Determinación de nitrato y amonio en fertilizantes ...

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE CIENCIAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA LABORATORIO DE ESPECTROSCOPIA MOLECULAR

Determinación de nitrato y amonio en fertilizantes, utilizando la técnica de Análisis

por Inyección en Flujo acoplada a la Espectroscopía de Absorción Molecular

Ultravioleta/Visible en fase gaseosa

Trabajo Especial de Grado de Licenciatura

Br. Eliana R. Guillén C.

Tutora: Dra. Maribel Valero

Mérida - Venezuela Enero 2009

Trabajo Especial de Grado Laboratorio de Espectroscopía Molecular


i

RESUMEN

En el presente trabajo se validó un método para la determinación

secuencial de amonio y nitrato en fertilizantes mediante el uso de la técnica de

análisis por inyección en flujo acoplada a la espectroscopia de absorción

molecular ultravioleta-visible como sistema de detección (FIA-EAM). En el

sistema propuesto el contenido de amonio y nitrato en las diferentes muestras

se determinó mediante la conversión de los analitos a la forma de amoniaco. El

método consiste en la inyección en dos etapas de 100 µL de muestra en un

sistema en flujo. En la primera, el volumen de muestra inyectado; se mezcla

con una corriente de hidróxido de sodio 3 mol.L-1 y posteriormente en un

serpentín (R1), la mezcla previa entra en contacto con una corriente de

hidróxido de sodio que contiene una concentración de 13 mol.L-1. En este

punto, se produce cuantitativamente amoniaco a partir de amonio. La mezcla

gas-líquida, es arrastrada por una corriente de nitrógeno a un segundo

serpentín (R2) y luego a un separador de fases (SF), donde se produce la

separación definitiva de la fase gaseosa, para finalmente ser transportada a

una celda para gases que se encuentra alineada al camino óptico del

espectrofotómetro, el cual mide la absorbancia del compuesto en fase gaseosa

a 197 nm. De esta forma se obtiene la señal de amoniaco a partir de amonio en

la muestra. En la segunda etapa la muestra inyectada en la corriente del

hidróxido de sodio 3 mol.L-1 es dirigida mediante el uso de una válvula

selectora (VS) hacia una columna de 17 cm de longitud rellena de Zn/Cu, la

cual permite la conversión cuantitativa de nitrato a la forma de amonio. Este

último, se hace reaccionar con hidróxido de sodio 13 mol.L-1 como fue descrito

anteriormente para la formación cuantitativa de amoniaco. La señal obtenida en

esta etapa corresponde al amoniaco procedente del amonio y nitrato en la

muestra. La señal correspondiente al nitrato se obtiene por la diferencia de las

dos señales.



ii

El método propuesto presento características analíticas como: intervalo

dinámico, límite de detección y cuantificación, precisión y frecuencia de análisis

adecuadas para el análisis propuesto. Los estudios de recuperación y adición

de estándar indicaron que el método es exacto y se encuentra libre de

interferencias, con lo cual constituye una alternativa interesante y válida para la

determinación de la concentración de nitrato y amonio en fertilizantes

nitrogenados de origen inorgánico, que puede ser usada de forma rutinaria

para el control de calidad en las industrias del ramo.



iii

DEDICATORIA

Los vencedores son aquellos que creen en si mismos y depositan su

confianza en Dios, a quién hoy cuando estoy celebrando el logro de una de mis

anheladas metas; le dedico mi trabajo porque siempre ha estado conmigo;

dándome la fuerza necesaria para seguir adelante.

En memoria de todos los que hoy no están, porque Dios un día me los

quitó; se que donde él los tenga comparten conmigo este triunfo, primo del

alma Alfonso y Tía Francy les dedico mi logro.

A mis Padres, lo más hermoso que poseo, a quienes debo y agradezco

todo lo que me han dado, sin pedirme nada a cambio, solo teniendo por

recompensa el sentirse felices y dichosos de lograr mi bienestar y felicidad.

Todo lo que hasta ahora he logrado en mi vida, es gracias a la sabia educación

con la que me instruyen, porque representan para mi, el esfuerzo, sacrificio,

consuelo, enseñanza, consejo oportuno, rectitud y abnegación, este triunfo es

totalmente en honor a ustedes.

A mis hermanos Edgar y Ender y a las hermanas que la vida me regalo

Yelitza y Yucelis, quienes con cariño y comprensión son el bastón que me

ayuda a seguir en pie.



iv

AGRADECIMIENTO

Hoy se hace realidad una de mis metas, pero sabia que para alcanzarla

tendría que aprender a conocer virtudes como la paciencia, constancia,

sacrificio y dedicación. En este camino existieron momentos difíciles que me

llenaron de angustia, depresión y tristeza, queriéndome apartar de mi sueño,

pero gracias a Dios todopoderoso y a la Santísima Virgen que me iluminaron

siempre para poder vencer estos grandes obstáculos. Sé, que sin ayuda

probablemente no lo hubiese alcanzado, por lo cual considero que ha sido un

triunfo en conjunto y son muchas las personas especiales a las quiero

agradecer.

A Dios y a la Virgen, quienes me dieron fortaleza y me guiaron siempre

por el buen camino, dándome la mano para levantarme en cada uno de los

tropiezos y poder seguir adelante.

A mis Padres, a quienes les debo la vida, son los mejores padres del

mundo; gracias por su inmenso amor, sus esfuerzos, apoyo y por la confianza

que depositaron en mí. Gracias por sacarme adelante y regalarme la

oportunidad de lograr una de mis metas, la cual constituye la herencia más

valiosa que pudiera recibir para continuar superándome. Los Amo.

A mis hermanos y sobrinos, por ser mis amigos incondicionales, fuente

de inspiración, motivo de superación, con su apoyo, ayuda y cariño he logrado

este sueño hoy día. Dios los bendiga.

Gracias a la profesora Maribel Valero (Tutora), por creer en mí sin

conocerme y abrirme las puertas del Laboratorio de Espectroscopia Molecular

para que realizar mi trabajo especial de grado. Gracias por todo.



v

Al profesor Ali Bahsas por ser una persona ejemplar, excelente profesor,

amigo y orientador. Prof. creo que esta demás recordarle que usted para mi es

como mi padre. Le doy gracias a Dios por haberlo puesto en mi camino, quiero

decirle que puede contar siempre conmigo. Gracias por sus consejos y

excelentes enseñanzas de vida y humildad. Por permitirme trabajar a su lado

durante todos estos años. En fin Prof. No tengo nunca como pagarle todo lo

que usted ha hecho por mí, bueno ya sabe que para mi seguirá siendo el Dios

de la Facultad de Ciencias. Lo quiero mucho.

A Pedro y Alvaro del Labarotario de Catálisis, a Edyleiba y Marlene del

Laboratorio de Espectroscopía Molecular, a Iris y Fanny Técnicos de los

Laboratorios de docencia, gracias por haber estado ahí cada vez que los

necesite ustedes me ayudaron siempre que se los pedí, muchachos mil gracias

en verdad. Dios se los pague.

A mis verdaderos amigos, si que han sido bastantes desde el Jardín de

Infancia hasta la Universidad, cada uno ocupa un espacio importante en mi

vida y un lugar especial en mi corazón, con ellos compartí buenos y malos

momentos y hoy en día llenan mi mente de gratos recuerdos, nunca los

olvidaré pues marcaron mi vida. Tengan siempre presente que todo lo que se

quiere en la vida se puede. Luchen por sus sueños.

A todos los integrantes del Laboratorio de Espectroscopia Molecular, por

permitirme trabajar con ellos durante todos estos meses que estuve

desarrollando mi trabajo, gracias por su amistad, asesoría y apoyo.

A mis amigos del Laboratorio de Resonancia Magnética Nuclear (RMN),

por ese cariño y compartir tantos momentos gratos conmigo ustedes son parte

de mi familia pues convivía con ustedes a diario, ustedes fueron testigos fieles

más que cualquier otra persona de todo lo que he pasado para poder hacer

realidad este sueño, muchas gracias muchachos. Suerte.



vi

A la Ilustre Universidad de los Andes, mi casa de estudio, por brindarme

la oportunidad de formar parte de ella, orientándome con sus profesores,

quienes impartieron sus conocimientos para formarme como profesional.

A todas y cada una de esas personas que confiaron, creyeron en mí y se

atrevieron a apostar, sabiendo que sí lo lograría, hoy pueden decir que han

ganado, pues ya la espera ha terminado, a ustedes gracias por estar allí

formando parte de mi vida. Lo Logré.

Eliana Guillén



i

ÍNDICE DE CONTENIDO Página ÍNDICE DE CONTENIDO i ÍNDICE DE FIGURAS iv ÍNDICE DE TABLAS vi RESUMEN vii INTRODUCCIÓN 1 CAPÍTULO I 4 EL PROBLEMA 1.1 Planteamiento del problema 4 1.2 Objetivos de la investigación 6 1.2.1 General 6 1.2.2 Específicos 6 CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 7 2.1 Fundamento teórico 7

2.1.1 Historia del nitrato y del amonio 7

2.1.2 Naturaleza química del nitrato y del amonio 8 2.1.3 Importancia del nitrato y del amonio 10 2.1.4 Usos de las sales de nitrato y de amonio 12 2.1.5 Aspectos generales de los fertilizantes 14 2.2 Antecedentes 19



ii

2.3 Hipótesis 26 2.4 Plan de trabajo 27 CAPÍTULO III 29 MARCO METODOLÓGICO 29 3.1 Parte experimental 3.1.1 Instrumentación 29 3.1.2 Reactivos 30 3.1.3 Preparación de la columna reductora 30 3.1.4 Activación de la columna 31 3.1.5 Regeneración de la columna 31 3.1.6 Preparación de las muestras de fertilizantes 32 3.2 Metodología propuesta 33 3.2.1 Procedimiento general 33 3.3 Espectroscopía de absorción molecular en el Ultravioleta/Visible 36

3.4 Técnica de análisis en flujo y generación de fase gaseosa en línea 43

CAPÍTULO IV ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 51 4.1 Estudios preliminares 51 4.2 Optimización del acoplamiento de sistema FIA-GFG-EAM-UV-Vis para la determinación de amonio 54

4.2.1 Efecto de la concentración de hidróxido de sodio sobre la respuesta instrumental 54

4.2.2 Efecto de los caudales de la solución portadora y del hidróxido de sodio sobre la señal analítica 56

4.2.3 Efecto del diámetro y longitud de los serpentines (R1 y R2) sobre la señal analítica 57



iii

4.2.4 Efecto del flujo de nitrógeno sobre la señal analítica 57

4.2.5 Efecto del volumen de inyección sobre la señal analítica 58

4.3 Caracterización analítica del sistema FIA-GFG-EAM-UV-Vis para la determinación de amonio 59

4.4 Estudios de efectos de matriz para el ión amonio 60 4.5 Estudios de recuperación para el ión amonio 61 4.6 Determinación de nitrato 62 4.6.1 Efecto de la longitud de la columna reductora sobre la señal analítica 62

4.7 Caracterización analítica para la determinación de nitrato 63

4.8 Estudios de efectos de matriz para el ión nitrato 64 4.9 Estudios de recuperación para el ión nitrato 66 5. Análisis de muestras reales 66 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 68 BIBLIOGRAFÍA 70



iv

ÍNDICE DE FIGURAS

Fig. 1.- Ciclo del nitrógeno 10

Fig. 2.- Diagrama esquemático de un sistema utilizado para la determinación de las tres formas de nitrógeno inorgánico 24

Fig. 3.- Representación esquemática del sistema AIF-GFG-EAM-UV-Visible 35

Fig. 4.- El proceso de la absorción molecular en el Ultravioleta-Visible 38

Fig. 5.- Diagrama de bloques de un instrumento básico para la Absorción Molecular en el Ultravioleta-Visible 40

Fig. 6.- Esquema básico sobre el sistema de análisis en flujo continuo 44

Fig. 7.- Esquema básico del sistema de análisis de inyección en flujo (FIA) 46

Fig. 8.- Representación esquemática del sistema FC-GFG-EAM-UV-Visible 52

Fig. 9.- Espectro de absorción molecular del amoniaco (NH3) obtenido por flujo continuo utilizando una solución de 11,111 x 10-2 mol NH4

+ L-1 53

Fig. 10.-

a) Efecto de la concentración de hidróxido de sodio por el canal portador (C1), b) Efecto de la concentración de hidróxido de sodio por el canal (C2) sobre la señal analítica de una solución de 1,389 x 10-2 mol.L-1

56

Fig. 11.- a) Efecto del flujo de hidróxido de sodio por el canal portador C1, b) Efecto del flujo de hidróxido de sodio por el canal C2 sobre la señal analítica de una solución de 1,389 x 10-2 mol.L-1

57

Fig. 12.- Efecto del flujo de nitrógeno, sobre la señal analítica de una solución de 1,389 x 10-2 mol.L-1 de amonio 58



v

Fig. 13.- Efecto del volumen de inyección, sobre la señal analítica de una solución de 1,389 x 10-3 mol.L-1 de amonio 59

Fig. 14.- Estudios de adición de estándar para el ión amonio 61

Fig. 15.- Efecto de la longitud de la columna reductora, sobre la señal analítica de una solución de 4,03 x 10-3 mol.L-1 de nitrato

63

Fig.16.- Estudios de adición de estándar para el ión nitrato 65



vi

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Características de los fertilizantes más usados 18

Tabla 2. Características de los reactivos utilizados 30

Tabla 3. Muestras de fertilizantes nitrogenados sintéticos inorgánicos 32

Tabla 4. Condiciones experimentales de operación del sistema AIF-GFG-EAM-UV-Visibles 36

Tabla 5. Absorción por aniones inorgánicos 39

Tabla 6. Condiciones experimentales de operación del sistema FC-GFG-EAM-UV-Visible 52

Tabla 7. Caracterización analítica del sistema AIF-GFG-EAM-UV-Visible para el ión amonio 60

Tabla 8. Estudio de recuperación para el ión amonio 62

Tabla 9. Caracterización analítica del sistema AIF-GFG-EAM-UV-Visible para el ión nitrato 64

Tabla 10. Estudio de recuperación para el ión nitrato 66

Tabla 11. Contenido de amonio y nitrato en fertilizantes 67


Br. Eliana R Guillén C 1

INTRODUCCIÓN

La producción agrícola depende en gran medida de que los suelos sean

capaces de desarrollar cultivos con un buen rendimiento y esa capacidad es

establecida por su fertilidad. El contenido de nutrientes de origen natural en los

suelos, generalmente no es suficiente para lograr una adecuada productividad

y así aumentar los rendimientos de las cosechas. Por esta razón, se emplean

los fertilizantes naturales y químicos (orgánicos e inorgánicos). El nutriente más

utilizado es el nitrógeno, ya que éste afecta directamente los rendimientos y la

calidad de los productos. Los fertilizantes nitrogenados contienen el nitrógeno

principalmente bajo la forma de nitrógeno inorgánico (nitrato y amonio) que es

la forma que puede ser absorbida por las plantas. Sin embargo, la capacidad

de absorción varía según el cultivo y las técnicas agrícolas, a fin de obtener

una máxima producción se aplica un exceso del producto al suelo, este exceso

puede perderse por lixiviación en forma de nitrato (NO3-), por volatilización en

forma de amoníaco (NH3), igualmente el amonio (NH4+), puede almacenarse en

las plantas, generando problemas serios de contaminación ambiental y

humana.[1−4]

En la actualidad, el uso del nitrato como fertilizante nitrogenado en la

agricultura intensiva desencadena problemas ambientales como: la

contaminación de las aguas, la degradación de la capa de ozono y problemas

sanitarios como: deficiencias en la oxigenación sanguínea en lactantes o la

acumulación de nitrosaminas, sustancia cancerigena en el estómago adulto.

