NITRATE AND AMMONIUM DETERMINATION IN SOILS USING ION SELECTIVE ELECTRODES

Gloria Arango Pulgarín¹; Juan Carlos Pérez Naranjo²

¹ Laboratorista. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín. Facultad de Ciencias. A. A. 3840. Medellín, Colombia. <garango@unalmed.edu.co>
² Profesor Asistente. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín Facultad de Ciencias. A. A. 3840. Medellín, Colombia. <jcperez@unalmed.edu.co>

Recibido: Octubre 10 de 2004; aceptado: Abril 26 de 2005.

Con el objetivo de evaluar un método alternativo para la cuantificación de diferentes formas de nitrógeno, se determinó la concentración de nitratos (NO₃^-) y amonio (NH₄⁺) por dos métodos: Colorimetría y Electrodo de Ión Selectivo (EIS), en muestras de suelos cultivados con flores o banano en el departamento de Antioquia, Colombia.

Palabras clave: Nitrógeno, análisis de suelos, nitratos, amonio.

ABSTRACT

In order to evaluate an alternative method for quantifying different forms of nitrogen, the concentrations of nitrates (NO₃^-) and ammonium (NH₄) were determined by two methods: Colorimetry and Ion Selective Electrode (ISE), in soil samples from soils cultivated with flowers or banana in the department of Antioquia,Colombia.

Regression and correlation analyses on the concentrations obtained from the two methods showed highly significant relationships among them. The determination of NO₃^- by means of colored complexes with brucine acid or by means of the use of an electrode selective for nitrates exhibited a highly significant coefficient of determination (R² = 99.2). In a similar way, determination of NH₄ based on the formation of blue colored complexes of indophenol or employing the electrode for ammoniac yielded a value of R² = 98.4. The use of electrodes has advantages over the colorimetric techniques, that require much more time and more costly equipment.

Key words: Nitrogen, soil analyses, nitrates, ammonium.

INTRODUCCIÓN
MATERIALES Y METODOS
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
AGRADECIMIENTOS ]]> BIBLIOGRAFÍA

INTRODUCCIÓN

La determinación de NO₃^- y NH₄⁺ en suelos se fundamenta en la formación de complejos coloreados con estos iones. La intensidad del color desarrollado se compara con aquel que presentan soluciones estándar y en esta forma se puede estimar la concentración en muestras desconocidas.

La determinación de NH₄⁺ se basa en la formación del complejo coloreado (azul de Indofenol) que se desarrolla por la reacción entre amoníaco, hipoclorito de sodio y fenol en presencia de nitroprusiato de sodio. En forma análoga, el ion ^NO3- forma un complejo acuoso de color amarillo, que se desarrolla por la reacción de este ion con ácido sulfúrico y Brucina en presencia de ácido sulfamilico (para evitar interferencias de ión nitrito). La intensidad del color se determina en espectrofotómetro UV-VIS.

Aunque ampliamente usados, estos métodos son relativamente costosos y requieren de un tiempo considerable para la formación del complejo coloreado. El desarrollo de electrodos selectivos (EIS) provee una herramienta alternativa para estos análisis y es posible obtener niveles de exactitud y precisión ± 2 ó 3 % para la concentración de algunos iones. Su funcionamiento se basa en la respuesta selectiva a una especie presente en la solución. Están construidos con una membrana que separa la muestra problema y el interior del electrodo, el cual contiene una solución con actividad constante del ión de interés. La parte externa está en contacto con una muestra de composición variable y la diferencia de potencial a través de la membrana depende de la diferencia en la actividad de la especie del analito entre la solución interna y la muestra problema.

