[대한약전/KP] 수분측정법 (칼피셔법)

수분측정법 (칼피셔법)

Water Determination (Karl Fischer Method)

 

수분측정법은 메탄올 등의 저급알코올 및 피리딘 등 유기염기의 존재하에서 물이 요오드 및 이산화황과 다음 반응식과 같이 정량적으로 반응하는 것을 이용하여 수분을 측정하는 방법이다. 
I2 ＋ SO2 ＋ 3C5H5N ＋ CH3OH ＋ H2O → 2(C5H5N+H)I- ＋ (C5H5N+H)-OSO2OCH3 
측정법에는 용량적정법과 전량 (電量)적정법이 있다. 용량적정법은 반응에 필요한 요오드를 수분측정용시액 중에 녹이고 검체 중의 물과 반응하여 소비된 요오드의 적정량으로부터 수분을 측정하는 방법이다. 전량적정법은 요오드화물 이온을 함유한 수분측정용시액을 전해하여 요오드를 발생시킨 다음 요오드가 정량적으로 물과 반응하는 것을 이용하여 전해에 소비된 전기량으로부터 수분을 측정하는 방법이다. 
2 I- → I2 ＋ 2 e- 

Water Determination (Karl Fischer Method) is a method to determine water content in sample materials, utilizing the fact that water reacts with iodine and sulfur dioxide quantitatively in the presence of a lower alcohol such as methanol, and an organic base such as pyridine. The reaction proceeds in the manner shown in the following equation: 
I2+SO2+3C5H5N+CH3OH+H2O → 2(C5H5N+H)- OSO2OCH3 
In this measurement there are two methods different in iodine-providing principle: one is the volumetric titration method and the other, the coulometric titration method. In the former, iodine is previously dissolved in a reagent for water determination, and water content is determined by measuring the amount of iodine consumed as a result of reaction with water. In the latter, iodine is produced by electrolysis of Karl Fischer reagent containing iodide ion. Based on the quantitative reaction of the generated iodine with water, the water content in a sample specimen can be determined by measuring the quantity of electricity which is required for the production of iodine during the titration. 
2I− → I2 + 2e−

 

용량적정법 

장 치 보통 자동뷰렛, 적정플라스크, 교반기 및 정전압분극전류 적정장치 또는 정전류분극전위차 적정장치로 되어 있다. 수분측정용시액은 흡습성이 매우 강하므로 장치는 외부로부터의 흡습을 방지하도록 한다. 방습에는 실리카겔 또는 수분측정용염화칼슘 등을 쓴다. 
조 작 법 적정은 습기를 피하고 원칙적으로 수분측정용시액을 표정할 때와 같은 온도에서 적정한다. 피적정액 중에 한쌍의 백금전극 또는 1 개의 쌍백금전극을 담그고 가변저항기를 적당히 조절하여 전극 사이에 미소전압을 가한 상태에서 수분측정용 시액을 한방울씩 넣을 때 변화하는 전류 (μA)를 측정한다. 적정이 진행됨에 따라 회로 중의 전류가 크게 변하나 수초 이내에 다시 원래 상태로 돌아간다. 적정의 종말점에 이르면 이 전류의 변화가 일정시간 (보통 30 초 이상) 지속된다. 이 상태를 적정의 종말점으로 한다 (정전압분극전류적정법). 또는 전극 사이에 미소전류를 흘리면서 수분측정용시액을 한방울씩 넣을 때 변화하는 전위차 (mV)를 측정한다. 이 때 적정이 진행됨에 따라 회로 중의 전압계의 값이 수백 mV의 분극상태로부터 급격히 감소하여 소극 (消極)상태로 되나 수 초 이내에 다시 제자리로 돌아간다. 적정의 종말점에 도달하면 소극상태가 일정시간 (보통 30 초 이상) 지속된다. 이 상태를 적정의 종말점으로 한다 (정전류분극전위차적정법). 다만 역적정하여 정전압분극전류적정법을 쓰는 경우에는 수분측정용시액이 과량 존재하는 동안은 전류계의 바늘이 도를 넘어 눈금 밖으로 벗어나지만 종말점에 도달하면 급히 제자리로 돌아온다. 정전류분극전위차적정법을 쓰는 경우는 수분측정용시액이 과량 존재하는 동안은 전압계의 값이 본래의 제자리에 있다가 종말점에 도달하면 일정한 전압이 걸린다. 
따로 규정이 없는 한 수분측정용시액으로 하는 적정은 직접적정 또는 역적정한다. 적정의 종말점은 보통 역적정을 하는 경우에 더 판별하기 쉽다. 
가) 직접적정 따로 규정이 없는 한 다음 방법에 따른다. 
수분측정용메탄올 적당량을 건조한 적정플라스크에 취하여 미리 수분측정용시액을 종말점까지 한방울씩 넣어 플라스크 안을 무수상태로 한다. 다음에 수분 5 ~ 30 mg을 함유하는 양의 검체를 정밀하게 달아 빨리 적정플라스크에 넣고 저어 섞어 녹이고 세게 저어 섞으면서 수분측정용시액으로 종말점까지 적정한다. 검체가 용매에 녹지 않을 때는 재빨리 가루로 하여 수분 5 ~ 30 mg을 함유하는 양의 검체를 정밀하게 달아 빨리 적정플라스크에 넣고 습기를 피하여 5 ~ 30 분간 저어 섞은 다음 세게 저어 섞으면서 적정한다. 특히 검체가 용매에 녹지 않을 때 또는 검체가 칼피셔반응을 방해할 때에는 따로 수분기화장치를 써서 검체를 가열하고 질소를 운반기체로 하여 검체 중의 수분을 적정플라스크에 도입할 수 있다. 적정은 습도가 낮은 상태에서 할 필요가 있으나 적정에 장시간이 걸리는 등 시험 중 수분의 영향을 피할 수 없는 경우에는 검체를 측정할 때와 같은 조작으로 공시험을 하여 보정한다.