Por esto, es necesario buscar un equilibrio entre la productividad agrícola y la

cosecha de calidad, manteniendo las condiciones ambientales.[5−8]

El ión nitrato y el amonio, pueden ser transformados, por diversos

mecanismos químicos y biológicos a nitrito y amoniaco respectivamente, cuyas

toxicidades están bien documentadas. [3,9−11]Debido a esto, en la literatura se

pueden encontrar una amplia variedad de propuestas analíticas para



determinar los contenidos de nitrato y amonio en diversas matrices (biológicas,

ambientales, industriales, etc.) a fin de ser utilizadas en varios sectores con el

objeto de establecer controles o diagnósticos. [12−17]La mayoría de las

propuestas metodológicas para la determinación de amonio (amoniaco) y

nitrato (luego de la conversión a nitrito) se basan en el uso de la técnica

espectrofotométrica, utilizando las reacciones de Berthelot (reacción de lesser)

y reacción de Griess respectivamente.[14,18−21]

Por otra parte, la espectroscopía de absorción molecular en fase

gaseosa (EAMFG), ha sido utilizada para la determinación de aniones y

cationes, mediante la conversión del analito en una especie molecular volátil y

medida su máxima absorbancia en fase gaseosa. Por su parte, las técnicas en

flujo han permitido nuevos desarrollos en EAMFG, que se caracterizan por su

simplicidad, rapidez y seguridad, superando muchos de los inconvenientes

encontrados en otros métodos.[22]

Dada la importancia que tienen las especies nitrogenadas inorgánicas;

en los últimos años el Laboratorio de Espectroscopía Molecular ha abordado

este tema en diferentes matrices; con el fin de diseñar metodologías rápidas,

simples, sensibles, etc., que permitan la cuantificación de nitrato, amonio y/o

nitrito en muestras como aguas, suelos, alimentos, entre otros. Por estas

razones, es que surge la iniciativa de diseñar una metodología con

características analíticas adecuadas que permita la cuantificación del ión

amonio y nitrato en fertilizantes.

Con base a lo anteriormente descrito, el presente trabajo, tiene como

objetivo validar un método basado en el acoplamiento de la técnica en flujo,

generación de fase gaseosa y detección por espectroscopía de absorción

molecular ultravioleta-visible, para la determinación de nitrato y amonio en

fertilizantes.

El presente trabajo ha sido dividido en varios capítulos. El primero se

basa en el planteamiento del problema, en el cual se trata de enfocar las ideas

contextuales del problema y equivalentemente se hace referencia al por qué se

debe hacer dicho estudio; así como la limitación en tiempo y espacio del

mismo, planteándose también los objetivos general y específicos que pretende



la investigación. En el segundo se enfoca el marco referencial, el cual consta

de un fundamento teórico sobre el tema planteado, incluyéndose antecedentes

y planteamiento de la hipótesis. En el tercero, se incluye la instrumentación y

reactivos utilizados, así como la metodología usada. Adicionalmente, se

abordan algunos aspectos relacionados con la técnica de Espectroscopía de

Absorción Molecular y las técnicas en flujo las cuales están involucradas en

esta propuesta, con el objeto de poder precisar los parámetros que se deben

optimizar. En el capítulo cuatro, se incluyen el análisis y discusión de los

resultados obtenidos sobre la metodología propuesta y finalmente se presentan

las conclusiones y recomendaciones del trabajo.



CAPÍTULO I

EL PROBLEMA

1.1 Planteamiento del problema

En general la comercialización de fertilizantes en el mundo, ha tenido un

crecimiento sustancial desde que a principios del siglo XX Fritz Haber,

descubrió como acortar el ciclo del nitrógeno,[3,11] fijando químicamente el

elemento a altas temperaturas y presiones, creando así fertilizantes que podían

ser añadidos directamente al suelo para incrementar en forma significativa la

productividad agrícola. Sin embargo, el uso de estos productos, ha traído

algunas consecuencias negativas, ya que los mismos al ser utilizados en

exceso, incrementan el contenido de nitratos y amonio (que es el nitrógeno

asimilable para las plantas) en la solución de los suelos, sin tomar en cuenta el

aporte de estas especies, procedentes de las cantidades de nitrógeno

orgánico. El excedente de nitrato no es retenido en grandes cantidades por los

suelos y puede ser fácilmente lavado o lixiviado, y así estar presente en las

aguas potables, que al ser utilizadas por los seres vivos puede ejercer efectos

tóxicos, ya que es un potente metahemoglobinizante y tiene acción

vasodilatador, también al ingerir aguas contaminadas por nitratos, estos

pueden ser transformados en el organismo a la forma de nitrito. La toxicidad del

nitrito, esta principalmente relacionada con su participación directa en la

oxidación férrica de la hemoglobina (Hb) normal, a metahemoglobina (metHb);

la cual es incapaz de transportar el oxígeno a los tejidos. Esta especie, también

tiene una toxicidad indirecta, ya que reacciona con aminas o amidas para

producir compuestos N-nitroso, nitrosaminas y nitrosamidas, los cuales poseen

efectos cancerígenos y mutagénicos.[6−9,12,23]



Las sales de amonio aplicadas, en la superficie de los suelos alcalinos

produce un gas que se escapa a la atmósfera como amoniaco,[3] siendo este un

compuesto tóxico, dependiendo de la dosis; para todo el reino animal. El

amonio también puede sufrir un proceso de oxidación biológica para

transformarse en nitratos, en este proceso, intervienen organismo autotróficos

(bacterias de los géneros Nitrosomas y Nitrobacter).[3]

Los fertilizantes nitrogenados, contienen concentraciones elevadas de

nitrato y amonio que varían entre (6 y 19) g/kg y como se planteo

anteriormente, son utilizados en exceso en los diferentes cultivos, con el objeto

de incrementar las cosechas. Cuando la disponibilidad del fertilizante en los

suelos es alta, las plantas son capaces de absorber niveles superiores a los de

la disponibilidad inmediata, haciendo que el exceso sea almacenado en los

tejidos más viejos de estas. Otra parte del fertilizante que queda en la solución

de los suelos, puede perderse por lixiviación en forma de nitrato (NO3-) y por

volatilización en forma de amoníaco (NH3),[3] lo que conlleva a un aumento

importante de estas especies en el medio ambiente con un alto riesgo de

incorporarse en la cadena alimentaría.

En Venezuela, existen regiones que son explotadas desde el punto de

vista agrícola. Sin embargo, los suelos de la región Andina en particular, suelen

ser los más apropiados para el desarrollo de una variedad de cultivos y dichos

productos son los de mayor consumo en el país. Estos al igual que en muchas

partes del mundo son tratados con una variedad de compuestos entre ellos

fertilizantes nitrogenados; ya que cuando se trata de producir grandes

cantidades de alimentos en menos tiempo y espacio, algunos nutrientes del

suelo suelen agotarse tras el cultivo año tras año en un mismo lugar,

ocasionando un mayor desgaste ecológico. A fin de evitar esto, los agricultores

de la región aseguran el rendimiento de sus cultivos adicionando fertilizantes

sin hacer un estudio previo de los requerimientos del suelo.

Por lo antes expuesto, es importante controlar los niveles de nitrato y

amonio que son adicionados a los diferentes tipos de suelos a través del uso

de fertilizantes nitrogenados a fin de evitar que un exceso de los mismos pueda

producir serios problemas de contaminación ambiental.



En los últimos cinco años, el Laboratorio de Espectroscopia Molecular

viene trabajando en una línea de investigación que se refiere al desarrollo de

nuevos diseños metodológicos que incluye la automatización y/o actualización

de métodos clásicos para la determinación de nitrato y amonio en diversas

matrices con miras a la prestación de servicios de análisis químico y control de

calidad para empresas productoras del sector agrícola, y usuarios de análisis

de suelos y plantas, tanto a nivel nacional como del exterior.

En este orden de ideas, en el presente trabajo, se propone una metodología

para la determinación de estas especies en fertilizantes nitrogenados que son

utilizados para la producción agrícola en la región de los Andes Venezolanos.

1.2 Objetivos de la investigación

1.2.1 General

Validar una metodología que permita la determinación de nitrato y

amonio en fertilizantes que se comercializan en la región de los Andes

Venezolanos, basada en el acoplamiento de la técnica de Análisis por

Inyección en Flujo con Espectroscopia de Absorción Molecular ultravioleta-

visible, mediante la generación de una fase gaseosa en línea.

1.2.2 Específicos

1) Utilizar una o varias reacciones químicas para generar en línea

amoniaco a partir de soluciones de cloruro de amonio y nitrato de sodio.

2) Seleccionar parámetros instrumentales y espectroscópicos, como flujo

de los diversos canales, serpentines de reacción, longitud de onda, etc.

3) Seleccionar parámetros químicos, como concentración de reactivos.

4) Caracterizar analíticamente el sistema en términos de sensibilidad,

límite de detección, concentración máxima, concentración mínima, etc.

5) Validar el método mediante los estudios de interferencia y

recuperación.



CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

2.1 Fundamento teórico

2.1.1 Historia del nitrato y del amonio

El nitrógeno y sobre todo sus compuestos derivados; como el nitrato y el

amonio, son de gran interés para los seres humanos, debido a su importancia

en la atmósfera, en los procesos de la vida humana y en general de las plantas

y animales.[3]

El nitrato en si mismo es inocuo, pero puede ser transformado por

diversos mecanismos químicos y bioquímicos a la forma de nitrito, cuya

toxicidad esta ya verificada y afecta la salud de las personas.[6−9,11,12,14] Estos se

conocen al menos desde la edad media y son sales o esteres del ácido nítrico

(HNO3). Con la introducción de la pólvora los pequeños yacimientos naturales

de sales de nitrato ya no eran suficientes y se pasó a un proceso de fabricación

a partir de los excrementos humanos y de animales; estos se vertían sobre un

lecho alto y bien aireado de material orgánico como rastrojos, además se

añadían cantidades de cal. En estas condiciones se genera el nitrato de calcio,

este, por ser soluble en agua pudo ser extraído y obtenido tras la evaporación

del líquido.[23,24] La adición de carbonato potásico extraído de las cenizas de

madera, a una disolución del nitrato cálcico precipitaba el calcio en forma de su

carbonato (la cal) y el nitrato potásico se obtenía tras evaporación del

disolvente.[24]

En relación al ión amonio (del latín ammonium) puede formar sales

amónicas cuando se une con iones negativos, estos compuestos son obtenidos



por reacciones del amoniaco con los ácidos: Los antiguos sacerdotes del siglo

(XII) conocían las sales amónicas producidas por la destilación del estiércol del

camello cerca del templo de Júpiter Amón en Libia de ahí su nombre, también

se atribuye a los egipcios su descubrimiento llamándolo amoniaco o sales

amoniacales, en memoria del dios del sol Ra Ammon.[25]

En Europa durante la edad media el amoniaco se obtenía calentando los

cueros y pezuñas de bueyes y se le llamaba espíritu de cuerno de ciervo. El

amoniaco también fue descubierto por los alquimistas quienes se encargaban

de estudiar su obtención y propiedades, siendo Priestley quien lo aisló por

primera vez y años más tarde Berthollet estableció su composición exacta.[25]

En el siglo XIX la principal fuente de amoniaco fue la destilación

de la hulla, era un derivado importante en la fabricación de los

combustibles gaseosos. Hoy la mayoría de sales de amonio y

nitrato se producen sintéticamente a partir del nitrógeno y del hidrógeno en el

proceso de Fritz Haber.[3,11,25]

2.1.2 Naturaleza química del nitrato y del amonio

El nitrato se forma en la naturaleza por la descomposición de los

compuestos nitrogenados como las proteínas, la urea, etc. En esta

descomposición se forma amoníaco o amonio, los cuales en presencia de

oxígeno son oxidados por microorganismos de tipo nitrobacter a ácido nítrico

que ataca cualquier base (generalmente carbonatos) que hay en el medio

formando el nitrato correspondiente. Otra vía de formación es a través de los

óxidos de nitrógeno, que se generan en las descargas eléctricas de las

tormentas a partir del nitrógeno y del oxígeno del aire, con el agua de la lluvia

de nuevo se forma ácido nítrico que ataca los carbonatos y otros minerales

básicos que se encuentran en el medio, para formar nitrato. Actualmente, se

forman también cantidades importantes de óxidos de nitrógeno en los procesos

de combustión a alta temperatura, estos se transforman por el mismo camino

en nitrato que ha sido descrito para los óxidos de nitrógeno formados

naturalmente.[3,11,23,24,25]



El nitrato es una forma iónica combinada de nitrógeno y

oxígeno en condiciones aerobias y resulta de la oxidación

total de los compuestos del nitrógeno, el cual contiene un

átomo de nitrógeno (N) y tres átomos de oxígeno (O). El

nitrógeno en estado de oxidación (+V) se encuentra en el centro de un triángulo

formado por los tres oxígenos. La estructura es estabilizada por efectos

mesoméricos.[24] El símbolo químico del nitrato es NO3- y su peso molecular

igual a 62 g/mol. El ión nitrato es la base conjugada del ácido nítrico

(HNO3),[11] el ácido nítrico es un ácido fuerte el cual se disocia en agua

produciendo iones nitrato e iones hidroxonio (H3O+), el ión nitrato tiene una

hibridación sp2.[23,24] Es un ión estable, soluble en agua, muy móvil, no se

absorbe en arcilla o materia orgánica por sus condiciones aniónicas, y por lo

tanto, se puede lixiviar a través del suelo y ser transportado por el agua

subterránea. El origen del nitrato en aguas subterráneas es principalmente de

fertilizantes, sistemas sépticos y almacenamiento de estiércol u operaciones de

extensión, los fertilizantes nitrogenados no absorbidos por las plantas,

volatilizados o arrastrados por la corriente superficial terminan en las aguas

subterráneas en forma de nitrato. El nitrógeno procedente del estiércol o de los

abonos puede perderse de manera similar de los prados, corrales, o lugares de

almacenamiento. Los sistemas sépticos eliminan solamente la mitad del

nitrógeno de las aguas residuales, dejando que la otra mitad sea lavada hacia

las aguas subterráneas.[4,11]

En cuanto al ión amonio, se puede decir que es un catión

monovalente, formado a partir de la molécula amoniaco

(NH3), en la que el nitrógeno, que es el átomo central, cede el

par de electrones libres a un protón formando un enlace

dativo, dando así la molécula de amonio (NH4+) con un peso molecular igual a

18 g/mol y cuyo nitrógeno en dicha molécula presenta una hibridación sp3 y

trabaja con un estado de oxidación (-III).[25]

El ión amonio es un producto proveniente de la descomposición de

residuos orgánicos nitrogenados (proceso de amonificación) o de la fijación

biológica, debido a que dicho ión posee una carga positiva en su composición



química, éste puede retenerse en las partículas de arcilla del suelo cuya carga

es negativa, por lo que es relativamente inmóvil en el suelo, como

consecuencia de ello y por lo general no se incorpora al agua

subterránea.[10,17,25]

Estos iones nombrados en líneas anteriores, se encuentran

naturalmente en el ambiente ya que los mismos forman parte del ciclo del

nitrógeno como se puede observar en la Figura 1. Las reservas de nitrógeno

elemental en la atmósfera son inagotables y se encuentran en equilibrio con las

demás formas fijadas; es decir, en la medida que este nitrógeno atmosférico es

convertido a formas fijadas, existe una continua reposición del nitrógeno

elemental por medio de procesos microbiológicos y químicos que suceden en

el suelo.[3,11,25]

Figura 1. Ciclo del Nitrógeno

2.1.3 Importancia de los iones nitrato y amonio

El nitrógeno en su estado elemental (N2), es un gas inerte, incoloro,

inodoro y constituye aproximadamente el 78 % de los gases que conforman la

atmósfera; sin embargo, este nitrógeno atmosférico no es aprovechable



directamente por la mayoría de las plantas, estas principalmente lo absorben

por las raíces en forma de amonio (NH4+) y de nitrato (NO3

-), por lo que dichas

especies son de gran importancia para la agricultura ya que por medio de los

fertilizantes nitrogenados que las contienen, ayudan a los suelos a ser más

fértiles y productivos al servir como abonos para los mismos.[3,11]

Una cantidad pequeña de nitrógeno atmosférico puede ser fijada

abióticamente por procesos de ionización provocados por tormentas eléctricas,

mayor cantidad puede fijarse mediante radiaciones cósmicas y meteoritos.

Estos fenómenos proporcionan por instantes gran cantidad de energía, que

hacen reaccionar al nitrógeno con el agua, para formar amoniaco (NH3). Este

compuesto posteriormente es llevado al suelo por las lluvias.[3,11]

La fijación industrial de nitrógeno que lleva a la obtención de fertilizantes

nitrogenados, son cuantitativamente de gran importancia, desde el punto de

vista de la agricultura comercial. Esta es la fuente más importante de este

elemento como nutriente vegetal.[3,11]

Los nitratos son aprovechados por las plantas que los convierten de

nuevo en compuestos orgánicos nitrogenados, como los aminoácidos, por lo

tanto, son una parte esencial de los abonos, muchas plantas acumulan el

nitrato en sus partes verdes; si éstas se aprovechan como alimentos cocidos

existe el peligro de que los nitratos que contengan puedan ser reducidos por

otros organismos a nitritos una vez que estos alimentos sean ingeridos.

