ความรู้พื้นฐาน

ไนโตรเจนเป็นธาตุอาหารที่พืชต้องการในปริมาณมาก ดินที่ใช้เพื่อการเพาะปลูกโดยทั่วไปมักมีไนโตรเจนไม่เพียงพอ ต่อความต้องการของพืช นอกจากนี้พืชสามารถใช้ประโยชน์โดยตรงได้เฉพาะกรณีที่ไนโตรเจนอยู่ในรูปแอมโมเนียม (NH4+) หรือไนเตรต (NO3-) เท่านั้น ในขณะที่ไนโตรเจนในดินส่วนใหญ่อยู่ในรูปสารประกอบอินทรีย์ ซึ่งจะต้องรอให้จุลินทรีย์ย่อยสลายก่อน

อินทรีย์วัตถุในดินมีธาตุไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบประมาณร้อยละ 5 ดังนั้น หากไม่ต้องการทราบค่าอย่างละเอียด ปริมาณไนโตรเจนสามารถประมาณได้จากสูตร % N = %OM x 0.05 เมื่อ %OM = ร้อยละของอินทรีย์วัตถุในดิน %N = ร้อยละของไนโตรเจนในดิน

วิธีวิเคราะห์ไนโตรเจนทั้งหมดในดินที่ใช้กันอยู่ทั่วไปมี 2 วิธี คือ

1. Dumas method วิธีนี้วิเคราะห์โดยนำตัวอย่างดินมาเผาในบรรยากาศของออกซิเจน เพื่อเปลี่ยนสารประกอบ อินทรีย์ของไนโตรเจน ให้กลายเป็นออกไซด์ของไนโตรเจน (NOx) จากนั้นรีดิวซ์ NOx ให้กลายเป็นแก๊ส N2 แล้ววิเคราะห์ ปริมาณหรือความเข้มข้นด้วยวิธีวัดความต่างของค่าการนำความร้อน (thermal conduetivity) รายละเอียดของวิธีนี้ได้กล่าวถึงแล้วในเรื่องการวิเคราะห์ไนโตรเจน

2. Kjeldahl method วิธีตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติให้แก่ Johan Kjeldahl นักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก ที่คิดค้นวิธีนี้ให้สำเร็จประมาณ ปี พ.ศ. 2426 วิธีการดั้งเดิมคิดค้นขึ้นเพื่อวิเคราะห์ไนโตรเจนที่อยู่ในรูปสารประกอบอินทรีย์ แต่ต่อมาได้ รับการพัฒนาให้สามารถวิเคราะห์สารประกอบอนินทรีย์ได้ด้วย ขั้นตอนในการวิเคราะห์ไนโตรเจนทั้งหมดโดยวิธี Kjeldahl มี 3 ขั้นตอน คือ 2.1 ขั้นตอนการย่อย (digestion step) ขั้นตอนนี้เป็นการเปลี่ยนสารประกอบอินทรีย์ไนโตรเจนไปเป็น (NH4)2SO4 เข้มข้น และใช้สารเร่งปฏิกริยา เช่น CuSO4, Se, HgSO4, HgO หรือ FeSO4 เป็นต้น สารเร่งเหล่านี้อาจใช้เพียงสารเดียว หรือผสมกันก็ได้ ควรหลีกเลี่ยงการใช้สารปรอทเพราะมีพิษสูง นอกจากนี้ในขั้นตอนการย่อยเพื่อเพิ่มจุดเดือดให้สูงขึ้นนิยม เติม K2SO4 หรือ Na2SO4 ลงไปด้วย เนื่องจากหากอุณหภูมิต่ำกว่า 360 ปฏิกริยาจะเกิดขึ้นช้าหรือเกิดขึ้นไม่สมบูรณ์ อย่างไรก็ตามหากอุณหภูมิสูงกว่า 410  ก็จะทำให้ NH4+ สูญเสียไปด้วย ในกรณีที่ตัวอย่างดินมีไนไตรต (NO2-) หรือไนเตรต (NO3-) อยู่มาก ซึ่งอาจเกิดขึ้นได้กับดินที่ใส่ปุ๋ย ไนโตรเจนใหม่ ๆ การวิเคราะห์ต้องเติมสารละลายกรด Salicylic ในกรด H2SO4 เข้มข้นลงไปก่อนนำไปย่อยเพื่อเปลี่ยนสาร ประกอบทั้งสองเป็น nitrosalicylic acid ปฏิกริยานี้สามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิห้อง โดยปกติมักทั้งให้เกิดปฏิกริยามากกว่า 12 ชั่วโมง ปฏิกริยาเกิดขึ้นดังสมการ หลังจากนี้จะต้องรีดิวต์ nitrosalicylic acid เป็น aminosalicylic acid ด้วย Sodium thiosulfate (Na2S2O3) ปฏิกริยาเกิดขึ้นดังสมการ aminosalicylic acid ที่เกิดขึ้นจะทำปฏิกริยาต่อไปกับกรด H2SO4 เพื่อให้ความร้อนเพิ่มขึ้นดังสมการ

