ANÁLISIS FISICOQUÍMICO EN ABONO ORGÁNICO Cesar Chavarro, Héctor Marín, Martin Prado Departamento de Química, Facultad de Ciencias Naturales y Exactas, Universidad del Valle, Cali, Septiembre 28 de 2012 OBJETIVOS: · Determinación del porcentaje de humedad en abono orgánico mediante secado de muestra. · Determinación indirecta de carbono orgánico oxidable por titulación volumétrica con dicromato de potasio. · Determinación la capacidad de retención de agua en abono orgánico por preparación de mezcla acuosa saturada. · Utilidad del intercambio catiónico en abono orgánico y su relación cuantitativa. · Determinación de nitrógeno total en abono orgánico mediante el método Kjendahl. DATOS PRIMARIOS: Tabla 1. Datos de determinación de la densidad real de un producto orgánico. Peso de probeta 50 mL vacía Probeta + muestra Volumen de muestra 64,2557 g 72,0324 g 8,5 mL aproximadamente Tabla 2. Datos de determinación de la capacidad de retención de agua de un abono orgánico. Cantidad de muestra seca Cantidad de agua retenida Tiempo de reposo (min) 8,8616 g 9,1 mL 60 Tabla 3. Datos de determinación del pH de un abono orgánico. Cantidad de muestra seca Cantidad de agua adicionada 8,8616 g 18,2 mL
pH 9,33
Tabla 4. Preparación de soluciones para determinación de carbono orgánico en abono. Reactivos Cantidad de reactivo Volumen solución final K2Cr2O7 1,2264 g 50 mL (SV) Fe(NH4)2(SO2)2.6H2O 9,8184 g 50 mL H2SO4 2,0 mL Tabla 5. Datos de determinación de carbono orgánico en abono. Solución Composición Fe(NH4)2(SO2)2.6H2O gastada Estandarización 10 mL K2Cr2O7 8,7 mL Muestra 10 mL K2Cr2O7 + 7,5 mL 46.4 mg de muestra seca Blanco 10 mL K2Cr2O7 9,0 mL Todas las soluciones anteriores contenían ferroína, se les adiciono 200 mL de agua destilada y se las llevo al punto final.
Tabla 6. Preparación de soluciones para cuantificación de la capacidad de intercambio catiónico en abono orgánico. Sustancias Cantidad de sustancia Volumen de solución NaOH 0,2 g 50 mL Muestra 5,0375 g ----------C2H3O2NH4 7,7 g 100 mL NaCl en muestra 5,0078 g ----------NaCl en blanco 5,0126 g ----------C8H5KO4 0,1023 g 10 mL Tabla 7. Datos de cuantificación de la capacidad de intercambio catiónico en abono orgánico. Proceso NaOH requerida Estandarización con C 8H5KO4 5,4 mL Titulación del blanco 1,2 mL Titulación de la solución muestra 20,5 mL Tabla 8. Datos de determinación de humedad en abono orgánico Peso de muestra + vidrio Tiempo de secado (min) Peso de muestra reloj 45,1078 g 0 5,3100 g 43,2292 g 120 3,4314 g 43,2357 g 160 3,4379 g El peso del vidrio reloj era de 39,7978 g Tabla 9. Reacciones, cantidades de reactivos utilizados en la digestión y destilación del nitrógeno total. *Digestión:
Proteínas, Nitratos, nitritos + H2SO4(C) + kelpak -CALOR CO2(gas) + H2O + NH4HSO4(ac) *Liberación de NH 3: NH4HSO4(ac) + NaOH(ac) *Arrastre con vapor: NH3(gas) + H2O(gas)
NH3(gas) + Na2SO4(ac) + H2O(gas)
NH4OH(ac)
*Recolección: NH4OH(ac) + H3BO3(ac) NH4H2BO4(ac) + H2O(ac)
· H2SO4 al 96.1% p/p se agregaron 2 mL a la muestra y blanco por separado. · Mezcla Catalizadora: se maceró 0,107 gramos de CuSO 4·7H2O, 3,88 gramos de K 2SO4 y 0,06 gramos de Selenio y se agregaron a la muestra y blanco 2 gramos respectivamente. · La digestión se llevó a cabo durante hora y media, agregando volúmenes de agua hasta tornarse la solución verde claro. · En el destilador Kjendal se suministró 15 mL de NaOH al 40% p/p a la muestra y blanco y se destiló por 15 minutos.
Tabla 10. Pesos, volúmenes y concentraciones de reactivos en el análisis de nitrógeno por Kjendahl. Suministros para análisis Cantidad de 0,0581 g muestra HCl (ac) 0,0740 N Na2CO3 0,0533 g H3BO3 (ac)
0,6000 g
Rojo Metilo
de
Datos arrojados por el análisis HCl (ac) gastado en 13,5 mL estandarización HCl (ac) gastado en 0,7 mL titulación de ion borato Blanco no arrojo resultados
1,0% p/p
CALCULOS:
Determinación de la densidad real de un producto orgánico.