Adicionalmente, existen algunos vegetales como las espinacas

(procesadas o no) que tienen la particularidad de que al ser almacenadas bajo

condiciones que favorezca el crecimiento de microorganismos que permiten la

reducción del nitrato a la forma de nitrito; los cuales son tóxicos y a su vez

producen nitrosaminas que son cancerígenas.[3,24,26−31]

El amonio es un derivado muy importante del nitrógeno, igualmente se

utiliza en fertilizantes nitrogenados los cuales son aplicados al suelo sirviéndole

de abono al mismo. A través de él se obtienen otros compuestos del ciclo del

nitrógeno como por ejemplo el amoniaco, el cual se produce igualmente en la



naturaleza por acción de bacterias de la putrefacción y de la formación de

amoniaco sobre la materia orgánica del suelo. Por este motivo, se percibe olor

a amoniaco en establos y corrales, donde esta acción tiene lugar.[10,11,32]

Las cantidades de amonio (NH4+) y nitrato (NO3

-), en la solución del

suelo están en función de las cantidades de fertilizantes comerciales

suministrados al mismo y de las cantidades de nitrógeno orgánico que se

pueden transformar a nitrógeno inorgánico, es decir, esta última depende del

equilibrio que afecte la relación entre la mineralización y la inmovilización del

nitrógeno del suelo; entendiéndose por mineralización la transformación del

nitrógeno orgánico a nitrógeno mineral (NH4+, NO3

-, NO2-). El proceso contrario

al ya descrito se denomina inmovilización.[3]

Se sabe desde hace mucho tiempo que el empleo de nitrato de amonio

aumenta la acidez del suelo. A no ser, que se de el caso, de un manejo

adecuado a los fertilizantes completos, estos siempre tendrán a desarrollar un

residuo ácido en los suelos, debido sobre todo a la influencia de algunos

materiales nitrogenados en especial de naturaleza amoniacal. El efecto

principal de los iones amonio (NH4+) se ejerce cuando estos son nitrados por la

oxidación, los compuestos amoniacales tienden a aumentar su acidez.[33]

Existen otros efectos importantes de los iones amonio de menor

extensión que disminuyen el pH del suelo, por ejemplo, cuando se añade al

suelo sulfato de amonio algunos de los iones amonios son absorbidos por la

materia coloidal, reemplazando cantidades equivalentes de otros cationes.[33]

2.1.4 Usos de las sales de nitrato y de amonio

El nitrato de potasio (KNO3) forma parte esencial de la pólvora negra. Se

aprovecha su poder oxidante para transformar el carbono y el azufre, también

presentes en la mezcla de sus óxidos; la energía liberada en el proceso hace

que se calienten los gases y se expandan de manera explosiva.[24] Εl nitrato

también forma parte esencial de muchas formulaciones de abonos, el nitrato

natural conocido también como nitrato de Chile, se explota desde hace mucho

tiempo en los salares del norte de ese país y constituía un importante producto

de exportación del mismo; hasta el desarrollo en Noruega y otros países del



nitrato artificial (obteniendo el nitrógeno directamente del aire a través de

medios electroquímicos). El nitrato de amonio, aparte de ser un buen abono, se

descompone de forma explosiva a la hora de calentarlo y es responsable de un

gran número de accidentes, mezclado con petróleo es utilizado, como

explosivo en minería. En condiciones más controladas la descomposición del

nitrato de amonio se utiliza para generar el óxido de dinitrógeno, este se

aprovecha como anestésico y por ejemplo para espumar la nata batida

enlatada.[23,24,34] El nitrato de plata, es un precursor importante para los haluros

de plata utilizados como sales fotosensibles en fotografía, igualmente este tipo

de nitrato, es usado en la ciencia de la medicina para quemar la piel.[23,24]

Como intermedio, los nitratos están presentes en el proceso de

nitrificación/desnitrificación que se utilizan en las plantas depuradoras de aguas

residuales, se aprovecha el hecho que algunos microorganismos se pueden

reducir en condiciones anaeróbicas el nitrato directamente a nitrógeno

elemental; así se eliminan los compuestos de nitrógeno de las aguas donde

producirían problemas de eutrofización.[24,34] En un cuerpo de agua cerrado, por

ejemplo una laguna, el proceso de eutrofización, es decir puede terminar por

convertir al cuerpo de agua en tierra firme. Esto ocurre porque los nutrientes

que ingresan masivamente al sistema generan una gran biomasa,

generalmente efímera que al morir se acumulan sobre el fondo y no son

totalmente consumidos por organismos degradadores (especialmente

bacterias).[35]

Con respecto al amonio, las disoluciones de éste se emplean en usos

domésticos. A manera de ejemplo, eliminan la dureza temporal del agua y por

lo tanto son útiles en labores de lavado y limpieza con el ahorro consiguiente

de jabón.[25,32,34] Recientemente se ha ideado un método para descomponer el

amoniaco mediante un catalizador y producir una mezcla del 75 % de

hidrógeno y 25 % de nitrógeno, en volumen que pueda utilizarse en sopletes

oxhídricos para soldar metales raros y aceros especiales. Un tubo de amoniaco

líquido, proporciona así, más hidrógeno que el que pudiera comprimirse en el

mismo volumen. Para transporte y almacenaje resulta pues, una fuente

conveniente y compacta de hidrógeno.[34] El amoniaco líquido, es empleado en



máquinas frigoríficas y en la fabricación de hielo, es decir, en la producción

industrial del frío cuando se comprime se licua y al expandirse se evapora y

absorbe el calor del medio, por lo que la temperatura disminuye.[3] Igualmente

se usan en la producción de explosivos y nailon, así como en la elaboración de

fertilizantes o abonos nitrogenados. El amoniaco, también se usa como

reductor sobre muchos óxidos cuando se hace pasar gas sobre ellos a altas

temperaturas.[32,34]

2.1.5 Aspectos generales de los fertilizantes

Definición: En general, los fertilizantes se refieren a productos que

aumentan la fertilidad de los suelos al proporcionar a las plantas las principales

sustancias o mezclas químicas naturales o sintéticas, utilizadas para

enriquecer el suelo y favorecer el crecimiento vegetal.[25,36]

Estado físico de los fertilizantes: El estado físico en que se presenta un

abono puede ser: sólido, líquido y gaseoso, este juega un papel importante en

las condiciones de utilización y la eficacia del abono ya que tanto la

homogeneidad de la distribución como su integración más o menos completa

en el suelo van a depender de dicha presentación.[36]

Los abonos sólidos son los de mayor uso y suelen presentarse en las

siguientes formas:

1) Abonos en polvo: Con grado de finura variable según el tipo de

fertilizante. Normalmente no son aconsejables, ya que su manejo resulta

molesto, entorpecen el funcionamiento de las máquinas y sufren pérdidas en la

manipulación. Sin embargo, esta forma puede ser apropiada cuando la

solubilidad en agua es escasa o nula y resulta idónea en los casos en los que

el abono se mezcla íntimamente con el suelo.[36]

2) Abonos granulados: Aquéllos en los que al menos el 90 % de las

partículas presentan un tamaño de (1-4) mm, esta presentación permite un

manejo más cómodo, un mejor funcionamiento de las abonadoras, una

dosificación más exacta y una distribución sobre el terreno más uniforme.[36]

3) Abonos cristalinos: Que facilitan la manipulación y distribución.[36]



4) Abonos perlados: Se obtiene mediante el sistema de pulverización en

una torre de gran altura, transformándose en esferas de tamaño muy uniforme,

al solidificarse las gotas durante la caída.[36]

5) Abonos macrogranulados: Constituidos por grandes gránulos de (1-3)

cm de diámetro e incluso mayores, de liberación progresiva de los elementos

nutritivos.[36]

Dentro de los fertilizantes líquidos, los tipos más característicos son los

siguientes:

1) Suspensiones: Gracias a la utilización de arcillas dispersas en el agua

pueden mantenerse soluciones sobresaturadas de alguna sal (generalmente

cloruro potásico) para alcanzar concentraciones totales elevadas en forma

líquida. Para mantener las suspensiones se requiere una agitación

periódica.[36]

2) Soluciones con presión: Soluciones acuosas de nitrógeno en las que

participa como componente el amoníaco anhidro con concentración superior a

la que se mantiene en equilibrio con la presión atmosférica. Para su aplicación

se requieren equipos especiales que soporten la presión adecuada.[36]

3) Soluciones normales o claras sin presión: Soluciones acuosas que

contienen uno o varios elementos nutritivos disueltos en agua.[36]

Los abonos líquidos ofrecen las siguientes ventajas respecto a los

sólidos:

1) Su manejo es totalmente mecanizable.

2) Se alcanza un gran rendimiento en la aplicación.

3) Se consigue una gran uniformidad en la distribución sobre el

terreno.

Entre los abonos gaseosos únicamente se emplea el amoníaco anhidro,

que es un gas a la temperatura y presión normal. Para que pase ha estado

líquido y facilitar el almacenaje y el transporte se comprime y vuelve a

transformarse en gas cuando se inyecta en el suelo.[36]



Propiedades químicas y físicas de los fertilizantes: Estás determinan

tanto su comportamiento en el suelo, como su manipulación y conservación;

entre las que se destacan:

1) Solubilidad: La solubilidad en agua o en determinados reactivos es

determinante sobre el contenido o riqueza de cada elemento nutritivo en un

fertilizante concreto.[36]

2) Reacción del fertilizante sobre el pH del suelo: Viene determinada por

el índice de acidez o basicidad del fertilizante, que se corresponde con la

cantidad de cal viva que es necesaria para equilibrar el incremento de acidez

del suelo (fertilizantes de reacción ácida) o producir un incremento de pH

equivalente (fertilizantes de reacción básica).[36]

3) Higroscopicidad: Capacidad de absorber agua de la atmósfera a partir

de un determinado grado de humedad de la misma. Esta absorción puede

provocar que una parte de las partículas se disuelvan con lo que se deshace la

estructura física del fertilizante. Generalmente, cuanto mayor es la solubilidad

del fertilizante en agua, mayor es su higroscopicidad.[36]

Los Abonos o fertilizantes pueden clasificarse en:

1) Fertilizantes orgánicos: Comprende aquellas sustancias derivadas de

productos vegetales o animales, que contienen cantidades variables de los

elementos nutritivos esenciales para las plantas, tales como: Estiércol vacuno,

Gallinazo, Estiércol de Chivo etc.[37]

2) Fertilizantes minerales o químicos: Son aquellos productos obtenidos

mediante procesos químicos, desarrollados a escala industrial, que tienen

cantidades mínimas de alguno de los elementos esenciales para las plantas.

En general son productos inorgánicos, si bien existen dentro de este grupo

algunos productos orgánicos obtenidos por síntesis (Urea). [37]

Los fertilizantes minerales o químicos, se dividen a su vez en fertilizantes

simples y fertilizantes compuestos, los primeros son aquellos que contienen

uno de los elementos mayores y los segundo son aquellos que contienen dos o

más de los elementos mayores. Entre los fertilizantes simples de uso común en

Venezuela se tiene la urea, sulfato de amonio, nitrato de amonio, cloruro de



potasio, sulfato de potasio, roca fosfática, sulfato de potasio y magnesio, nitrato

de calcio, entre otros. Y entre los fertilizantes compuestos se destacan el

fosfato diamónico, nitrato de potasio, 12-24-12 CP, 15-15-15 SP,

12-12-17/2 SP, 14-14-14 (S) CP, 12-12-17/2 Zinc CP, etc. Estas fórmulas se

obtienen mediante dos procesos tales como mezcla física de fertilizantes

simples para producir fertilizantes compuestos, en donde se pueden separar

los componentes que integran la mezcla o combinarse mediante

procedimientos químicos especiales para producir fertilizantes compuestos

granulados. [37]

3) Fertilizantes portadores de micronutrientes: Los microelementos

requieren una especial atención y cuidado porque existen límites muy

estrechos entre el exceso y la deficiencia, ya que, solo se necesitan en

pequeñas cantidades. Si se aplican dosis excesivas puede tener efectos

perjudiciales par los cultivos. Se pueden preparar fertilizantes mixtos especiales

que junto con la fórmula de N, P y K contengan microelementos para aquellos

suelos y cultivos en que se sepa hay deficiencia. También se emplean en

aspersiones foliares y en tratamiento de las semillas. Por ejemplo se tiene el

sulfato ferroso, sulfato de cobre, sulfato de zinc, sulfato de magnesio, bórax,

molibdato sódico, etc. [37]

4) Otros: Nitrato cálcico y magnésico, nitrato de sodio, cianamida cálcica

nitrada, sulfonitrato de amonio o nitrosulfato amónico, sulfonitrato de magnesio

o nitrosulfato magnésico, abonado nitrogenado con magnesio,

crotonilidendiurea, isobutilidendiurea, urea formaldehído, dolomita, azufre

elemental, abono nitrogenado que contiene crotonoilidendiurea, abono

nitrogenado que contiene isobutilidendiurea, abono nitrogenado que contiene

urea formaldehído, sulfato amónico con inhibidor de la nitrificación

(diciandiamida), nitrosulfato amónico con inhibidor de la nitrificación

(diciandiamida), sulfato amónico-urea, etc.[36,37]

En la Tabla 1, se resumen algunas características de los fertilizantes

más utilizados en diversos sectores.



Tabla 1. Características de los fertilizantes más usados

Fertilizante Riqueza % Reacción Solubilidad (g.l -1 a 20ºC)

Ácido fosfórico 75 % P2O5 - 52,0 Muy ácida Muy soluble Ácido nítrico 54 % N - 12,6 Muy ácida Muy soluble

Fosfato monoamónico

P2O5 - 61,0 N - 12

Ácida 380

Fosfato monopotásico

P2O5 - 53,0 K2O - 34,0

Básica 230

Nitrato amónico N - 33,5 Ácida 1970

Nitrato cálcico N - 15,5

CaO - 27,0 Básica 1260

Nitrato potásico K2O - 46,0 N - 13,0

Neutra 320

Sulfato amónico N - 21,0

SO3 - 60,0 Ácida 740

Sulfato magnésico SO3 - 32,5 MgO - 16,0

Ácida 360

Sulfato potásico K2O- 50,0 SO3 - 47,5

Ácida 120

Superfosfato simple P2O5 - 19,0 Ácida 20 Superfosfato triple P2O5 - 45,5 Ácida 40

Urea N- 45,0 Muy ácida 1060

Concentración de los fertilizantes: La riqueza de un abono suele

relacionarse con el contenido en elementos fertilizantes asimilables por las

plantas, para un determinado elemento, se expresa en tanto por ciento

fertilizantes de unidades.[36] En el caso de los fertilizantes simples, la riqueza

corresponde a la cantidad del único elemento nutritivo que contiene, expresada

en porcentaje. En los fertilizantes compuestos es necesario indicar la riqueza

de todos los elementos que entran a formar parte de su composición y en

particular de los tres elementos principales N, P y K. Para definir el fertilizante

compuesto basta indicar las tres cifras que corresponden a las riquezas de los

elementos precisamente en el orden N P K. Así un fertilizante 12-24-12

contiene 12 % de nitrógeno, 24 % de P2O5 y 12 % de K2O. Cuando este tiene,



además otros elementos se debe indicar este en la fórmula, por ejemplo:

8-24-16-2 Mg-0,2 B, contiene además 2% de MgO y 0,2 % de Boro. En la

mayoría de los países del mundo, el contenido de cada uno de los elementos

que determinan la riqueza garantizada de cada producto, se expresa de la

siguiente forma:

- N, para todas las formas de

nitrógeno.

- K2O, para todas las formas de

potasio.

- P2O5, para todas las formas de

fósforo.

- CaO, para todas las formas de

calcio.

- MgO, para todas las formas de

magnesio.

- SO3, para todas las formas de

azufre.

- Cl, para todas las formas de cloro. - B, para todas las formas de boro.

2.2 Antecedentes

Debido a la importancia que tienen el nitrato y amonio en el desarrollo

del medio ambiente, sus determinaciones cuantitativas en una variedad de

matrices no es un tema reciente. Los métodos reportados en la literatura

pueden ser clasificados en dos grupos: métodos clásicos y métodos

instrumentales.

En relación a los métodos clásicos estas especies son determinadas

utilizando medidas volumétricas. En este sentido, el amonio se determina

mediante la transformación en amoniaco, utilizando una base fuerte y posterior

destilación. El amoniaco liberado se recoge y se valora utilizando el método de

Kjeldahl. También el nitrato se determina utilizando este método pero involucra

una etapa previa de reducción con una aleación de devarda (50 % de Cu, 45 %

de Al, 5% Zn) o la aleación de Arnd (60 % de Cu, 40 % de Mg), para la

conversión a ión amonio.

