Карл Фишер титралау әдісімен сынамадағы су мөлшерін анықтау
Karl Fischer titration
Судағы іздерді анықтау әдісі: Karl Fischer титрациясы. Химиялық талдау, көлемдік/кулонометриялық титрлеу, су мазмұнын өлшеу, автоматтандырылған құралдар.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Сынамадағы судың іздік мөлшерін анықтаудың химиялық әдісі. Аналитикалық химияда Карл Фишер титрациясы – сынамадағы судың іздік мөлшерін анықтау үшін кулометриялық немесе көлемдік титрация қолданылатын классикалық титрациялау әдісі. Оны 1935 жылы неміс химигі Карл Фишер ойлап тапқан. Қазіргі таңда титрациялау автоматты Карл Фишер титраторымен жүзеге асырылады.
Chemical method to determine trace amounts of water in a sample
In analytical chemistry, Karl Fischer titration is a classic titration method that uses coulometric or volumetric titration to determine trace amounts of water in a sample. It was invented in 1935 by the German chemist Karl Fischer. Today, the titration is done with an automated Karl Fischer titrator.
Кулометриялық титрлеу
Титрлеу жасушасының негізгі бөлімінде анодтық ерітінді және талдау зат бар. Анодтық ерітінді спирттен (ROH), негізден (B), күкірт диоксидінен (SO2) және KI-ден тұрады. Қолданылуы мүмкін спирттерге этанол, диэтиленгликоль моноэтил эфирі немесе метанол жатады, олар кейде Карл Фишер сапасы деп аталады. Көбінесе қолданылатын негіз – имидазол. Титрлеу жасушасы сондай-ақ негізгі бөлімінің анодтық ерітіндісіне батырылған катоды бар кішірек бөліктен тұрады. Екі бөлік ион өткізгіш мембранамен бөлінеді. Pt аноды электр тізбегі арқылы ток берілген кезде KI-ден I2 шығарады. Төменде көрсетілгендей, реакция SO2-нің I2-мен тотығуы болып табылады. Әрбір моль H2O үшін 1 моль I2 қабылданады. Яғни, судың бір моліне 2 моль электрон жұмсалады. Соңғы нүкте көбінесе бипотенциометриялық титрлеу әдісімен анықталады. Анодтық ерітіндіге Pt электродтарының екінші жұбы батырылады. Детектор тізбегі титрлеу кезінде екі детектор электродтары арасында тұрақты ток күйін сақтайды. Теңдестік нүктесіне дейін ерітіндіде I бар, бірақ I2 аз. Теңдестік нүктесінде I2 артық пайда болады және кернеудің күрт төмендеуі соңғы нүктені көрсетеді. I2 шығаруға және соңғы нүктеге жетуге қажетті заряд мөлшері бастапқы үлгідегі су мөлшерін есептеу үшін қолданылуы мүмкін.
The main compartment of the titration cell contains the anode solution plus the analyte. The anode solution consists of an alcohol (ROH), a base (B), sulfur dioxide (|SO2) and KI. Typical alcohols that may be used include ethanol, diethylene glycol monoethyl ether, or methanol, sometimes referred to as Karl Fischer grade. A common base is imidazole. The titration cell also consists of a smaller compartment with a cathode immersed in the anode solution of the main compartment. The two compartments are separated by an ion permeable membrane. The Pt anode generates |I2 from the KI when current is provided through the electric circuit. The net reaction as shown below is oxidation of |SO2 by |I2. One mole of |I2 is consumed for each mole of |H2O. In other words, 2 moles of electrons are consumed per mole of water. The end point is detected most commonly by a bipotentiometric titration method. A second pair of Pt electrodes is immersed in the anode solution. The detector circuit maintains a constant current between the two detector electrodes during titration. Prior to the equivalence point, the solution contains |I but little |I2. At the equivalence point, excess |I2 appears and an abrupt voltage drop marks the end point. The amount of charge needed to generate I2 and reach the end point can then be used to calculate the amount of water in the original sample.