2.2 ขั้นตอนการกลั่น (distillation step) ขั้นตอนนี้เป็นการเปลี่ยน (NH4)2SO4 ที่เกิดจากการย่อยในขั้นตอน แรกไปเป็นแก๊ส NH3 โดยเติม NaOH ลงไป จากนั้นจับแก๊สที่เกิดขึ้นด้วยกรดบอร์ค (H3BO3) ปฏิกริยาเกิดขึ้นดังสมการ

2.3 ขั้นตอนการไทเทรต (titration step) ขั้นตอนนี้เป็นการไทเทรตหา H2BO3- ที่เกิดขึ้น หากใช้กรด HCl ปฏิกริยาเกิดขึ้นดังสมการ

อุปกรณ์และเครื่องแก้ว

Digestion block สำหรับหลอดขนาด 250 cm3 Digestion tube ขนาด 250 cm3 จำนวน 3 หลอด Kjeldahl’s distillation unit Conical flask ขนาด 250 cm3 จำนวน 3 ใบ Conical flask ขนาด 125 cm3 จำนวน 2 ใบ Buret ขนาด 25 cm3 จำนวน 1 อัน ขาตั้ง buret Volumetric pipet ขนาด 10 cm3 จำนวน 1 อัน Dispensor ขนาด 10 cm3 จำนวน 1 อัน กระบอกตวง ขนาด 20 cm3 จำนวน 1 อัน ขวดฉีดน้ำกลั่น ขนาด 500 cm3 จำนวน 1 ขวด

สารเคมี

กรด H2SO4 เข้มข้น (98%) LR grade Mixed castalyst : ผสม K2SO4 : CuSO4 : Se ในอัตราส่วน 100 :10 :1 (อัตราส่วนโดยน้ำหนัก) Mixed indicator : เตรียมโดยละลาย methyl red 0.066 กรัม และ bromocresol green 0.099 กรัม ใน 95% ethanol ประมาณ 80 cm3 ปรับสีของอินดิเคเตอร์ให้เป็นสีเขียวด้วย 0.1 M NaOH แล้วเติม 95% ethanol จน ได้ปริมาตร 100 cm3 สารละลายกรดบอริค และอินดิเคเตอร์ : เตรียมโดยละลาย H3BO3 60 กรัม ด้วยน้ำกลั่นประมาณ 1800 cm3 ใน erlenmeyer flask ขนาด 2000 cm3 คนด้วยเครื่องคนแม่เหล็กจน H3BO3 ละลายหมด เติมอินดิเคเตอร์ผสมใน ข้อ 3 ลงไป 2.5 cm3 แล้วปรับปริมาตรเป็น 2000 cm3 สารละลาย 40% NaOH : ใส่น้ำกลั่นประมาณ 1800 cm3 ลงในบีกเกอร์ขนาด 2000 cm3 นำไปวางในอ่างน้ำเย็น เพื่อช่วยระบายความร้อน เติม NaOH ลงไปครั้งละ 5-10 กรัม พร้อมทั้งคบให้สารละลายหมดก่อนจึงเติมเพิ่มลง ไปใหม่จนครบ 800 กรัม ทิ้งไว้ให้เย็นจึงเติมน้ำกลั่นเพิ่มจนสารละลายมีปริมาตรรวมเป็น 2000 cm3 สารละลายกรด HCl : เตรียมโดยปิเปตกรด HCl เข้มข้น (37% ความหนาแน่น 1.19 g/cm3) 4.14 cm3 ใส่ใน volumetric flask ขนาด 2000 cm3 แล้วปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่น จะได้กรดความเข้มข้น 0.025 M สารละลายมาตรฐาน tris-(hydroxymethyl) amino methane : เตรียมโดยนำสารดังกล่าวไปอบที่อุณหภูมิ 100 เป็นเวลาไม่น้อยกว่า 3 ชั่วโมงเพื่อไล่ความชื้น จากนั้นทิ้งให้เย็นในโถแก้วดูดความชื้น ชั่ง tris- มา 0.3028 กรัม ละลายในน้ำกลั่น แล้วปรับปริมาตรเป็น 100 cm3