El método de Kjeldahl se ha utilizado desde hace más de 100 años para

la determinación de nitrógeno en una amplia gama de muestras de alimentos

tales como, bebidas, cereales, carnes y otros materiales biológicos para el



cálculo de contenido de proteínas. También se utiliza para la determinación de

nitrógeno en aguas, suelos, fertilizantes y otras matrices.

El método se basa en:

1) La conversión de compuestos nitrogenados a bisulfato amónico por

adición de ácido sulfúrico concentrado en la digestión. Un ejemplo de los

cambios que ocurre es el siguiente:

2 CH3CH (NH2)-COOH + 14 H2SO4 → 2 NH4HSO4 + 16 H2O + 6 CO2 + 12 SO2

(alfa aminoácido)

2) La neutralización del ácido sulfúrico no combinado y del bisulfato

amónico y la alcalinización del medio para desalojar el amoniaco, con la adición

del hidróxido de sodio para la destilación:

H2SO4 + 2 NaOH → Na2SO4 + 2 H2O

NH4HSO4 + 2 NaOH → Na2SO4 + 2 H2O↑ + NH3↑

3) La destilación del amoniaco que al condensarse se combina con el

agua, formando hidróxido de amonio:

NH3 + H2O → NH4OH

4) La fijación del hidróxido de amonio por el ácido bórico, formando

borato de amonio:

2 NH4OH + H3BO3 → (NH4)2 HBO3 + 2 H2O

5) La titulación del borato de amonio con ácido clorhídrico en presencia

de un indicador con un intervalo de transición ácido, debido a la acidez que el

ión amonio presenta en el punto de equivalencia (por ejemplo 0,1 g de rojo de

metilo y 0,5 g de verde bromocresol, en 100 mL de alcohol etílico al 95 %). La

titulación termina cuando se observe un cambio de color de azul a ámbar:

(NH4)2 HBO3 + 2 HCl → 2 NH4Cl + H3BO3

Es un método oficial de análisis y descrito en múltiples normativas como

la Asociación Oficial de Químicos Analíticos (siglas en inglés AOAC). La



Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos US-EPA

(U.S. Environmental Protection Agency, EPA por sus siglas en inglés),

Organización Internacional para la Estandarización (International Organization

for Standardization, (siglas en inglés ISO), entre otras para la determinación de

nitrógeno en diversas matrices incluyendo fertilizantes.[17,38] Uno de los métodos

estándar utilizados en Venezuela para hacer la determinación del nitrógeno

nítrico y amoniacal en fertilizantes, esta descrito en la norma venezolana

COVENIN 1140-77.[39]

En cuanto a la determinación de nitrato y amonio utilizando métodos

instrumentales, la información encontrada en la literatura especializada, es muy

extensa y las diversas propuestas metodológicas se han aplicado para el

análisis en muestras de alimentos, agua, material biológico, suelos, entre otros.

Los métodos analíticos desarrollados para la determinación de estos analitos

juntos o por separado en una matriz determinada, involucran técnicas como

electroquímicas; amperometría, voltametría y potenciometría;[40−45]

espectroscópicos; ultravioleta-visible,[46,47] quimioluminiscencia y fluorescencia

molecular,[31,48−50] infrarroja[51,52] y técnicas acopladas como electroforesis

capilar con detección UV,[53] cromatografía líquida de alta resolución (HPLC)

con detección por fluorescencia, quimioluminiscencia[48] y cromatografía de

gases con detección por espectrometría de masa.[54]

Debido a la relativa inercia que tiene el nitrato, para su determinación

algunas de las propuestas metodológicas utilizan al ión nitrito o al óxido de

nitrógeno como intermediario. En este sentido, para la conversión del nitrato a

la forma de nitrito se han propuesto diversos agentes reductores, tales como

zinc,[55] cadmio amalgamado,[56] soluciones de hidracina en presencia de cobre

como catalizador,[57]cadmio coperizado,[58] fotoinduccción,[59] y para la

conversión a óxido de nitrógeno se han propuesto el uso de Ti (III), V (III),

Mo (VI) + Fe (II) y Cr (III).[12] En cuanto al amonio, el intermediario utilizado en

algunos trabajos incluye una reacción en medio alcalino entre el ión amonio y el

hipoclorito para la generación de una fase gaseosa compuesta principalmente

por dicloroamina que posteriormente es convertida a óxido de nitrógeno. [60]Otro



intermediario es el amoníaco, que se forma a partir del ión amonio en

soluciones fuertemente alcalina.

De todas las técnicas mencionadas anteriormente, la mayoría de las

propuestas analíticas para determinar amonio y nitrato tienen su fundamento

en el uso de la espectroscopía de absorción molecular en el ultravioleta/visible

(EAM) y por lo general, se utiliza la reacción de Berthelot [15,21] y la reacción de

Griess [12,18−20] respectivamente.

En la reacción de Berthelot, el ión amonio se hace reaccionar con

hipoclorito y fenol o timol, en medio fuertemente alcalino y en algunos casos en

presencia de un catalizador, como nitroprusiato de sodio,[61] para formar el

indofenol o indotimol respectivamente que presentan un máximo de absorción

en la región del visible, entre (640 y 690) nm.[5,21,61]

La reacción de Griess se realiza en dos etapas (posterior a la reducción

del nitrato a la forma de nitrito) la primera, consiste en la diazotación de una

amina aromática primaria con el nitrito en medio ácido y la segunda

corresponde a una reacción de acoplamiento del diazocompuesto con un

compuesto fenólico o una amina aromática, para producir un compuesto

intensamente coloreado que tiene un máximo de absorción en la región del

visible. En el año 1961 Shinn V., propuso la utilización de la sulfanilamida

(SUL) como reactivo para la diazotación y el N-(1-naftil) etilenediamina (NED)

como reactivo de acoplamiento. Desde entonces, son muchos los métodos

desarrollados que utilizan esta reacción. De hecho, el método oficial para el

análisis de nitrito se fundamenta en su uso.[62] La cuantificación de las especies,

se lleva a cabo, midiendo inicialmente el contenido de nitrito en la muestra y

posterior a la reducción, se hace la determinación de nitrito total que

corresponde a la reducción de nitrato y del nitrito endógeno; y los niveles de

nitrato se determinan por diferencia de las dos señales.

Es importante mencionar que con el uso de (EAM) y la técnica

fluorescentes se han hecho desarrollos de métodos cinéticos catalíticos para la

determinación de nitratos vía reducción de nitrito, que ofrece una mejora en la

sensibilidad y por ende en los límites de detección necesarios cuando se

requieren determinaciones a niveles de trazas y ultratrazas.[19,63,64] En estas



propuestas la etapa previa de reducción del nitrato, en la mayoría de los casos

es realizada utilizando una columna de cadmio-coperizado.[12,14,20,27,58] Las

condiciones de la reducción están ajustadas de manera que el nitrato sea

convertido a nitrito con una eficiencia elevada, sin que continúe el proceso de

reducción a otras especies.

En general, la etapa de reducción y la mezcla de los diferentes reactivos,

ha sido adaptada a las técnicas de análisis por inyección en flujo (Siglas en

inglés FIA), lo cual permite que el proceso de reducción y la formación de

productos se desarrollen en línea. Además, esta condición ha permitido la

determinación secuencial de nitrato y nitrito en aguas y alimentos.[65−68] De igual

manera, los métodos desarrollados para la determinación de amonio, tienen su

fundamento en el uso de la técnica (FIA) y en términos generales, con el uso

de esta técnica las diferentes propuestas han permitido solventar los problemas

clásicos encontrados con el uso de procedimientos manuales, que incluyen

tiempos de análisis muy elevados, procedimientos tediosos de realizar,

consumo importante de reactivos y muestras así como baja reproducibilidad.

A pesar que el nitrato y el amonio se presentan juntos en una variedad

de matrices, son pocos los trabajos encontrados en la literatura donde se

efectúe la determinación de ambos por espectrometría. En algunas propuestas

incluyen la determinación secuencial o simultánea de ambos analitos o de las

tres formas de nitrógeno inorgánico (NO3-, NO2

- y NH4+) y se fundamentan en el

uso de técnicas acopladas como (FIA) conjuntamente con (EAM).[61, 68] En la

Figura 2, se observa una representación esquemática de un sistema típico

(FIA-EAM).

Las metodologías propuestas incluyen una etapa de reducción y

oxidación del nitrato y amonio respectivamente, para su conversión a nitrito en

un sistema en línea.

El nitrito resultante es determinado mediante la formación del

azocompuesto que se origina a partir del uso de (SUL) y (NED), el cual es

detectado por (EAM). Para la reducción del ión nitrato, utilizan una columna de

cadmio coperizado mientras que el ión amonio es oxidado con hipoclorito de

sodio en presencia de bromuro de potasio y en medio fuertemente alcalino



(NaOH). La respuesta instrumental para las tres especies, se origina por la

inyección de un volumen de muestra en una configuración que permite que tres

fracciones de estas sean dirigidas a tres puntos de confluencia distintos antes

de pasar por el detector. Una primera fracción es dirigida directamente a un

serpentín de reacción (SR) donde se produce el azocompuesto, una segunda

fracción de muestra es dirigida hacia otro (SR) donde se mezcla con cloruro de

potasio y EDTA, posteriormente pasa a la columna reductora y finalmente se

forma el azocompuesto; la otra fracción de la muestra se lleva a un tercer (SR)

de reacción y se produce la oxidación del amonio. La señal que se obtiene son

tres picos separados en el tiempo, el primero corresponde a la cantidad de

nitrito, el segundo corresponde a la concentración de nitrito y nitrato y un último

pico corresponde a los niveles de nitrito y amonio en la muestra

respectivamente. La separación de los picos queda determinada por los

tiempos de residencia de las distintas fracciones de muestras en las

configuraciones propuestas.

Figura 2. Diagrama esquemático de un sistema utilizado para la determinación de las tres

formas de nitrógeno inorgánico

Otros métodos de análisis por (EAM) que se han desarrollado para

determinar nitrato y amonio, tienen su fundamento en la conversión de los

analitos que inicialmente están en solución en una especie gaseosa, las cuales

son arrastradas por un gas inerte hacia una celda de flujo alineada en el

camino óptico del espectrofotómetro. La generación de especies gaseosas y

detección por espectroscopía de absorción molecular (por sus siglas en inglés



GPMAS) fue introducida por Syty y desarrollada por el laboratorio Crecer,[22]

para la determinación de aniones y cationes en solución. Los primeros trabajos

publicados para la determinación de amonio y nitrato por separado, utilizaron

un espectrofotómetro de absorción atómica. En estos trabajos, la fase gaseosa

generada es transportada a una celda ubicada en el espacio normalmente

ocupado por la llama del espectrofotómetro de absorción atómica. La señal de

absorbancia de los compuestos gaseosos se mide a la longitud de onda

seleccionada que generalmente corresponde al máximo de absorción de los

compuestos. Sin embargo, hoy día los desarrollos analíticos utilizan los

instrumentos de absorción molecular UV-Vis con sistemas de arreglos de

diodos o los espectrofotómetros convencionales conjuntamente con la técnica

(FIA), permitiendo que (GPMAS), sea más simple, confiable y rápida.

El acoplamiento (FIA-GPMAS), fue utilizado recientemente por algunos

autores[22] para la determinación de amonio en productos farmacéuticos y la

detección de amonio y nitrato en aguas fortalecidas con los analitos. En la

metodología propuesta, el amonio que inicialmente se encuentra presente en

una solución de la muestra y el producido a partir de la reducción del nitrato

mediante el uso de una columna de (Zn/Cu), reaccionan en un sistema en línea

con una solución que contiene hidróxido de sodio para formar amoniaco, el cual

finalmente es llevado a la celda de gases por un gas inerte y posteriormente se

mide la señal de absorbancia transitoria del amoniaco a una longitud de onda

de 194 nm. Para la cuantificación de las especies es necesario realizar dos

inyecciones de muestra. En una primera inyección, se determina el contenido

de amonio, mientras que en una segunda inyección, la muestra se dirige a un

sistema de reducción para la conversión de nitrato a amonio y posteriormente

reacciona con el hidróxido de sodio. La señal que se obtiene corresponde a la

contribución de nitrato y el amonio que inicialmente estaba en la muestra. El

contenido de nitrato se determina por diferencia de las dos señales obtenidas.

El amonio y nitrato también se han determinado utilizando la técnica FIA

con detección por quimioluminiscencia.[60,69−71] Aoki y colaboradores[60] proponen

la determinación sucesiva de las tres formas inorgánicas del nitrógeno,

tomando como base un desarrollo metodológico que en 1990[69] fue concebido



para la determinación de nitrito en aguas. Estas propuestas consisten en la

reducción de nitrato y nitrito a óxido nítrico y este posteriormente es arrastrado

por una corriente de un gas al recipiente de reacción donde se combina con

ozono para producir una especie electrónicamente excitada que emite luz

cuando vuelve a su estado fundamental. Entre los sistemas reductores que se

han utilizado para la conversión del nitrito destacan iones ioduro en medio

ligeramente ácido y para el nitrato hierro (II) y molibdato (II) o titanio (III) en

condiciones fuertemente ácidas. Estas propuestas se diferencian en las

cantidades de ácidos que se utilizan, estrategias para la separación de las

fases involucrada (líquida-gas), incorporando en las configuraciones

propuestas membranas de poly tetrafluoretileno (PTFE) permeable al óxido de

nitrógeno (NO), diferentes gases de arrastre y diferentes condiciones de

acidez.

2.3 Hipótesis

Si se tiene en consideración las siguientes premisas:

1) La generación de especies gaseosas, constituye una herramienta muy

valiosa ya que el analito es separado de la matriz de la muestra antes

de la lectura de absorción, disminuyendo de manera importante posibles

interferencias químicas y espectrales.

2) El ión amonio puede ser convertido a amoniaco en medio fuertemente

básico.

3) Existen sustancias capaces de reducir al ión nitrato a amonio, como una

mezcla de Zn/Cu.

4) El amoniaco es una molécula que tiene una banda de absorción en la

región del ultravioleta cercano.

5) Los fertilizantes nitrogenados contienen altas concentraciones de nitrato

y amonio.

6) El nitrógeno es un gas que no absorbe en la región de absorción del

amoniaco.



Por tanto, se podría poner a punto una metodología para la

determinación de nitrato y amonio, basada en el acoplamiento de la técnica

análisis por inyección en flujo, generación de una fase gaseosa (NH3) con la

espectroscopia de absorción molecular UV-Visible.

2.4 Plan de trabajo

Revisión bibliográfica sobre el tema.

Estudios preliminares:

- Adiestramiento en el uso y manejo de los equipos a utilizar.

- Estudio del comportamiento de absorción de los reactivos y el amoniaco.

Determinación de amonio:

Optimización de parámetros físicos y químicos asociados al sistema de

análisis por inyección en flujo para la determinación de amonio.

- Estudio de diversas configuraciones del sistema sobre la señal de

amoniaco.

- Efecto de la concentración de hidróxido de sodio sobre la respuesta

instrumental.

- Efecto de los caudales de la solución portadora y del hidróxido de sodio

sobre la señal analítica.

- Efecto de los diámetros y longitud de los serpentines (R1 y R2) en la señal

analítica.

- Efecto del flujo de nitrógeno sobre la señal analítica.

- Efecto del volumen de inyección sobre la señal analítica.

Caracterización analítica del sistema en la determinación de amonio.

Validación del método.

- Estudios de interferencia en la determinación de amonio.

- Estudios de recuperación en la determinación de amonio.



Determinación de nitrato:

Optimización de parámetros físicos asociados al sistema de análisis por

inyección en flujo para la determinación de nitrato.

- Efecto del diámetro y longitud de la columna reductora sobre la señal

analítica.

Caracterización analítica del sistema en la determinación de nitrato.

Validación del método.

- Estudios de interferencias en la determinación de nitrato.

- Estudios de recuperación en la determinación de nitrato.

Análisis de las muestras reales de fertilizantes.



CAPÍTULO III

MARCO METODOLÓGICO

3.1 Parte experimental

3.1.1 Instrumentación

Para la realización de este trabajo se utilizó la infraestructura disponible

en el Laboratorio de Espectroscopia Molecular. Una descripción general de la

instrumentación utilizada incluye:

Un espectrofotómetro de absorción molecular en el

ultravioleta / visible marca Perkin Elmer, modelo Lambda 20. Este instrumento

está equipado con dos fuentes de radiación (lámpara de hidrógeno y otra de

tungsteno); y un fotomultiplicador como dispositivo de detección.

