Multiparameteranalyse in Düngemitteln durch thermometrische Titration
15.03.2021
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Landwirtschaft ohne Düngemittel ist nicht mehr möglich - ohne sie könnte die heutige geschätzte Weltbevölkerung von 7,9 Milliarden Menschen nicht ernährt werden. Düngemittel versorgen die Pflanzen mit dringend benötigten Nährstoffen für ein optimales Wachstum. Der ideale Dünger hängt nicht nur von der Pflanze, sondern auch vom Boden ab. Um die besten Ergebnisse zu erzielen, ist die Kenntnis der Düngerzusammensetzung unerlässlich.
Wenn Sie mehr über die Ursprünge der industriellen Düngemittel erfahren möchten, lesen Sie über das Haber-Bosch-Verfahren in unserer Serie über die Geschichte der Chemie.
Unterschiedliche Düngemittel für unterschiedliche Bedürfnisse
Düngemittel können auf verschiedene Weise klassifiziert werden, u. a. nach ihrer Herkunft. Düngemittel, die aus Pflanzen und/oder Tieren gewonnen werden, wie Mist oder Gülle, werden gewöhnlich als "organische Düngemittel" bezeichnet, während Düngemittel, die aus Mineralsalzen oder Erzen gewonnen werden, als "anorganische Düngemittel" bezeichnet werden.
Die am häufigsten verwendete Klassifizierung von anorganischen Düngemitteln basiert auf ihrer Nährstoffzusammensetzung. Die Klassifizierung nach der Nährstoffzusammensetzung ermöglicht es den Landwirten, den optimalen Dünger für ihren Boden und ihre Pflanzen auszuwählen. Einzelnährstoff- oder Einnährstoffdünger liefern nur einen Nährstoff. Beispiele hierfür sind Ammoniumnitrat oder Einfachsuperphosphat. Häufiger sind Mehrnährstoffdünger, die aus zwei oder mehr Nährstoffen bestehen. Beispiele hierfür sind Monoammoniumphosphat oder NPK-Dünger (Stickstoff-Phosphat-Kalium).
Nährstoffe für Pflanzen
Die Makronährstoffe Stickstoff, Phosphor und Kalium sind die wichtigsten Nährstoffe, die die Pflanze für ihr Wachstum benötigt. Andere Sekundärnährstoffe wie Schwefel und Calcium oder Mikronährstoffe wie Bor sind ebenfalls wichtig, werden aber in geringeren Mengen benötigt.
Warum sollten die Düngemittelzusammensetzung analysiert werden?
Die Wahl der idealen Düngerzusammensetzung ist für ein gutes Pflanzenwachstum unerlässlich. Die Pflanzen leiden unter einem Nährstoffmangel, ein Übermaß an Nährstoffen kann jedoch nachteilig sein und zum Beispiel zu Düngerverbrennungen führen.
Außerdem kann die gleichzeitige Freisetzung einer zu großen Menge von Düngemitteln zu einer unerwünschten Umweltverschmutzung führen. Die Hersteller von Düngemitteln sind daher verpflichtet, die Nährstoffmengen in ihren Produkten anzugeben, und es gibt verschiedene Normen von ISO, EN und AOAC für die standardisierte Bestimmung dieser Nährstoffe.
Thermometrische Titration für die Düngemittelanalyse
Traditionell werden die wichtigsten Nährstoffe in Düngemitteln mit analytischen Methoden wie Gravimetrie, Photometrie oder ICP-OES bestimmt. Diese Methoden erfordern entweder eine zeitaufwändige Probenvorbereitung oder den Einsatz teurer Analysegeräte. Die thermometrische Titration bietet eine kostengünstige Alternative für die Analyse von Kalium, Phosphor, Schwefel, Ammoniumstickstoff und Harnstoff ohne zeitaufwändige Schritte.
Die Verwendung der thermometrischen Titration
zur Analyse der Düngemittelzusammensetzung hat mehrere Vorteile:
- Analyse von mehreren Parametern mit einem Gerät
- Automatisierungsmöglichkeit für die Analyse von vielen Proben pro Tag
- Schnelle Ergebnisse für jeden Parameter mit Titrationszeiten unter fünf Minuten
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Was ist thermometrische Titration?
Die thermometrische Titration (TET) basiert auf dem Prinzip der Enthalpieänderung. Jede chemische Reaktion ist mit einer Enthalpieänderung verbunden, die ihrerseits eine Temperaturänderung verursacht. Diese Temperaturänderung während einer Titration kann mit einem hochempfindlichen Thermistor gemessen werden, um den Endpunkt der Titration zu bestimmen.
Wenn Sie mehr über die grundlegenden Prinzipien der thermometrischen Titration lesen möchten, klicken Sie auf den nachstehenden Link.
Wie werden die Analysen durchgeführt?
In diesem Abschnitt erkläre ich, wie die Analysen verschiedener Makronährstoffe in Düngemitteln mithilfe der thermometrischen Titration durchgeführt werden.
Phosphor ist ein wesentlicher Makronährstoff für die Photosynthese und ein optimales Pflanzenwachstum, da er die Energie für die Extraktion anderer Nährstoffe aus dem Boden liefert. Traditionell wird der Gesamtphosphorgehalt durch gravimetrische Analyse bestimmt. Alternativ kann auch eine spektrophotometrische Analyse oder ICP-OES zur Bestimmung verwendet werden. Diese Methoden erfordern alle eine zeitaufwändige Probenvorbereitung oder regelmäßige Kalibrierungen.
