陰極液の役割 - Sigma

カールフィッシャー水分測定の基本と
測定のコツ、特殊な測定の裏ワザ
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本日の内容
１．カールフィッシャー反応と試薬の役割、選択法
２．難しい試料への対処法
３．トラブルシューティング
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１．カールフィッシャー反応と試薬の役割、選択法
滴定セル
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カールフィッシャー（KF）法の原理
●１９３５年カールフィッシャー（ドイツ人）が化学反応を利用した水分測定法を発表
●ヨウ素と水がある条件下で特異的に反応することを利用した方法
試料中の水
H2O ＋
昔
RN(塩基)：イミダゾール
カールフィッシャー試薬から
供給される成分
R’OH＋I2＋SO2＋3RN
→
：反応緩慢、不快臭伴う（ピリジン）、手動滴定
現在：反応迅速、不快臭なし（イミダゾール）、
水分計(自動滴定)
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ピリジン
[RNH]SO4R’＋2[RNH]I
pyridine
imidazole
または
終点の検出法
H2O~ 600mV
•分極電位による終点検出
検出電位が終点待ち時間（通常
30秒）以上、終点電位を一定
以下に保持された時。
終点
I2
水分過剰⇒ 分極
よう素過剰⇒ 消極
※新しい試薬に交換した場合、
電位が急激に変化しやすいことがある。
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測定法の種類
水分計によって２つに分類される。
容量滴定法
電量滴定法
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水分量が高い試料を測定する際に適した方法
（目安となる水分量：0.1~100％）
水分量が少ない試料を測定する際に適した方法
（目安となる水分量：約10ppm~1％の水分量）
容量滴定法
ビュレット（滴定液の吐出量をコントロール）
滴定液
電極（終点を検出）
滴定セル
脱水溶剤
滴定フラスコ
※画像はメトローム製容量滴定用水分計
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容量滴定法
●使用する試薬：滴定液と脱水溶剤
（例）
ハイドラナール-コンポジット（滴定液）
ハイドラナール-メタノールドライ（脱水溶剤）
【滴定液の役割】
＊反応に必要な成分を含む液。（ヨウ素、二酸化硫黄、塩基）
＊測定に要した滴定液の使用量から水分の量を求める。
【脱水溶剤の役割】
＊測定試料を溶媒に溶解させ、水分を抽出させる
＊KF反応に必要なアルコールの供給
【試料量の目安】
＊滴定液の消費量がビュレット容量の10-90％
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滴定液の力価
カールフィッシャー試薬の力価（ファクター）
＝滴定液1mLと反応する水の重さ（mg)
mg(H2O)＝力価 (mg/mL)×滴定量(mL)
●大気中の湿気や含有成分が揮発し、滴定液の力価が低下
統計的：温度変化＋1℃
力価- 0.1％
⇒予め水分量が既知である物質（純水、水･標準品等）を用いて力価を測定。
●測定試料中に含まれる水分量（mg）は以下のように計算。
例)ある試料0.3004g中の水分測定を行った結果、滴下量3.20mL、力価5.215
であった場合、力価5.215(mg/mL) ×滴下量3.20(mL)＝16.69mgの
水分が滴定された事になる。
16.69 mg
300.4 mg
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×100 =5.56％
容量滴定法測定フロー
①
②
• 電源オン
• 予備滴定（無水化）
②
③
-溶剤中のブランク水分を除去
③
• サンプル投入
• 本滴定
④
-サンプル中の水分を測定
④
⑤
• 測定終了
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電量滴定法
電量滴定法とは・・・滴定セルにヨウ化物イオン・二酸化硫黄・アルコールを主成分とする
電解液（KF試薬）が、電解酸化によりヨウ素を生成、試料中の水と反応することを利用
した方法。電解酸化に要した電気量により水分を定量する。（ファラデーの法則）
＜原理＞
2I-
電極（終点検出）
- 2e → I2
H2O 1mg = 10.71クーロン
H2O＋ CH3OH＋ I2＋SO2＋3RN
→[RNH]SO4CH3＋2[RNH]I
陰極セル
陰極セル
陽極セル
双白金電極
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※画像はメトローム製電量滴定用水分計
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陽極セル
電量滴定法
●使用する試薬：陽極液と陰極液
ハイドラナール-クーロマットAG/A/AG-H/オイル/CG-K（陽極液；発生液）
