卡尔费休水分测定仪性能确认

PERFORMANCE VERIFICATION

RICK JAIRAM, ROBERT METCALFE, PH.D., AND YU-HONG TSE, PH.D.

GlaxoSmithKline Canada, Inc.

14.1 INTRODUCTION

The Karl Fisher titration is one of the most common and most sensitive methods

used in the analytical laboratory. The titrimetric determination of water is based

on the quantitative reaction of water with an anhydrous solution of sulfur dioxide

and iodine in the presence of a buffer that reacts with hydrogen ions. This titration

is a two-stage process:

SO2 + MeOH + RN→ (RNH)SO3Me (14.1)

(RNH)SO3Me + I2 + H2O + 2RN→ (RNH)SO4Me + 2(RNH)I (14.2)

where RN is a base, typically pyridine or imidazole. Reaction (14.1) reaches

equilibrium and produces methylsulfite as the reaction intermediate. Reaction

(14.2) the redox process, is very rapid. From equation (14.2) the direct relation

between water and iodine consumption can be seen, which enables the amount

of water to be determined. Complete esterification of the sulfur dioxide with the

alcohol, and the ability of the base to neutralize the methyl sulfurous acid, are

the key requirements for the reaction above to be stoichiometric.

Analytical Method Validation and Instrument Performance Verification, Edited by Chung Chow

Chan, Herman Lam, Y. C. Lee, and Xue-Ming Zhang

ISBN 0-471-25953-5 Copyright 2004 John Wiley & Sons, Inc.

221

222 KARL FISHER APPARATUS AND ITS PERFORMANCE VERIFICATION

Pyridine was used in the beginning of the development of the method. The

reaction was slow and the endpoint unstable because of weak basicity of pyridine.

The pyridine system buffers at about pH 4. A stronger base, imidazole, has been

used to replace pyridine since it gives a faster response and has the advantages of

lower toxicity and decreased odor. The optimal pH range for the SO2 imidazole

buffer is at pH 6. It is important that the pH of the Karl Fisher reaction be

maintained within the range 5 to 7. Outside this recommended pH range, the

endpoint may not be reached.

There are two types of Karl Fisher titrations: volumetric and coulometric.

Volumetric titration is used to determine relatively large amounts of water (1

to 100 μg) and can be performed using the single- or two-component system.

Most commercially available titrators make use of the one-component titrant,

which can be purchased in two strengths; 2 mg of water per milliliter of titrant

and the 5 mg of water per milliliter of titrant. The choice of concentration is

dependent on the amount of water in the sample and any sample size limitations.

In both cases, the sample is typically dissolved in a methanol solution. The

iodine/SO2/pyridine (imidazole) required for the reaction is titrated into the sample

solution either manually or automatically. The reaction endpoint is generally

detected bivoltametrically.

Coulometric titration is used to determine relatively low concentrations of

water (10 μg to 10 mg) and requires two reagents: a catholyte and an anolyte

(the generating solution). The iodine required for the reaction is generated in situ

by the anodic oxidation of iodide.

2I− → I2 + 2e−

(14.3)

The iodine then reacts with the water that is present. The amount of water titrated

is proportional to the total current (according to Faraday’s law) used in generating

the iodine necessary to react with the water. One mole of iodine reacts quantitatively

with 1 mol of water. As a result, 1 mg of water is equivalent to 10.71 C.

Based on this principle, the water content of the sample can be determined by

the quantity of current that flows during the electrolysis. For this reason, the

coulometric method is considered an absolute technique, and no standardization

of the reagents is required.

14.2 SCOPE OF CHAPTER

The Karl Fisher instrumentation and its performance verification are discussed in

this chapter. The instrumentation, calibration practices, and common difficulties

that are encountered are presented. Neither method validation nor method specific

problems are discussed.

14.3 INSTRUMENTATION

Karl Fisher apparatus has to be designed to exclude moisture, deliver titrant, and

to detect the endpoint. The air in the system is kept dry with a suitable desiccant,

INSTRUMENTATION 223

and the titration vessel may be purged by means of a stream of dry nitrogen or

air. For endpoint detection, most commercially available units use a bivoltametric

method to indicate that the endpoint has been reached. For this method a constant

current of about 20 μA is applied across a pair of platinum electrodes that are

about 2.5 mm apart. As the titration proceeds, water reacts with iodine and is

consumed. When the endpoint is reached and all the water is consumed, there

is a buildup of free iodine in solution. The free iodine causes ionic conduction

in the solution. As a result, the voltage must be reduced to keep the polarization

current constant [1,2]. When the voltage drops below a defined value, the titration

is stopped. Figure 14.1 shows a schematic diagram of a typical KF titrator.

In some cases (see below) a KF drying oven is required to get the water from

a sample into the titration vessel. For these special cases, a solid sample (usually)

is placed into a specially designed KF oven where the sample is heated, and the

water goes into the vapor phase. A stream of dry carrier gas (usually, N2 or

air) sweeps the liberated moisture into the reaction vessel, where it is titrated

by either the coulometric or the volumetric method. It is critical that the carrier

gas is dry and that there are no leaks along the pathway to the reaction vessel.