Die thermometrische Titration von Phosphor basiert auf der gravimetrischen Bestimmung, jedoch ohne lange Trocknungszeiten, um ein konstantes Gewicht zu erreichen. Ein entsprechendes Aliquot der Probe wird in das Titriergefäß gegeben und mit 5 mL pH-10-Puffer (Ammoniumchlorid/Ammoniak) sowie 5 mL einer Oxalatlösung (zur Ausfällung von störendem Calcium) versetzt. Die Lösung wird dann mit entionisiertem Wasser auf 30 mL aufgefüllt und mit einem Magnesiumnitrat-Titriermittel bis nach dem exothermen Endpunkt titriert.
Ausführlichere Informationen zur thermometrischen Titration von Phosphor finden Sie in einem der folgenden kostenlosen Anwendungsdokumente.
Bestimmung von Phosphorsäure in Flüssigdünger
Gesamtphosphat in Phosphorsäure und Phosphatdüngern
Schnelle und zuverlässige Bestimmung von Phosphat in Düngemitteln
Stickstoff ist ein essentieller Makronährstoff, da er ein Bestandteil von Aminosäuren (Eiweißbausteine) und Nukleinsäuren (Bausteine der DNA) ist. In anorganischen Düngemitteln liegt Stickstoff gewöhnlich als Ammonium, Nitrat oder Harnstoff vor. Ammoniak wird in der Regel nach der alkalischen Destillation durch Säure-Base-Rücktitration bestimmt, während andere Stickstoffarten vor der Analyse in der Regel zunächst durch Aufschluss in Ammoniak umgewandelt werden.
Bei der thermometrischen Titration wird ein anderer Ansatz verwendet. Sowohl Ammoniumionen als auch Harnstoff reagieren in einer Redoxreaktion exotherm mit Hypochlorit. Diese Reaktion wird in Gegenwart von Bromidionen in einer leicht alkalischen Lösung weiter katalysiert.
Zur Analyse von Ammoniumstickstoff und Harnstoff wird ein entsprechender aliquoter Teil der Probe in das Titrationsgefäß gegeben und dann 10 ml einer Bromid/Bikarbonat-Lösung hinzugefügt. Die Lösung wird dann mit entionisiertem Wasser auf 50 mL aufgefüllt und mit Hypochlorit bis nach dem exothermen Endpunkt titriert.
Ausführlichere Informationen zur thermometrischen Titration von Ammonium und Harnstoff finden Sie in den folgenden kostenlosen Application Notes.
Bestimmung von Ammoniumionen durch Titration mit Hypochlorit
Ammonium- und Harnstoffstickstoff in NPK-Düngemitteln mit TET
Kalium ist ein wichtiger Makronährstoff für Pflanzen, der für die Wasserregulierung benötigt wird und sie widerstandsfähiger gegen Dürreperioden macht. In der Vergangenheit wurde der Kaliumgehalt durch gravimetrische Analyse bestimmt. In jüngster Zeit wird auch ICP-OES für diese Bestimmung verwendet, aber die Geräte sind sehr teuer.
Die thermometrische Titration von Kalium basiert auf der Ausfällung von Kalium mit Natriumtetraphenylborat (STPB). Es handelt sich um eine schnelle Titration, weshalb sie bereits in verschiedene chinesische Normen für Düngemittel aufgenommen wurde (HG/T 2321 für Kaliumdihydrogenphosphat, GB/T 20784 für Kaliumnitrat und GB/T 37918 für Kaliumchlorid).
Ein entsprechender aliquoter Teil der Probe wird in das Titrationsgefäß gegeben. Die Lösung wird dann mit entionisiertem Wasser auf 30 ml aufgefüllt und mit STPB bis nach Erreichen des exothermen Endpunkts titriert.
Weitere Informationen über die thermometrische Titration von Kalium finden Sie in unseren kostenlosen Application Notes.
Kalium in Düngemitteln mit TET
Schwefel ist ein sekundärer Makronährstoff und spielt eine wichtige Rolle für das Wachstum der Chloroplasten und wirkt als Katalysator für die Stickstoffaufnahme. Schwefel wird in der Regel in Form von Sulfat bereitgestellt. Schwefelsäure beeinflusst auch den Prozess der Nassphosphorsäureherstellung, weshalb die Kenntnis ihres Gehalts von entscheidender Bedeutung ist.
Herkömmlicherweise wird der Schwefelgehalt durch Gravimetrie bestimmt. Die gleiche Fällungsreaktion mit Barium wird auch für die thermometrische Titration verwendet, ohne zeitaufwändiges Trocknen auf Gewicht.
Für die Analyse wird ein entsprechendes Aliquot der Probe in das Titrationsgefäß gegeben und (falls erforderlich) angesäuert. Die Lösung wird dann mit entionisiertem Wasser auf 30 mL aufgefüllt und mit Bariumchlorid bis nach dem exothermen Endpunkt titriert. Um die Empfindlichkeit der Methode zu verbessern, können die Proben mit einer Schwefelsäure-Standardlösung aufgestockt werden.
Ausführlichere Informationen zur thermometrischen Titration von Schwefel finden Sie in unseren kostenlosen Anwendungsdokumenten, die Sie hier herunterladen können.
Bestimmung von Sulfat in körnigen Phosphatdüngern
Bestimmung von Sulfat in Phosphorsäure (Flüssigdüngerproben)
Zusammenfassung
Die thermometrische Titration ist eine kostengünstige Analysemethode, die keine kostspielige Wartung oder Kalibrierung erfordert. Sie bietet eine schnelle und robuste Lösung für die Bestimmung mehrerer Parameter in Düngemitteln. Wenn Sie mehr über die thermometrische Titration und ihr Potenzial zur Lösung von Applikationsproblemen erfahren möchten, zögern Sie nicht, Ihre lokale Metrohm-Vertretung zu kontaktieren!
