Determining Moisture Content in Hexamine - Chemistry and Chemists № 2 2026

Problem Statement. What are the Methods for Determining Moisture? - Part 1
Определение содержания влаги в гексамине
Постановка задачи. Какие бывают методы определения влаги? - Часть 1

A colleague and I were sitting in the laboratory, drinking tea. Why were we drinking tea in a chemistry laboratory, even though safety regulations prohibit it? Because there is no other room at the institute for this purpose, and there won't be one. The alternative is to go hungry all day.

Another employee arrived and joined us. In the middle of our tea break, the director called. He apologized for disturbing me during my lunch break and asked us to come to the meeting room. It turned out that he had clients.

I did not know what the clients needed beforehand - I did not have even the slightest idea. Our institute used to work on uranium ores and meteorites. But nowadays, institutes of the Academy of Sciences take on almost any topic - from intercontinental ballistic missiles to diaper production technology or plans for conquering the galaxy - as long as they get paid for it. The reason for this state of affairs is simple: the budget funding allocated for state projects isn't even enough to cover the staff's salaries.

During our discussion with the customers, it turned out that they needed to determine the moisture content of hexamine samples. Hexamine (urotropine, hexamethylenetetramine, methenamine) has a wide variety of applications, ranging from plastics and explosives production to pharmaceuticals. I asked what this hexamine would be used for. It turned out that the customers didn't know - they sell chemical products but do not manufacture or use them. One of their customers wanted to know the actual moisture content of hexamethylenetetramine.

Question: Can I determine the moisture content of hexamine?

I replied that I had previously determined the moisture content of various substances and materials, but never in hexamine. Therefore, I could probably perform the necessary analysis, but I couldn't guarantee a positive result in advance.

We agreed that I would review the relevant literature, and in the meantime, the customers would bring a hexamine sample.

What are the different methods for moisture determination? There are many, so I'll mention only a few.

The classic method for determining the water content of a sample is the gravimetric method, also known as the drying method. The sample is heated to a specified temperature and held at that temperature until it ceases to lose weight. The water evaporates, leaving only the dry substance. By weighing the sample before and after heating, the weight loss is determined, and the water content is calculated.

If the sample contains only hygroscopic moisture (water that is not chemically bound), heating at 100-105°C for one hour is usually sufficient. If chemically bound water is present, heating at a temperature that ensures its removal is required.

This method is simple and fairly accurate and is often used as a reference method.

Of course, the gravimetric method has its drawbacks and limitations. First of all, the analysis is time-consuming. First, the crucibles or weighing bottles must be heated under the same conditions as the analyzed sample. Then they must be cooled in a desiccator for at least an hour and subsequently weighed. Only after that can the analyzed sample be weighed into the crucibles. Then the sample has to be heated for an hour in a drying cabinet and cooled for another hour in a desiccator before being weighed. The analysis takes about half a workday.

There are also automatic moisture analyzers that combine sample weighing, drying, and calculation of the analytical results. I've seen such devices in another laboratory, but I've never used one myself. In any case, our institute doesn't have an automatic moisture analyzer.

In addition to water, the sample may contain other volatile components that will evaporate and affect the analytical results, increasing the apparent moisture content. Some substances are unstable when heated; as they decompose, they can release various volatile substances, not just water. For example, silicon dioxide does not decompose when heated, so this method can be used to determine the moisture content of quartz sand. However, sodium bicarbonate (baking soda) converts to sodium carbonate, carbon dioxide, and water when heated:

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O + CO₂

A temperature of only 50-60°C is sufficient for the reaction to begin. In this case, the mass loss upon heating corresponds to the total water and carbon dioxide content of the sample. In such cases, drying under vacuum at room or low temperatures is used, but this is not always effective. Furthermore, the main substance whose moisture content is being determined may itself be volatile.

There are also physical methods for determining the water content of solid samples, particularly electrical methods and infrared spectroscopy. In the first case, the sample's electrical resistance or capacitance, which depend on its water content, are measured. The measurements are quick and require little operator training, but the accuracy and reliability of this method are often insufficient. In the case of absorption infrared spectroscopy, specific absorption bands corresponding to the vibrations of water molecules are measured.

Besides the gravimetric method, there are other chemical methods for determining water content in samples. One of them is the codistillation of water with an organic solvent. Some organic solvents that are immiscible with water form azeotropic mixtures with it. Common examples are toluene and xylene. The mixture of solvent vapor and water vapor is distilled and condensed. The distillate flows into a graduated vessel, which is used to determine the volume of the distilled water.

Another method is Karl Fischer titration, which is used to analyze samples with low water content. A solution of sulfur dioxide in dry pyridine is added to the sample being tested and titrated with a solution of iodine in dry methanol. Iodine and sulfur dioxide reacts with water, and the brown color of the iodine solution disappears as the iodine is consumed in the reaction. The solution remains colorless as long as water is still present in the sample. Once all the water has reacted, the iodine is no longer consumed. In the absence of water, sulfur dioxide does not react with iodine, so the brown color of the iodine persists. This method enables the accurate determination of trace amounts of water in various samples, including petroleum products, explosives, medications, and food products. However, the Karl Fischer method is quite demanding and requires qualified personnel or expensive equipment. The solutions used for titration must be protected from atmospheric moisture.