Volumetric titration 
Apparatus 
Generally, the apparatus consists of automatic burettes, a titration flask, a stirrer, and equipment for amperometric titration at constant voltage or potentiometric titration at constant current. 
The Karl Fischer TS is extremely hygroscopic, so the apparatus should be designed to be protected from atmospheric moisture. Desiccants such as silica gel or calcium chloride for water determination are used for moisture protection.
Procedure 
As a rule, the titration of water with a Karl Fischer TS should be performed at the same temperature as that at which the standardization was done, with protection from moisture. The apparatus is equipped with a variable resistor in the circuit, and this resistor is manipulated so as to maintain a constant voltage (mV) between two platinum electrodes immersed in the solution to be titrated. The variable current (μA) can be measured (Amperometric titration at constant voltage). 
During titration with Karl Fischer TS, the current in the circuit varies noticeably, but returns to the original values within several seconds. At the end of a titration, the current stops changing and persists for a certain time (usually, longer than 30 seconds). When this electric state has been attained, it is designated as the end point of titration. 
Otherwise, the manipulation of the resistor serves to pass a definite current between platinum electrodes. The variable potential (mV) can be measured (Potentiometric titration at constant current). With the progress of titration of water with a Karl Fischer TS, the value indicated by the potentiometer in the circuit decreases suddenly form a polarization state of several hundred (mV) to the non-polarization state, but it returns to the original value within several seconds. At the end of titration, the non-polarization state persists for certain time (usually, longer than 30 seconds). When this electric state has been attained, it is designated as the end point of titration.
In the case of back titration, when the amperometric titration method is used at constant voltage, the needle of microammeter is out of scale during excessive presence of Karl Fischer TS, and it returns rapidly to the original position when the titration system has reached the end point. In the case of potentiometric titration method at constant current in the back titration mode, the needle of the millivoltmeter is at the original position during excessive presence of Karl Fischer TS. Finally a definite voltage is indicated when the titration system has reached the end point. 
Unless otherwise specified, the titration of water with Karl Fischer TS can be performed by either one of the following methods. Usually, the end point of the titration can be observed more clearly in the back titration method, compared with the direct titration method. 
(1) Direct titration 
Unless otherwise specified, proceed by the following method. Take a suitable quantity of methanol for water determination in a dried titration flask, and titrate the water contaminated with Karl Fischer TS to make the content of the flask anhydrous. Take a quantity of sample specimen containing 5 to 30 mg of water, transfer it quickly into the titration flask, dissolve by stirring, and titrate the solution to be examined with Karl Fischer TS to the end point under vigorous stirring. 
In the case of an insoluble sample specimen, powder the sample quickly, weigh a suitable amount of the sample containing 5 to 30 mg of water, and transfer it quickly into the titration vessel, stir the mixture for 5 to 30 minutes, protecting it from moisture, and perform a titration under vigorous stirring. Alternatively, in the case of a sample specimen which is insoluble in the solvent for water determination or which interferes with the Karl Fischer reaction, water in the sample can be removed by heating under a stream of nitrogen gas, and introduced into the titration vessel by using a water evaporation technique. 
Though the titration procedure should be performed under atmospheric conditions at low humidity, if the effect of atmospheric moisture cannot be avoided, for instance, if a long time is required for extraction and titration of water, a blank test must be done under the same conditions as used for the sample test, and the data must be corrected, accordingly. 

V : Volume of Karl Fischer TS consumed for titration