进行实验前先确定滴定剂中 碘的浓度 ，也 即对滴定剂进行标定，这 是本实验定量的基础。只有准确知道我们所

21、使 用 的 KF 试 剂 的 浓 度 后 ，我 们 才 能 由 消 耗 滴 定 剂 的 体 积 和 称 样 量 求 出样品的含水量。在密封的棕色瓶中滴定剂的浓度一般变化很小 。但 由于温度的变 化对卡氏液有较大的影响，并且对滴定剂的储存并不是绝对密封的， 所以建议在每次滴定前都要进行标定，并且经 过一定的时间后，也应 进行重新标定。标定的滴定 剂的结果，受滴定 剂和系统 两方面的影响。 影响卡尔费休试剂浓度变化的主要有以下几个原因： 滴定剂的化学稳定性很低，其 中的碘和二氧化硫都是很活泼的 物质，容易和其它物质发生发应。滴定剂一有机会就会吸收空气中的水分而 使自己的浓度降低， 因为其中的甲醇吸

22、水性极强。因为 溶剂 中 90%的 物质 为甲 醇或 乙 醇， 所以 KF 试 剂中 醇的 密 度对温度的变化很敏感，温 度的一点升高将引起试剂浓度的急 剧下降，温度生高 1 摄氏度，可以使浓度下降 0.1% 。 即使装试剂的容器密封程度非常好，试 剂中各组分间仍可能发 生以下反应：I 2+SO 4 +3C 5H5N+2CH 3OHC5H4NCH 3SO4CH 3+2C 5 H 5NHI（ 5-1 ）5.3标 定 方 法：5.3.1酒 石 酸钠 标定 ：酒石酸 钠(C4H4NaO6 2H2O)是 KF 试剂的滴定一级标准物，在 正常 条 件 下 ， 该 物 质 含 有 15.66% 的 水 ，

23、 很 稳 定 而 且 不 吸 水 也 不 失 水 。 该 物质在 105加热失 重为 15.65 0.02% ，长期 暴露于湿 度为 20 70% 的空气 中，增 量 为 0.01 0.09% 。 但是 酒石 酸钠 在甲 醇中 只能 缓 慢溶 解且溶 解度很小，所 以使用前应把它研成很细的粉末，在滴定前应混 合 23 分钟（ 保证完全溶解），每 40ml 甲醇可溶 解 140mg 酒石酸钠 （ 室 温 ）。 美 国 药 典 则 规 定 ， 当 测 定 微 量 水 （ 1%以 下 ） 时 ， 用 酒 石 酸 钠作为参照物进行标定；当 测定常量水（不少于 1%）时 ，用 纯水（ 去 离子水）作为参

24、照物进行标定。具体操作如下：1将二水合酒石酸钠适量装入称量舟，放入电子天平中， 按 ”tart ”键 归 零 。2将样品倒入反应容器中，注意不要将样品撒到电极上或杯壁 上了。3将称量舟重新放到电子天平上，用减重法确定加入样品的质 量。如 图 5-1 所 示 ：图 5-15.3.2标准 水 溶 液标 定：剩余滴定法测定水分用的标准溶液，美、日两国药典对其配制与 标定有详细叙述，我国药典和英国药典未叙述。精密称定标准水溶 液 1.0 到 1.5 克，用 反称量法确定其质量，滴 定 至终点。所 用水标准品的量一般以消耗 2 到 5 毫升卡氏液较合适。具 体操作如下：1用注射器吸取一定量的 标准水 溶

25、液，约相当于 10 毫克的水。2将注射 器置烧杯 中一 起 一起 放入电子 天平中，按 ”tart ”键归 零。3将样品注入反应容器中，容器的开口要尽量小，操作要尽量 快。4将注 射器重新 放入天平 ， 用减 重法 确定 加样 量的 多少 。 如 图 5-2 所 示图 5-25.3.3去离 子 水 标定 ：用去离子水标定滴定剂浓度需要大量的练习和精确的实验操作 以获得重复性好、精 确度高的结果。中 、英 、日 三国药典费休 试剂的 标定均以纯水（ 去离子水）作 为参照物。但 由于使用去离子水量非常 小 （ 10l 20l）， 偶 然 误 差 较 大 。 因 此 推 荐 酒 石 酸 二 钠 或

26、水 标 准 来 标定滴定液的浓度。6 滴 定 方 法 ：7.1 直 接 容 量滴 定法 ：测 量 范 围 ：按 取 样 量 的 大 小 可 以 测 量 1 毫 克 到 100% 范 围 内 的 含 水 量。根据滴定容器大小的不同，可以在其中加入 20 到 200 毫升的甲醇。 甲醇是 含有水分的，所 以我们要先用 KF 试剂进行预滴定，让 其达到 一个稳定的值。然后再用这种“干燥”了的甲醇做工作介质和溶剂。 将样品加入到“干燥”了的甲醇中，其滴定方法和预滴定的方法 一样。 样品的含水量可以通过 KF 试剂的消耗量计算得到。当 第一个样品滴 定完之 后 ，第 二 个样 品可 以直 接加 进去 ，

27、反 应杯 中的 溶液 可以 反 复应 用。当然，被测的样品相互之间不能发生反应。算样品含量的公式为：VKF(mL) Titer ( mg/mL ) 100 =%H 2OM 样品 (mg)说明：VKF ： 卡氏液的 消耗体积Titer ： 滴定 度M 样品 ： 样品 重量7.2间 接 容 量 滴 定法 （回 滴定 法 ）：测 量 范 围 ：按 取 样 量 的 大 小 可 以 测 量 1 毫 克 到 100% 范 围 内 的 含 水 量。当用直接滴定法反应太慢时，我们用回滴定法。这种方法是在样 品中加入 过量的KF试剂，经过 一个比 较短的时 间后，我们用 含水量 为 5mg/mL 的 甲 醇 溶 液 回 滴 。 但 是 ， 这 种 方 法 也 有 其 不 足 处 。 第 一 ， 它需要更多的设备和更多的试剂，并且每种试剂都需要 进行标定 。比 较此种方法的优缺点，我 们可以总结出：除 非必须使用，一 般我们不 选用它。但是美、英、日三国药典均有收载剩余滴定法，由于剩余滴定法 可避免 供试 品直 接滴 定 时可 能遇 到的 如结 晶水 释放 缓慢 的困 难，因此 在国外应用很普遍。