I looked at regulatory documents describing how moisture in hexamine is determined. It turned out that both the American military standard (MIL) and the old Soviet GOST require the moisture content of hexamine to be determined exclusively by Karl Fischer titration - neither conductometry, nor gravimetry, nor infrared spectroscopy is permitted. I was very interested in performing a Karl Fischer titration, but I didn't want to master the method just to analyze a single sample.

Regardless of my desire - or reluctance - to determine water using the Karl Fischer method, I had to face reality. And that reality was that my laboratory at the time resembled an abandoned museum more than a chemist's workplace. All that remained from my predecessors was a dingy room filled with old, mostly inoperable equipment and dirty chemical glassware, with jars of chemical reagents scattered around in disarray.

So I decided to test whether the Karl Fischer method could be replaced with gravimetric determination. On the one hand, hexamine sublimes when heated. On the other hand, the sublimation temperature of hexamine is 260°C or higher. If the evaporation of hexamine at 105°C can be neglected, the moisture content of this substance can be determined gravimetrically.

Meanwhile, a truck pulled up to the institute's entrance, and the driver unloaded... a 50 kg bag of hexamine. I'd actually asked their manager for a 50 g sample. The manager later explained to me that they were a large wholesale company, so it was easier for them to deliver a bag of hexamine than to sample 50 g of the compound.

The bag puzzled me: the elevator at our institute was out of service, and carrying a 50 kg bag up to the fifth floor would have been difficult. A downpour could start at any moment. I wasn't sure whether the bag was intact or watertight. Moisture determination, you say? I took a closer look at the bag and discovered that it weighed 25 kg, not 50 kg. I thanked the driver, slung the bag over my shoulder, and headed to the laboratory.

Photos/Video

Определение содержания влаги в гексамине
Постановка задачи. Какие бывают методы определения влаги? - Часть 1

Сидим мы с коллегой в лаборатории, пьем чай. Почему мы пьем чай в химической лаборатории? Ведь это запрещено правилами техники безопасности. Потому что другой комнаты для этих целей в институте нет и не предвидится. Альтернатива - весь день сидеть голодным.

Пришел еще один сотрудник - присоединился. В разгар нашего чаепития мне позвонил директор. Он извинился, что беспокоит во время обеденного перерыва и попросил нас прийти в комнату заседаний. Оказалось, что к нему пришли заказчики.

Что нужно заказчикам, заранее я не знал - не имел даже малейшего представления. Раньше наш институт занимался урановыми рудами и метеоритами. Зато теперь институты Академии наук берутся за любую тематику - от межконтинентальных баллистических ракет до технологии производства детских подгузников или разработки планов завоевания галактики, главное, чтобы за эту работу платили. Причина такого положения вещей проста - бюджетного финансирования, которое выделяется для выполнения государственных тематик, не хватает даже на зарплату сотрудникам.

В ходе разговоров с заказчиками оказалось, что им необходимо определить содержание влаги в образцах уротропина. Гексамин (уротропин, гексаметилентетрамин) находит самые разнообразные применения: от производства пластмасс и получения взрывчатых веществ - до производства лекарств. Я спросил, для чего будет использоваться этот уротропин? Оказалось, что заказчики сами этого не знают - они занимаются продажей химических продуктов, а не их производством или использованием. Один из их покупателей захотел узнать реальное содержание влаги в гексаметилентетрамине.

Вопрос: могу ли я определить содержание влаги в уротропине?

Я ответил, что раньше я много раз определял влагу в разных веществах и материалах, но не в уротропине. Поэтому, я, скорее всего, смогу провести необходимый анализ, однако заранее не могу этого гарантировать.

Договорились, что я посмотрю необходимую литературу, а заказчики тем временем привезут образец уротропина.

Какие бывают методы определения влаги? Их множество, поэтом упомяну только некоторые из них.

Классическим методом определения содержания воды в образце является гравиметрический метод, другое название - метод высушивания. Образец нагревают до заданной температуры и выдерживают его при этой температуре до тех пор, пока он не перестанет терять массу. Вода испаряется, остается только сухое вещество. Взвесив образец до и после нагревания, определяют потеряю массы и рассчитывают содержание воды.

Если в образце присутствует только гигроскопическая влага (вода, не связанная химически), обычно хватает нагревания про температуре 100-105°С на протяжении одного часа. Если присутствует химически связанная вода, требуется нагревание при температуре, которая обеспечивает ее удаление.

Метод простой и достаточно точный, часто он используется как арбитражный.

Разумеется, гравиметрический метод имеет свои недостатки и ограничения. Прежде всего, анализ занимает много времени. Сначала необходимо нагреть тигли или бюксы в тех же условиях, в которых проводится анализ, затем их охлаждают в эксикаторе не менее часа и потом взвешивают. Только после этого в тиглях взвешивают навеску исследуемого образца. Затем уходит час на нагревание образца в сушильном шкафу и час на их охлаждение в эксикаторе перед взвешиванием. Анализ занимает примерно половину рабочего дня.