วิธีวิเคราะห์

ชั่งดินตัวอย่างละ 2.50 กรัม ใส่ใน digestion tube ระวังอย่าให้ดินเปื้อนด้านข้างหลอด หากดินเปื้อนให้ฉีดน้ำกลั่น เล็กน้อยเพื่อล้างดินลงไปก้นหลอด ระวังอย่าให้ดินแฉะ และใช้หลอดเปล่า 1 หลอดเป็น sample blank เติม mixed catalyst ลงไปประมาณ 2 กรัม เติมกรด H2SO4 เข้มข้น ลงไป 15 cm3 แล้วเขย่าหลอดให้ส่วนผสมทั้งหมดคลุกเคล้ากัน นำไปย่อยใน digestion block ค่อยๆ เพิ่มอุณหภูมิจนถึงจุดเดือดของกรด (อุณหภูมิประมาณ 380 ) ย่อยจน ได้สารละลายใส และไม่มีฮิวมัสเคลือบเม็ดดิน (เม็ดดินไม่ถูกย่อย) จากนั้นย่อยต่อไปอีกประมาณ 30 นาที หมายเหตุ ขั้นตอนนี้ต้องทำในตู้ดูดควัน และสวมชุดดูดไอกรดกับปากหลอดให้แน่นสนิท เติมสารละลายกรดบอริค (เตรียมได้จากข้อ 4) 10 cm3 ลงใน conical flask ขนาด 250 cm3 จำนวน 3 ใบ นำตัวอย่างที่ย่อยแล้วจากข้อ 4 ไปกลั่นด้วยเครื่องกลั่น ก่อนเริ่มกลั่นเติมสารละลาย 40% NaOH ลงไป 40 cm3 (เติมจากเครื่องกลั่น) และใช้กรดบอริคจากข้อ 5 จับแก๊สแอมโมเนียที่เกิดขึ้น สีของอินดิเคเตอร์เปลี่ยนจากสีชมพูเป็นสีเขียว นำกรดบอริคที่ได้จากข้อ 6 ไปไทเทรตด้วยสารละลาย 0.025 M HCl จนสีของอินดิเคเตอร์เปลี่ยนกลับไปเป็น สีชมพู ความเข้มของสีจะอ่อนลงกว่าเดิม เนื่องจากอินดิเคเตอร์เจือจากลง ปิเปตสารละลายมาตรฐาน tris 10 cm3 ใส่ใน conical flask ขนาด 125 cm3 จำนวน 2 ใบ หยดอินดิเคเตอร์ลงไป 2 หยด แล้วไทเทรตด้วย 0.025 M HCl

การคำนวณ

ความเข้มข้นที่แท้จริงของ HCl คำนวณได้จาก N1 = N2V2/V1 N1 = ความเข้มข้นที่แท้จริงของกรด HCl (M) N2 = ความเข้มข้นของสารละลายมาตรฐาน tris (M) V2 = ปริมาตรของสารละลายมาตรฐาน tris (cm3) V1 = ปริมาตรเฉลี่ยของกรด HCl ที่ใช้ในการไทเทรตข้อ 8 (cm3) ความเข้มข้นของไนโตรเจนทั้งหมดในตัวอย่างดินคำนวณได้จาก % total N = 1.4 N1V/W N1 = ความเข้มข้นที่แท้จริงของกรด HCl (M) V = ปริมาตรของกรด HCl ที่ใช้ในการไทเทรตข้อ 7 (cm3) W = น้ำหนักของตัวอย่างดินที่ใช้ (กรัม)

การประเมิน

ระดับความอุดมสมบูรณ์ของไนโตรเจนในดินสามารถประเมินได้ดังตาราง ความเข้มข้น (%) ระดับ < 0.1 ต่ำมาก 0.1 - 0.3 ต่ำ 0.3 - 0.6 ปานกลาง 0.6 - 1.0 สูง > 1.0 สูงมาก ดินที่มีไนโตรเจนในระดับต่ำหรือต่ำมาก ควรใส่ปุ๋ยไนโตรเจน (ปุ๋ยตัวหน้าสูง) หรือปุ๋ยอินทรีย์ให้กับพืชที่ปลูก

อ้างอิง : http://agri.wu.ac.th/