ハイドラナール-クーロマットCG/CG-K（陰極液；対極液）
【陽極液の役割】
酸化反応・KF反応に必要な成分を含む
-ヨウ化物イオン、二酸化硫黄、アルコール、塩基
水分を抽出させる
【陰極液の役割】
還元反応に必要な成分を含む液
-塩基性化合物塩、アルコール
【試料量の目安】
＊500~2000μgの水分検出量
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電量滴定法測定フロー
①
②
• スタート
KF滴定が始まる。
陽極でヨウ素が生成、消費される。
2I-  I2 + 2e- （酸化反応)
陰極でH2 が生成（微細な泡）
2H+ + 2e-  H2(還元反応)
• 予備滴定（無水化）
②
③
-溶剤中のブランク水分を除去
④
• サンプル投入
• 本滴定
④
⑤
-サンプル中の水分を測定
• 測定終了
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⑤
水標準品
〔特徴〕
 水分値を保証した標準物質
 試験成績書に水分実測値、不確かさを記載
NEW
 製造後5年間の品質保証期限（一部製品は2年間）
 アンプルに封入（液体品）
 NIST SRM 2890を用いて試験
〔用途〕
 力価評定
 水添加回収試験
 水分計、気化装置のチェック
 JIS K0113 電位差・電流・電量・カールフィッシャー滴定方法通則
 ヨーロッパ薬局方の適合性試験
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ハイドラナール水認証標準物質（CRM）
KF滴定用の水認証標準物質
NEW
認証標準物質とは
 国際的に認められた標準物質にトレーサビリティーのある物質：
国家計量機関（NIST, NMIJ）から供給されている認証標準物質または
SIユニットに直接トレーササブルなもの
 明確に定義された質量分率 (含量測定)
 正しく評価された測定における不確かさ
 安定性と均一性の評価
 詳細事項を記載した認証書（試験成績書）
製品番号
製品名
容量
34424
ハイドラナールCRM 酒石酸ナトリウム二水和物認証物質
10 g ガラス瓶入り
34425
ハイドラナールCRM 水標準品 10.0
8 mL アンプル×10本入り
34426
ハイドラナールCRM 水標準品 1.0
4 mL アンプル×10本入り
※2015年8月販売
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認証標準品の認証書（試験成績書）
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ハイドラナールテクニカルサービス
認定
ISO/IEC 17025:2005 試験および校正を行う能力に関する一般要求事項
 水標準品およびカールフィッシャー試薬に関する試験所としての認定
ISO Guide 34:2009 標準物質を生産する能力に関する一般要求事項
 認証標準物質の生産者としての認定
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２．難しい試料への対処法
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KF滴定で難しいサンプルとは？
 溶解性
 副反応
 pHの影響
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溶解剤の添加
溶解性-サンプルの溶解（容量法）
溶解剤
試料
量
メタノールに対する
比率
1-ヘキサノール
(長鎖アルコール)
長鎖炭化水素、
油類の分散
max. 50 %
1:1
クロロホルム
油類、有機化合物
max. 70 %
2:1
キシレン
トルエン
原油、有機化合物
max. 70 %
2:1
ホルムアミド
固体、糖類、タンパク質
max. 50 %
1:1
(メタノールと混合した場合、
最大でも2日以内に使用する
方が良い)
DMSO (KF反応量論を変化させるため非推奨)  低水分値となる
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溶解剤の添加
溶解性-脱水溶剤と溶解剤（容量法）
容量法一液型脱水溶剤
37855 ハイドラナールリポソルバー CM (クロロホルム、メタノール含有)
37856 ハイドラナールリポソルバー MH* (メタノール、ヘキサノール含有)
34697 ハイドラナールソルバー（クルード）オイル (キシレン、クロロホルム含有)
ASTM D 4377-00 に適合、二液型試薬の脱水溶剤としても使用可
容量法二液型脱水溶剤
34812 ハイドラナールソルベント CM (クロロホルム、メタノール含有)
34749 ハイドラナールソルベントオイル* (メタノール、ヘキサノール含有)
溶解剤
34724 ハイドラナールホルムアミドドライ (max. 0.02 % H2O)
37863 ハイドラナールクロロホルム (max. 0.01 % H2O)
37866 ハイドラナールキシレン (max. 0.01 % H2O)
*ハロゲン化炭化水素フリー
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溶解剤の添加
溶解性-サンプルの溶解（電量法）