Una celda para gases con geometría cilíndrica de 2 cm de diámetro y

10 cm de longitud, equipada con ventanas de cuarzo.

Una unidad de inyección marca Perkin Elmer, modelo FIAS 300 que

incorpora dos bombas peristáltica (P1 y P2) de ocho rodillos y cuatro canales

totalmente independientes, que utiliza tuberías de tygon para el transporte de

muestras y reactivos. Esta unidad incluye un automuestreador AS 91 con

capacidad para 150 muestras.

Un computador personal para el control del espectrofotómetro y la

unidad de inyección, a través de dos programas: Winlambda y PFIAS de

Perkin Elmer.



3.1.2 Reactivos

Todos los reactivos utilizados fueron de grado analítico, sus

características se reportan en la Tabla 2. Las soluciones utilizadas fueron

preparadas con agua de alta pureza de 18 Ω (ohms) cm-1 de resistividad,

suministrada por un sistema Milli-Q-TOC de Millipore.

Se prepararon por separado, soluciones patrón de amonio y nitrato de

(5,556 y 1,613) x 10-2 mol.L-1 a partir de cloruro de amonio y nitrato de sodio.

Los reactivos fueron previamente secados en una estufa durante dos horas a

una temperatura de 110 °C. Se pesaron 1,4921 g de NH4Cl y 0,6924 g de

NaNO3 los cuales fueron disueltos y llevados a un volumen final de 500 mL con

agua. Las soluciones estándar de trabajo se prepararon en balones de 100 mL

por dilución de un volumen apropiado de la solución patrón en agua destilada.

Se preparó una solución de sulfato de cobre 5 % (p/v) disolviendo

5,0029 g del reactivo en agua y llevado a un volumen final de 100 mL.

Se preparó una solución de ácido clorhídrico 5 mol.L-1, por dilución

adecuada del reactivo concentrado.

Se prepararon cinco soluciones de hidróxido de sodio con diferentes

concentraciones del reactivo (1.5, 3, 5, 10 y 13) mol.L-1.

Tabla 2. Características de los reactivos utilizados

Reactivo Pureza (% p/p) Casa comercial Hidróxido de sodio 99 Riedel-de Haën Cloruro de amonio 99,6 J.T. Baker

Nitrato de sodio 99 MERCK Sulfato de cobre 99,9 MERCK Ácido clorhídrico 37 Riedel-de Haën

Zinc granular Tamaño de las partículas

(0,8 a 2) mm 100 J.T. Baker

3.1.3 Preparación de la columna reductora

La columna de reducción de zinc “cuprificado” fue preparada siguiendo

un procedimiento descrito por Haghighi.[22]



- Se corta un tubo de teflón de 17 cm de longitud por 2 mm de diámetro

interno.

- Se introducen partículas de zinc en el interior del tubo con tamaños menores

a 2 mm.

- Se tapan los extremos del tubo con fibra de vidrio.

- Se lava la columna rellena de zinc con agua por un minuto y posteriormente

con ácido clorhídrico 5 mol.L-1, luego se le hace pasar agua nuevamente por

dos minutos, utilizando un sistema de flujo continuo.

- Se hace pasar a través de la columna una solución de sulfato de cobre al

5 % (p/v), por un tiempo de un minuto o hasta que se observe la formación de

un precipitado de color negro. Aquí se da lugar a la formación de cobre

metálico tal y como se describe en la siguiente reacción:

ductorAgenteCuSOZnZnSOCu

VEZnCuZnCuVEeZnZnVECueCu

Re

1037,17518,023419,02

04

204

2

2002

20

02

+→+

−=°+→+

−=°+→

−=°→+

=+=+

++

−+

−+

Ec. (1)

- Finalmente se lava la columna con agua por dos minutos para remover el

exceso de cobre.

3.1.4 Activación de la columna

Se inyecta tres veces una solución de 4,03 x 10-3 mol NO3- L-1, luego se

limpia la columna con abundante agua y se hacen las inyecciones de las

soluciones de nitrato hasta obtener una señal reproducible.

3.1.5 Regeneración de la columna

La columna de reducción Zn/Cu fue regenerada lavando con abundante

agua y posteriormente con la solución de sulfato de cobre, como se indicó

anteriormente.



3.1.6 Preparación de las muestras de fertilizantes

Las muestras de fertilizantes utilizadas en este trabajo fueron adquiridas

en expendidos de productos agrícolas de la ciudad de Mérida. Estas muestras

representan las diversas marcas de fertilizantes que se comercializan para la

producción del campo en la región Andina de Venezuela.

Con los valores de nitrógeno reportados en las etiquetas de los

productos, inicialmente se determinó el contenido de nitrato y amonio en cada

uno de los fertilizantes. Una vez que se calculan los porcentajes tanto de

amonio como de nitrato, se pesaron entre 0,10 y 0,25 gramos, para el caso del

amonio y entre 0,03 y 0,12 gramos, para el caso del nitrato aproximadamente,

para cada una de las muestras descritas en la Tabla 3, las muestra pesadas se

disolvieron en agua y se llevaron a un volumen final de 100 mL.

Todas las soluciones utilizadas fueron previamente desgasificadas

antes de ser introducidas en forma directa al sistema en flujo para su

correspondiente análisis.

Tabla 3. Muestras de fertilizantes nitrogenados sintéticos inorgánicos

Muestra Composición según el fabricante

1 13 % nitrógeno total

8 % nitrógeno amoniacal (NH4+- N)

5 % nitrógeno nítrico (NO3-- N)

2 33,5 % nitrógeno total

16,8 % nitrógeno amoniacal (NH4+- N)

16,7 % nitrógeno nítrico (NO3-- N)

3 26 % nitrógeno total



4 13 % nitrógeno nítrico

Hecho en Israel (polvo)

5

13 % nitrógeno total 13 % nitrógeno nítrico (NO3

-- N) 46 % K2O

38 % K perlado

6 33,5 % nitrógeno total





3.2 Metodología propuesta

3.2.1 Procedimiento general

El sistema AIF-GFG-EAM-UV-Vis, propuesto en este trabajo involucra

varias etapas:

1) Establecimiento del background del sistema.

2) Introducción de la muestra.

3) Conversión del nitrato o amonio en amoniaco.

4) Transporte de la fase gaseosa a la celda para gases.

5) Registro de la señal analítica y procesamiento de datos.

La Figura 3, muestra el diagrama esquemático propuesto para la

realización de este trabajo. Consta de dos bombas peristálticas de cuatro

canales (P1 y P2) que propulsan los flujos correspondientes de la muestra (M)

y soluciones de hidróxido de sodio a diferentes concentraciones (C1 y C2) una

válvula de inyección (VI), una columna reductora (SR), dos serpentines de

reacción (R1 y R2), una entrada de nitrógeno con su respectivo regulador de

flujo, un separador de fases gas-líquido y una celda para gases alineada al

camino óptico del espectrofotómetro UV-Visible el cual funge como detector en

el sistema. El diseño incorpora una válvula manual selectora de canales (VS)

que permite la introducción de la muestra y reactivos por las rutas indicadas

como a o b en la Figura 3.

Al comienzo de cada sesión de trabajo se establece el background del

sistema colocando agua destilada por el canal de la muestra (M) y soluciones

de hidróxido de sodio por el canal (C1 y C2) a temperatura ambiente, como se

indica en la Figura 3, bajo las condiciones de trabajo que se especifican en la

Tabla 4. A continuación, se ponen en funcionamiento: Las bombas, el

espectrofotómetro, así como el sistema surtidor de nitrógeno. La bomba (P1)

permanece encendida durante todo el análisis, propulsando un flujo constante

de soluciones de hidróxido de sodio, mientras que la bomba (P2) se activa solo

para llenar el loop de la muestra. Bajo estas condiciones se introducen al



sistema las diversas soluciones por las rutas a o b y se obtiene de esta manera

el background y el fiagrama correspondiente al blanco del sistema.

A continuación se coloca la muestra o soluciones estándar que

contienen amonio en el canal (M), se gira la válvula de inyección (VI) a la

posición de carga y a través de la válvula selectora (VS), se da paso a las

soluciones por la ruta a indicada en la Figura 3. En una primera instancia el

contenido de muestra en el loop se inserta en la corriente de (C1), el cual se

mezcla en línea con el hidróxido de sodio proveniente del canal (C2), en el

serpentín (R1). En este punto, se produce o tiene lugar la formación del

amoniaco a partir del cloruro de amonio, tal y como se describe en la siguiente

ecuación química:

NH4Cl (ac) + NaOH (ac) → NH3 (g) + NaCl (ac) + H2O (l) Ec. (2)

Posteriormente, en su camino hacia el detector, la mezcla gas-líquido es

transportada por una corriente de nitrógeno a un segundo serpentín (R2),

donde se produce la separación parcial de las dos fases y luego a un

separador gas-líquido para una separación definitiva. En esta etapa, la fase

líquida es conducida al drenaje y la fase gaseosa es transportada por el gas de

arrastre (N2) al interior de una celda para gases alineada al camino óptico del

espectrómetro UV-Visible y se obtiene la correspondiente señal analítica a una

longitud de onda de 197 nm.

La salida de la celda de gases se encuentra conectada a una trampa

que contiene una solución ácida con el fin de retener el amoniaco generado

mediante su conversión a ión amonio. Esta reacción puede ser descrita como:

NH3 (g) + HCl (ac) → NH4Cl (ac) Ec. (3)

A continuación, se cambia la válvula selectora (VS) para permitir el paso

de las muestras o estándares que contienen nitrato por la ruta b (Figura 3),

hacia una columna reductora (SR) que permite la conversión del nitrato a la

forma de amonio. En la columna se produce la reacción entre el nitrato y el

cobre depositado en la superficie de las partículas de zinc. Esta reacción puede

ser descrita como se muestra en la Ecuación 4.



Posteriormente, el amonio procedente de la reducción del nitrato y el

amonio que originalmente se encuentra en la muestra, son mezclados como

fue descrito anteriormente con el hidróxido de sodio. La señal de absorbancia

del amoniaco que corresponde a la conversión del nitrato se determina por

diferencia de las dos señales obtenidas.

( )

24

032

20432

4104724

1087

+−+−

−+

−+−−

++→++

+→⋅

+→++

CuOHNHCuNOOHeCuCu

OHNHeNOOH

Ec. (4)

Antes de la introducción al sistema de una nueva muestra (estándar), se

recomienda realizar una etapa de limpieza. Para ello se lava varias veces el

loop de inyección con agua destilada por 30 segundos, mientras circula

hidróxido de sodio por los canales (C1 y C2). Posteriormente, se carga el loop

con agua y se hace una inyección al sistema. La verificación de la calidad del

blanco se puede realizar en cualquier momento, mediante la obtención del

fiagrama del blanco entre la medida de dos muestras o estándares, durante el

ciclo de limpieza.

El criterio de medida seleccionado en el presente trabajo para la señal

instrumental fue la lectura de absorbancia en el máximo de absorción de la

señal analítica a una longitud de onda de 197 nm.

Figura 3. Representación esquemática del sistema AIF-GFG-EAM-UV-Vis. M: muestra, C1: canal portador C2: canal de NaOH, P1 y P2: bombas peristáltica, VI: válvula de inyección, VS: válvula selectora, SR: sistema reductor, R1: serpentín de reacción, R2: serpentín de mezcla, RF: regulador de flujo, SF: separador de fases, CG: celda para gases, TG: trampa de gases.



Tabla 4. Condiciones experimentales de operación del sistema AIF-GFG-EAM-UV-Vis

Parámetro Valor Seleccionado Concentración de hidróxido de

sodio (C1) 3 mol.L-1

Concentración de hidróxido de sodio (C2) 13 mol.L-1

Longitud del serpentín de reacción y de mezcla (R1 y R2) 40 cm

Diámetro interno del serpentín de reacción y de mezcla (R1 y R2) 0,5 mm

Revoluciones de la bomba (P1) 60 rpm Revoluciones de la bomba (P2) 120 rpm Flujo del hidróxido de sodio (C1) 1,4 mL.min-1

Flujo del hidróxido de sodio (C2) 0,8 mL.min-1

Flujo de muestra (M) 11,6 mL.min-1 Flujo de nitrógeno con una salida

en la bombona de 27 psi 56,7 mL.min-1

Loop de inyección 100 µL Longitud de la columna de Zn/Cu 17 cm

Longitud de onda 197 nm

3.3 Espectroscopía de Absorción Molecular en el Ultravioleta/Visible

La espectroscopía de absorción molecular en el ultravioleta y visible

involucra transiciones electrónicas desde el estado fundamental a un nivel

electrónico excitado, de los electrones externos o de valencia de una

molécula.[72]

La región del Ultravioleta abarca la región del espectro electromagnético

comprendida entre 10 y 350 nm. Sin embargo, desde el punto de vista

experimental es conveniente subdividirla en dos subregiones, a saber:

1) El Ultravioleta lejano o de vacío: Ocupa el intervalo comprendido entre

10 y 180 nm. Esta es una región muy difícil de trabajar desde el punto de vista

experimental, por la fuerte absorción que presentan muchos componentes

atmosféricos. Este hecho la descarta para su utilización en esta técnica

instrumental.[72]



2) El ultravioleta convencional: Abarca el intervalo de longitudes de onda

comprendido entre los 180 y 350 nm. Desde el punto de vista practico, es la

región útil del ultravioleta.[72]

Por su parte, el visible corresponde a una región del espectro

electromagnético, en la cual el ojo humano es sensible, está confinado al

intervalo que va desde los 350 hasta los 780 nm. Sobre la base de lo expuesto,

la espectroscopía de absorción molecular en el ultravioleta visible se encuentra

en la zona espectral acotada entre 180 y los 780 nm.[72]

A temperatura ambiente, la mayoría de las moléculas se encuentran en

el estado electrónico fundamental y más aún, también lo están en el estado

vibracional basal. Bajo estas condiciones, la absorción de un cuanto de

energía, involucra la excitación de algún electrón externo desde E0 hasta algún

estado electrónico excitado (E1*, E2

*, etc.), en un proceso que se puede resumir

en la siguiente ecuación:

M0 + hυ1 M1* o M0 + hυ1 M2

* Ec.(5)

Dependiendo de la energía (υ) del fotón que proporcione la fuente de

excitación.

La molécula excitada M1* o M2

* es inestable, por lo que tiende a liberar el

exceso de energía con rapidez para retornar al estado fundamental. Este

proceso puede llevarse a cabo mediante diversos mecanismos, que son de

mucho interés para los fundamentos de la luminiscencia molecular. Sin

embargo, este paso no es relevante dentro del proceso de la absorción

molecular, razón por la cual no se entrará en detalle sobre la misma.[38,72,73]

La gran cantidad de estados vibracionales y rotacionales asociados a

cada estado electrónico es lo que justifica que las bandas de absorción

molecular sean muy ensanchadas tal y como se aprecia en la Figura 4.



Estado Electrónico Excitado E*2υ=3

υ=2

υ=1

υ=0

υ=3

υ=1

υ=2

υ=0

υ=0

υ=1

υ=2

υ=3

E*1 Estado Electrónico Excitado

M0+h.υ2 M*2

Estado Electrónico Fundamental E0

ΔE0 2= h.υ2

ΔE0 1= h. υ1

M0+h.υ1 M*1

Figura 4. El proceso de la absorción molecular en el Ultravioleta-Visible

El primer punto que se plantea con real interés es establecer cuales son

los compuestos (orgánicos e inorgánicos) que presentan un comportamiento de

absorción.[72]

Todas las moléculas orgánicas absorben radiación ultravioleta y visible.

Sin embargo, desde el punto de vista práctico, solo algunas de ellas presentan

una absorción que se puede definir como “útil” en esta región.[72]

Las transiciones electrónicas de los electrones de valencia se resumen

en cuatro grandes grupos:

1) Transiciones σ σ* 2) Transiciones n σ* 3) Transiciones π π* 4) Transiciones n π*



Los dos primeros grupos (σ σ* y n σ*) no presentan ninguna

utilidad ya que la energía involucrada en estas transiciones es grande

(λ < 200 nm) y los coeficientes de excitación molar suelen ser bajos.[38,72,73]

Desde el punto de vista analítico, tan solo los dos últimos tipos de

transiciones (π π* y n π*) tienen utilidad en la espectroscopía de

absorción molecular en el ultravioleta-visible.[38,72,73]

Existen diversos iones, compuestos y complejos inorgánicos que

muestran un interesante comportamiento de absorción.[72,73] Entre ellos se tiene:

1) Absorción por aniones inorgánicos. 2) Absorción por iones de los metales de transición. 3) Absorción por iones lantánidos y actínidos. 4) Absorción por transferencia de carga.