Passing the carrier gas over activated molecular sieve prior to the sample will

ensure that the gas is dry.

The KF reaction depends on free water available for titration. Instruments may

be designed to homogenize the sample to release water prior to the titration. In

Magnetic Stirrer

Double Pt electrode

Methanol solution

To pumping system

Tubing to deliver titrant

I =20 mA

V =variable

Figure 14.1. Schematic diagram of a typical Karl Fischer titrator.

224 KARL FISHER APPARATUS AND ITS PERFORMANCE VERIFICATION

this case, a high-speed blender may be used directly in the titration vessel. This

is a particularly useful accessory for determination of water in tablets or certain

food products that are difficult to prepare for analysis.

14.3.1 Performance Verification

The performance verification of Karl Fisher apparatus should include checks

for the accuracy and precision of the instrument. The linearity of the instrument

should be determined at installation. The first step is to standardize the

instrument (see Section 14.3.2); pure water is sufficient for this purpose. Sodium

tartrate dihydrate standard (water content 15.66 ± 0.05%) can be used to assess

the accuracy, precision, and linearity of the instrument. Typically, one would

measure the water content of at least five samples, over the intended instrument

user range. For example, the water content of sodium tartrate dihydrate

samples that were 65 mg (ca. 10 mg H2O), 195 mg (ca. 30 mg H2O), 325 mg

(ca. 50 mg H2O), 455 mg (ca. 70 mg H2O), and 650 mg (100 mg H2O) could be

determined. Calculate the percent water to assess the instrument’s accuracy. The

results should be within 98 to 102% of 15.66% water. Determine the % RSD of

the percent water found to assess the precision of the instrument. The % RSD

should be less than or equal to 1%. Finally, plot the expected water content versus

the percent water content to assess the linearity of the instrument’s response.

A correlation coefficient (r) value of 0.999 or greater is acceptable.

14.3.2 Standardization

Standardization should be performed daily, since the titrant will absorb moisture

over time. The standardization is typically performed using one of three standards:

(1) disodium tartrate dihydrate (15.66% water, w/w), (2) commercially available

water standards with a certified concentration of water (typically, 10 mg of water

per gram of standard), or (3) pure water. In all of these cases, a suitable balance

should be used, preferably one that gives at least ±0. l mg of resolution.

When disodium tartrate dihydrate is used, samples ranging from 50 to 120 mg

are dissolved in methanol, and the concentration of the KF reagent is determined.

Based on volume of titrant used, the weight of the sample and the percent water

in the disodium tartrate dihydrate (15.66% w/w), the standardization factor can be

calculated. One pitfall with this method is the solubility of the disodium tartrate

dihydrate in methanol. It is recommended that the disodium tartrate dihydrate be

finely divided and that a suitable extraction time be given for the solids to dissolve.

If a water standard is used, samples of the water standard ranging from 1.0 to

1.5 g are injected into the methanol via syringe. This method is best performed

by opening the ampoule that contains the water standard, rinsing out a 10-mL

syringe with about 1 mL of the standard, and then filling the syringe with the

remaining contents of the ampoule. Aliquots of approximately 1 mL are then

injected into the vessel, and the true weights are determined by difference.

Standardization of the KF titrant using purified water is widely accepted and

probably the most commonly used in analytical laboratories. Using a suitable

COMMON PROBLEMS AND SOLUTIONS 225

glass syringe, a known volume of purified water can be added in the titration

vessel, and the KF value for the titrant can be determined. This method is highly

operator dependent and is not recommended for measurements where the accuracy

of the determination is critical. The preferred method would be to add a

known quantity of water by weight.

In the coulometric method, standardization is not necessary, since the current

consumed can be measured absolutely. However, a standard with known water

content should be checked periodically to ensure that the system is functioning

properly. In this case, a certified water standard is generally used, and the amount

of water is determined and compared with the amount that is certified to be

present. Some coulometric titrators are equipped with an oven for liberating the

moisture from samples that are either insoluble in methanol or that react with I2,

methanol, or one of the other reagents. Solid standards (e.g., potassium citrate

monohydrate) are available for checking the oven, and this check is performed

after the coulometer function has been verified.

14.3.3 Measurement of Samples

The handling of the sample, its storage, and the amount of sample used are very

important to consider when making a KF measurement. When taking a sample

from the bulk material, great care must be taken to exclude atmospheric moisture,

which is one of the most common sources of error. If the sample absorbs or

desorbs water during its handling, the true moisture content can no longer be

determined. The sample must also contain the average amount of water that is

contained in the material as a whole. This is a particular problem when dealing

with nonpolar liquids such as fats or oils where the water is floating on the top or

settled to the bottom of the container. In this situation the liquids must be mixed

thoroughly just prior to sampling to disperse the water evenly.

Once a sample is taken, it is best to determine the water as quickly as possible.