•クロロホルム
•キシレン
•長鎖アルコール
• 調整品（混合済み）を利用
隔膜有（二液セル）
隔膜無（一液セル）
•ホルムアミドの使用は制限される(隔膜なしセルの場合)
•〔外的処理を行う／ホルムアミドや試薬の混合はしない〕
電量法溶解剤含有
34807 ハイドラナールクーロマット A (クロロホルム含有)
34868 ハイドラナールクーロマットオイル (キシレン、クロロホルム含有)
34843 ハイドラナールクーロマット AG-H (長鎖アルコール含有)
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ハイドラナールクーロマットオイル
陰極液ハイドラナールクーロマットCG
水分量
回収率
試料名
ppm
RSD %
%
RSD %
無鉛ガソリン
73.3
2.2
99.3
0.8
オイル Baysilon M 50 EL
79.6
2.3
99.8
0.4
バイオディーゼル
225
0.8
99.8
0.8
原油 FRT
109
2.8
99.5
3.0
シリコンオイル AK 20
75.0
3.4
99.6
1.4
シリコンオイル TR 50
76.5
2.5
99.7
0.5
ひまわり油
300
2.1
99.9
0.9
変圧器油
140
3.1
99.0
2.5
変圧器油
27.5
0.7
99.7
1.2
n=10
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加温滴定
溶解性-サンプルの溶解や水分の抽出を加速
①40-50℃で滴定
二重壁構造のセル
②沸騰メタノール中で滴定
還流冷却器、
マントルヒーターの使用
(特注仕様の滴定セルが必要)
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脂肪、油類
Sample: バター脂肪 (Ghee；ギー)
滴定法
滴定液
脱水溶剤
試料量
容量法一液型
ハイドラナール
コンポジット5
10 mL ハイドラナールメタノールドライ
またはハイドラナールメタノールラピッド
またはハイドラナールリポソルバー CM
5g
手順:
滴定前に50℃で試料を溶解
50℃で滴定
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食品、菓子
成分(通常は不溶性)
•砂糖やマンニトール、ソルビトール、キシリトールのような代替成分
•脂肪、ココア、チョコレート
•小麦、ゼラチン、ナッツ、スルタナ(レーズンの一種)
溶解剤や特殊仕様の手順が必要
• ホルムアミドは砂糖やその代替成分を溶解、天然物から水分を抽出させる
• クロロホルムは油類や脂肪を溶かす
• 50°Cで滴定
• 滴定セル中にホモジナイザーを設置
• ラボ用ミルを用いて前処理
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外的処理
溶解性-溶媒抽出
1mL 脱水メタノール＝約1mgの水を抽出
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凍結乾燥品
 問題点
・吸湿性が高い
・水分量が極微量である
 対処法
電量滴定法の適用
1.
予備滴定を行う。
2.
予備滴定が終わったら陽極液5mLをシリンジに採取し、再び陽極セルに戻す。
3.
この時、シリンジ水分が付着している場合、水分値が表示される。
4.
この操作を繰り返して行い、シリンジに付着する水分を除去する。
5.
次に陽極液5mLをシリンジに採取し、セプタムを介して試料バイアルに注入、振とうする。
（注）シリンジは引き抜かないこと。
6.
振とう後、試料バイアル内の液をシリンジ内に戻し、この液を陽極セルに注入する
（注）試料バイアルのブランク値を確認しておく。
※水分量が高い場合（>1％）で吸湿性がない場合、容量滴定法で測定が可能。
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アルデヒドとケトンの副反応
副反応-メタノールでアセタールとケタールの生成
R
C
O+
R
CH3OH
R
CH3OH
R
OCH3
+ H2O
C
OCH3
メタノールの求核付加により、アセタールまたはケタールと水の生成
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アルデヒドの副反応
副反応-ジスルフィド付加、主にアルデヒドによって誘発される
H
H
C
R
O + S O 2 + H 2O + N R '
S O 3H N R '
C
R
OH
水を消費しながらジスルフィド付加が起こる (アルデヒドによって強く誘発される)
ハイドラナールコンポジット5K（ケトン・アルデヒド用）は
ハイドラナールコンポジット5（一般用）より反応性がやや低い
 ジスルフィド付加をかなり抑制出来る
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メタノールの代替
副反応-アルデヒド、ケトン用（副反応を抑制)
容量法一液型脱水溶剤
34698 ハイドラナールミディアム K (クロロホルム含有)
34738 ハイドラナールケトソルバー
34817 ハイドラナールワーキングミディアム K
(2-クロロエタノール、クロロホルム含有) ※日本では未販売