Este potencial de electrodo está descrito por la ecuación de Nerst: (Skoog; West y Holler, 1995), donde:

Constante: Potencial debido al electrodo de referencia mas la solución interna del electrodo de ión específico ]]> A: actividad del ión de interés
R: Constante de gases 8,314 Jmol^-1 °K^-1
T: Temperatura en grados Kelvin
F: Constante de Faraday: 96,5 Jmol^-1mV^-1

Al sustituir los valores de estas constantes tenemos:

Con esta técnica es importante considerar que: condiciones como temperatura, volumen de muestra y profundidad del electrodo deben permanecer constantes. Debido a que los métodos colorimétricos han sido ajustados o estandarizados para determinar NO₃^- y NH₄⁺ en los laboratorios de suelos del país, las determinaciones así obtenidas pueden usarse como referencia para validar las determinaciones de estos mismos iones por potenciometría de ión selectivo.

El objetivo de este trabajo es comparar las concentraciones de N-NO₃^- y de N-NH₄⁺, obtenidas en muestras de suelo empleando métodos colorimétricos, con aquellas que se encuentran al utilizar electrodos selectivos para cada ión.

MATERIALES Y METODOS

Colorimetría. Se utilizó un espectrofotómetro UV-VIS Lambda 1^®, y para su calibración se desarrollaron líneas de regresión entre absorbancia y concentración de las soluciones estándar: 0,5; 1,0; 2,0 mg l^-1 N-NO₃^- y 1,0; 2,0; 4,0; 8,0; 10,0 mg l^-1 N-NH₄⁺, preparadas a partir de KNO₃ y NH₄Cl. Las lecturas se realizaron en longitudes de onda de 410 y 660 nm respectivamente. Los coeficientes y las líneas de regresión se presentan en la Tabla 2 y Figura 1A.

Figura 1. Líneas de regresión obtenidas durante el procedimiento de calibración de los equipos empleados en la comparación de métodos de laboratorio para determinar nitratos y amonio. A: espectrofotómetro Lambda UV VIS. B: Eléctrodos de ión selectivo.

Electrodo de ión selectivo (EIS). Se utilizó un electrodo para la detección de amoniaco (NH₃) Orion 95-12^® con membrana de difusión para gas. Para detección de Nitratos (NO₃^-) se empleó un electrodo Orion 93-07^® Ion/plus con modulo sensante reemplazable con membrana (gel organofílico), que contiene intercambiador selectivo de ión Nitrato. Ambos electrodos se acoplaron a un medidor específico Orión Ión/pH 920A portable^®.

Para la calibración de los EIS se prepararon soluciones estándar con concentraciones que variaron en un factor de 10 (Figura 1B), se tomaron 50 ml de cada una y se adicionó solución ISA (Ionic Strength Adjuster): 2 ml de NaOH 10 N para N-NH₄⁺ y 1 ml de (NH4)₂SO₄ 2 M para N-NO₃^-. Se agitó en un equipo magnético con barras recubiertas de teflón hasta obtener una lectura estable y se registró el valor del potencial. Se relacionaron gráficamente el logaritmo de la concentración y el potencial (mV), cuya pendiente debe presentar un valor entre –54 a –60 mV (Tabla 2).

Para ambos métodos, con las ecuaciones de regresión generadas al relacionar concentración y absorbancia o potencial, se estimó posteriormente la concentración de N-NH₄⁺ o N-NO₃^- en cada muestra de suelo.

Muestras de suelo. Todas las muestras utilizadas en este trabajo provienen de suelos del departamento de Antioquia cultivados con flores (andisoles) en el oriente antioqueño cultivados con banano (principalmente inceptisoles) en la zona de Urabá. Antes de los análisis se secaron a 50 °C, molieron y tamizaron en malla de 2 mm. La Tabla 1 presenta la información relacionada con estas muestras.

Tabla 1. Origen y algunas características de los suelos empleados en la comparación de métodos de laboratorio para determinar nitratos y amonio.

Los extractos de suelo se analizaron en las mismas condiciones que los estándares. Con las concentraciones de N-NO₃^- y N-NH₄⁺ obtenidas por cada método se estimaron límites de confianza y se realizaron análisis de regresión y correlación.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Calibración de equipos. En la Tabla 2 se presentan los parámetros obtenidos durante el procedimiento de calibración de los equipos. En la Figura 1 se pueden observar las líneas de regresión obtenidas al relacionar concentraciones conocidas en soluciones patrón, con los valores de absorbancia (espectrofotómetro) o potencial (electrodos selectivos) en cada equipo.

