Die Praxis der Titration im Labor

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1 K O M P E T E N Z I M L A B O R IN ZUSAMMEN- ARBEIT MIT WISSEN KOMPAKT Die Praxis der Titration im Labor FLEXIBEL. VERLÄSSLICH. PERSÖNLICH.

2 Einleitung Die Titration ist eine der ältesten Methoden zur Gehaltsbestimmung in der Chemie. Im Gegensatz zur Gravimetrie werden keine schwerlöslichen Ver - bindungen getrocknet oder gewogen, sondern zur gelösten Probe wird ein Reagenz mit bekannter Konzentration zugegeben, solange bis die chemische Umsetzung beendet wird. Die Titration findet auch heute noch breite Anwendung in der chemischen Analytik. Zum einen ist eine Titration sehr einfach und schnell durchzuführen, zum anderen liefert die Titration bereits nach wenigen Minuten ein - bei optimalen Bedingungen - sehr genaues Messergebnis. Eine relative Standardabweichung von unter einem Prozent ist normal. Nicht ohne Grund verlangen noch zahlreiche Normen die Titration als Methode. Grundlagen der Titration Die Titration erfolgt auch heute im Computerzeitalter noch genauso wie vor über 200 Jahren unter den gleichen Voraussetzungen: Stöchiometrische und schnelle Reaktion Stabiles, genau dosierbares Reagenz Erkennung des Reaktionsendes durch Farbreaktion oder elektrochemische Detektion Nachdem die Reaktion somit bekannt ist, ist der Anwender lediglich für die Einhaltung der richtigen Bedingungen verantwortlich. Entsprechend sollte auf die Dosierung des Reagenzes und die Erkennung des Reaktionsendes besonderes Augenmerk gelegt werden. Die Titration kann manuell mit einfachen Glasbüretten oder auch automatisiert mit chipgesteuerten Titratoren durchgeführt werden. Heute werden über - wiegend letztere eingesetzt, da Genauigkeit und Vergleichbarkeit verbessert werden, aber auch die manuelle Titration hat ihre Berechtigung. Tab. 1 stellt Vor- und Nachteile der Anwendungsformen gegenüber. Manuelle Titration + Sehr schnell + Schnell + Genau + Sehr genau Tab. 1: Vergleich von manueller und automatischer Titration Automatische Titration + Einfach + Nach Implementierung einfach + Vielseitig + Vielseitig + Sehr viele Normen und Vorschriften + Sehr viele Normen und Vorschriften - Nachvollziehbarkeit + Nachvollziehbarkeit, Dokumentation - Vergleichbarkeit + Richtigkeit und Vergleichbarkeit - Automatisierbarkeit + Automatisierbarkeit - Einsatz von viel Reagenzien - Einsatz von viel Reagenzien Bei der Titration wird vor Beginn der Gehalt der Maßlösung genau bestimmt und ein Korrekturfaktor (Titer) ermittelt, um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen. Anschließend wird mittels einer Bürette zu einer Probelösung ein Reagenz bekannter Konzentration hinzugetropft bis der Äquivalenzpunkt bzw. Endpunkt erreicht ist. Bei der automatisierten Variante ist die genaue Dosierung des Titriermittels die Kernfunktion des modernen Titrators. Die Norm ISO 8655 beschreibt die Anforderungen und Prüfung der genauen Dosierung und muss in gewissen Zeitabständen angewendet werden. Die Reaktion wird in der Regel von potentiometrischen Sensoren überwacht, meist wird hier eine ph-elektrode eingesetzt. Um eine Vergleichbarkeit mit früheren manuell erhaltenen Ergeb- nissen zu erhalten, wird auf einen festen ph titriert, der einem Farbumschlag entspricht. Für eine solche Endpunkttitration (EP) ist eine Kalibration der Elektrode erforderlich. Andere Titrationen werden als Äquivalenzpunkttitrationen (Equivalence Point, EQ) durchgeführt. Hier kommt es nur auf die Änderung des Potentials oder ph-wertes an. Eine Kalibration einer ph-elektrode dient lediglich