Көлемдік титрлеу
Көлемдік титрлеу кулометриялық титрлеудің негізгі қағидаларымен бірдей, бірақ бұл жағдайда анодтық ерітінді титрлеу ерітіндісі ретінде қолданылады. Титрат спирт (ROH), негіз (B), SO2 және белгілі концентрациядағы I2-ден тұрады. Бұл жағдайда негіз ретінде пиридин қолданылған. H2O-ның әрбір моліна 1 моль I2 жұмсалады. Титрлеу реакциясы жоғарыда сипатталғандай өтеді, ал соңғы нүкте жоғарыда айтылған бипотенциометриялық әдіспен анықталуы мүмкін.
The volumetric titration is based on the same principles as the coulometric titration, except that the anode solution above now is used as the titrant solution. The titrant consists of an alcohol (ROH), base (B), |SO2 and a known concentration of |I2. Pyridine has been used as the base in this case. One mole of |I2 is consumed for each mole of |H2O. The titration reaction proceeds as above, and the end point may be detected by a bipotentiometric method as described above.
Кемшіліктері мен артықшылықтары
Карл Фишер титрлеуінің (бұдан әрі – КФ) танымалдылығы оның ылғалдылықты анықтаудың басқа әдістеріне қарағанда, мысалы, дәлдік, жылдамдық және таңдаулылық сияқты бірнеше практикалық артықшылықтарына байланысты. КФ суды таңдап алады, өйткені титрлеу реакциясының өзі суды тұтынады. Ал кептіру кезінде масса жоғалуын өлшеу кез келген ұшқыш заттың жоғалуын анықтайды. Алайда, күшті тотығу-тотығу химиясы (|SO2/I2|) тотығу-тотығу белсенді үлгі құрауыштарының реагенттермен әрекеттесуі мүмкін екенін білдіреді. Осы себепті КФ диметил сульфоксиді бар ерітінділерге жарамсыз. КФ жоғары дәлдікке ие, әдетте 1% -ға дейін, мысалы, 3,00% 2,97–3,03% болып көрінеді. КФ – бұл деструктивті талдау болса да, үлгі мөлшері аз және әдетте өлшеудің дәлдігімен шектеледі. Мысалы, 0,2 мг дәлдігі бар таразыны пайдаланып, 1% дәлдікті алу үшін, үлгіде 20 мг су болуы керек, яғни 10% суы бар үлгіде 200 мг. Кулометрлер үшін өлшеу диапазоны 1–5 ppm-ден 5% -ға дейін. КФ көлемдік титрлеу 100% -ға дейін өлшеуді жеңілдетеді, бірақ 0,05% -тан аз сулы аналиттер үшін өте көп үлгі мөлшері қажет. КФ жауабы сызықтық. Сондықтан, 1% су стандартымен бір нүктелік калибрлеу жеткілікті, және калибрлеу қисықтары қажет емес. Үлгіні дайындау аз ғана қажет: сұйық үлгіні әдетте шприцпен тікелей енгізуге болады. Талдау әдетте бір минут ішінде аяқталады. Алайда, КФ дрейф деп аталатын қатеге ұшырайды, бұл өлшеуді шатастыратын судың көзге көрінбейтін кірісі. Қабырғалары шыныдан жасалған ыдыс суды сіңіреді, және егер қандай да бір су жасушаға түсіп кетсе, судың титрлеу ерітіндісіне баяу шығуы ұзақ уақытқа созылуы мүмкін. Сондықтан, өлшеуден бұрын ыдысты мұқият кептіріп, 10–30 минуттық «құрғақ жүгіру» жасау қажет, осылайша дрейф жылдамдығын есептеуге болады. Содан кейін дрейф нәтижеден алынады. КФ сұйықтықтарды өлшеуге және арнайы жабдықпен газдарды өлшеуге жарамды. Қатты заттардың басты кемшілігі – судың қолжетімді болуы және оңай метанол ерітіндісіне енгізілуі. Көптеген кең таралған заттар, әсіресе шоколад сияқты тағамдар, суды баяу және қиындықпен бөліп шығарады, сондықтан Karl Fischer реагенттерімен толық су мазмұнын сенімді түрде байланыстыру үшін қосымша күш-жігер қажет. Мысалы, үлгіні ұсақтау үшін жасушаға жоғары жылдамдықты араластырғыш орнатылуы мүмкін. КФ сумен күшті байланысатын қосылыстармен, мысалы, литий хлоридімен гидратациялық судағыдай, қиындықтарға ұшырайды, сондықтан КФ LiCl/DMAc арнайы еріткіштеріне жарамсыз. КФ автоматтандыруға жарамды. Әдетте, КФ жеке КФ титраторымен немесе көлемдік титрлеу үшін жалпы мақсаттағы титраторға орнатылған КФ титрлеу жасушасымен жүргізіледі. Сондай-ақ, жасушада қалыпты түрде талдау қиындықтары бар материалдарға арналған пештер де бар. Пештің маңызды ерекшелігі – материалды қыздырғанда судың ыдырауына жол бермеу. Пештің бекітілуі үлгілерді автоматтандыруды да қолдайды. Түсті үлгілерді UV/VIS спектрофотометриялық анықтау арқылы титрлеудің соңғы нүктесін визуалды анықтау арқылы көлемдік титрлеуді пайдалану да мүмкін.