Determinación de la capacidad de retención de agua de un abono orgánico en muestra seca.
[ ]
[ ]
[ ]
Determinación de carbono orgánico en abono.
( ) ( )
( )
[ ]
La anterior ecuación es la simplificación del cálculo siguiente ya que
[ ]
Determinación de humedad en abono orgánico.
Se toma el último peso de muestra obtenido y se determina con este el % de humedad
Cuantificación de la capacidad de intercambio catiónico en abono orgánico. Estandarización de NaOH
[ ]
[( ) ] [ ]
Determinación del contenido total de nitrógeno.
-Gramos de Patrón primario, para estandarizar una solución 0,1 N de HCl.
-Estandarización de la solución de HCl
(ac) 0,1
N (Indicador Rojo de metilo).
-Determinación del nitrógeno total mediante titulación del ion borato formado. -Titulación: NH4H2BO3(ac) + HCl(ac) NH4Cl(ac) + H3BO3(ac)
-Porcentaje de nitrógeno total.
Para estos cálculos las determinaciones se expresan en base húmeda ya que para el análisis de los resultados es mejor aunque muchas de estas se realicen en base seca. RESULTADOS: Tabla 11. Resultados obtenidos en la práctica de agroquímicos (abono orgánico) Parámetro Evaluado Densidad real de la muestra Porcentaje de saturación con agua pH Porcentaje de nitrógeno total Porcentaje de carbono orgánico
Magnitud (en muestra húmeda) 0,915 g/cm3 66,48 % mL/g 9,33 1,20%P/P 3,61 % P/P
Capacidad de intercambio catiónico Porcentaje de humedad
23,02 (mmol.eq/100 g) 35,26 % P/P
DISCUSIÓN DE RESULTADOS: La densidad de la muestra es mayor que 0.6 g/cm 3 lo cual está por encima de lo indicado en la normatividad, esto indica que el abono no posee suficiente materia orgánica, aunque cabe aclarar que la muestra se taco (lo cual afecta la agregación de la muestra) y según el procedimiento de la norma se dejaba caer el material libremente por lo que este parámetro ya no es comparable con la NTC 5167, lo que si se puede determinar es la presencia de materia orgánica en el suelo, debido a que esta genera agregados que dejan la muestra con poros de gran tamaño entre ellas por lo que la densidad es relativamente baja en comparación a los suelos comunes (en promedio 2.65 g/cm 3) debido a que estos poseen un buen contenido de minerales y no tanta materia orgánica. [2] La retención de agua está bien según la NTC 5167 debido a que la cantidad de agua retenida es un poco mayor al peso de la muestra, esta retención se da debido a la existencia de micro-poros dentro de los agregados, por lo cual es factible que la muestra posea una buena cantidad de materia orgánica además de material arcilloso, la muestra utilizada había sido reducida de tamaño de partícula en el proceso de medición de la densidad lo que facilito y agilizo el proceso de absorción de agua. El pH de una solución 48.70% g muestra por mililitro de agua, arrojo un valor de 9.33 lo cual se considera bastante básico y sobrepasa el rango de pH desde 4-9 que indica la NTC 5167 como apto, este aumento en el pH puede darse por minerales presentes en el agua o por contaminación de los instrumentos con sales y sustancias básicas. Posiblemente la presencia de CaCO3 proveniente de la cascara de huevo pueda provocar este pH tan alto ya que se pueden generar equilibrios entre el anión carbonato y su ion bicarbonato principalmente aumentando así la cantidad de iones hidroxilo en solución (OH -), aunque de por si la materia orgánica provea un pH básico. El porcentaje de carbono orgánico oxidable es mucho más bajo que el 15% indicado como mínimo por la NTC 5167, esto se atribuye a que la cantidad de muestra tomada era pequeña y entre esta se tomó una cascara de huevo (la cual se compone en un 91% de CaCO3 [3]) la cual al parecer no se disolvió en la solución por lo que esto puede afectar el porcentaje, aunque este carbono posee un estado de oxidación +4 gracias a lo cual no se puede oxidar la cascara por lo que la cantidad de carbono determinada proviene de la materia de tipo agregado en el abono. Por el estado de los componentes del abono se determina que el abono no ha pasado por un tiempo suficiente de humificación por lo que muchos de los componentes no se han integrado totalmente al abono. [4] La capacidad de intercambio catiónico está por debajo de los 30 (mmol.eq/100g) que indica la NTC 5167 como mínimo, esta propiedad indica la cantidad de arcilla y materia