容量法一液型滴定液
34805 ハイドラナールコンポジット 5 (ケトンにも使用可)
34816 ハイドラナールコンポジット 5 K
(やや低い反応性、アルデヒドには使用必須、ケトンにも使用可)
電量法 (ケトン、隔膜付きセル用)
34820 ハイドラナールクーロマット AK
34821 ハイドラナールクーロマット CG-K
(電量滴定法は反応性のあるアルデヒドには不適)
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チオール類（メルカプタン）
副反応
ヨウ素と反応して終点を検出しない。
2RSH ＋ I2
→ 2RS-SR + 2HI
O
O
H
C
R SH +
H
C
H
C
H
N
C
O
C2 H 5
C
C
N
C
RS
H
C2H 5
C
O
【適用：容量法標準操作法】
①25mLメタノール、5mLバッファーアシッド、1g N-エチルマレイミドを滴定セルに入れ
コンポジットで無水状態。→予備滴定
②約0.5~1gの試料を秤量し添加します。5分の待ち時間の後に滴定する。
→誘導体化してヨウ素と反応しないようにした後、滴定する。
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pHの影響
反応比 vs. pH値
log K
4
KF滴定に適したpH値
3
Strong Bases
2
1
0
Strong Acids
-1
2
4
6
8
pH値の確認
アルコール性溶媒  ラフなpH値確認
pH電極またはpH試験紙 (脱イオン水添加)
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10
pH
酸性、塩基性試料の中和
試料
容量法
容量法
一液型
二液型
滴定液
脱水溶剤
酸性
ハイドラナール
コンポジット
塩基性
ハイドラナール
バッファーアシッド
ハイドラナール
バッファーベース
滴定液
ハイドラナール
タイトラント
電量法
脱水溶剤
ハイドラナール
バッファーアシッド
+ 20 g イミダゾー
ル/100 mL 陽極液
ハイドラナールソル
ベント+安息香酸ま
たはサリチル酸
+ 20 g 安息香酸
/100 mL 陽極液
34804
ハイドラナール-バッファーアシッド (緩衝能 5 mmol の酸 /mL)
（調整済み：イミダゾール、メタノール、二酸化硫黄含有）
37859
ハイドラナール-バッファーベース (緩衝能 1 mmol の塩基 /mL)
（調整済み：メタノール、サリチル酸含有）
37864 ハイドラナール-イミダゾール (max. 0.1 % H2O)
32035 ハイドラナール-安息香酸
37865 ハイドラナール-サリチル酸
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３．トラブルシューティング
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トラブルシューティング I
誤まった測定や不正確な結果
- 副反応が起きている
- 力価が変動していた
- 試料量が脱水溶剤に対して多すぎる
- 溶媒の水分許容量に到達
- ドリフトが高すぎる
- pHを変動させる試料
終点が確認出来ない
- 滴定セルが漏れやすい (特に力価1、2を使用するときに起こりやすい)
- 指示電極が汚れている
- ケトンやアルデヒドは副反応を起こす
- 試料や試料中の化合物がKF試薬のヨウ素と反応する
- pH値を変動させる試料
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未知試料にはどのように対処すべきか?
1. 標準手順で測定
2. 試料の溶解性が良くない場合
•
溶解性を添加 (ホルムアミド、キシレン、1-ヘキサノールまたはクロロホルム)
•
40-50°C（または沸騰メタノール中）で滴定
•
ホモジナイザーの使用
•
試料調製 (ラボ用ミル等)
3. 副反応を起こす場合
•
pHの確認
•
メタノールを含まない溶剤で試してみる
•
ヨウ素が副反応を起こしていないか確認する
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滴定曲線のチェック
問題がない場合の滴定曲線
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問題がある場合の滴定曲線
トラブルシューティング II
過滴定 (褐色を呈する)
- 終点検知パラメータが試薬に合っていない
- 試薬交換後、電極を洗浄していない
- 指示電極を汚す試料
- 溶剤中のメタノールの量が少なすぎる (KF反応量論が変化)
 溶解剤を特別に配合した調整済み試薬の使用
電量セルのドリフトが高すぎる
- 密封部位が摩耗している (特にセプタム)
- 隔膜が汚れている
- 試料がエステル化を受けている (水の生成)
- 試料が二重結合を有している (副反応)
- 陰極液が汚れている
- 乾燥剤が劣化している
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- 滴定セルに分散しない試料（特に油類）が多く入っている。
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