Προσδιορισμός υγρασίας. Μέθοδος Karl Fischer

Για  να υπολογίσουμε την ποσότητα υγρασίας που περιέχεται σε ένα υλικό (προσδιορισμός υγρασίας), υπάρχει μια απλή μέθοδος, η μέθοδος της ξήρανσης.

Κατά τη μέθοδο της ξήρανσης, το δείγμα του υλικού του οποίου την υγρασία θέλουμε να υπολογίσουμε, ξηραίνεται σε θερμοκρασία λίγο πάνω από τους 100⁰C, μέχρι να φύγει όλο το νερό που περιέχει, και το βάρος του δείγματος να γίνει σταθερό. Από τη διαφορά βάρους πριν, και μετά την ξήρανση, μπορεί να υπολογιστεί η υγρασία του δείγματος/υλικού.

Τι γίνεται όμως με τα υλικά που περιέχουν, εκτός από το νερό, άλλα συστατικά (πτητικές ουσίες) που εξατμίζονται σε θερμοκρασίες χαμηλότερες των 100⁰C; Πως θα μπορέσουμε να υπολογίσουμε το νερό που περιέχεται για παράδειγμα σε αιθέρια έλαια, και γενικά σε προϊόντα όπως τρόφιμα, φάρμακα, καλλυντικά, καύσιμα, τα οποία στους 100⁰C θα «χάσουν», πέρα από το νερό και κάποια άλλα συστατικά; Τελικά η εκτίμηση της περιεχόμενης υγρασίας δεν θα είναι και τόσο ακριβής. 

Κάποιος θα μπορούσε να αναρωτηθεί γιατί να επιμένουμε να μετρήσουμε, και μάλιστα με ακρίβεια, το νερό/υγρασία που περιέχεται στα υλικά;

Η ποσότητα νερού σε ένα υλικό έχει να κάνει με  την ποιότητα, την οικονομική αξία του υλικού,  τις φυσικές, χημικές και βιοχημικές μεταβολές που συμβαίνουν σε αυτό και την επίδραση που έχουν οι μεταβολές στην υγεία του ανθρώπου και την αποτελεσματικότητα του υλικού. Κάποιες περιπτώσεις όπου η ποσότητα νερού έχει μεγάλη σημασία είναι:

• Κατά την εξέταση νοθείας σε κάποια προϊόντα. Τα υλικά που έχουν μεγαλύτερες ποσότητες νερού/υγρασίας, για τον πωλητή έχουν μεγαλύτερο οικονομικό όφελος, ενώ για τον αγοραστή, ζημία.
• Τα υλικά που έχουν υγρασία πάνω από κάποια τιμή, ενδέχεται να «χαλούν» γρηγορότερα εξαιτίας της μικροβιακής ανάπτυξης και των χημικών δράσεων που συμβαίνουν,  όπως υδρολύσεις συστατικών.
• Τα υλικά που δεν έχουν την κατάλληλη υγρασία, δεν έχουν τις κατάλληλες φυσικοχημικές ιδιότητες που αφορούν τη σκληρότητα, ελαστικότητα κτλ, οπότε αλλάζει η εμφάνισή τους, η υφή και άλλα χαρακτηριστικά των υλικών που είναι σημαντικά κατά την επεξεργασία και τη χρήση.
• Τέλος ένα υλικό που έχει περισσότερο ή λιγότερο νερό μπορεί να μην έχει την κατάλληλη συγκέντρωση για την εφαρμογή. Για παράδειγμα ένα μίγμα που έχει περισσότερο νερό θα είναι ίσως λιγότερο δραστικό. 

Για όλους τους παραπάνω λόγους, κατά τον ποιοτικό έλεγχο των καλλυντικών και φαρμακευτικών προϊόντων, θέλουμε να μπορούμε να υπολογίζουμε με ακρίβεια το ποσοστό του νερού που περιέχεται στα υλικά ώστε να παίρνουμε τις κατάλληλες αποφάσεις για το πως θα τα χειριστούμε.