der Qualitätsüberwachung. Die Endpunkterkennung kann vielfältig mit unterschiedlichen chemischen und physikalischen Methoden erfolgen. Im Gegensatz zu einer weit verbreiteten Meinung ist die Maßzahl der Titration weder ph noch mv, sondern ml, das Volumen. Die Richtigkeit des Volumens muss also für jeden Verbrauch nachgewiesen werden können. Der Verbrauch am Äquivalenzpunkt, Endpunkt oder Farbumschlag zeigt demnach die Äquivalenz von Probensubstanz und zugegebenem Reagenz an. Abb. 1: Moderner Titrator mit Probenwechsler im Einsatz Die Titrationen lassen sich nach ihrer chemischen Reaktion unterscheiden, man spricht hier von unterschiedlichen Reaktionstypen. Säure-Base Titrationen: Hier ändert sich während der Titration der ph-wert. Dies kann durch Farbänderung oder mittels einer ph-elektrode erkannt werden. Redoxtitrationen: Hier ändert sich die Oxidationsstufe in der Probe. Es wird mit einem Oxidations- oder Reduktionsmittel titriert und der Endpunkt mittels einer Farbänderung oder einer Redoxelektrode (z. B. Platinelektrode) erkannt. Fällungstitrationen: Das Zugabe-Reagenz führt zu einer Ausfällung. Diese kann beispielsweise bei der Chloridtitration mittels Silbernitrat anhand einer Farbänderung oder mit einer Silber-Elektrode verfolgt werden. Komplexometrische Titrationen: Metalle werden mit einem Komplexbildner titriert. Deren Reaktion können mittels Ionensensitiver Elektroden oder mithilfe eines Indikators verfolgt werden. Phasentransfertitrationen: Die Detektion erfolgt in einer anderen Phase als die Reaktion. Ladungstitrationen: Die Menge der Ladungen zum Ladungsneutralpunkt. Häufig werden Titrationen auch nach der Art der Detektion des Titrationsendes unterschieden: Chemische Erkennung durch Farbänderung oder Fällung. Potentiometrisch durch Redoxelektroden / ph-glaselektroden. Biamperometrisch durch Doppelplatinelektroden. Konduktometrisch durch Leitfähigkeitselektroden. Thermometrisch durch Temperaturänderungen. Die Titration wird meist als direkte Titration durchgeführt, bei der das Reagenz direkt zugegeben wird. Es gibt aber auch Fälle, in denen ein Hilfsreagenz zugegeben und dann mittels Rücktitration dessen Überschuss bestimmt wird.

3 Maßlösung Abb. 2: Manuelle Titration (Quelle: Wikipedia, Liquid 2003) Einsatzbereiche der Titration Probelösung Abb. 3: Moderner Titrator Die Titration wird in unterschiedlichsten Bereichen der chemischen Analytik durchgeführt. Beispielsweise in folgenden Bereichen: Lebensmittelindustrie Wasser und Umwelt Chemische Industrie Pharmazeutische Industrie Beschichtung und Metallbearbeitung, Galvanik Ölindustrie Ein Anwendungsfeld ist die Titration in der Lebensmittelanalytik. Nach 64 LFBG (Lebensmittel-, Bedarfsgegenstände- und Futtermittelgesetz) wird eine ganze Reihe von Produkten oder Gehalte in diesen Produkten mittels Titration quantifiziert. Unter anderem werden der Säuregehalt, der Salzgehalt, der Gehalt an Proteinen und Stickstofffunktionen, an Basen oder Oxidationsbestandteilen bestimmt. Ein wichtiger Bereich ist die Bestimmung der Feuchtigkeit oder des Wassergehaltes in Lebensmitteln. Der Wassergehalt beeinflusst zahlreiche Eigenschaften, wie z. B. die Haltbarkeit, die Verarbeitbarkeit und den Geschmack von Lebensmitteln. Hier ist die Karl-Fischer Titration die Methode der Wahl, da sie neben einer hohen Genauigkeit auch vergleichs - weise selektiv ist. Auch im Umweltbereich ist die Wasseranalytik von besonderer Bedeutung. Zu den Methoden der Trinkwasseranalytik kommen die Titrationen für das Abwasser, für Oberflächenwasser und Meerwasser hinzu [1], [2]. In der chemischen Industrie werden viele verschiedene Methoden angewendet. Es werden hauptsächlich Kennzahlen für Produktionsrohstoffe oder Fertigprodukte bestimmt, aber auch das Abwasser muss untersucht wer - den. Zahlreiche Methoden sind in Normen festgehalten. Die ISO-Normen und auch die ASTM-Vorschriften werden dabei weltweit eingesetzt. Die Pharmazie verwendet strikt geregelte und einheitliche Methoden, die in Pharmakopöen definiert sind. Es handelt sich oft um Gehaltsbestimmungen der pharmazeutisch wirksamen Stoffe. Auch der Feuchtigkeitsgehalt wird mittels Karl-Fischer Titration bestimmt. Wirklich unangenehm sind die Proben in der Galvanik. Sie enthalten oft viele starke Säuren und verschiedene Metalle. Die Titration ist hier die wichtigste Methode und wird oft direkt im Produktionsbereich eingesetzt. Es ist verwunderlich, dass auch im Öl titriert werden kann. Dies funktioniert in geeigneten Lösungsmitteln. Es werden Säuren bestimmt, um ein Maß für die Alterung des Öls durch Oxidation und Umsetzung mit Luft zu erhalten. Auch Basenzahlen und Wassergehalt werden typischerweise titriert. Methodenüberblick In den vergangenen 200 Jahren haben sich viele unterschiedliche Verfahren entwickelt. Es sind heute mehrere 1000 Titrationsverfahren oder Modifikatio - nen bekannt. Im Folgenden werden die wichtigsten Methoden näher erläutert. Weit verbreitet sind Säure-Base Titrationen. Beispielsweise wird die Bestimmung der Gesamtsäure bei fast allen Getränken durchgeführt. Bei der Methode handelt es sich um eine Endpunkttitration auf einen festen ph-wert. Die Endpunkte können ph 7,0, ph 8,1 oder ph 8,2 sein. Dies hängt von der Art der Säuren und den vorliegenden Vergleichswerten ab. Es wird eine Glaselektrode für die ph-messung eingesetzt. Diese muss zunächst kalibriert werden, wofür sich die Puffer 4,00 ph und 7,00 ph gut eignen. Durch mögliche Probleme mit alkalischen Puffern ist eine gute Zweipunkt-Kalibration ohne alkalische Puffer oft genauer als die aufwändigere Dreipunkt-Kalibration. (Zu beachten: Pufferlösungen sollten grundsätzlich nicht im Kühlschrank aufbewahrt werden, da hierbei Bestandteile auskristallisieren können, die nur schwer wieder in Lösung gehen.) Die Häufigkeit der Kalibration hängt zum einen von dem Zustand der Elektrode, zum anderen von der Art der Probe und der Matrix ab. Eine spezielle Methode ist die Bestimmung der Alkalinität in Meerwasser. Im Meerwasser ist ein Mehrfaches des Kohlenstoffdioxids der Atmosphäre gelöst. Der ph-wert des Meeres sinkt, die Temperatur steigt und damit kann weniger Kohlenstoffdioxid im Meerwasser gelöst werden. Der genaue Gehalt wird mit-

4 tels einer Gran-Titration bestimmt - ein Verfahren, das gut mit einem Probenwechsler automatisiert werden kann. Bei der häufigen Bestimmung von Chlorid oder Salz ist eine Kalibration der Elektrode nicht erforderlich. Als Titriermittel wird Silbernitrat verwendet, als Elektrode wird eine Silberelektrode genutzt. Je nach Art der Proben und Probenmatrix hat eine elektrochemisch erzeugte Oberfläche von AgCl (Silberchlorid) Vorteile. Die Potentiale können jedoch in Abhängigkeit von Zustand der Elektrode, Konzentration und Probenmatrix schwanken. Aus diesen Gründen wird so lange titriert bis ein EQ erkannt wird. Es kommt dann nicht auf das Potential selber an, sondern nur auf die Potentialänderung. Eine gute Titration wird somit an einer guten Titrationskurve erkannt. Bei der Analyse der Titrationskurve wird dann die Gleichförmigkeit der ersten Ableitung mit einem einzigen Peak bewertet. Bei dieser Art der Titration