Существуют также автоматические влагомеры, которые объединяют процесс взвешивания образца, его высушивания и расчета результатов анализа. Я видел такие приборы в другой лаборатории, но никогда на них не работал сам. В любом случае, в нашем институте автоматических влагомеров нет.

Кроме воды, образец может содержать и другие летучие компоненты, которые будут испаряться, завышая результаты анализа. Некоторые вещества при нагревании нестабильны - разлагаясь, они могут выделять различные летучие вещества (не только воду). Например, диоксид кремния при нагревании не разлагается, поэтому данным методом можно определять влажность кварцевого песка. Зато, гидрокарбонат натрия (питьевая сода) при нагревании превращается в карбонат натрия, углекислый газ и воду.

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O + CO₂

Для начала реакции требуется температура всего в 50-60°C. В данном случае потеря массы при нагревании соответствует суммарному содержанию воды и углекислого газа в образце. В подобных случаях используют высушивание в вакууме при комнатной или пониженной температуре, но это не всегда помогает. Кроме того, само основное вещество, в котором определяют влагу, может быть летучим.

Существуют также физические методы определения содержания воды в твердых образцах, в частности, электрический метод и инфракрасная спектроскопия. В первом случае проводят измерение электрического сопротивления образца или его емкости, которые зависят от содержания воды. Измерения проводятся быстро, не требуют квалификации от оператора, однако точность и надежность данного метода часто недостаточны. В случае абсорбционной инфракрасной спектроскопии измеряются специфические линии поглощения, которые соответствуют колебаниям молекул воды.

Кроме гравиметрического метода существуют и другие химические методы определения содержания вводы в образцах. Во-первых, отгонка воды с органическим растворителем. Некоторое органические растворители, которые не смешиваются с водой, образуют с ней азеотропные смеси. Распространенные примеры - толуол и ксилол. Смесь паров растворителя и воды отгоняют и конденсируют. Дистиллят стекает в мерный сосуд со шкалой, по которой определяют объем отогнанной воды.

Во-вторых, для анализа образцов с низким содержанием воды используют метод Карла Фишера (Karl Fischer titration). К исследуемому образцу добавляют раствор диоксида серы в сухом пиридине и титруют его раствором йода в сухом метаноле. Йод и сернистый ангидрид реагируют с водой, в результате после прибавления порции раствора йода, его окраска исчезает. Исчезновение окраски происходит до тех пор, пока в образце остается вода. В отсутствии воды сернистый ангидрид не реагирует с йодом. Метод позволяет достаточно точно определить следовые количества воды в различных образцах: нефтепродуктах, взрывчатых веществах, лекарствах, продуктах питания. В то же время, метод Карла Фишера достаточно капризный и требует квалифицированного персонала или дорого оборудования. Растворы, примеряемые для титрования, необходимо изолировать от действия влаги воздуха.

Посмотрел нормативные документы, как определяют влагу в уротропине. Оказалось, что и в американском военном стандарте (MIL) и в старом советском ГОСТ предписывается определять влагу в уротропине исключительно титрованием по Карлу Фишеру - ни кондуктометрия, ни гравиметрия, ни метод инфракрасной спектроскопии не предусмотрены. Мне было очень интересно провести титрование по методу Фишера, однако, я не хотел осваивать этот метод ради анализа одного только образца.

Независимо от моего желания - или нежелания - проводить определение воды методом Фишера, приходилось считаться с реальностью. А реальность состояла в том, что моя лаборатория тогда напоминала скорее заброшенный музей, чем место работы химика. От предшественниц осталась грязная комната, заполненная старым, преимущественно неработоспособным оборудованием и грязной химической посудой, а вокруг беспорядочно стояли банками с химическими реактивами.

Поэтому решил проверить, можно ли заменить метод Карла Фишера гравиметрическим определением? С одной стороны, уротропин сублимируется при нагревании. С другой стороны, температура сублимации уротропина составляет 260°С или выше. Если испарением гексамина при 105°С можно пренебречь, влагу в данном веществе можно будет определить гравиметрически.

Тем временем к входу института приехала машина, и водитель выгрузил... 50 кг мешок уротропина. Вообще-то я попросил у их менеджера образец массой 50 г. Позже менеджер мне объяснил, что они - крупная оптовая компания, поэтому им легче привезти мешок уротропина, чем отобрать пробу массой 50 г.

Мешок меня озадачил: лифт у нас в институте отключили, а занести мешок весом 50 кг на пятый этаж будет трудно. В любую минуту мог начаться ливень. Я не был уверен, что мешок был неповрежденным и не пропускал воду. Определение влаги, говорите? Присмотрелся к мешку, оказалось, что его вес был не 50, а 25 кг. Поблагодарил водителя, закинул мешок на плечо и пошел в лабораторию.