Μια μέθοδος που μας δίνει τη δυνατότητα να υπολογίσουμε την υγρασία με μεγάλη ακρίβεια είναι η μέθοδος προσδιορισμού υγρασίας Karl Fischer. Πήρε το όνομά της από τον Γερμανός χημικός Karl Fisher που τη δημοσίευσε το 1935 για τον προσδιορισμό μικρών ποσοτήτων νερού σε δείγματα. Η μέθοδος του Karl Fischer που αναφέρεται ως μέθοδος KFT (Karl Fisher Titration) είναι μια διαδικασία που απαιτεί εξειδίκευση, όμως στις μέρες μας έχει αυτοματοποιηθεί και απλουστευθεί με τη χρήση ειδικών συσκευών και έτοιμων αντιδραστηρίων.

Οι σύγχρονες συσκευές προσδιορισμού υγρασίας, χρησιμοποιούνται σε αναλυτικά εργαστήρια για τον προσδιορισμό του νερού με ακρίβεια, σε στερεές ή υγρές ουσίες/πτητικά μίγματα/παρασκευάσματα (π.χ. οργανικούς διαλύτες, σε σκόνες, σε καύσιμα, σε τρόφιμα, φάρμακα, καλλυντικά και άλλα προϊόντα).  Η ποσότητα δείγματος που απαιτείται για να βρεθεί πόσο νερό/υγρασία έχει κάποιο υλικό, εξαρτάται χονδρικά απο την ποσότητα του νερού που περιέχεται. Για παράδειγμα αν σε ένα προϊόν το νερό είναι της τάξης του 50%, τότε απαιτείται δείγμα 0,05-0,25g. Αν το νερό στο δείγμα είναι της τάξης του 0,001% τότε χρειάζονται 15-20g δείγματος.

Η αρχή της μεθόδου Karl Fischer

Η μέθοδος προσδιορίζει την ποσότητα του νερού σε ένα δείγμα, με την προσθήκη συγκεκριμένου αντιδραστηρίου (αντιδραστήριο Karl Fischer) και χρησιμοποιώντας τη στοιχειομετρία οξειδοαναγωγικής αντίδρασης που λαμβάνει χώρα εξαιτίας της ύπαρξης του νερού στο δείγμα. Δηλαδή ο προσδιορισμός μπορεί να γίνει  με κλασική οξειδοαναγωγική ογκομέτρηση. Γίνεται μέτρηση του όγκου του αντιδραστηρίου που χρησιμοποιείται/καταναλώνεται για να αντιδράσει με όλο το νερό στο δείγμα. Με βάση τον όγκο του αντιδραστηρίου που καταναλώνεται και τη στοιχειομετρία της αντίδρασης, υπολογίζεται η ποσότητα του περιεχόμενου νερού. 

Συγκεκριμένα η μέθοδος αξιοποιεί την ποσοτική αντίδραση του νερού (Η₂Ο) με ένα αντιδραστήριο που περιέχει ιώδιο (Ι₂) και διοξείδιο του θείου (SO₂), διαλυμένα σε ένα οργανικό υγρό. Το οργανικό υγρό αποτελείται από άνυδρη μεθανόλη και μια οργανική βάση, την πυριδίνη. Συνολικά αυτό ονομάζεται αντιδραστήριο Karl Fischer και οι αναλογίες των συστατικών του είναι:      Ιώδιο (Ι₂): Διοξείδιο του θείου (SO₂): Πυριδίνη (C₅H₅N)=  1  :3  :  10.

Σήμερα το οργανικό υγρό στο αντιδραστήριο είναι διαφοροποιημένο ώστε να είναι περισσότερο σταθερό και να εμποδίζονται άλλες ανεπιθύμητες αντιδράσεις. Η πυριδίνη πέρα από διαλύτης, λειτουργεί και ως βάση, που εξουδετερώνει τα παραγόμενα οξέα και βοηθάει στη μετατόπιση προς τα δεξιά της οξειδοαναγωγικής αντίδρασης που λαμβάνει χώρα και φαίνεται παρακάτω:

Το τελικό σημείο της ογκομέτρησης αναγνωρίζεται από την αλλαγή του χρώματος του τιτλοδοτούμενου δείγματος. Όταν αντιδράσει όλο το νερό που περιέχεται στο δείγμα, τότε η μία σταγόνα του αντιδραστηρίου που θα πέσει επιπλέον, θα χρωματίσει το δείγμα καστανό. Στις αυτοματοποιημένες συσκευές σε μικρά ποσοστά υγρασίας, το τελικό σημείο της αντίδρασης εντοπίζεται κουλομετρικά.