spricht man von einer Fällungstitration. Eine weitere verbreitete Titrationsart ist die Iodometrie. Hier wird in der Regel eine Probe mit einem Überschuss Iod versetzt, so dass es einen Teil der Probe oxidiert. Das dabei nicht umgesetzte Iod wird anschließend mit Thiosulfat titriert. Dabei handelt es sich um eine Rücktitration, da sowohl das Reagenz Iod (oder eine Mischung von Iodat mit Jodid) genau dosiert oder eingewogen werden muss, als auch die Rücktitration mit einer genau definierten Konzentration zu erfolgen hat. Während früher die blaue Farbe des Iod-Stärke-Indikators für die Arbeit entschädigte, wird dieser Prozess heute dem Titrator mit einer Redox- oder Dead-Stop-Titration überlassen. Beim Trink- und Mineralwasser ist die Wasserhärte ein wichtiger Parameter, ebenso sind Calcium und Magnesium gesundheitlich relevant und werden mit EDTA (Ethylenediaminetetraacetic acid) titriert. Zur Detektion werden ent - weder die Calcium Ionensensitive Elektrode (ISE) für die Bestimmung beider Parameter verwendet oder eine Kupferelektrode für die Gesamthärte. Statt der üblichen Einstabmessketten werden oft auch getrennte Messketten (ISE Indikatorelektrode mit separater Referenzelektrode) eingesetzt, da diese etwas robuster sind. Die Calciumelektrode kann das Signal von Ca und Mg direkt detektieren, während die Kupferelektrode zur Indikation Kupfer-EDTA benötigt, um die Gesamthärte erkennen zu können. In der Galvanik werden viele Metalle in der Probe ebenfalls komplexo - metrisch bestimmt. Oft wird dabei mit EDTA als Titriermittel und der Cu-ISE als Elektrode titriert. Die Detektion erfolgt als Komplexverdrängungsreaktion durch die Zugabe von Cu-EDTA. Der Umgang mit den Proben und Probenvorbereitung Es ist nicht immer sichergestellt, dass der Gehalt einer Probe in einem Material homogen verteilt ist. Daher ist es wichtig, genügend Probe aus dem Material zu entnehmen und diese im Anschluss zu homogenisieren. Das bedeutet, dass alle Bestandteile der Probe so gleichmäßig wie möglich vermischt und zerkleinert werden, so dass in 1 g exakt die gleiche Menge (Konzentration) der vorhandenen Inhaltsstoffe wie in 1 kg zu finden ist. Beide Teile, die Probenahme und die Homogenisierung, sind wichtige Voraussetzungen, um ein optimales Ergebnis bei der Titration erzielen zu können. Es ist wichtig dafür zu sorgen, dass die Probe homogen verteilt ist, bevor davon eine Teilmenge für die Titration entnommen wird. Folgende Punkte sollten dabei beachtet werden: Gibt es bei flüssigen Proben einen Bodensatz? Gibt es einen Konzentrationsunterschied durch einen Temperaturunterschied im Gefäß? Handelt es sich um natürliche Proben, die z. B. eine Schale und einen Innenteil haben? Haben die Proben eine Beschichtung? Nimmt die Oberfläche Feuchtigkeit auf? Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Freisetzung des Parameters, der bestimmt werden soll. So ist z. B. der Chloridgehalt (Salzgehalt) im Käse ein wichtiger Indikator für Haltbarkeit und Geschmack des Lebensmittels. Wird nun die Probe (ca. 0,5 bis 1 g Käse) in ein Becherglas gegeben und mit Wasser aufgefüllt, passiert gar nichts. Der Käse schwimmt im Wasser und das Salz bleibt im Käse. Erst mit erhöhter Temperatur und einem Homogenisator gelingt die weitgehend vollständige Freisetzung des Salzes. Ein Homogenisator kann bei der Probenvorbereitung vieler Proben sehr gut eingesetzt werden, da er Proben schnell zerkleinern und für eine Verteilung sorgen kann. Dabei werden die zu bestimmenden Analysenkomponenten aus den Proben von Wasser oder Lösungsmittel freigesetzt und