En cuanto a la absorción por aniones inorgánicos, se puede decir que

varios aniones inorgánicos presentan picos de absorción “naturales” en el

Ultravioleta, como consecuencia de transiciones del tipo n π*. A continuación

en la Tabla 5 se ilustran algunos ejemplos.

Tabla 5. Absorción por aniones inorgánicos

Anión Longitud de onda El nitrato (NO3

-) λ = 201 y 301 nm El nitrito (NO2

-) λ = 209,280 y 360 nm El carbonato (CO3

=) λ = 217 y 301 nm

La azida λ = 230 nm

La repuesta instrumental que se sigue en la Espectroscopía de

Absorción Molecular en el Ultravioleta-Visible es la Absorción (A), la cual se

rige por la ley de Beer-Lambert.[38,72,73]

A = Log P0 / P= Є (λ) * b * c Ec. (6)

En donde P0 y P representan la potencia de la radiación incidente y

transmitida respectivamente. Є (λ) es el coeficiente de extinción molar que

depende de la naturaleza de la especie absorbente de la primera transición



electrónica involucrada de la longitud de onda. Los términos b y c corresponden

al paso óptico y a la concentración respectivamente.[72] Los componentes

básicos de un equipo de absorción molecular en el ultravioleta-visible son los

siguientes:

1) Fuente de Radiación 2) Selector de longitud de onda 3) Celda 4) Detector 5) Unidad de registro de la señal

La distribución de estos componentes se ilustra en el diagrama de

bloques que se presenta en la Figura 5.

P0 P

Figura 5. Diagrama de bloques de un instrumento básico para la Absorción Molecular en el

Ultravioleta-Visible

Fuente de radiación: Fuentes para la región espectral del Ultravioleta-Visible.

Selector de λ: Monocromador

Celdas: De plástico, vidrio y de cuarzo

Detector: Fotomultiplicador

Unidad de registro: Registrador, PC, etc.

La instrumentación comercial se divide a su vez en instrumentos de un

solo haz y equipos de doble haz.[38,72,73]

En cuanto a las aplicaciones de la espectroscopía de absorción

molecular se pueden agrupar en: Análisis Cualitativo y Análisis

Cuantitativo.[38,72,73]

En el análisis cualitativo, el espectro de absorción se caracteriza por

tener muy pocas bandas y ensanchadas, además de una estructura fina muy

Selector de λ Detector RCelda +



pobre. Esto sugiere que la información que proporciona con fines de

identificación es bastante limitada. En ese sentido, son pocas las aplicaciones

de esta técnica instrumental dentro del análisis cualitativo.[72,73] A continuación

se indican algunas consideraciones al respecto:

1) Hay que tener cuidado con las zonas de transparencia y las bandas

de absorción del solvente.[72,73]

2) Los solventes (por su polaridad) pueden causar desplazamientos en

las bandas del cromóforo de interés (efecto batocrómico e hipsocrómico). Los

picos asociados a transiciones (n π*) se desplazan generalmente, hacia

longitudes de onda más cortas (un desplazamiento hacia el azul) a medida que

aumenta la polaridad del disolvente. Este efecto se conoce como efecto hipsocrómico. En los sistemas en que son posibles transiciones (π π*),

el estado excitado es más polar que el estado basal; como resultado de esto, la

transición (π π*), ocurrirá a mayores longitudes de onda en solventes

polares que en solventes no polares. Este desplazamiento hacia el rojo del

espectro visible, se conoce como efecto batocrómico.[72,73]

3) El espectro puede ser útil para la verificación de la presencia o

ausencia de grupos funcionales.[72,73]

4) Determinación de la presencia de impurezas en un solvente

particular.[72,73]

Siguiendo en este mismo orden de ideas, se puede decir, que en

contraste con lo planteado en líneas anteriores, son múltiples las aplicaciones

que presenta la espectroscopía de absorción molecular UV-Visible, en el

campo del análisis cuantitativo, dicho método ha recibido gran

aceptación,[39,72,73] debido entre otras, a las siguientes razones:

1) Amplio campo de aplicación: Como ya se ha mencionado, las técnicas

espectroscópicas UV-VIS., son ampliamente empleadas, ya que son muchas

las especies que son activas en el Visible, y muchas más las que con un

tratamiento adecuado son capaces de formar especies coloreadas. Lo mismo

puede decirse de la espectroscopía UV.[72,73]



2) Selectividad adecuada: Aunque no es muy común si es posible tener

interferencias en UV-Visible. Cuando esto ocurre, es posible emplear los

métodos para análisis de multicomponentes. Otra alternativa es aislar el analito

de la interferencia, o separar la interferencia misma.[72,73]

3) Buena Exactitud y Precisión: En estas técnicas espectroscópicas, es

normal tener errores relativos del 1 al 3 %, por lo cual, se puede considerar que

se tendrán resultados analíticos con un mínimo de incertidumbre si se procede

en la forma correcta.[72,73]

4) Facilidad y Conveniencia: Aunque existen instrumentos altamente

sofisticados acoplados a computadoras y con sistemas ópticos y electrónicos

de alta precisión, es posible obtener resultados muy aceptables para análisis

de rutina con instrumentos o espectrofotómetros de los más sencillos en el

mercado, a un costo muy accesible.[72,73]

En algunos casos la espectroscopia UV puede ser fundamental para el

estudio de ciertos problemas específicos. Por ejemplo, en la industria de los

cosméticos, tintes, colorantes, pinturas y fertilizantes. El estudio de los grupos

auxocromos y de su influencia en el desplazamiento de ciertos compuestos

químicos hacia la región visible hacen de esta técnica una de las de mayor

interés en ésta área.[38,73]

Desde el punto de vista del estudio de estereoquímica y de grupos

funcionales en una molécula orgánica, la espectroscopía ultravioleta-visible

compite con otras técnicas, sin embargo, su aplicación en la cuantificación de

sustancias que absorben radiación ultravioleta-visible la hacen una técnica

insustituible.[38,73]

Existe un gran número de métodos, para determinar sustancias que no

tienen un número suficiente de grupos cromóforos para que la banda de

absorción esté dentro del espectro visible; por ejemplo, ácidos orgánicos,

alcoholes, fenoles, aldehídos, cetonas, etc. Muchos de este tipo de compuestos

muestran al menos una banda de absorción en el UV cercano y tomando como

dato su longitud de onda de máxima absorbancia, se pueden cuantificar en la

misma forma en que se determina compuestos en espectroscopía visible. Estas



técnicas analíticas son de múltiples aplicaciones en bioquímica general y

bioquímica de alimentos, y esta es la razón de su importancia. En Química

Clínica también son muy utilizados los métodos de espectroscopía UV,

utilizando para ello equipos de análisis como los espectrofotómetros.[38,73]

3.4 Técnica de Análisis en Flujo y Generación de Fase Gaseosa en Línea

Los avances en química analítica actualmente se basan en tecnologías

complejas y en el uso de instrumentos sofisticados, cuyo precio de adquisición

y mantenimiento así como su difícil manejo las hacen inasequibles a una gran

parte de los científicos y de los laboratorios de control. Es por ello que se ha

tratado de desarrollar nuevas técnicas, surgiendo así el análisis por inyección

en flujo el cual constituye una reciente e importante innovación metodológica

en química analítica que se caracteriza por un fundamento simple, un utillaje

barato, un manejo sencillo y cómodo y una gran capacidad para lograr unos

resultados que son sorprendentes dadas sus características: rapidez, exactitud

y precisión. Su extremada versatilidad la distingue de la mayor parte de las

nuevas técnicas analíticas.[74]

Por una parte, puede adaptarse con sencillez a todo tipo de necesidades

sin cambios técnicamente complejos y por otra hay que resaltar lo fácil que es

para un investigador analítico intervenir directamente en su funcionamiento.

Lográndose una optimización del propio sistema técnico con el fin de controlar

las variables químicas. [38,72,73]

La denominación de esta nueva modalidad de métodos de análisis

continuo como “Análisis por Inyección en Flujo” fue propuesta en el primer

artículo publicado en 1975 por Ruzicka y Hansen. [75] La inclusión del termino

“inyección” en el nombre de la técnica responde más a un aspecto histórico que

actual,[74] ya que en los primeros sistemas de análisis por inyección en flujo

realizados en 1970 por Nagy, Free y Pungir, [76] describen el uso de una jeringa

hipodérmica para inyectar la muestra en un flujo de reactivo. El uso de válvulas

rotatorias que se ha dispuesto actualmente hace que se trate más de una

inserción que de inyección propiamente dicha. [74]



Si se tiene en cuenta la definición de “análisis” expuesta recientemente

por Pardue como “conjunto de etapas que van desde la planificación de la

estrategia para abordar el problema analítico hasta el tratamiento e

interpretación de los resultados”,[74] no es del todo correcto la inclusión de este

vocablo en el nombre de la nueva metodología, ya que esta no abarca todas

las etapas que configuran un método analítico.

En general el análisis por inyección en flujo se puede definir como una

técnica analítica basada en la manipulación de microfluidos de muestras y

reactivos. En estos sistemas las muestras son introducidas a través de una

válvula de inyección y transportadas por los canales de flujo junto con los

reactivos hasta el detector. Los primeros sistemas de (FIA) se diseñaron

utilizando la espectroscopia de absorción molecular UV/VIS, como forma de

detección. Sin embargo, con el pasar del tiempo, su uso se expandió de forma

exponencial, incorporando prácticamente a todas las técnicas espectroscópicas

de detección (fluorescencia, quimioluminiscencia, infrarrojo, etc.) e incluso a

numerosas técnicas electroquímicas.[77]

Tal y como se ha indicado el (FIA) es una modalidad del análisis de flujo

continuo (CFA), esta última se refiere a métodos continuos segmentados y son

los clásicos descritos por vez primera, por Skeggs en 1957,[74] los cuales

corresponden aquellos procesos analíticos en los que la concentración del

analito es medida sin interrumpir un flujo de líquido o gas. En la Figura 6, se

observa un sistema primario de dicha técnica.

Figura 6. Esquema básico sobre el sistema de análisis en flujo continuo



Las muestras se introducen de manera sucesiva y a intervalos regulares

de tiempo en un canal por el que fluye un líquido en el que se encuentra

disuelto el reactivo, o bien este es introducido posteriormente mediante canales

auxiliares que confluyen con el principal. Estas muestras son aspiradas

secuencialmente y entre ellas se sitúan burbujas de aire que (segmentan) el

flujo establecido, incluido un ciclo de lavado.[74]Dicho fluido pasa a través de

una cubeta de flujo que forma parte de un sistema de detección. Habitualmente

las burbujas de aire se eliminan antes de que lleguen al detector. El flujo de

salida se desprecia. La señal obtenida se recoge en un registrador y es de tipo

continuo. Cada muestra origina una señal transitoria en forma de curva, cuyas

características generalmente la altura máxima, se relacionan con el parámetro

determinado en cada muestra. La línea de base entre curvas corresponde al

tiempo en que no pasa ninguna muestra o de su producto de reacción por el

detector.[74]

La técnica (FIA) se trata en principio de un apartado de los métodos

automáticos de análisis, pero que presenta una diferencia importante en

relación con el conjunto de los mismos. Esta consiste en un diseño para el

análisis de muestras inyectadas manualmente que es la situación más

frecuente en (FIA). De ahí que sea normal hacer la distinción entre un método

(FIA) ordinario y un método automático (FIA). Esta concepción es una

característica importante de la nueva metodología que es inconcebible en los

métodos automáticos.[74]

Entre los rasgos esenciales del Análisis de Inyección en Flujo se

destacan los siguientes:

1) El flujo no esta segmentado por burbujas de aire, lo que constituye la

diferencia fundamental con los métodos clásicos de (CFA).[74]

2) La muestra líquida es inyectada o inserta directamente en el flujo en

lugar de ser aspirada en el mismo.[74]

3) Se realiza un transporte del trozo inyectado a través del sistema.

Puede también tener lugar un proceso físico-químico adicional al transporte

(reacción química, diálisis, extracción líquido-líquido etc.).[74]



4) La dispersión o dilución parcial del analito en este transporte puede

ser perfectamente manipulada mediante un control de las características

geométricas e hidrodinámicas del sistema. Se produce una mezcla incompleta

pero reproducible, que da lugar a un gradiente de concentración variable con el

tiempo a lo largo del sistema.[74]

5) Un sistema de detección continua proporciona una señal transitoria,

que es convenientemente registrada.[74]

6) En el momento de la detección de la señal no se ha alcanzado el

equilibrio físico (que se supondría la homogenización de una porción de flujo) ni

el equilibrio químico (reacción completa). Por ello las técnicas (FIA) pueden

considerarse dentro de los métodos cinéticos de análisis y en su modalidad de

medida a tiempo fijo.[74]

7) El tiempo de operación debe ser muy reproducible pues las medidas

se realizan en condiciones de no estabilidad y por tanto pequeñas variaciones

del mismo pueden producir graves alteraciones de los resultados.[74]

En cuanto a los elementos esenciales de un montaje (FIA) teniendo en

cuenta una versión primaria del mismo como se observa en la Figura 7. Consta

de las siguientes partes:

Figura 7. Esquema básico del sistema de análisis de inyección en flujo (FIA)

1) Una unidad de propulsión, que establece un flujo de caudal lo más

constante posible de una disolución (o de varias) que lleva disuelto un reactivo

o hace de simple portador. Puede ser una bomba peristáltica, un sistema de

presión gaseosa, o bien la simple fuerza de la gravedad.[74]



2) Un sistema de inyección, que permita insertar o introducir en el flujo

un volumen exactamente medido de la muestra con gran reproducibilidad de

operación y sin interrumpir el mismo.[74]

3) Una zona de tubo, que se llama comúnmente “reactor”, a veces

impropiamente y que es donde tiene lugar el transporte con o sin proceso

adicional. Puede ser un tubo recto, en forma de serpentín, relleno o no de

bolitas inertes, o bien tener una cámara de mezcla, un tubo relleno de material

inerte o activo químicamente (redox, cambio iónico, enzima inmovilizada,

etc.).[74]

4) Una celda de flujo incorporada a un instrumento de medida

(colorímetro, fotómetro, fluorímetro, potenciómetro, etc.), que traduce la señal

continúa a un registrador y un microprocesador. El flujo que sale del sistema se

desecha. A veces se pasa de nuevo por la bomba peristáltica para conseguir

mayor constancia en el caudal. Para que este esquema (FIA) observado en la

Figura 7, tenga categoría de automático, es preciso incorporar un sistema de

muestreo que consiste en un muestreador típico, un sistema de aspiración de

muestra (normalmente con el uso de la misma bomba peristáltica) y un sistema

de inyección controlado eléctricamente y que funcione coordinadamente con el

muestreador. Un microprocesador con una interfase activa permite con

facilidad programar esta operación.[74]

Una técnica muy selectiva que se ha utilizado bastante en análisis por

inyección en flujo es la difusión de gases desde una corriente portadora en la

que hay un analito gaseoso hasta una corriente aceptora que contiene un

reactivo que permite su determinación. Las separaciones tienen lugar en un

módulo especial. Sin embargo, en esta aplicación la membrana suele ser de un

material hidrofóbico microporoso, como Teflón o polipropileno.[78]

Es importante insistir que en los métodos (FIA) ningún tipo de

separación llega a ser completa, pero esto no tiene importancia, porque los

patrones y las muestras se tratan exactamente igual. Cómo ya se ha señalado

antes, en los instrumentos automáticos los intervalos de tiempo son tan

reproducibles que aunque se trabaje con separaciones incompletas, no hay



pérdida en la precisión y exactitud, como sucede en el caso de operaciones

manuales.[74]

La técnica de (FIA) provee un medio simple de automatizar una gran

cantidad de procedimientos analíticos por vía húmeda y algunas de sus

principales ventajas [78]reconocidas son:

1) Alta productividad de 60 a 200 muestras analizadas por hora.[79]

2) Bajo costo de operación y mantenimiento, el consumo de reactivos

químicos por muestra analizada esta en el orden de microgramos a uno o dos

miligramos (esto también representa baja contaminación ambiental). Así

mismo, el consumo de muestra es del orden de decenas a una centena de

microlitros.[79]

3) Una gran parte del mantenimiento del equipo (FIA) puede ser

realizado por el propio usuario.[79]

4) Es aplicable a las principales técnicas instrumentales de análisis

químico, tales como: Espectroscopía de absorción atómica, (ICP),

potenciometría, espectroscopia de absorción molecular, voltamperometría e

incluso (HPLC). En todos los casos la utilización de (FIA) incrementa la

productividad y reduce los costos de análisis de manera espectacular.[79]

5) La instrumentación necesaria puede ser ensamblada directamente a

partir de componentes relativamente poco costosos.[79]

En cuanto a los uso de (FIA), se puede decir que las técnicas de análisis

de inyección en flujo se han extendido ampliamente en el área de química

analítica en los últimos años. (FIA) permite realizar análisis rápidos, ya que la

muestra y el reactivo no deben ser mezclados homogéneamente y no se

necesita esperar mucho tiempo para que la reacción química ocurra, debido a

que la misma se desarrolla en sistemas en línea que permite hacer las

mediciones. (FIA) se puede utilizar para el análisis de un gran número de

muestras en un laboratorio de análisis; la eficacia y la eficiencia en el mismo,

puede ser aumentado mediante el uso de (FIA). Esto no es sólo porque los

análisis son automatizados, sino también porque la cantidad de reactivos



utilizados se verá considerablemente reducido en comparación con otras

técnicas.[80]

Los métodos fotométricos simples, están muy extendidos en el análisis

de agua y del medio ambiente, por lo tanto, no es sorprendente encontrar (FIA)

en los mismos, ya que esta técnica es utilizada ampliamente en este campo de

análisis, esta técnica (FIA) es acoplada en la práctica a detectores ópticos

como los espectrofotómetros UV/VIS o de Absorción Atómica, entre otros, para

la determinación de aniones y cationes y así desempeñar un papel importante.