Οι παρακάτω δύο ερωτήσεις πιστοποίησης ρωτούν πως εκφράζεται η υγρασία μιας φαρμακευτικής ουσίας, και η υγρασία μιας ουσίας, οπότε η απάντηση είναι  διαφορετική στην κάθε περίπτωση όπως φαίνεται παρακάτω:

Τεχνικός Φαρμάκων Καλλυντικών και Παρεμφερών Προϊόντων. Ερώτηση πιστοποίησης 48. Τεχνικός Φαρμάκων Καλλυντικών και Παρεμφερών Προϊόντων. Πως εκφράζεται η υγρασία μιας φαρμακευτικής ουσίας; Βοηθός Φαρμακείου Ερώτηση Πιστοποίησης 36. Βοηθός Φαρμακείου. Πως εκφράζεται η υγρασία μιας ουσίας;

Η απάντηση στην 48 ερώτηση είναι: Η υγρασία μιας φαρμακευτικής ουσίας εκφράζεται ως επί τοις εκατό (%) επί ξηρού. Δίνεται από τον παρακάτω τύπο:

μαζί με την επεξήγηση των συμβόλων που ακολουθούν παρακάτω.

Η απάντηση στην ερώτηση 36 είναι: Η υγρασία μιας ουσίας μπορεί να εκφράζεται ως επί τοις εκατό (%) στην αρχική ποσότητα του δείγματος δηλαδή:

ή ως επί τοις εκατό (%) επί ξηρού (σύμφωνα με τον πρώτο τύπο) που συνήθως εφαρμόζεται για τις φαρμακευτικές ουσίες.

όπου WU είναι η ποσότητα της υγρασίας σε γραμμάρια που υπάρχει στο δείγμα, WA είναι η ποσότητα του δείγματος σε γραμμάρια και (WA–WU) είναι η ποσότητα σε γραμμάρια του ξηρού δείγματος  (ποσότητα δείγματος χωρίς την υγρασία).

Ερώτηση Πιστοποίησης 55Α. Τεχνικός Φαρμάκων Καλλυντικών και Παρεμφερών Προϊόντων. Περιγράψτε τη μέθοδο προσδιορισμού υγρασίας Karl Fischer. Ποια τα πλεονεκτήματα της;

Η μέθοδος Karl Fischer είναι μέθοδος προσδιορισμού του νερού σε προϊόντα όπως τρόφιμα, φάρμακα, καλλυντικά, καύσιμα και άλλα.

• Σε κατάλληλη ποσότητα δείγματος προστίθεται ένα αντιδραστήριο που ονομάζεται αντιδραστήριο Karl Fischer.
• Το αντιδραστήριο Karl Fischer αποτελείται απο συγκεκριμένες αναλογίες ιωδίου, μεθανόλης, διοξειδίου του θείου και μιας οργανικής βάσης, της πυριδίνης.
• Το νερό που περιέχεται στο δείγμα, αντιδρά με το Ιώδιο του αντιδραστηρίου Karl Fischer που προστίθεται.
• Mόλις αντιδράσει όλο το περιεχόμενο νερό, τότε το διάλυμα θα πάρει χρώμα καστανό. Αυτό είναι ένδειξη ότι έχει ολοκληρωθεί η αντίδραση.
• Από την ποσότητα του αντιδραστηρίου που καταναλώθηκε υπολογίζεται η ποσότητα του νερού μέσα στο δείγμα.

Πλεονεκτήματα της μεθόδου Karl Fischer:

1. Κατάλληλη για στερεά, υγρά και αέρια δείγματα.
2. Υψηλή ακρίβεια ακόμα και σε χαμηλά ποσοστά νερού (< 1%)
3. Μεγάλο εύρος προσδιορισμού νερού (0,0001%-100%)
4. Δεν επηρεάζεται από την ύπαρξη πτητικών ουσιών.
5. Αυτοματοποιείται εύκολα και υπάρχουν συσκευές που δίνουν εύκολα το αποτέλεσμα με την εισαγωγή του δείγματος.
6. Ο χρόνος ανάλυσης είναι μικρός.