卡尔费休水分测定仪原理及选择

2.1水分测定仪的分类

水分测定仪主要是实验室用来对生产前原料、生产后成品质量把控，也有部分是对生产中的质量把控。所以水分测定仪主要是应用在各行各业的样品水分含量检测及质量把控。那么我们实验室常用的水分测定仪主要分为，加热法和卡尔费休方法两大类别

2.1 加热法水分测定仪

加热法水分测定仪有红外水分测定仪，卤素水分测定仪

2.1.1、红外线/卤素水分测定仪

1、检测原则：

（1）样品中不含有除水以外的挥发性物质

（2）样品中有不溶或者难溶于有机溶剂中的样品

2、物理法水分测定仪主要检测：

粉末状、颗粒状、粘稠状、流体类物质，例如：种子、菜籽、面粉、纸张、药末、土壤、废水、颜料、脱水蔬菜等

3、红外线水分测定仪与卤素水分测定仪的区别：

红外: 加热均匀，传统加热方式，较适合测试对温度敏感的样品，如含糖量较高的样品

卤素: 升温快，加热均匀，效率高，节能环保

2.1.2、卡尔费休水分测定仪

卡尔费休水分测定仪分为容量法和库仑法两种仪器

1. 简介：

卡尔·费休法简称费休法，是1935年卡尔·费休(KarlFj scher)提出的测定水分的容量分析方法。费休法是测定物质水分的各类化学方法中，对水为专一、为准确的方法。虽属经典方法但经过近年改进，提高了准确度，扩大了测量范围，已被列为许多物质中水分测定的标准方法。

2. 化学反应

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）

卡尔费修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 I2 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信息值上面，即可判断到了滴定终点，机器便会自动停止滴定，从而通过消耗卡尔费休试剂的体积计算出样品的含水量。

3. 卡尔费试剂的组成

碘 I2

二氧化硫 SO2

溶剂 甲醇

有机碱 吡啶（咪唑）

4. 影响卡尔费休的几个因素

无水甲醇作为样品的溶解剂，适用范围很广。一般的有机化合物、饱和或不饱和的碳氢化合物以及一般的无机化合物、酸性氧化物、部分有机和无机的盐都能适用。

但是部分酮和醛类样品不能用甲醇反应。如发现反应不能中断，无终点，反应连续进行时，应该考虑到是否有副反应这个问题。当产生副反应时，其实只需要几分钟的反应，却一直进行。此时可用乙二醇甲醚代替甲醇。
PH值过高、样品碱性过高等，也会引起副反应，即连续反应，而无终点出现。此时，PH值过高可用缓冲溶液调节PH值，碱性过高加入甲苯酸、水杨酶，可缓和碱性溶液，但不能用醋酸。

与碘发生反应的化合物不能用卡尔费来测试。

5. 卡尔费休水分测定仪的特点

(1)试剂对水的作用灵敏性和专一性高，是较理想的水分测定方法。

(2)适用于遇热易分解的物质或含有挥发性成分的供试品的水分测定。

(3)卡尔费休氏试剂本身可以作为指示剂，也可用永停滴定法指示终点。

(4)属于非水溶液的氧化还原滴定方法，所以具有与碘可以发生反应的物质不适用本法。

(5)受空气湿度的影响较大，因此空气湿度大和阴雨天气不宜进行。（注意控制温湿度）

6. 试剂的选择与标定

只有准确知道我们所使用的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。

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，因为其中的甲醇吸水性较强。

? 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反应。

卡尔费休试剂的标定

? 二水合酒石酸钠标定

其是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，很稳定而且不吸水也不失水。但是二水合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2～3分钟（保证*溶解），每40ml甲醇可溶解140mg二水合酒石酸钠（室温）。注意经常更换溶剂

? 标准水溶液标定

精密称定水标准品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。但是水标准品比较贵适合预算宽裕实验室选用。

? 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的实验操作以获得重复的的结果。由于使用去离子水量非常小（10μl～20μl），偶然误差较大。因此推荐酒石酸二钠或水标准来标定滴定液的浓度。

卡尔费休试剂的选择

1按滴定度选择

一般市面上出售的卡尔费休试剂的滴定度有1mg/ml、2mg/ml、3-5mg/ml，含水量越低的样品应该选择滴定越小的试剂 。库仑法试剂不区分滴定度。

滴定剂中含有碘、二氧化硫、咪唑，溶于醇溶液。溶剂可以是甲醇，也可以用易溶解样品的溶剂与甲醇混合作溶剂。试剂可以存储约两年，若试剂存储在密封瓶中，滴定度大约每年减小0.5 mg/mL。市售的单组分试剂有三种浓度规格：

5 mg/mL，适用于含水量1000 ppm ~ 100 %的样品，

2 mg/mL，适用于含水量< 1000 ppm的样品，

1 mg/mL，适用于含水量< 200 ppm的样品。

2 按照配方选择

有单组份，双组分，试剂，单组份滴定度下降速度快，但是便宜，而且滴定度范围大；双组分试剂反应速度快，价格贵，滴定度有限；试剂，测试一些特殊样品，如醛酮试剂；

7. 卡尔费休水分测定仪的测量过程

测量范围：按取样量的大小可以测量1毫克到*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*个样品滴定完之后，第二个样品可以直接加进去，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。

