KF

Titelblatt

Expertengruppe 06
Annika Behrens
Leonie Brendel
Saskia Sautner

Bestimmung von Wasser nach der Karl-Fischer-Methode (KF)

Inhaltsverzeichnis

---

Einleitung

Die Karl-Fischer-Titration (KFT) ist eine der wichtigsten titrimetrischen Methoden zur Bestimmung des Wassergehalts. Alternative Verfahren wie thermogravimetrischen Verfahren (Trocknungsverlust) können Kristallwasser nicht restlos entfernen und erfassen leicht flüchtige Probenbestandteile oftmals mit. Dadurch sind sie nicht so präzise wie die die Karl-Fischer-Titration, welche an Bedeutung gewonnen hat und heutzutage in jedem Labor zu finden ist. ¹.

Die Karl-Fischer-Titration kann über das volumetrische oder coulometrische Verfahren erfolgen. Die Indikation erfolgt visuell/photometrisch oder elektrochemisch: biamperometrisch, bivoltametrisch oder potentiometrisch. Weitere Informationen zu der Methode sind dem Expertenbericht aus dem SoSe 21 zu entnehmen ².

Grundlagen

Grundlage der Karl-Fischer-Reaktion ist die Bunsen-Reaktion. Diese beruht auf der Oxidation von Schwefeldioxid (SO₂) mit Iod (I₂), die aussschließlich in Anwesenheit von Wasser ablaufen kann. ³

Eine Base wie Pyridin muss hinzugegeben werden, um das Gleichgewicht auf die Seite der Produkte zu verschieben (durch Abfangen von Protonen) und um den SO₂-Dampfdruck zu verringern. Im Praktikumsversuch wird Pyridin wegen seiner Toxizität durch Imidazol/Methylimidazol ersetzt. Zur Verbesserung der Empfindlichkeit und Präzision und besseren Lösung polarer Lösungen wird Methanol zugesetzt, das als Lösungsmittel und Reagenz in die ablaufende Reaktion eingreift ⁵.

Störungen der Titration

• Oxidationsmittel
  • ⚠ $2I^{-} \rightarrow I_{2} $

• Reduktionsmittel
  • ⚠ $I_{2} \rightarrow 2I^{-} $

• Aldehyde/Ketone
  • reagieren mit Methanol unter Wasserbildung zu Voll-/Halbacetalen

• bei der Reaktiton gebildete Säuren (z.B. ⚠ $HI$)
  • reagieren mit Carbonaten, Hydroxiden, Oxiden der Alkali- und Erdalkalimetalle und weiteren Metalloxiden unter Freisetzung von Wasser ⁷

---

Instrumenteller Aufbau

Messgerät: Titrino 701 KF

1. Wechseleinheit
2. Anzeige
3. Bereitschaftslampe
   • DOS
     Es wird so lange dosiert wie <DOS> gedrückt wird. Dient zum Bereitstellen der Wechseleinheit.
   • STOP/FILL
     Stoppt Abläufe, z.B. Titration/Konditionierung
     Füllbefehl nach <DOS> zum Bereitstellen der Wechseleinheit
     Identisch mit der Taste <STOP> auf separatem Tastenfeld
   • START
     Startet Abläufe, z.B. Titration, Konditionierung
     Identisch mit Taste <START> auf separatem Tastenfeld
4. Bedienungstasten am KF-Titrino
5. Regeln der Dosiergeschwindigkeit beim Dosieren mit <DOS> und beim nachfolgenden Füllen
6. Separates Tastenfeld
7. Abfallbehälter
8. Molsieb (um zusätzliches Eintreten von Wasser in das System zu vermeiden)
9. Titrationsgefäß
10. Probeneinlass

---

Versuch

Aufgabe

Bestimmung des Wassergehalts in einer Wirkstoffprobe nach Arzneibuch. ⁹

Theoretischer Hintergrund der Titration der Probe

Bei der im Versuch durchgeführten Karl-Fischer-Titration wird eine bivoltametrische Indikation nach Arzneibuch verwendet. Zwischen zwei Platinelektroden wird ein konstanter Strom angelegt, sodass die aufgewendete nötige Spannung gemessen werden kann¹⁰. Der Äquivalenzpunkt der Titration ist erreicht, sobald das Wasser in dem Reaktionsgefäß aufgebraucht ist und sich ein reversibles Redoxsystem zwischen Iod (⚠ $ {I_{2}} $) und Iodid (⚠ $I^{-}$) engestellt hat, sodass es zu einem Spannungsabfall kommt. An der Anode findet die Oxidation von Iodid (⚠ $I^{-}$) zu Iod (⚠ $ {I_{2}} $), an der Kathode findet die Reduktion von Iod (⚠ $ {I_{2}} $) zu Iodid (⚠ $I^{-}$) statt¹¹. Anhand des Verbrauchs an Karl-Fischer-Reagenz kann anschließend der Massenanteil an Wasser in der Probe bestimmt werden.