Lo mismo se aplica a la industria agroquímica, donde grandes cantidades de

componentes inorgánicos deben ser analizados.[80]

Aunque hay una gran cantidad de publicaciones que describen el uso de

la (FIA) en análisis clínicos, en la práctica no es tan ampliamente utilizado. Esto

es sobre todo porque ya existe un uso generalizado del nivel de automatización

en este ámbito, aunque las técnicas son convenientes para (FIA).[80]

Un mayor uso de (FIA) se puede esperar en el análisis industrial en

general. Esta es usada para el análisis en el control de calidad y vigilancia en el

interior de las aguas residuales. Un uso importante de la técnica vendrá en la

vigilancia y el control de procesos. Las ventajas que se pueden ver aquí es que

ayuda al análisis de los datos disponibles de una manera rápida lo que significa

que puede hacer el análisis como un proceso, más o menos, se verifican los

datos de forma continua y se utilizará para controlar el proceso de inmediato.[80]

Para el análisis industrial, y de manera similar para el análisis de

productos farmacéuticos, existe un número cada vez mayor de los reglamentos

que significa una mayor necesidad de análisis continuo en el control de calidad

y control de procesos. Es por ello que en estas áreas, por sí solo, existe la

necesidad de una mayor automatización por lo que el uso de (FIA) es ideal.[80]

Análisis bioquímico y la biotecnología son otras áreas de crecimiento en

el uso de análisis por inyección en flujo. Debido a que esta área presenta una

alta tasa de crecimiento, una gran parte de análisis bioquímicos se realizan por

pruebas fotométricas simples. Estas pruebas son por lo general muy

adecuadas para la automatización de (FIA). Muchos de los compuestos, por



ejemplo, Fosfatos, nitratos y amonio, pueden ser fácilmente determinados

usando (FIA). Ya hay métodos preparados para el análisis bioquímico de las

moléculas más grandes. Como por ejemplo determinar la actividad enzimática

utilizando (FIA).Procesos de fermentación, incluso más que los procesos

químicos, requieren un complejo sistema de vigilancia para el control óptimo, a

menudo con muchos parámetros.

Los sistemas (FIA) son adecuados para optimizar el control de procesos

de fermentación con sus rápidos tiempos de respuesta y análisis de las tasas

altas. A menudo, en análisis bioquímicos, una matriz puede requerir una

considerable cantidad de muestras para analizar el sustrato que contiene. Sin

embargo utilizando técnicas (FIA) la preparación de la muestra puede ser

automatizada.[80]

Un problema importante en el análisis de los alimentos son muestras con

matrices complejas. Pero con la utilización de determinadas técnicas (FIA) (por

ejemplo, la difusión de gas, diálisis, etc.), estos problemas se pueden resolver

fácilmente.[80]

De manera muy general se puede decir que la técnica (FIA) es usada

con frecuencia en los últimos tiempos en diferentes áreas debido a las razones

antes expuestas, ya que con respecto a su aplicación, realmente no existen

límites. En principio, todos los procesos, todas las reacciones se pueden

desarrollar en línea: reacciones homogéneas, reacciones heterogéneas,

reacciones acido-base, de oxido-reducción, etc., procesos de extracción de

preconcentración, separación de fases, etc., la limitación esta en la imaginación

y en la disponibilidad de accesorios.[80]



CAPÍTULO IV

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

4.1 Estudios preliminares

Estudio del comportamiento de absorción de los reactivos y el amoniaco.

La formación de amoniaco a partir de soluciones de cloruro de amonio

puede llevarse a cabo en presencia hidróxido de sodio y a temperatura

ambiente, como fue descrito anteriormente a través de la Ecuación (1). En esta

reacción, es necesario utilizar una alta concentración de hidróxido de sodio

para garantizar la formación cuantitativa del amoniaco.

Con el objeto de conocer el comportamiento de absorción de los

reactivos involucrados, en la formación del amoniaco a partir de soluciones de

cloruro de amonio, las experiencias preliminares se llevaron a cabo utilizando

un sistema de flujo continuo (FC-GFG-EAM-UV-Vis) como el que se ilustra en

la Figura 8. Consiste básicamente en el ensamble descrito anteriormente

excepto que se elimina la válvula de inyección, la columna reductora y el canal

portador (C1). Las condiciones iniciales de operación de este sistema se

resumen en la Tabla 6 y las mismas fueron tomadas de la literatura.[22]

La obtención del espectro de absorción del amoniaco en un sistema

como el indicado en la Figura 8, implica el establecimiento del “background” del

sistema o señal de fondo (blanco). Para esto, se hace pasar agua por el canal

de la muestra (M) y una solución de hidróxido de sodio 13 mol.L-1 por el canal

(C2) previamente desgasificadas. A continuación, se ponen en funcionamiento

las bombas peristálticas (P1 y P2), el dispensador de nitrógeno y el

espectrofotómetro. En este sistema, ambas bombas permanecen encendidas

durante todo el análisis, propulsando un flujo constante de soluciones.



Seguidamente se da la orden instrumental para que el espectrofotómetro

realice una corrección de línea base con estas soluciones. Finalmente, se

reemplaza el agua por una solución de cloruro de amonio y se deja que esta

entre en contacto con el hidróxido de sodio en el serpentín (R1), donde se

produce la reacción para la formación del amoniaco. Posteriormente la mezcla

gas-líquida es dirigida mediante una corriente de nitrógeno a un segundo

serpentín (R2), el cual permite la separación parcial de la mezcla y de allí a un

separador de fases (SF), para que finalmente la fase gaseosa que contiene el

analito alcance la celda de gases. El tiempo requerido desde la introducción de

la muestra hasta emitir la orden instrumental para la adquisición del espectro,

fue estimado en unos 40 segundos.

Figura 8. Representación esquemática del sistema FC-GFG-EAM-UV-Vis. M: muestra, C2: canal de NaOH, P1 y P2: bombas peristáltica, R1: serpentín de reacción, R2: serpentín de mezcla, RF: regulador de flujo, SF: separador de fases, CG: celda para gases, TG: trampa de gases que contiene una solución de HCl.

Tabla 6. Condiciones experimentales de operación del sistema FC-GFG-EAM-UV-Vis

Parámetro Valor Seleccionado Concentración de amonio 1,389 x 10-2 mol.L-1

Concentración de hidróxido de sodio 13 mol.L-1 Velocidad de barrido 240 nm.min-1

Longitud del serpentín de reacción 40 cm Diámetro interno del serpentín de

reacción 0,5 mm

Revoluciones de la bomba (P1) 45 rpm Revoluciones de la bomba (P2) 60 rpm

Flujo del estándar de amonio (M) 1,1 mL.min-1

Flujo del hidróxido de sodio (C2) 0,8 mL.min-1

Flujo de Nitrógeno con una salida en la bombona de 27 psi 56,7 mL.min-1

Longitud de onda 197 nm



La Figura 9 muestra el espectro de absorción del amoniaco obtenido a

partir de la reacción entre el cloruro de amonio y el hidróxido de sodio (a) y de

una solución de 13 mol.L-1 de hidróxido de sodio (b). El amoniaco presenta un

espectro de absorción en la región comprendida entre 190 y 225 nm

respectivamente, caracterizado por ocho bandas cuyos máximos se ubican en

194, 197, 201, 205, 208, 212, 216 y 221 nm respectivamente. Por su parte, el

hidróxido de sodio no genera absorción en esta región espectral con lo cual

muestra una absoluta transparencia en esta zona donde absorbe el analito.

Con el objeto de estudiar la reproducibilidad del sistema continuo en la

adquisición del espectro de absorción, se tomaron cinco espectros de una

misma solución que contenía 1,389 x 10-2 mol.L-1 de amonio. Los resultados

obtenidos mostraron que a una longitud de onda de 194 nm, la absorbancia

varía aún cuando los espectros fueron tomados bajo las mismas condiciones

experimentales. Los resultados obtenidos en estas experiencias y tomando en

cuenta que los niveles de amonio y nitrato son elevados en la matriz de

estudio, se seleccionó 197 nm como la longitud de onda analítica más

adecuada en términos de reproducibilidad y sensibilidad para ser utilizada en el

sistema AIF-GFG-EAM-UV-Vis.

190 195 200 205 210 215 220 225

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

nm

194 197

201

205

208

212

216221(b)

(a)

A

Figura 9. Espectro de absorción molecular del amoniaco (NH3) obtenido por flujo continuo utilizando una solución de 11,111 x 10-2 mol NH4

+ L-1



4.2 Optimización del acoplamiento de sistema FIA-GFG-EAM-UV-Vis para la determinación de amonio

Inicialmente, se probaron diversas configuraciones que involucraban el

acoplamiento FIA-GFG-EAM-UV-Vis, con el objeto de obtener una señal

analítica, con tiempos de respuestas bajos, reproducible y con el menor

consumo de reactivo. En tal sentido, las mejores condiciones se obtuvieron con

el sistema propuesto en la Figura 3.

En esta sección de trabajo se optimizaron los diversos parámetros

experimentales del sistema FIA-GFG-EAM-UV-Vis, con el objeto de encontrar

las mejores condiciones de análisis para la determinación de nitrato y amonio.

En la configuración utilizada en este trabajo, el volumen de inyección de

muestra y la concentración de hidróxido de sodio son unos de los parámetros

instrumentales que se deben estudiar ya que influyen en la respuesta

instrumental. La generación de la especie gaseosa depende también de los

serpentines (R1 y R2). Es por ello la importancia de fijar los caudales de los

canales correspondientes al portador (C1) y al hidróxido de sodio (C2), así

como la longitud y diámetro interno de los serpentines.

Todos los parámetros fueron optimizados utilizando el método

univariado, es decir, variación de un parámetro a la vez. Sin embargo, tras

cada optimización se evaluó la validez de los parámetros previamente

seleccionados. Todas estas experiencias se llevaron a cabo utilizando una

solución de 1,389 x 10-2 mol NH4+ L-1 y utilizando la configuración propuesta en

la Figura 3 con la válvula selectora (VS) en una posición que permitiera el paso

del flujo de (C1) por la ruta a.

4.2.1 Efecto de la concentración de hidróxido de sodio sobre la respuesta

instrumental

Como se mencionó anteriormente la concentración de hidróxido de sodio

determina la cantidad de amoniaco que se forma en fase gaseosa, es por ello

que se realizó la variación de la concentración de este reactivo en los canales

(C1) y (C2) (Figura 3). Inicialmente se vario la concentración del reactivo que

fluye por el canal (C1) en un intervalo de concentración de 0 a 4 mol.L-1. Los



resultados encontrados se presentan en la Figura 10a. En esta se observa que

la señal del amoniaco crece en forma importante con la concentración de

hidróxido de sodio hasta una concentración de 1,5 mol.L-1 a partir del cual no se

observa una variación apreciable de la señal en el resto del intervalo. La

ausencia de señal cuando la concentración de hidróxido de sodio es cero indica

que se requiere una etapa previa de contacto de la solución estándar o muestra

con el reactivo antes de llegar al serpentín (R1). Sobre la base de estos

resultados, se seleccionó la concentración de hidróxido de sodio 3 mol.L-1 por

encontrarse en la zona media donde se observa poca variación de la señal

analítica, se minimiza un consumo importante de reactivo si se compara con el

punto extremo de la gráfica y además este valor coincide con el reportado por

otros autores.[22]

Seguidamente, se evaluó el comportamiento de la señal analítica con la

concentración del mismo reactivo que fluye por el canal (C2) en el intervalo

comprendido entre 1,5 y 13 mol.L-1. A diferencia de los resultados anteriores en

la Figura 10b, se observa que a concentraciones por debajo 5 mol.L-1 el

instrumento no tiene la capacidad de detectar la producción de amoniaco. Sin

embargo, por encima de esta concentración la cantidad de amoniaco que se

genera es importante y crece continuamente en el resto del intervalo. Se

seleccionó una concentración de 13 mol.L-1 del reactivo para el resto del

trabajo, con el objeto de asegurar un exceso estequiométrico de hidróxido de

sodio para todas las muestras y soluciones del calibrado y además ganar

sensibilidad en la respuesta instrumental a fin de ampliar la aplicación del

método a otras matrices cuyos niveles de concentración del analito pudieran

estar muy por debajo de los valores reportados en los fertilizantes.



Figura 10. a) Efecto de la concentración de hidróxido de sodio en el canal portador (C1), b)

Efecto de la concentración de hidróxido de sodio en el canal (C2) sobre la señal analítica de

una solución de 1,389 x 10-2 mol.L-1 de amonio

4.2.2 Efecto de los caudales de la solución portadora y del hidróxido de sodio

sobre la señal analítica

En la configuración del sistema propuesto, los caudales de las

soluciones de trabajo se controlan mediante la elección del tipo de tubería

(material del que esta hecho y su diámetro interno); así como por las

revoluciones por minutos con que trabajan las bombas. En este sentido, por

razones de disponibilidad, se utilizó tubería de tygon con diámetro interno de

0,762 mm y 0,504 mm para el canal (C1 y C2) respectivamente.

Adicionalmente, fue necesario el uso de una tercera bomba peristáltica para los

estudios de los caudales. El efecto de este parámetro en el canal (C1), sobre el

tiempo de análisis así como en la forma y altura del pico de absorción fue

estudiado en un intervalo entre 1,1 a 1,9 mL.min-1. La respuesta instrumental

observada de una solución de 1,389 x 10-2 mol.L-1 de amonio, con la variación

de este parámetro se muestra en la Figura 11a. En la misma se presenta dos

zonas. En la primera, la señal analítica muestra un ligero incremento con el

flujo hasta alcanzar un valor máximo, cuando el caudal es de 1,4 mL.min-1.

Finalmente, la señal disminuye para el resto del intervalo. Este último

comportamiento es lógico, ya que un aumento en el flujo disminuye el tiempo

de premezcla de la muestra y reactivo, antes de llegar al primer serpentín y

probablemente el tiempo de residencia en (R1); disminuyendo así la cantidad

de amoniaco que se forma. Por lo anterior, se seleccionó el flujo donde la señal

se hace máxima. Esto como un compromiso entre la sensibilidad y tiempo de

análisis.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 1 2 3 4 5[NaO H] mol L-1

A

00.2

0.40.6

0.81

0 1 2 3 4 50

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14[NaO H] mol L-1

A0

0.20.40.60.8

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 1314



Posteriormente, se estudió el comportamiento de la señal analítica de

una solución de 1,389 x 10-2 mol.L-1 de amonio, variando el caudal de (C2)

entre 0,48 y 1,1 mL.min-1. El resultado de este estudio se presenta en la Figura

11b y el mismo muestra que no se observa una ganancia importante de

sensibilidad con el cambio de esta variable en el intervalo estudiado. Se

seleccionó el valor de 0,8 mL.min-1 estableciendo un compromiso entre el

consumo de reactivos y tiempos de análisis.