gleichzeitig gut verteilt. Abb. 4 zeigt den automatisierten Einsatz im Probenwechsler bei der Probenbearbeitung. In der Pharmazie werden häufig komplexe Basen titriert. Die wichtigste Methode ist dabei die Titration mit Perchlorsäure in Eisessig, bei der die Stickstofffunktionen bestimmt werden. Da viele Basen als Hydrochloride vorliegen, ist auch eine indirekte Bestimmung möglich. Es wird freie Salzsäure zugesetzt und mit Natronlauge zunächst das freie HCl titriert, dann das am Stickstoff gebundene HCl. Es ergeben sich zwei Äquivalenzpunkte, deren Differenz der Anzahl der Aminogruppen entspricht. Es ist schwer vorstellbar, dass mit einer Glaselektrode in schwarzem Öl eine Säure-Base Titration möglich ist. Doch eine der wichtigsten Titrations - parameter in Ölen sind neben der Karl-Fischer Titration zur Wasserbe - stimmung die TAN (Total Acid Number) und TBN (Total Base Number) Bestimmungen. Es wird bei TAN in Toluol / Isopropanol mit KOH in Isopropanol titriert, mit einer Glaselektrode und einer Bezugselektrode mit Schliffdiaphragma, meist als Einstabmesskette. Dies sind lediglich einige Beispiele, um die Bandbreite zu zeigen, wie Titrationsmethoden zur Quantifizierung genutzt werden. Den Link zu fertigen Applikationsschriften und Beispielmethoden finden Sie in den Literaturhin - weisen [3]. Abb. 4: Automatische Zerkleinerung und Verteilung von Proben im Probenwechsler

5 Die Titration Die Titration kann mit einer Bürette oder einem Titrator einfach in einem Labor durchgeführt werden. Für die meisten Proben sind die Methoden wohl bekannt oder auch national oder international normiert. Somit ist die zugrundeliegende chemische Reaktion bekannt. Es müssen allerdings das Titrier-Reagenz und die passende Elektrode ausgewählt werden. Die am häufigsten verwendeten Reagenzien sind dabei: Natronlauge NaOH (für die Bestimmung von Säuren in wässrigen Systemen). Salzsäure HCL (für die Bestimmung von Basen, Carbonaten und Hydrogen - carbonaten in wässrigen Systemen). Na 2 EDTA (für die komplexometrische Titration mit Ionensensitiven Elektroden von Metallen). AgNO 3 Silbernitrat (meist für die Chlorid- oder Salzbestimmung, Halogenide und Pseudohalogenide). Na 2 S 2 O 3 Natriumthiosulfat (für die Rücktitration von Iodometrischen Reaktionen). Cer(SO 4 ) 4 Cersulfat (Oxidationsmittel für viele Redoxtitrationen). (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2 Ammonium-eisen(II)-sulfat (Reduktionsmittel für viele Redoxreaktionen, z. B. CSB). KOH Kaliumhydroxid in Alkohol (Bestimmung von Säuren in organischen Lösungsmitteln). HClO 4 Perchlorsäure in Eisessig (Bestimmung von Basen in organischen Lösungsmitteln). Folgende Elektroden gehören zur Standardausstattung eines Titrationslabors: Kombinierte Glaselektrode mit Platindiaphragma (für alle wässrigen Säure-Base-Titrationen). Silber-Einstabmesskette (für die Bestimmung von Chlorid). Platin-Einstabmesskette (für alle Redoxreaktionen). Platin-Doppelelektrode (für reversible Redoxreaktionen mit Dead-Stop- Detektion). Glaselektrode mit Schliffdiaphragma mit organischen Elektrolytlösungen (für die Titration in organischen Lösungen). ISE Elektroden, wie Ca-Elektrode, Cu-Elektrode, Fluorid-Elektrode als Einstabmesskette oder mit separater Bezugselektrode (je nach Aufgabe und Art der Proben). Die Proben werden oft als Lösung direkt eingesetzt. In der Praxis werden sie mit Pipetten abgemessen. Es ist offensichtlich, dass die Probenabmessung besonders genau sein muss. Eine Titration kann auf keinen Fall genauer sein als die Probenabmessung. Wesentlich genauer ist die Abmessung