Sicherheitshinweise

Da das Karl-Fischer Reagenz Methanol und das Lösemittelgemisch Methanol/Formamid enthält, ist aufgrund deren Toxizität die Titration unter dem Abzug durchzuführen. Dabei ist stets darauf zu achten, dass es nicht zu einem Hautkontakt kommt. Somit besteht die PSA aus Handschuhen, Mundschutz und Schutzbrille, wenn die Gefahr besteht, mit dem Lösemittel in Kontakt zu kommen. Die Handschuhe sind zum Wiegen und Bedienen des Automaten auszuziehen, damit es nicht zu einer statischen Aufladung, beziehungsweise einer Verteilung von anderen Stoffen an den Handschuhen auf den Tasten kommt.

Durchführung des Versuchs

Der Versuch wird mithilfe des Karl-Fischer-Titrierautomaten TITRINO 701 KF von der Firma Metrohm durchgeführt. Als Messkette dient eine Doppelplatinelektrode, an die ein Polarisationsstrom von 20 µA angelegt wird. Die verwendeten Reagenzien sind Lactose-Monohydrat (ω H₂O = 5,00%), Karl-Fischer-Reagenz und das Lösungsmittelgemisch Methanol/Formamid¹².

Lösemittel

Vor Beginn der Titration sollte sichergestellt werden, dass mit dem Lösemittel noch die gewünschte Anzahl an Titrationen (6) durchgeführt werden kann. Es ist spätestens zu erneuern, wenn es zu einer Trübung kommt (unvollständige Lösung der Probe) oder nach Beendigung des Versuches. Für den Austausch muss ein Assistent herangezogen werden.¹³

Konditionierung

Die Konditionierung gehört zur Vorbereitung des Messgerätes und muss zu Beginn jeder Bestimmung durchgeführt werden. Sie dient der Entfernung des Restwasseranteils des Lösungsmittelgemisches (Methanol/Formamid) mit Karl-Fischer-Reagenz ohne Anwesenheit des Analyten. Für die Durchführung der Konditionierung liegt im Labor eine Bedienungsanleitung aus.

Bestimmung des Wirkwerts

Der Wirkwert gibt an, wie viel Milligramm Wasser von einem Milliliter Karl-Fischer-Reagenz umgesetzt werden. Er kann als "Wasseräquivalent" gesehen werden, da der Wert, den man aus dem eingesetzten Iod berechnen kann, nicht als aussagekräftig angesehen wird. Da die Bestimmung des Wirkwertes und die Ermittlung des Wassergehaltes unter den gleichen Bedingungen erfolgen, ist die tatsächliche Stöchiometrie der Reaktion irrelevant. Durch in der Luft oder in Reagenzien enthaltendes Wasser nimmt der Wirkwert mit der Zeit ab.¹⁵

Der Wirkwert wird bestimmt, indem 150mg Lactosemonohydrat in ein Wägeschiffchen gewogen, in das Titriergefäß gegeben und zurückgewogen wird. Danach wird mit Karl-Fischer-Reagenz titriert. Der angezeigte Verbrauch wird notiert und zur Wirkwertberechnung verwendet. Zu Beginn des Versuchs sollte zweimal der Wirkwert bestimmt werden, bevor mit der Titration der Probe begonnen wird. Insgesamt wird der Wirkwert dreimal bestimmt. Die Bestimmung des Wirkwertes ist nur sinnvoll und aussagekräftig, wenn das Lösemittel während des Versuches nicht gewechselt wird. Andernfalls muss für jedes Lösemittel ein eigener Wirkwert berechnet werden.

