Revista Facultad Nacional de
Agronomía, Medellín
Print version ISSN 0304-2847
Rev.Fac.Nal.Agr.Medellín vol.58 no.1 Medellín
Jan./June 2005
MEDIANTE EL USO DE ELECTRODOS
SELECTIVOS
NITRATE AND AMMONIUM DETERMINATION IN
SOILS USING ION SELECTIVE ELECTRODES
RESUMEN
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.
Se realizaron análisis de regresión y correlación
para las concentraciones obtenidas por los dos
métodos, que mostraron una asociación altamente
significativa entre ellos. La determinación de NO3-
mediante la formación de complejo coloreado con
brucina ácida o mediante el uso de un electrodo
selectivo para nitratos presentó un coeficiente
de determinación altamente significativo (R2 = 99,2).
En forma similar, la determinación de NH4+ basada
en la formación de complejo coloreado azul de
indofenol ó utilizando el electrodo para amoniaco
presentó un valor de R2 = 98,4. El uso de
electrodos presenta ventajas en comparación
con las técnicas colorimétricas, que requieren
mucho más tiempo y equipos mas costosos.
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.
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
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.
Equipos y procedimientos de calibración
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.
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
presenta la información relacionada con
estas muestras.
Extracción y determinación de nitratos y
amonio en muestras de suelo. Para la
determinación de NH4+ se utilizaron 24
muestras en las que se realizó la extracción
mediante el siguiente procedimiento: a 10 g
de suelo se adicionaron 100 ml de solución de
KCl 1,0 N, luego se agitó constantemente durante
10 minutos y se filtró. Del filtrado se tomaron
dos alícuotas, una de 50 ml para la
determinación por EIS y otra de 2 ml para la
determinación por el método colorimétrico
(azul de indofenol), de acuerdo a Kempers
(1974).
Para la determinación de NO3- se utilizaron 27
muestras y se realizó la extracción tomando de
cada una 40 g de suelo, se adicionaron 100 ml
de Al2(SO4)3 0,025F, se agitó constantemente
durante 30 minutos y luego se filtró. Del filtrado
se tomaron dos alícuotas, una de 50 ml para la
determinación por EIS y otra de 1 ml (diluido
hasta 50 ml) para la determinación por colorimetría
(brucina ácida) como lo describió Baker, (1969).
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.
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.
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.
Los valores de nitratos obtenidos por el método
colorimétrico siempre fueron menores que los
obtenidos por EIS (Figura 2) con una pendiente
(b) de 0,76. De acuerdo con Miller y
Miller (1993), se debe considerar que los
límites de confianza son mas importantes que
el valor de la pendiente, ya que algunas líneas
de regresión son ligeramente curvadas y
pueden presentar valores de uno para el
coeficiente de regresión. Con esta
consideración se puede afirmar que
ambos métodos presentan una muy
buena asociación. Es importante
considerar que la mayor interferencia en
la determinación de nitratos se puede
presentar por un alto contenido de ión
cloruro, como lo señala Raveh (1973),
quien indica que se registran mayores
contenidos de nitrógeno nítrico con la
presencia de iones cloruro o acetato.
Esta situación es importante en este
trabajo ya que en algunos de los suelos
utilizados se aplican cantidades altas
de fertilizantes que contienen cloruros.
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 i
nterferencia 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.
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