The popularity of the Karl Fischer titration (henceforth referred to as KF) is due in large part to several practical advantages that it holds over other methods of moisture determination, such as accuracy, speed and selectivity. KF is selective for water, because the titration reaction itself consumes water. In contrast, measurement of mass loss on drying will detect the loss of any volatile substance. However, the strong redox chemistry (|SO2/I2) means that redox active sample constituents may react with the reagents. For this reason, KF is unsuitable for solutions containing e. g. dimethyl sulfoxide. KF has a high accuracy and precision, typically within 1% of available water, e. g. 3.00% appears as 2.97–3.03%. Although KF is a destructive analysis, the sample quantity is small and is typically limited by the accuracy of weighing. For example, in order to obtain an accuracy of 1% using a scale with the typical accuracy of 0.2 mg, the sample must contain 20 mg water, which is e. g. 200 mg for a sample with 10% water. For coulometers, the measuring range is from 1–5 ppm to about 5%. Volumetric KF readily measures samples up to 100%, but requires impractically large amounts of sample for analytes with less than 0.05% water. The KF response is linear. Therefore, single point calibration using a calibrated 1% water standard is sufficient and no calibration curves are necessary. Little sample preparation is needed: a liquid sample can usually be directly injected using a syringe. The analysis is typically complete within a minute. However, KF suffers from an error called drift, which is an apparent water input that can confuse the measurement. The glass walls of the vessel adsorb water, and if any water leaks into the cell, the slow release of water into the titration solution can continue for a long time. Therefore, before measurement, it is necessary to carefully dry the vessel and run a 10–30 minute "dry run" in order to calculate the rate of drift. The drift is then subtracted from the result. KF is suitable for measuring liquids and, with special equipment, gases. The major disadvantage with solids is that the water has to be accessible and easily brought into methanol solution. Many common substances, especially foods such as chocolate, release water slowly and with difficulty, requiring additional efforts to reliably bring the total water content into contact with the Karl Fischer reagents. For example, a high shear mixer may be installed to the cell in order to break the sample. KF has problems with compounds with strong binding to water, as in water of hydration, for example with lithium chloride, so KF is unsuitable for the special solvent LiCl/DMAc. KF is suitable for automation. Generally, KF is conducted using a separate KF titrator, or for volumetric titration, a KF titration cell installed into a general purpose titrator. There are also oven attachments that can be used for materials that have problems being analyzed normally in the cell. The important aspect about the oven attachment is that the material doesn't decompose into water when heated to release the water. The oven attachment also supports automation of samples. Using volumetric titration with visual detection of a titration endpoint is also possible with coloured samples by UV/VIS spectrophotometric detection.