算样品水分含量的公式为：

对于不溶于甲醇的样品可以加入一些助溶剂来帮助样品溶解，以取得更好的测试效果。

助溶剂：

9. 容量法和库仑法

容量法

? 将待测样品先溶解于无水甲醇中，用费休氏试液滴定，当样品溶液中的水分消耗完毕，过量的用费休氏试液可以指示终点：颜色有淡黄→浅红棕色，或永停滴定法。

库仑法

卡氏库仑法测定水分是一种电化学方法。其原理是仪器的电解池中的卡氏试剂达到平衡时注入含水的样品，水参与碘、二氧化硫的氧化还原反应，在吡啶和甲醇存在的情况下，生成氢*酸吡啶和甲基硫酸吡啶，消耗了的碘在阳极电解产生，从而使氧化还原反应不断进行，直至水分全部耗尽为止，依据法拉第电解定律，电解产生碘是同电解时耗用的电量成正比例关系的，其反应如下：

H2O+I2+SO2+3C5H5N→2C5H5N·HI+C5H5N·SO3

C5H5N·SO3+CH3OH→C5H5N·HSO4CH3

在电解过程中,电极反应如下:

阳极:2I--2e→I2

阴极:I2+2e→2I-

2H++2e→H2↑

从以上反应中可以看出，即1摩尔的碘氧化1摩尔的二氧化硫，需要1摩尔的水。所以是1摩尔碘与1摩尔水的当量反应，即电解碘的电量相当于电解水的电量，电解1摩尔碘需要2×96493库仑电量，电解1毫摩尔水需要电量为96493毫库仑电量。

样品中水分含量按（1）式计算：

式中：W---样品中的水分含量，μg；

Q---电解电量，mC；

18---水的分子量；

库仑法滴定剂（费休氏试液）中是不含有碘的，而是双铂电极在含碘离子的阳极电解液中电解产生。当所有的水消耗完毕，就会在电极上有过量的碘产生，永停滴定仪指示终点到达。

? 主要用于微量水分的测定，因此，库仑滴定法在药品水分测定中较少应用。

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，有些化合物可能发生氧化。

水分测定仪选型指导

一、卡尔费休水分测定仪

1、检测的原则是：

（1）副反应不能有水生成。

（2）样品也不能消耗碘或释放碘。

2、容量分析测定.具体应用范围主要有机和无机化合物。

（1）无机化合物

有机酸、无机酸 、酸式氧化物、无机酸和酸酐等无机化合物。

（2）有机化合物

酸、醇、酯、稳定的羟基化合物、缩醛、醚、烃酸酐、酰卤、卤化物、过氧化合物、含氮化合物、含硫化合物等有机化合物。

3、库仑法仪器的具体应用范围

碳氢化合物、油类、醇类、卤代烃类、酚类、脂类、醚类等。

二、红外线/卤素水分测定仪

1、检测原则：

（1）样品中不含有除水以外的挥发性物质

（2）样品中有不溶或者难溶于有机溶剂中的样品

2、物理法水分测定仪主要检测：

粉末状、颗粒状、粘稠状、流体类物质，例如：种子、菜籽、面粉、纸张、药末、土壤、废水、颜料、脱水蔬菜等

3、红外线水分测定仪与卤素水分测定仪的区别：

红外: 加热均匀，传统加热方式，较适合测试对温度敏感的样品，如含糖量较高的样品

卤素: 升温快，加热均匀，效率高，节能环保

综上所述：

使用加热法水份测定仪的好处就是除了用电，不需要使用其它的辅助试剂，安装和操作也相对简单，但是检测结果的准确度和检测效率则不如卡尔费休法水份测定仪。

卡尔费休水分测定仪具有比加热法水份测定仪更加快捷，更加的检测特性外，能够使用的检测范围也非常广泛，并且应该根据样品水份含量和样品特性选择应该采用的卡尔费休水份测定仪类型，当样品中水份含量小于0.5%时，并且不含上述限制物质，或检测气体类水分值的时候，应优先选择库仑法水份测定仪，比如V320型自动卡尔费休库仑测定仪。否则选择类似S-300型容量法全自动卡尔费休水份测定仪。

三、根据上述描述的样品属性，选择合适卡尔费休水分测定仪物理法水分测定仪

四、精度值：

根据行业要求的检测标准或者生产要求样品达到的水分值，选择合适的精度值。

水分精度值：0.1%、0.05%、0.01%、0.001%、0.003%

五、温度（物理法）：样品不同，要求达到的温度值也不同，160-270之间可选。

六、根据单位预算及招标预算，选择产品，有些产品在精度值上相同，在具体的操作实用性行略有差别，造成价格的不同。