محلول کارل فیشر چیست و چه کاربردهایی دارد

محلول کارل فیشر زمانی استفاده می‌شود که می‌خواهید میزان آب و رطوبت موجود در یک نمونه را اندازه‌گیری و تعیین کنید. برای این کار، کارل فیشر از یک سری معرف‌ها استفاده می‌کند و این روشی بسیار کارآمد و پر استفاده است؛ زیرا نیاز شما به آب را بسیار کم می‌کند و مقدار رطوبت مواد گوناگون را با شیوه‌ای اندازه‌گیری می‌کند که هم سریع بوده و هم به شدت دقیق می‌باشد. ما در این مقاله سعی کرده‌ایم در رابطه با خود این ماده، واکنش‌های تولید آن و شرایط نگهداری از آن توضیحاتی ارائه دهیم و به این سوال کلی پاسخ دهیم که محلول کارل فیشر چیست و چه کاربردهایی دارد.

نحوه تولید محلول کارل فیشر و واکنش شیمیایی تولید آن

کارل فیشر یک روش شیمیایی و پتانسیل سنجی می‌باشد که به منظور تعیین آب در جامدات، الکل‌ها، اسیدها، حلال‌ها، استرها و نمک‌های معدنی آب‌دار از آن استفاده می‌شود. کارل فیشر مقدار جامانده آب را در ماده آنالیز می‌کند. در این روش از یٌد استفاده می‌شود. به این شکل که یٌد به خوبی در آب حل می‌شود بنابراین می‌توان مقدار آب را با نشان دادن پتانسیل الکتریکی یٌدهای اضافی تخمین زد. این روش برای اولین بار توسط شیمیدان آلمانی به نام کارل شیفر اختراع شد.

معرف‌های این ماده یک حلال الکل (ROH)، غلظت شناخته شده ی یُد (I₂)، یک باز (RN) و دی‌اکسید گوگرد (SO₂) است.

I2 + SO2 + 2H2O => 2HI + H2SO4

واکنشی که آورده شد را کارل فیشر می‌گویند. برای اینکه مقدار آب یک ماده را در یک سیستم بدون آب اندازه گیری کند انجام می‌دهد. زمانی که معرف‌های KF را در یک سلول تیتر سازی می‌کنید، یک سری واکنش اتفاق می‌افتد. اولین واکنش بین یٌد و دی‌اکسید گوگرد، زمانی که یک باز خنثی کننده هم در میان است، برای تشکیل شدن یک آلکیل سولفیت رخ می‌دهد. پایه اصلی که در تیتر کردن کارل فیشر به کار می‌رود، پیریدین است.

ROH + SO2 + RN => [RNH]SO3R

پیریدین (C₅H₅N) در واکنش به عنوان یک بافر عمل می‌کند و ماده‌ای سمی و سرطان زاست. درنتیجه واکنشی که امروزه مورد استفاده است به شکل زیر است:

H2O+ I2 + [RNH]+SO3CH3- + 2 RN → [RNH]+SO4CH3- + 2 [RNH]+I-

تیتراسیون کارل فیشر در ابتدا بصورت دستی انجام می‌شد و نقطه پایان آن بوسیله پایداری و ثبات رنگ قهوه‌ای ناشی از یٌد اضافی که در حین تیتراسیون دستی به ظرف تیتراسیون اضافه می‌شد قابل تشخیص بود. این روش هم آهسته و کند بود هم برای نمونه‌های رنگی مناسب نبود.  امروزه تیتراسیون کارل فیشر بصورت اتوماتیک انجام می‌شود و معرف‌هایی که امروزه بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند حاوی ایمیدازول یا آمین‌های اولیه به جای پیریدین هستند.

کاربردهای کارل فیشر

اکنون به بررسی کاربردهای این ماده می‌پردازیم. این کاربردها عبارت اند از:

1) محصولات دارویی

چندان تفاوتی ندارد که این محصولات خام باشند یا به صورت کامل تولید شده باشند؛ در هر صورت باید مشخص شود که چه مقدار رطوبت دارند. این محصولات از این دسته‌اند: نمک‌های معدنی، حلال‌ها و مواد کمکی. مواد خام در بیشتر اوقات خالص هستند. اگر مقدار آب موجود در این مواد همان مقداری باشد که از قبل مشخص شده است، بهتر است که تیتر سازی کارل فیشر صورت بگیرد. این نکته نیز بسیار حائز اهمیت است که محتوای آب واسطه‌ها هم باید بررسی شوند؛ زیرا تاثیرات آن بر کیفیت محصولات مانند چسبندگی یا میزان ریزش، غیر قابل چشم‌پوشی است. زمانی که فرمولاسیون دارو به شکل پودر قرص است، مشکلات حلالیت آن باید حل شده باشند.