orgánica que el suelo tiene, ya que estas ayudan a retener y liberar los iones positivos, lo que ocurre es que la materia orgánica no es todo lo que posee el abono también posee minerales como CaCO3, MgCO3 proveniente de la cascara de huevo. Cabe aclarar que las determinaciones hechas en el desarrollo de esta práctica son válidas más son aproximaciones debido a que se usan indicadores por lo que las reacciones se llevan al punto final mas no se garantiza que se lleven al punto de equivalencia, para mejorar la precisión de los análisis se aplicaron blancos. El porcentaje de humedad es alto, más es acorde según lo indica la NTC 5167; este parámetro indica que la muestra posee una buena capacidad de retención de agua por parte del material del abono, esto se debe a la presencia de arcilla y de agregados, además el análisis de los resultados indica que en el abono predomina la materia orgánica de tipo vegetal según lo indicado por la norma referida al principio del párrafo, aunque el parámetro se midió utilizando la NTC 35 se considera valida la comparación con el cuadro de requerimientos de la NTC 5167 ya que los procedimientos seguidos por ambas no son muy diferentes en su parte práctica. [5] El análisis de nitrógeno total descubierto por el químico danés Johan Kjendahl, actualmente tomado como referente para la estandarización de técnicas instrumentales y automáticas, se aplica para determinar el porcentaje de nitrógeno en material orgánico; dada la importancia que tiene en el campo de la agricultura, piscicultura y ganadería, el contenido de nitrógeno total se considera parámetro de calidad debido a las implicaciones reflejadas en los productos finales de las actividades de pesca, cultivos y crianza de animales. [6] El objetivo del método de Kjendahl para la medida total de nitrógeno en materiales orgánicos, es destruir todo el material orgánico con ácido sulfúrico concentrado con el fin de liberar el nitrógeno presente en proteínas, ácidos nucleicos, entre otros y reducir los iones nitrato y nitrito mediante el catalizador Cobre-Selenio, posibilitando la liberación de todo el nitrógeno orgánico e inorgánico como ion amonio debido al pH acido de la solución. [7] El método implica una digestión total del material orgánico presente por lo cual se requieren altas temperaturas en la solución de ácido sulfúrico, mediante la adición de sulfato de potasio la temperatura de trabajo aumenta ya que se eleva el punto de fusión de la mezcla con lo cual se reduce el tiempo de digestión. [8] Es posible que se pierda nitrógeno durante la digestión debido a excesos en la cantidad de catalizador y de sulfato de potasio ya que se posibilita la oxidación del ion amonio que se presenta en evaporaciones excesivas de ácido sulfúrico provocando pérdidas de amoniaco, por ello se recomiendan temperaturas entre 317-410°C. [9] El método continua con la destilación del ion amonio mediante la liberación de amoniaco al agregar un exceso de base fuerte, generalmente hidróxido de sodio, se destila el amoniaco que por contacto con vapor de agua genera ion amonio el cual se recolecta en una cantidad conocida de ácido bórico con indicador acido como el rojo de metilo.
Culminada la destilación en un volumen prominente de destilado, se titula la sal de borato de amonio formada con ácido clorhídrico estandarizado y mediante las reacciones llevadas a cabo por el método, las soluciones normalizadas y el volumen de ácido clorhídrico gastado se determinó la cantidad de nitrógeno total presente en la muestra de abono orgánico. [10] En los abonos orgánicos, el contenido de nitrógeno establecido por la Norma Técnica Colombiana 5167 normaliza el parámetro de calidad en un valor mayor al 1% de nitrógeno total; la muestra analizada mediante el método Kjendahl en la variante Steyemark, arrojó un contenido de nitrógeno total del 1.20%, al compararlo con el valor del parámetro la calidad, el contenido de nitrógeno total es aceptable para abono orgánico, sin embargo se estudia la posibilidad de perdida por diversos factores que implica el método en cuanto a la digestión de muestra, volatilización de compuestos y sesgo en el valor debido a una muestra no homogénea. [1] El tiempo de digestión de la muestra fue de 5 horas con lo cual el color final de la solución se tornó amarillo claro y denso, por ello se agregaron cantidades mínimas de agua para diluir el residuo, con lo cual se provoca un desbalance de la temperatura del sistema lo cual alargó el tiempo de digestión, el agregar volúmenes de agua destilada fue un factor de respuesta para conocer la veracidad de la digestión de toda la muestra. [11] El digestor funcionó en intervalos de calentamiento, debido a que el balón de digestión con muestra al entrar en contacto con la resistencia producía mucha espuma y generaba movimientos bruscos en la solución, por lo cual se evitaba derramar cualquier mínima cantidad de muestra; se observaron vapores de CO 2 y SO3 provenientes de digestión de la materia orgánica, los cuales se extraían mediante vacío. Al referir el porcentaje de nitrógeno total con otros parámetros de calidad como el intercambio catiónico y el carbono orgánico, es posible que debido a una incompleta homogeneidad de la muestra, el valor del porcentaje de nitrógeno total se haya sesgado al tomar cantidad de muestra que no fuese representativa de toda la muestra dada debido a que se pudo observar que los constituyentes del abono además