Coulometrische Karl-Fischer-Titration

Was ist die Coulometrische Karl-Fischer-Titration?

Die Coulometrische Karl-Fischer-Titration – das Karl-Fischer-Verfahren – bezeichnet die quantitative Wasserbestimmung durch Titration, also ein Verfahren, mit dem die Wassergehalte von Flüssigkeiten, Feststoffen und Gasen bestimmt werden können. Die Methode wurde 1935 vom deutschen Chemiker Karl Fischer bei der Lazăr Edeleanu GmbH entwickelt.

Theoretischer Hintergrund des Karl-Fischer-Verfahrens

Bei der Coulometrischen Karl-Fischer-Titration wird eine galvanisch aktive Probe mit einer Lösung versetzt und anschließend das Volumen des entstehenden Gases gemessen. Anschließend wird das Ergebnis mit dem Standardwert für den jeweiligen Stoff verglichen, um den Gehalt an Wasser zu bestimmen. Die Coulometrische Karl-Fischer-Titration bietet viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Titrationsmethoden, insbesondere bei der Messung kleiner Wassergehalte in festen Stoffen.

Das Verfahren besteht in der Titration von Wasser mit einer wasserfreien methanolischen Lösung, die Iod, Schwefeldioxid und überschüssiges Pyridin als Pufferlösung enthält. Die maximale Reaktionsgeschwindigkeit stellt sich zwischen pH 5,5 und 8 ein. Dementsprechend nutzt man basische Komponenten wie Imidazol für saure Proben und saure Komponenten wie Salicylsäure für basische Proben. Auch die Wassermenge in der Probe beeinflusst das Molverhältnis. Dies tritt jedoch erst ab ca. 1 mol/l des Lösungsmittels auf.

Praktische Anwendung des Karl-Fischer-Verfahrens

Die Karl-Fischer-Methode basiert auf einem elektrochemischen Verfahren, in dem zunächst eine elektrische Spannung zwischen zwei Elektroden im Probenbehälter erzeugt wird. Hierdurch werden Ionen aus dem Reagenz freigesetzt, woraufhin eine Redox-Reaktion stattfindet, bei der Sauerstoffmoleküle durch den Wasserstoff ersetzt werden. Das dabei entstehende elektrische Signal, kann gemessen werden, um den Wassergehalt der Probe zu bestimmen.

Chemische Reaktionen

Schwefeldioxid und Iod reagieren nur in Anwesenheit von Wasser miteinander:
2 H₂O + SO₂ + I₂ → SO₄²⁻ + 2 I⁻ + 4 H⁺ (in Abwesenheit von Alkoholen)

Ist Methanol in der Lösung vorhanden, so bildet er mit Schwefeldioxid einen sauren Ester, der durch die Base (z. B. Imidazol, im Folgenden als „RN“ bezeichnet) neutralisiert wird:
CH₃OH + SO₂ + RN → (RNH)·(CH₃SO₃)

Bei der Titration, bei der als Maßlösung Iod in Methanol eingesetzt wird, wird das Methylsulfit-Anion in Anwesenheit von Wasser durch das Iod zu Methylsulfat oxidiert. Das gelbbraune Iod wird dabei zum farblosen Iodid reduziert: (RNH)·(CH₃SO₃) + I₂ + H₂O + 2 RN → (RNH)·(CH₃SO₄) + 2 (RNH)·I

Wenn kein Wasser mehr vorhanden ist, wird das zudosierte Iod nicht mehr reduziert. Die dadurch auftretende Braunfärbung dient der visuellen Endpunktsindikation. In der Praxis werden bevorzugt elektrometrische Indikationen (speziell Biamperometrie) verwendet, da sie empfindlicher und genauer sind.

Anwendung der Karl-Fischer-Titration in der Verfahrenstechnik

Die Coulometrische Karl-Fischer-Titration ist eine sehr genaue Methode zur Bestimmung des Wassergehalts in verschiedenen Materialien. Diese Technik kann auch für die Unterscheidung von ähnlichen Materialien verwendet werden. Da sie sehr präzise ist und schnell durchgeführt werden kann, findet sie auch häufig in der industriellen Prozesstechnik Anwendung.

Sie kann besonders für die Qualitätskontrolle bei chemischen und pharmazeutischen Produkten erfolgreich eingesetzt werden. Ein Beispiel hierfür ist die Qualitätsprüfung von Kraftstoffen und Lösungsmitteln, bei denen es sehr wichtig ist, dass sie einen bestimmten Wassergehalt haben. Außerdem wird die Methode häufig im Lebensmittelbereich genutzt, um den Feuchtegehalt von Produkten zu überprüfen.

Darüber hinaus findet die Coulometrische Karl-Fischer-Titration auch in anderen Bereichen Anwendung: So kann sie zur Überprüfung des Korrosionsgrades von Metalloberflächen eingesetzt werden oder aber auch zur Bestimmung des Wassergehalts in Bauprodukten oder Baustoffen.

Qualitätskontrolle und Prozessmanagement

Die Coulometrische Karl-Fischer-Titration spielt eine entscheidende Rolle bei der Qualitätskontrolle und beim Prozessmanagement in vielen Industrieunternehmen. Durch die genaue Messung des Wassergehalts können unerwünschte Komponenten rechtzeitig erkannt und beseitigt werden, was die Produktqualität gewährleistet und gleichzeitig Kosteneinsparungen ermöglicht. Darüber hinaus ist es möglich, mit Hilfe des Verfahrens Faktoren wie Temperatur und Druck zu kontrollieren sowie unerwünschte Verunreinigungseffekte zu vermeiden oder zu minimieren.

Auch Ebbecke Verfahrenstechnik nutzt die Coulometrische Karl-Fischer-Titration als nützliches Instrument für die Qualitätssicherung und Prozessoptimierung. Sprechen Sie uns gerne an für weitere Informationen!