2) فرآورده‌های نفتی

 تیترسازی کارل فیشر معمولا برای روغن‌ها و روان کننده‌هایی که از نفت گرفته شده‌اند استفاده نمی‌شود. عدم به کارگیری این ماده به دو دلیل اتفاق می‌افتد: اول اینکه فرآورده‌های نفتی قابلیت حل شدن در معرف‌هایی معمولی را ندارند. دوم اینکه در بیشتر اوقات مقدار کمی آب در آن‌ها یافت می‌شود.

با تمام این اوصاف تیترسازی کولومتریک کارل فیشر، برای این کار یک معرف به خصوصی طراحی کرده است که در آن از کلروفرم یا الکل‌هایی که زنجیر بلند دارند استفاده می‌شود. ترکیب‌هایی که ناهموارند باید کاملا با میکسر یا حمام اولتراسونیک همگن شوند. زایلن یا تولوئن به همراه نفت خام باید به محیط اضافه شود تا اینکه قطره‌ایی از محلول جدا نشود و به الکترودها نچسبد

 3) پلاستیک‌ها

پلاستیک‌ها که معمولا به صورت‌های الیاف، گرانول یا محلول موجود هستند؛ غلظت کمی آب در خود دارند. روش کولومتری با اضافه کردن کلروفرم یا متیل پیرولیدون برای حل کامل آن‌ها، مناسب‌تر است. تیترسازی حجمی برای پودرهای پلیمری پلاستیکی ریز مورد استفاده قرار می‌گیرد. اضافه کردن آن‌ها به متانول باعث می‌شود که آب از آن‌ها بیرون بیاید.

در رابطه با پودرهای پلاستیکی درشت‌تر، از اجاق کارل فیشر که زمان ده دقیقه‌ای از قبل به آن داده شده است بهره می‌برند. از آن جایی که آب به کندی آزاد می‌شود این زمان را ده دقیقه در نظر می‌گیرند تا این فرآیند زود به پایان نرسد.

4) مواد غذایی

تاثیراتی که آب بر ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مواد غذایی می‌گذارند، موارد بسیاری مانند ظاهر، بافت، طعم و پایداری ذخیره سازی را در برمی‌گیرد. تیترسازی کارل فیشر به علت مواد زیاد و مختلفی که در غذاها یافت می‌شود، امری پیچیده تلقی می‌شود. تهیه و آماده ساختن نمونه هم پیچیده است؛ زیرا مواد قطبی و غیر قطبی و موادی را که ممکن است واکنش‌های جانبی گوناگونی را در پی داشته باشند، شامل می‌شود. میزان حرارتی که به مواد غذایی داده می‌شود باید مدیریت شود و از این اتفاق که آن دسته از مواد غذایی که آب اضافی را آزاد می‌کنند، تجزیه شوند جلوگیری شود.

تفاوت محلول کارل فیشری حاوی پیریدین و بدون پیریدین

1. نقطه پایانی در محلول حاوی پیریدین آشکارتر است. در حالی که نقطه پایانی بدون پیریدین آشکار نیست.
2. محلول کارل فیشر حاوی پیریدین پایدارتر از محلول بدون پیریدین است و جدا کردن آن آسان نیست و برخی از نمونه‌های حاوی پیریدین اثرات انحلال بهتری دارند.
3. پیردین به عنوان یک بافر در محلول استفاده می‌شود و بسیار سمی است. در صورت درست کردن نسبت مولار آن می‌توان از معرف‌های جایگزین استفاده کرد.
4. در حال حاضر محلول بدون پیریدین چون سازگار با محیط زیست و واکنش‌های حساس است، بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. مگر اینکه آزمایش الزامات ویژه‌ای داشته باشد تا از محلول حاوی پیریدین استفاده کنند.