Tabla 2. Parámetros obtenidos durante el procedimiento de calibración de los equipos empleados en la comparación de métodos de laboratorio para determinar nitratos y amonio.

Determinación de nitratos y amonio en muestras de suelo. Los análisis de regresión y correlación permitieron observar una buena correspondencia entre las determinaciones realizadas por ambos métodos, con coeficientes de determinación altamente significativos. Los valores de amonio presentaron un valor de la pendiente muy cercano a 1 (0,94 unidades de amonio determinadas por el método colorimétrico, por cada unidad de amonio cuantificada con el electrodo selectivo, con límites de confianza muy estrechos (Tabla 3). Este resultado es consistente con el presentado por Woods y Cummings (1972), quienes comparan valores de nitrógeno amoniacal en presencia de urea, realizados por EIS y método de destilación a presión reducida, mostrando así que los dos métodos no difieren significativamente.

Tabla 3. Valores de la pendiente y parámetros estadísticos para las líneas de regresión obtenidas al relacionar los valores generados por ambos métodos de cuantificación de nitrato y amonio.

Figura 2. Líneas de regresión para las determinaciones realizadas por cada método analítico utilizado para la determinación de nitratos y amonio.

También es posible que los valores de nitratos medidos con EIS sean más altos debido a la presencia de nitritos en las muestras. Shen; Ran y Cao (2003) demostraron que la acumulación alta de nitritos se da en suelos con pH alto, y en algunas de las muestras analizadas aquí es posible encontrar valores de pH superiores a 6,5. Por otra parte esa interferencia por el ión nitrito es mas probable en muestras con concentraciones bajas de nitratos, que en este estudio corresponden a las muestras con valores mas bajos de pH (Tabla 1). Francis y Malone (1975) plantean que a concentraciones de nitrato mayor que 1,2 * 10 ^–3 M (16,8 mg N-NO₃^- l^-1), no es critica la presencia de sulfanilamida para evitar las interferencias por nitritos. Este reactivo se empleó en este trabajo para las determinaciones realizadas por el método colorimétrico para evitar las interferencias por la presencia de nitritos, pero no en la determinación por EIS, ya que no es recomendado por el fabricante del electrodo. Posiblemente es por ello que se encuentran valores más bajos de nitratos con el método colorimétrico, pero indudablemente la interferencia puede existir al realizar las lecturas con el electrodo y en trabajos posteriores debería considerarse esta situación. Otras propiedades del suelo parecen interferir poco con las determinaciones. Los estudios realizados por Mack y Sanderson (1971) demostraron que el material coloidal suspendido, pH y granulometría del suelo poco interfieren en las determinaciones de nitratos por EIS.

Ambos electrodos pueden ser utilizados en forma confiable, ya que según los límites de confianza estimados para cada conjunto de valores, la determinación de amonio y nitratos no se desvía más allá de un 5,4 y 3,5 % respectivamente. Sin embargo, en el caso de las determinaciones de N-NO₃^– es necesario realizar experimentos controlados para conocer los niveles de interferencia por la presencia de iones NO₂^– y Cl^-.

Comparado con otras técnicas analíticas, el uso de EIS presenta varias ventajas: es relativamente barato y simple, con un espectro muy amplio de aplicación y uso en concentraciones que pueden variar en un rango muy amplio. Con calibración frecuente se pueden obtener niveles de exactitud y precisión ± 2 o 3 % para algunos iones y así pueden compararse favorablemente con otras técnicas analíticas que requieren instrumentación más compleja y costosa. Adicionalmente el tiempo requerido para los análisis puede ser de 10 a 12 minutos en cada muestra, mientras que en las técnicas colorimétricas el tiempo de preparación de muestras y desarrollo de color puede tomar aproximadamente una hora.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo se realizó gracias al apoyo permanente del profesor Orlando Ruiz Villadiego, Director del Laboratorio de Suelos de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, quien facilitó la adquisición de algunos equipos y la participación del primer autor en esta investigación.    

BIBLIOGRAFÍA

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