mit einer Analysenwaage. Für Feststoffe ist dies die Methode der Wahl, aber auch Lösungen lassen sich einfach mit einer Waage abmessen. Die Probe wird dazu in eine Einwegspritze gefüllt, auf die Waage gestellt und diese tariert. Nun wird die geforderte Menge in das Titrationsgefäß gegeben, die Spritze auf die Waage zurückgestellt. Die Waage zeigt nun typischerweise mit vier Nach kommastellen das Probengewicht an. Ein solches Ergebnis wird dann z. B. in % oder mg/g im Ergebnis spezifiziert. Die meisten Titrierreagenzien sind in mehreren Konzentrationen kommerziell verfügbar. Einige benötigen nach dem Öffnen besondere Aufmerksamkeit. Alkalische Titriermittel, wie Natronlauge und Kalilauge, können CO 2 aus der Luft absorbieren. Dagegen hilft ein CO 2 Absorptionsmittel (z. B. Natronkalk) im Trockenrohr auf der Reagenzflasche, das nach etwa zwei Wochen wieder ausgetauscht wird. Bei den Karl-Fischer Reagenzien muss natürlich Wasser ferngehalten werden, was mit einem Molekularsieb mit einer Porengröße von 0,3 nm erreicht wird. Das Molsieb kann bei ca. 300 C über sechs Stunden wieder getrocknet und erneut eingesetzt werden. Die Einsatzzeit wird im Wesentlichen von der Luftfeuchtigkeit bestimmt. Die Reagenzien für die Karl-Fischer-Analyse sollten bei einer höheren Drift ausgetauscht werden. Bei den Elektroden werden in vielen Fällen Glaselektroden für die Säure-Base- Titration eingesetzt. Eine solche Elektrode besteht aus einer Glas-Indikatorelektrode und aus einer Silber-Silberchlorid-Bezugselektrode. Auch andere Bezugssysteme wie z. B. Iod / Iodid können eingesetzt werden. Die Glaselektrode misst selektiv die Protonen in einer Lösung. In organischen Lösungen werden häufig niedrig-ohmige Gläser und spezielle Schliffdiaphragmen für die Bezugselektroden eingesetzt [5]. Damit wird der für die Messung notwendige Ladungstransport sichergestellt. Für die Chloridtitration werden eine Silberelektrode als Indikatorelektrode und eine Silber-Silberchlorid-Bezugselektrode kombiniert in einem Elektroden - körper eingesetzt. Die Silberindikatorelektrode kann mit AgCl beschichtet sein. Für einige Anwendungen wird die Silberelektrode sulfidiert. Die Sulfidschicht ist besonders haltbar. In einigen Fällen kann auch eine Glaselektrode als Bezugselektrode eingesetzt werden. Der Vorteil liegt in der einfacheren Hand- Formel für die Gehaltsbestimmung Formel für die Titerbestimmung % = (EQ [ml] - Blindwert [ml])* Titer * Molgewicht * konz. Titriermittel * * Einwaage [g] 1000 * Einwaage [g] Titer = (EQ [ml] * konz. Titriermittel * Molgewicht EQ [ml] Blindwert [ml] Titer Aquivalenzpunkt in ml Reagenz Eventueller Verbrauch einer Blindwert-Titration in ml, sonst 0 Sollwert / Istwert einer separaten Titerstellung, meist ein Wert um 1,000 Molgewicht, z. B. 35,45 für Chlorid Molgewicht [g / mol] Konz. Titriermittel [mol / l] Konzentration, z. B. 0,1 mol / l 100 Umrechnung in % 1000 Umrechnung g -> mg Einwaage Die Einwaage in g Beispiel Chlorid in [%] Chlorid [%] = Abb. 5: Beispielformeln für eine Gehalts- und Titerbestimmung EQ * 0,998 * 35,45 * 0,1 * * 3,1235 EQ [ml] Titer Molgewicht [g / mol] Konz. Titriermittel [mol / l] 1000 Umrechnung g -> mg Einwaage Die Einwaage in g Beispiel Titer AgNO 3 [0,1 mol / l] Aquivalenzpunkt in ml Reagenz Sollwert / Istwert einer separaten Titerstellung, meist ein Wert um 1,000 Molgewicht, z. B. 35,45 für Chlorid Konzentration, z. B. 0,1 mol / l Titer - Chlorid = 1000 * 0,0584 EQ * 0,1 * 58,443