If a sample must be stored, it is best to keep it in a small, tightly sealed glass

bottle with a screw cap. Glass is better than plastic since plastic is not water

vapor–tight. The size of the bottle should be as small as possible to minimize

the gas space that is above the sample. A smaller gas space will mean less

moisture vapor.

The size of the sample to be used depends on the expected water content and

the degree of accuracy that is desired. If a high level of accuracy is required, a

large sample size should be used to minimize the effect of atmospheric moisture.

For titrimetric KF, the United States Pharmacopoeia recommends using a sample

that will contain between 10 and 250 mg of water. The minimum amount of water

is generally agreed to be 10 mg.

14.4 COMMON PROBLEMS AND SOLUTIONS

Atmospheric moisture is a major cause of error in Karl Fischer titrations. Moisture

can enter the sample, titrant, and titration vessel. The apparatus and titrant must

226 KARL FISHER APPARATUS AND ITS PERFORMANCE VERIFICATION

be sealed against atmospheric moisture and situated away from high-humidity

areas of the laboratory. Desiccants and dry purge gases can be used to reduce

moisture ingress. Proper conditioning of the apparatus is required to remove

moisture present in the apparatus before the titration. Moisture will, however,

enter the apparatus during introduction of the sample in a normal lab environment.

With high-speed blending, this introduction of moisture can cause bias due to

homogenizing air containing water into the sample. To reduce bias when highspeed

blending is used, it is necessary to apply background correction or purge

the sample compartment to exclude moisture.

The titrant delivery system can also be a source of error. The delivery system

needs to be precise in the number of steps required to titrate a fixed amount of

water. The delivery of titrant is typically controlled by either a peristaltic pump

or an automatic buret. Both are acceptable methods for the delivery of titrant;

however, the peristaltic pump relies on the contact between the pump rollers

and the tygon tubing, which is pressed into position by a platen. Therefore, the

quality of the tubing that is used is critical to the accuracy of the instrument, so

this tubing should be examined frequently to make sure that it is in good working

order (free of blockages and not pinched to the point that flow is restricted).

The pump rollers should also be examined to make sure that they are operating

well, and the platen should be examined to make sure that it holds the tubing

tightly against the rollers. The automatic buret is actually a syringe driven by

a metered servomotor. For this type of delivery system the key concerns are

that the servomotor is operating properly (i.e., delivering the correct amount of

liquid) and that there are no leaks, blockages, or air bubbles in the lines or in the

syringe itself.

Depending on the samples being titrated, electrode contamination may be

an issue. The electrodes may become coated when substances such as oils and

sugars are titrated. This results in delayed endpoint detection and an overtitration.

A dark brown color on the electrodes indicates that they should be cleaned. The

coatings can usually be removed by polar organic solvents or by cleaning the

platinum physically.

Side reactions can cause major problems in the determination water [3]. Some

chemical species react with methanol to produce water that will lead to higher

water results, some react with water (low results), and some react with iodine

(high result). Aldehydes and ketones react with methanol to produce acetals

and ketals. Water is a by-product of this reaction, and its production leads to

erroneously high water contents:

Acetal formation: CH3CHO + 2CH3OH → CH3CH(OCH3)2 + H2O (14.4)

Ketal formation : (CH3)2CO + 2CH3OH → (CH3)2C(OCH3)2 + H2O (14.5)

This can be remedied by using commercially available one-component reagents

that contain 2-methoxyethanol and 2-chloroethanol rather than methanol. In the

presence of SO2 and base, aldehydes, undergo what is called the bisulfite addition.

REFERENCES 227

This reaction consumes water.

Bisulfite addition: CH3CHO + H2O + SO2 + NR → HC(OH)SO3(HNR)

(14.6)

The kinetics of this type of reaction are slow, so this can be avoided by starting

the reaction immediately after sample addition.

Many samples have redox potentials such that they can be oxidized by iodine.

Therefore, the iodine in the titrant may be consumed by readily oxidizable samples

that will give a false high value for the water content. Some common

substances that can be oxidized by iodine are ascorbic acid, arsenite (AsO2

−

),

arsenate (AsO4

3−

), boric acid, tetraborate (B4O7

2−

), carbonate (CO3

2−

), disulfite

(S2O5

2−

), iron(II) salts, hydrazine derivatives, hydroxides (OH−), bicarbonates

(HCO3

−), copper(I) salts, mercaptans (RSH), nitrite (NO2

−), some metal

oxides, peroxides, selenite (SeO3

2−), silanols (R3SiOH), sulfite (SO3

2−), tellurite

(TeO3

2−), thiosulfate (S2O3

2−), and tin(II) salts. For situations such as these

where the material under analysis reacts with iodine, an oven can be used to

liberate the moisture from the sample, which is then carried into the reaction

vessel and titrated without interference.

REFERENCES

1. United States Pharmacopoeia, USP 25, Chapter _921_, Water Determination.

2. Fundamentals of the Volumetric Karl Fischer Titration, Mettler Toledo Application

Brochure 26.

3. Riedel-deHaen Hydranal Manual.