de terrones de tierra también contenía residuos de cascaras de huevo entre otros productos de desecho. Es claro que el contenido de nitrógeno según la norma debe ser mínimo en comparación con todos los constituyentes de un abono orgánico, esto se debe a que la función principal de un abono orgánico es ser un transportador de nutrimentos, los cuales se encuentran generalmente en la tierra y en fertilizantes, además un exceso de nitrógeno posibilita la inmovilización de nutrimentos impidiendo el pleno transporte de otros micronutrimentos como el Cu, Zn, P y K entre otros [12]; el contenido de nitrógeno total va ligado al contenido de carbono orgánico dado que dependiendo de la relación entre los dos, se producirá inmovilización de nitrógeno orgánico por parte de los microorganismos del suelo generalmente en la relación carbono/nitrógeno mayor a
20 [13], el nitrógeno proveniente del abono orgánico, que es mayoritariamente nitrógeno orgánico, si está en una relación carbono/nitrógeno menor a 20 será suficiente y captado por los microorganismos los cuales lo emplearan para obtener energía y realizar sus procesos biológicos con lo cual se evita el desgaste de nitrógeno inorgánico proveniente del suelo y fertilizantes, manteniendo activa y constante la población microbiana la cual es vital en el desarrollo y rendimiento de los cultivos desencadenando una auto recuperación del suelo. [14] Durante la práctica se obtuvieron unos datos y mediante una serie de cálculos se encontró el valor de la capacidad de intercambio catiónico que poseía la muestra de abono orgánico que se había analizado; el valor que se hallo fue de 23.02meq/100g y el valor establecido como mínimo en las normas NTC 5167 es de 30meq/100g, esto quiere decir que el abono analizado presenta un déficit de intercambio catiónico. Pero antes, la capacidad de intercambio catiónico se define como la suma de los cationes cambiables que pueden ser absorbidos por unidad de peso (o de volumen) del sustrato; dichos quedan así retenidos frente al efecto lixiviante del agua y están usualmente disponibles para la planta. [15] La baja capacidad de intercambio catiónico que se obtuvo en el abono orgánico se debe a que el abono está compuesto de materia orgánica provenientes de sustancias de origen animal y vegetal que se van acumulando en el suelo, y con la ayuda de cientos de microorganismos estas se descomponen y se transforman en el conocido Humus (materia orgánica de tamaño coloidal, muy descompuesta y estable), liberan muchos minerales que son nutrientes esenciales de las plantas [16]. Esta materia orgánica además de ellos posee grupos funcionales cargados negativamente (carboxílico, fenólico, enólico, etc.) que son los responsables de la capacidad de los materiales orgánicos para retener los cationes en forma no lixiable [15], entonces el abono suministrado para el análisis podría presentar una baja concentración de materia orgánica haciendo que no se produzca el suficiente intercambio catiónico, disminuyendo la absorción o retención de cationes que son esenciales para el crecimiento y nutrición de la planta. También se podría analizar desde otro punto de vista que tiene que ver con el contenido de arcilla que posee el abono, puesto que el abono contenía restos de arena y/o piedra; y los bajos contenidos de arcilla hacen que el suelo no absorba los nutrientes dejándolos perder en la lixiviación[17]. Otro factor que pudo influenciar la baja capacidad de intercambio catiónico tiene que ver con el tipo de materia orgánica usada en el abono, ya que este poseía cascaras de huevo, arena, piedras, etc. Que inhiben el intercambio catiónico entre los compuestos del suelo y el abono que finalmente llegan a la planta.
CONCLUSIONES:
La presencia de cascara de huevo puede ser un factor a tener en cuenta en muchas de los parámetros a determinar que se realizan para medir la calidad de un abono orgánico.
La cantidad de materia orgánica afecta de manera apreciable muchas de las propiedades del suelo por lo que es importante que los abonos provean a este de la cantidad suficiente de nutrientes y de características físicas como para hacerlo fértil.
El método Kjendahl es práctico y eficaz debido a que utiliza mínimas cantidades de muestra y dado que las reacciones son forzadas por cada medio de reacción se espera que el valor obtenido sea verídico.
La digestión llevada a cabo en el método kjendahl es el paso más importante para convertir todo el nitrógeno orgánico e inorgánico en amonio lo cual implica un control en la temperatura y en las cantidades de catalizador para evitar pérdidas de nitrógeno por reacciones adversas.
Asegurar un volumen de destilación representativo, permite fijar un mejor control y seguridad de que todo el amoniaco fue recolectado en el ácido bórico fijo con indicador.
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