6 habung. Es muss kein Elektrolyt in der Bezugselektrode nachgefüllt werden und es kann zu keiner Verstopfung des Diaphragmas kommen. Allerdings muss bei diesen Elektroden der ph-wert während der Titration konstant sein. Je nach Schaltung verlaufen solche Titrationskurven nicht, wie üblich steigend, sondern fallend. Die passenden Titrationsparameter werden im Titrator vorkonfiguriert und können für bestimmte Proben einfach angepasst werden. Viele ph-titrationen werden als Endpunkttitrationen durchgeführt. Der Endpunkt wird an dem ph-wert festgelegt, an dem ein Indikator für die manuelle Titration seine Farbe ändert. Typische Endpunkte sind z. B. ph 8,2 (Umschlag von Phenolphthalein), ph 4,3 (Umschlag von Methylrot oder Methylorange) und ph 7,0 (Umschlag von Neutralrot). Auf diese Weise wird auch eine gute Vergleichbarkeit zwischen modernen potentiometrischen Titrationen und früheren manuell titrierten Ergebnissen sichergestellt. Merkmal Kategorie I Gehaltsbestimmung Kategorie II Quantitative Bestimmung Kategorie III Quantitative Bestimmung Präszision Richtigkeit + (+) + + Nachweisgrenze Kategorie II Grenzprüfung Bestimmungsgrenze Selektivität Bereich + (+) + + Linearität Robustheit Vorschriften der USP XXII zur Validierung: Kategorie I: Hauptkomponenten Kategorie II: Nebenprodukte Kategorie III: Leistungsparameter (Wirkstofffreisetzung) Verifizieren der Titrationsergebnisse Für analytische Methoden ist es notwendig, die Ergebnisse einer Prüfung (Validierung) zu unterziehen [6]. Dieser Prozess ist für alle Analysenmethoden gleich. Abb. 6 zeigt die Validierungselemente nach dem USP, dem amerikanischen Arzneibuch. Die beiden wichtigsten Merkmale bei der Qualitätssicherung sind die Präzision und die Linearität. Abb. 7 zeigt den Linearitätstest einer Titerstellung eines Karl-Fischer Reagenzes mit einem zertifizierten Referenzmaterial. Es wird der Mittelwert bestimmt, der innerhalb einer Spannweite akzeptiert wird (z. B. 4,5 bis 5,5). Die relative Standardabweichung gibt uns die Information über die Präzision. Die Ausgleichsgerade muss mit einer Toleranz von einem Tropfen (= 0,05 ml) durch den Nullpunkt gehen und das Bestimmtheitsmaß (oder der Korrelationskoeffizient) müssen besser als 0,99 sein. Alle diese Anforderungen sind in dem gezeigten Beispiel erfüllt. Ein solcher Linearitätstest ist jedoch nur möglich, wenn statt der immer gleichen Standard- oder Probenmenge unterschiedliche Mengen vorgegeben werden. Im Beispiel werden drei Werte von 1 g bis 2 g jeweils genau auf vier Nachkommastellen eingewogen. Auf diese Weise lassen sich mit wenig Aufwand bereits bei einer Titerstellung oder bei einer Probentitration die wichtigsten Validierungselemente überwachen. [g] [ml] Titer 1,0000 2,071 4,8576 1,6829 3,482 4,8621 Abb. 6: Valdierungsschema 2,0598 4,26 4,8632 Ist die Vergleichbarkeit weniger von Bedeutung, wird meist dynamisch auf einen oder mehrere Äquivalenzpunkte titriert. Hier kommt es ja ausschließlich auf die Änderung des Potentials an. Die Dynamikparameter bestimmen die Schrittgröße während der Titration in Abhängigkeit von der Steigung der Titrationskurve. Dabei hat der steile Teil der Kurve kleine Titrierschritte und der flache Teil der Kurve große Titrierschritte. Mit den mittleren Parametern ergeben sich häufig bereits sinnvolle Kurven. Ist im steilen Teil die Schrittgröße zu groß, reduziert sich das Auflösungsvermögen, ist die Schrittweite zu klein, wird die Kurve zappelig. Das ist gut ersichtlich an der ersten Ableitung, die dann oft mehrere Peaks zeigt (siehe Abb. 8). Dies führt häufig zu falschen Auswertungen und somit zu schwankenden Ergebnissen. Die Titrationsgeschwindigkeit wird auch sehr stark