Titration der Analysensubstanz

Für die Wasserbestimmung werden ca. 150mg Probe in ein neues Wägeschiffchen eingewogen. Dabei ist darauf zu achten, dass die genaue Einwaage notiert, sowie nach Überführung in das Titriergefäß, zusätzlich zurückgewogen wird. Dieser Wert ist ebenfalls zu notieren und von der Einwaage der Probenmasse abzuziehen. Gleichzeitig ist ein zügiges Abwiegen und Überführen in Titriergefäß notwendig, um die Probensubstanz so kurz wie möglich der Luftfeuchtigkeit auszusetzen (s. 1.4.6 Störungen im Ablauf des Versuchs). Daraufhin kann mit Hilfe der ausliegenden Anleitung die Titration gestartet werden. Es ist wichtig, dass der Stopfen des Probeneinlasses schnell geöffnet und nach vollständiger Zugabe der Analysensubstanz wieder schnell geschlossen wird, um unnötige Luftfeuchtigkeit im Titrationsgefäß zu vermeiden. Der vollautomatische Titrino beendet die Titration selbständig nach Abfall der Polarisationsspannung. Nach diesem Abfall gibt der Titrino weiterhin KF-Reagenz ab, sodass ein Durchgang immer 300 Sekunden läuft. Der Verbrauch an KF-Reagenz wird nun auf dem Display angezeigt und sollte genau notiert werden.
Vor der zweiten Titration der Analysensubstanz muss die Einwaage der Probe neu errechnet werden, um einen übermäßigen Verbrauch an KF-Reagenz zu vermeiden. Die Masse der Probe sollte mittels Dreisatz so gewählt werden, dass der Verbrauch an KF-Reagenz der Volumenmenge entspricht, die bei der Wirkwertbestimmung verbraucht wurde¹⁶. Die Titration wird insgesamt dreimal durchgeführt. Zwischen jeder Einwaage muss das Wägeschiffchen mit einem Pfeiffenreiniger gesäubert werden.
Zum besseren Verständnis wurde die Titration mitgefilmt und kommentiert. Hinweis: Bei der Überführung der Analysensubstanz in das Titriergefäß sollte auf das Verwenden eines Spatels verzichtet werden, um Analysenrückstände am Spatel zu vermeiden.

⚠ (:video KarlFischerVideo width=640 height=440:)¹⁷

Auswertung

Beispielrechnung für die Anpassung der Masseneinwaage der Probe:

Der Wirkwert ist wie folgt zu berechnen:
Die 0,050 entsprechen dem Massenanteil an Wasser im Lactosemonohydrat

Die Berechnung des Massenanteils an Wasser erfolgt mit folgender Gleichung:
Wurden mehrere Wirkwerte für ein Lösemittel errechnet, ist es sinnvoll, vorab einen Mittelwert zu bilden. Danach wird der Wassergehalt in der Probe für jede Titration berechnet, um daraus einen Mittelwert zu berechnen.
Angesagt wird der Massenanteil an Wasser in der Probe in Prozent gerundet auf die geforderte Anzahl an drei signifikanten Stellen.²¹

Eignung der Karl-Fischer Titration

Im Arzneibuch werden keine klaren Vorgaben zur Wahl des Lösemittels oder anderen Lösungen gemacht. ²² Es ist darauf zu achten, dass keine Stoffe verwendet werden, die eine störende Nebenreaktion fördern (siehe Nebenreaktion).
Die Karl-Fischer-Titration eignet sich gut für die Bestimmung kleinster Wassermengen und wird deshalb bevorzugt eingesetzt.

Mögliche Fehlerquellen bei der Durchführung und Tipps

1. Wägeschiffchen dürfen zwischen den Titrationen nicht gespült werden
   → säubern mit einem Pfeifenreiniger
   → Nässe/ Feuchtigkeit vermeiden
2. Für die Probe und die Wirkwertbestimmung sollen zwei verschiedene Wägeschiffchen verwendet werden.
3. Kein Lösemittelwechsel während des Versuchs
   → maximale Anzahl an Titrationen (6) nicht überschreiten, da der Wirkwert sich auf das verwendete Lösemittel bezieht; bei Lösemittelwechsel müsste eine erneute Wirkwertbestimmung erfolgen
4. Substanz mittig in das Titriergefäß geben
   → Verbesserung der Homogenität und Vermeidung von Substanzverlust²³
5. Wirkwertbestimmung und Titration der Analysensubstanz sollten im Wechsel erfolgen, damit eventuell eingeschlichene Fehler (unsauberes Arbeiten, falsche Einwaagenberechnung, Verunreinigungen) direkt erkannt werden ²⁴
6. Das Titriergefäß kann hinten gelöst und geschwenkt werden, wenn Substanz an der Wand haftet ²⁵

---

Einzelnachweise

This page was last edited on 20.04.2022, um 16:27 Uhr

• ▲ Nach oben ▲
• Suchen
• Aktuelle Änderungen
• Alle aktuellen Änderungen

• Startseite
• Einleitung
• Vorlage
• Expertenberichte

Beispiele

• UV/VIS
• Flu
• IR
• NIR
• Raman
• Polarimetrie
• AAS/AES
• NMR
• MS
• DC
• HPLC
• GC
• Potentiometrie
• Konduktometrie
• KF

• Hilfe (Doku)
• FAQ

bearbeiten