شرایط ایمنی محلول کارل فیشر

برای بهره‌مندی از این ماده، باید از نکات ایمنی استفاده از آن نیز اطلاع حاصل کنید. برای مثال به هیچ عنوان نباید از معرف‌های کارل فیشر برای نمونه‌هایی که ترکیبات فعال ردوکس مانند دی متیل سولفوکسید دارند، استفاده کنید؛ زیرا امکان این وجود دارد که این ترکیبات با معرف‌ها واکنش نشان دهند و نتیجه به دست آمده، نتیجه درستی نباشد. همچنین پیش از استفاده از آنها، لازم و ضروری است که ظرف عمل تیتر سازی به طور کامل خشک باشد.

این روش برای یٌد، آلدهیدها، کتون‌ها، مرکاپتان‌ها و اکسیدات فلزی مناسب نیست.

سوالات متداول

• در چه مواردی می‌توان از محلول کارل فیشر استفاده کرد؟

از محلول کارل فیشر می‌توان در تیتراسیون، سنجش مقدار آب نمونه و دستگاه تیتراسیون KF استفاده کرد.

• در تعیین آب توسط کارل فیشر چند روش وجود دارد؟

از دو روش می‌توان در تعیین آب استفاده کرد تیتراسیون KF حجمی و تیتراسیون KF کولومتریک.

• تیتراسیون حجمی و تیتراسیون کولومتریک در کارل فیشر چه تفاوتی با هم دارند؟

در هر دو روش نمونه به ظرف تیتراسیون منتقل شده و حل می‌شود و سپس تیتر می‌گردد. در روش حجمی، ماده‌ی سوزاننده مستقیما از طریق بورت به نمونه افزوده می‌شود. اما در روش کولومتریک، تیترانت در سلول تیتراسیون به شکل الکتروشیمیایی تولید می‌شود. در روش کولومتریک سطح آب خیلی کمتر از روش حجمی است.

• روش کولن‌سنجی در کارل فیشر چیست؟

در کولن‌سنجی کارل فیشر، آنالیز به یک محلول حاوی یٌدید نیاز دارد. یٌد به روش الکتروشیمیایی درجا در مدت تیتراسیون تولید می‌شود به این شکل که یٌد از طریق اکسیداسیون آندی یٌدید از محلول تولید می‌شود و نقطه پایان هم به صورت الکتروشیمیایی پیدا می‌شود. کولومتریک راهی مناسب برای نمونه‌هایی با محتوای آب کمتر از 1% است.

• روش حجم‌سنجی در کارل فیشر چیست؟

این روش برای تعیین محتوای آب از حدود 0.01% به بالا مناسب است. تجزیه‌ای است که بر سنجش دقیق حجم یک محلول، استوار است. نمونه در حلال KF (معمولا بر پایه متانول) حل می‌شود و سپس معرف/واکنشگر کارل فیشر، حاوی سولفور دی‌اکسید و یٌد حل شده در پیریدین و متانول به آن اضافه می‌شود. نقطه پایان در این واکنش به روش پتانسیومتریک تعیین می‌شود.

• کجا نمی‌توان از کارل فیشر استفاده کرد؟

در نمونه‌هایی که در هیچ حلالی قابل حل نیستند و برخی نمونه‌هایی که با معرف‌های kf واکنش‌های جانبی ایجاد می‌کنند برای مثال روش محلول KF برای 

محلول‌های حاوی دی متیل سولفوکسید مناسب نیست.

• مزایای استفاده از محلول کارل فیشر چیست؟

استفاده از این روش مزایای زیادی دارد از جمله دقت بالا در اندازه‌گیری، سرعت آنالیز تقریبا بالا، توانایی اندازه‌گیری میزان آب اضافی و مقدار رطوبت.

نتیجه‌گیری

همانگونه که گفته شد، کارل فیشر محلولی است که به وسیله معرف‌هایش می‌توانید از میزان آبی که در هر نمونه ذخیره شده است، آگاهی یابید. ما در این مقاله واکنش‌های این ماده را ذکر کردیم و کاربردهای آن را در چهار مورد به صورت مجزا و کامل بررسی نمودیم. در آخر هم شرایط ایمنی استفاده از این ماده مفید را برای شما شرح دادیم. امیدواریم که پس از خواندن این مقاله پاسخ خود را در رابطه با پرسش محلول کارل فیشر چیست و چه کاربردهایی دارد یافته باشید.