卡尔费休氏水分测定法

1.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：

I2+SO2+2H2O → 2HI+H2SO4 （2-1）

I2+SO2+H2O+3RN+R1OH → 2RNHI+RNSO4R1 （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(RNSO

4R

1

)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- = I2+2e （2-3）

因此，溶液的导电性会突然增大，在设有外加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SO

2

，

无水甲醇可以溶解大量SO

2

，因此无水甲醇便成了首选的溶剂。

另外，甲醇作溶剂还有防止副反应发生的作用。Karl Fischer

用吡啶来吸收反应生成的HI和H

2SO

4

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：

I2+SO2+H2O+3C5H5N →2C5H5NH+I- + C5H5N·SO3

（3-1）

C5H5N.SO3+CH3OH →C5H5N H+CH3SO4-（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(C5H5N·SO3)，此产物容易分解成吡啶和二氧化硫。作为溶剂的无水甲醇可与其反应生成稳定的甲基硫酸氢吡啶(C5H5N H+CH3SO4-)。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：

I2+SO2+3C5H5N+CH3OH+H2O →

2(C5H5N+H)I―+(C5H5N+H)O―SO2•O CH3 （3-3）

的作用，还有防止副反由此可见，甲醇作溶剂不仅有溶解大量SO

2

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+SO2+H2O+3 C5H5N → 2 C5H5N H+I- + C5H5N·SO3（不

稳定）（3-4）

B5C5N.SO3+H2O →B5C5N H+HSO4-（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：

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：

表3-2

表3-3

4.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+3C5H5N+2CH3OH →2C5H5NHI+C5H5NSO3CH3

（4-1）

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+2CH3OH → RCH（OCH3）+ H2O （4-2）

\ ╱OCH3

C=O+2CH3OH → 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