von den Driftparametern bestimmt. Diese bestimmen mit welchen Driftkriterien (mv / min) ein stabiles Signal von der Elektrode akzeptiert wird. Das sinnvolle Driftkriterium hängt von der Anwendung ab und liegt zwischen 10 und 50 mv / min. Verbrauch [ml] 5 4,5 4 3,5 3 2,5 Mean 4,8610 RSD 0,0498 y = 2,0656x + 0,0055 R 2 = 1,0000 Nach der Titration liegt die Titrationskurve vor und der Titrator - oder der Anwender selbst, bei einer manuellen Titration - berechnet das Ergebnis aufgrund einer definierten Formel. Diese basiert immer auf dem Dreisatz. Es werden lediglich zwei verschiedene Formeln benötigt: Eine für die Titer - bestimmung (hier ist die Einwaage in Zähler) sowie eine Formel für die Gehaltsbestimmung (Einwaage in Nenner). Die Formeln sind in Abb. 5 dargestellt. 2 1,5 0,5000 1,0000 1,5000 2,0000 2,5000 Einwaage [g] Abb. 7: Linearitätstest

7 Auch die Qualität einer einzelnen Titration lässt sich bewerten. Die Titrationskurve sollte glatt verlaufen und die erste Ableitung einen klaren Peak für die Berechnung des Äquivalenzpunktes liefern. Abb. 8 zeigt auf der linken Seite einen gut auswertbaren Sprung mit einer eindeutigen ersten Ableitung. Auf der rechten Seite ist eine eindeutige Auswertung nicht sichergestellt, die Titrationsparameter sollten angepasst werden. In diesem Beispiel würde eine Vergrößerung der kleinsten Schrittweite das Problem lösen. 1,34 ml 248,5 mv 4,01 ml 202,0 mv 1,2 1,4 ml 3,75 4,375 5,0 ml Abb. 8: Form der ersten Ableitung Form der Ableitung ist ok. Form der ersten Ableitung ist nicht ok, es kann der falsche Peak ausgewertet werden. Zusammenfassung Dieser Artikel gibt eine Übersicht über die Grundlagen der Titration, die verschiedenen Methoden und beschreibt die Durchführung der Titration. Neben Übersichtsinformationen gibt es eine Reihe von praktischen Tipps, um die Titration genauer und sicherer zu machen. Es wird deutlich, dass die Titration auch heute noch eine weit verbreitete Methode zur Gehaltsbestimmung ist, die aus der chemischen Analytik nach wie vor nicht wegzudenken ist. Die Titration kann schnell erlernt und auch mit einfachsten Mitteln durchgeführt werden. Aufgrund ihrer Robustheit und sehr hohen Genauigkeit wird sie in jedem Labor eingesetzt und ist auch nach wie vor in vielen Normen vorgeschrieben. Literatur [1] Peters, J., Labor & more (2012), Heft 8, S.2. [2] Langer G., Peters J. (2011), Bestimmung der Alkalität im Meerwasser durch Gran-Titration Whitepaper J.Peters, Bestimmung der Alkalinität in Meerwasser durch Granberechnung, GIT Labor-Fachzeitschrift 4/2012, S , WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, GIT VERLAG, Weinheim [3] Beispielmethoden auf der Homepage von SI-Analytics: [4] W. Gernand, K. Steckenreuter, G. Wieland, Greater analytical accuracy through gravimetric determination of quantity, Fresenius Z. Anal. Chem. (1989) 334: [5] Iris Sound und Helmut Becker, Grenzen der ph Messung in nichtwässrigen Lösungsmitteln [6] S. Kromidas, Handbuch Validierung in der Analytik, 2014 Wiley-VCH Verlag, ISBN-13:

8 Gerne stehen wir Ihnen auch persönlich für eine Beratung zur Verfügung. Berlin Telefon / Hamburg Telefon 040 / Magdeburg Telefon / Rostock Telefon / Braunschweig Telefon / Hannover / Gehrden Telefon / München Telefon 089 / Ruhrgebiet Telefon / Essen Telefon 0201 / Heidelberg Telefon 0151 / Münster Telefon 0421 / Ulm Telefon 089 / Frankfurt Telefon 0160 / Kiel Telefon 040 / Nürnberg Telefon 089 / Göttingen Telefon 0551 / Leipzig / Markkleeberg Telefon / Osnabrück Telefon 0421 / Robert-Hooke-Straße Bremen Telefon 0421 / info@omnilab.de