Figura 11. a) Efecto del flujo de hidróxido de sodio del canal portador (C1), b) Efecto del flujo de

hidróxido de sodio del canal (C2) sobre la señal analítica de una solución de

1,389 x 10-2 mol.L-1 de amonio

4.2.3 Efecto del diámetro y longitud de los serpentines (R1 y R2) sobre la señal

analítica

El tiempo de contacto entre el hidróxido de sodio y la muestra o

soluciones estándar, así como el tiempo para permitir la separación previa de la

mezcla gaseosa del seno de la solución antes de llegar al separador de fase,

están también determinados por el diámetro interno y longitud de los

serpentines (R1 y R2). Estos parámetros determinan la cantidad de amoniaco

que llega a la celda. En este sentido y sobre la base de resultados reportados

por algunos autores,[22] estos parámetros se fijaron en 40 cm de longitud por

0,5 mm de diámetro interno.

4.2.4 Efecto del flujo de nitrógeno sobre la señal analítica

La función principal del nitrógeno en la configuración propuesta es

transportar el amoniaco generado a la celda para gases y obtener una señal

reproducible con sensibilidad adecuada y en un tiempo relativamente corto.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2Flujos del portador [NaO H] mL min-1

A

00.20.40.60.8

1

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.4 0.6 0.8 1 1.2

Flujos de [NaO H] mL min-1

A

00.20.40.60.8

1

0.4 0.6 0.8 1 1.2



Con el objeto de estudiar el comportamiento de la señal de amoniaco

con la velocidad de entrada del gas nitrógeno, éste parámetro se varió entre

21,5 y 115 mL.min-1 fijando una presión de salida del cilindro en 27 psi. Los

resultados de este estudio se muestran en la Figura 12, donde se observa que

la señal comienza en un valor mínimo, se va incrementando hasta alcanzar un

valor máximo para un flujo de 55,6 mL de N2 min-1, y posteriormente disminuye

hasta llegar a un valor de cero cuando el flujo es de 115 mL N2 min-1. El

incremento de la señal en la primera etapa con el aumento del flujo podría estar

relacionado con un incremento en la velocidad de transporte del analito y la

dilución de éste por parte del nitrógeno no es importante en esta región. Sin

embargo, con un flujo por encima de 55,6 mL N2 min-1 el efecto es contrario, la

dilución del analito por el gas de arrastre es más importante que la velocidad de

transporte lo que conlleva a tener una menor cantidad de moléculas de

amoniaco en el camino óptico del espectrofotómetro. Sobre la base de esta

experiencia se seleccionó el flujo de nitrógeno donde la señal alcanza un valor

máximo.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

15 35 55 75 95 115Flujo de N2 mL min-1

A

00.20.40.60.8

1

0 20 40 60 80 100 120

Figura 12. Efecto del flujo de nitrógeno, sobre la señal analítica de una solución de 1,389x10-2 mol.L-1 de amonio

4.2.5 Efecto del volumen de inyección sobre la señal analítica

Para este estudio se utilizaron una serie de bucles “loops”

intercambiables en la unidad de inyección con volúmenes entre 74,5 a 500 µL.



El efecto de la respuesta instrumental con la variación de este parámetro se

presenta en la Figura 13. En ella se observa que la señal se incrementa

continuamente con el aumento de este parámetro. Para volúmenes por debajo

de 100 µL no es posible observar la generación de la especie de interés. Se

seleccionó un volumen de inyección de 100 µL para el resto del trabajo ya que

con este valor la sensibilidad que se obtiene es adecuada y además se

requiere el uso de pequeñas cantidades de muestras en la determinación de

nitrato a fin de prolongar el tiempo de vida media de la columna reductora.

00.05

0.10.15

0.20.25

0.30.35

0.40.45

0.50.55

0 100 200 300 400 500 600

Volumen de inyección µL

A

00.40.81.21.6

2

0 100 200 300 400 500 600

Figura 13. Efecto del volumen de inyección, sobre la señal analítica de una solución de

1,389 x 10-2 mol.L-1 de amonio

4.3 Caracterización analítica del sistema FIA-GFG-EAM-UV-Vis para la determinación de amonio

Bajo las condiciones experimentales indicadas en la Tabla 4, la señal

analítica obtenida por el método propuesto mostró una relación lineal con la

concentración de amonio hasta 4,167 x 10-2 mol.L-1. En la Tabla 7, se resumen

las características analíticas obtenidas para la curva de calibración del

amoniaco a partir de soluciones de amonio. El límite de detección y

cuantificación fue definido como tres y diez veces la desviación estándar

(3 σ y 10 σ) de la señal del blanco, respectivamente. La precisión del sistema

expresada mediante la desviación estándar relativa, se obtuvo a partir de cinco

medidas independientes de una solución estándar de 1,389 x 10-2 mol.L-1 del

analito y una solución de la muestra con un contenido igual del mismo. La



frecuencia de análisis fue estimada en 10 muestras por hora, considerando un

análisis por triplicado de cada una.

Tabla 7. Caracterización analítica del sistema AIF-GFG-EAM-UV-Vis para el ión amonio

Parámetros analíticos Valor Ecuación de la recta A= 0,0190 [NH4

+]a - 0,0061 Coeficiente de correlación (r2) 0,9995

Intervalo lineal (0- 41.67) x 10-3 Intervalo dinámico (mol.L-1) (0,56 - 27,78) x 10-3

Limite de detección (mol.L-1)b 0,008 Limite de cuantificación

(mol.L-1)c 0,027

Desviación estándar relativa (%)d 0,58

a [amonio] indica la concentración de amonio en mol.L-1. b Definido como la concentración de amonio cuya señal corresponde a tres veces la desviación estándar del blanco. c Definido como la concentración de amonio cuya señal corresponde a diez veces la desviación estándar del blanco. d Obtenido de diez réplicas de una solución de 1,389x10-2 mol [NH4

+] L-1.

4.4 Estudios de efectos de matriz para el ión amonio

Con el objetivo de establecer la presencia o ausencia de interferencias

por parte de la matriz, se realizó un estudio de adición estándar en las que se

mantuvo el volumen de muestra y el volumen final constante, mientras se

adicionaron volúmenes variables de un estándar de amonio. Para ello se

prepararon una serie de soluciones a las que se les añadieron 10 mL de una

solución de muestra de fertilizante (se tomaron de manera aleatoria 5 muestras

de fertilizantes y se preparó una solución de cada una con una concentración

aproximada de 5 x 10-2 mol.L-1 y posteriormente se mezclaron. La mezcla

resultante se utilizó para tomar los 10 mL de muestra) y se adicionaron

volúmenes con cantidades conocidas y diferentes de una solución estándar de

5,556 x 10-2 mol NH4+ L-1.

En la Figura 14, se presentan de manera comparativa las curvas de

regresión lineal que se obtuvieron para la adición estándar y la de calibración

normal con estándares de amonio en medio acuoso. Al comparar las

pendientes obtenidas mediante los dos métodos utilizando una prueba t al

95 % de confianza (p = 0,005 y n-2 grados de libertad) los resultados



encontrados indican que no existen diferencias significativas entre las mismas,

y por ende se denota la ausencia de interferencias de tipo químico y físico.

Estos resultados establecen que la determinación de amonio en las diferentes

muestras de fertilizantes puede realizarse por interpolación de la señal obtenida

de una solución de muestra en una curva de calibración construida a partir de

soluciones estándar del analito en medio acuoso.

-0.1

00.1

0.2

0.3

0.40.5

0.6

0.7

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30

mol [NH4+] L-1

A

(10-3)

Figura 14. Estudios de adición de estándar para el ión amonio

Curva de Calibración A= 0,0190 [amonio]* - 0,0061 Curva de Adición Estándar A = 0,0192 [amonio]* + 0,1017

* mol [NH4+] L-1

4.5 Estudios de recuperación para el ión amonio

Para establecer la exactitud del procedimiento propuesto se realizaron

diversos estudios de recuperación. Para esta experiencia se utilizaron dos

muestras de fertilizantes (M2 y M6) tomadas al azar y se preparó una solución

de cada una de ellas; con una concentración de aproximadamente de

5,556 x 10-2 mol.L-1. Seguidamente se tomaron 10 mL de estas soluciones y se

colocaron en balones aforados de 100 mL, a los cuales se le adicionaron

volúmenes variables de una solución de concentración conocida de amonio

para obtener una concentración del analito añadido entre (5,56 y 27,78) x 10-3

mol.L-1. Los resultados obtenidos con esta experiencia se presentan en la

Tabla 8. En la última columna se observa que los porcentajes de recuperación

oscilan entre 98 - 103 % respectivamente. Estos resultados indican con



claridad que no existen pérdidas del analito durante la preparación y análisis de

las muestras.

Tabla 8. Estudio de recuperación para el ión amonio

Muestra [Amonio] (añadido) (mol.L-1)

10-3

[Amonio] (recuperado)

(mol.L-1) 10-3

[Amonio] (recuperado) -

[Amonio] (Inicial) (mol.L-1)

10-3

Recuperación(%)

2 0 5,39 ----- ----- 5,56 11,06 5,67 102 13,89 18,96 13,57 98 27,78 31,11 27,22 100

6 0 5,56 ----- ----- 5,56 11,21 5,66 102 13,89 19,62 14,06 101 27,78 34,03 28,47 103

4.6 Determinación de nitrato

Todos los parámetros que se optimizaron en la determinación de amonio

fueron utilizados para poner a punto la metodología en la determinación de

nitrato. Para este fin, en la configuración propuesta se activa la válvula

selectora para permitir el paso de la solución portadora y muestra por la ruta b

indicada en la Figura 3.

4.6.1 Efecto de la longitud de la columna reductora sobre la señal analítica

El parámetro a optimizar en la configuración propuesta es la longitud de

la columna reductora y por ende la cantidad de agente reductor. Para esta

experiencia se utilizó una solución de 4,03 x 10-3 mol.L-1 de nitrato y se varió la

longitud de una tubería de teflón entre 7,5 a 17 cm respectivamente con un

diámetro interno de 2 mm.

En la Figura 15, se muestran los resultados obtenidos de esta

experiencia. En la misma se observa como la señal analítica se incrementa con

la longitud de la tubería (que implica mayor cantidad de agente reductor). Para

una longitud de 17 cm, se observó que la señal analítica del nitrato es la misma

que se obtiene cuando se introduce al sistema una solución de amonio con

igual concentración. Esto significa que la reducción del nitrato a la forma de



amonio es 100 % cuantitativa. Sobre la base de esta experiencia se seleccionó

una longitud de 17 cm para la determinación de nitrato.

Es importante resaltar que el tiempo de vida útil de la columna reductora,

depende de la cantidad de materia oxidante que pasa a través de esta. En este

trabajo, la columna reductora comienza a evidenciar una pérdida de eficiencia

tras la inyección de aproximadamente 200 muestras. El deterioro se manifiesta

por una disminución en la señal analítica, así como por una pérdida en la

reproducibilidad de un 10 % de la medida.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

7 9 11 13 15 17 19

Longitud de la columna reductora [Zn/Cu] cm

A0

0,20,40,60,8

1

6 8 10 12 14 16 18 20

Figura 15. Efecto de la longitud de la columna reductora, sobre la señal analítica de una

solución de 4,03 x 10-3 mol NO3- L-1

4.7 Caracterización analítica para la determinación de nitrato

Bajo las condiciones experimentales indicadas en la Tabla 4, la señal

analítica obtenida por el método propuesto, mostró una relación lineal con la

concentración de nitrato hasta 1,613 x 10-2 mol.L-1. En la Tabla 9, se resumen

las características analíticas obtenidas para la curva de calibración del

amoniaco a partir de soluciones de nitrato, luego de pasarlas por la columna

reductora de Zn/Cu. El límite de detección y cuantificación fue definido como

tres y diez veces la desviación estándar (3 σ y 10 σ) de la señal del blanco,

respectivamente. La precisión del sistema, expresada mediante la desviación

estándar relativa, se obtuvo a partir de cinco medidas independientes de una

solución estándar de 4,03 x 10-3 mol NO3- L-1 y una solución de la muestra. La



frecuencia de análisis fue estimada en 10 muestras por hora, considerando un

análisis por triplicado de cada muestra.

Es importante destacar que el intervalo lineal del nitrato es

aproximadamente la mitad del correspondiente al amonio. La razón de esto se

debe a que por encima de 1,613 x 10-2 mol.L-1 de nitrato, la cantidad de Zn/Cu

que se encuentra en la columna de 17 cm, se hace insuficiente para hacer la

conversión del ión nitrato al amonio en un 100 %. Por lo tanto, para lograr una

conversión cuantitativa por encima de esta concentración habría que aumentar

la longitud de la columna con lo cual se crea un problema de sobrepresión en el

sistema, dificultando las determinaciones del analito en estudio.

Tabla 9. Caracterización analítica del sistema AIF-GFG-EAM-UV-Vis para el ión nitrato

Parámetros analíticos Valor Ecuación de la recta A= 0,0191 [NO3

-]a - 0,0021 Coeficiente de correlación (r2) 0,9998

Intervalo lineal (mol.L-1) (0 - 16,13) x 10-3

Intervalo dinámico (mol.L-1) (0,32 - 16,13) x 10-3 Limite de detección (mol.L-1)b 0,012

Limite de cuantificación (mol.L-1)c 0,041

Desviación estándar relativa (%)d 0,76

a [nitrato] indica la concentración de nitrato en mol.L-1. b Definido como la concentración de nitrato cuya señal corresponde a tres veces la desviación estándar del blanco. c Definido como la concentración de nitrato cuya señal corresponde a diez veces la desviación estándar del blanco. d Obtenido de diez réplicas de una solución de 4,03 x 10-3 mol [NO3

-] L-1.

4.8 Estudios de efectos de matriz en la determinación de nitrato

Al igual que en el caso del amonio se realizaron estudios de interferencia

para conocer la influencia de los componentes de la matriz en la formación del

amoniaco a partir del nitrato. Los estudios de interferencia que se han

reportado en la literatura para la determinación de nitrato utilizando columnas

de Zn/Cu, indican que algunas especies iónicas como S2-, Ca2+, Cd2+, entre

otros[22] disminuyen la eficiencia de ésta, obligando a una regeneración de la

misma en períodos de tiempo más cortos.



En este sentido, se realizó una curva de adición estándar en la

modalidad clásica de volumen de muestra y el volumen final constante,

mientras se adicionaron volúmenes variables de un estándar de nitrato. Para

ello se prepararon una serie de soluciones a las que se les añadieron 5 mL de

una solución de muestra de fertilizante, tal y como se hizo con el ión amonio

(se tomaron de manera aleatoria 5 muestras de fertilizantes y se preparó una

solución de 1,613 x 10-2 mol.L-1 de cada una de ellas y posteriormente se

mezclaron. La mezcla resultante se utilizó para tomar los 5 mL de muestra) y

se adicionaron volúmenes con cantidades conocidas y diferentes de una

solución estándar de 1,613 x 10-2 mol NO3- L-1.

En la Figura 16, se presentan de manera comparativa las curvas de

regresión lineal que se obtuvieron para la adición estándar y la de calibración

normal con estándares de nitrato en medio acuoso. Al comparar las pendientes

obtenidas mediante los dos métodos utilizando una prueba t al 95 % de

confianza (p = 0,005 y n-2 grados de libertad) los resultados encontrados

indican que no existen diferencias significativas entre las mismas, y por ende

se denota la ausencia de interferencias de tipo químico y físico en la

determinación de nitrato. Por lo tanto, la cuantificación de esta especie en las

diferentes muestras de fertilizantes puede realizarse por interpolación de la

señal obtenida de una solución de muestra en una curva de calibración

construida a partir de soluciones estándar del analito en medio acuoso.

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

mol [NO3-] L-1

A

(10-3)

Figura 16. Estudios de adición de estándar para el ión nitrato

Curva de Calibración A= 0,0191 [nitrato]* - 0,0021 Curva de Adición Estándar A= 0,019 [nitrato]* + 0,0109

* mol [NO3-] L-1



4.9 Estudios de recuperación para el ión nitrato

Para establecer inicialmente la exactitud del procedimiento propuesto en

la determinación del ión nitrato, se realizaron diversos estudios de

recuperación. Para esta experiencia, se utilizaron dos muestras de fertilizantes

tomadas al azar (M5 y M6), y se preparó una solución de cada una de ellas;

con una concentración de aproximadamente 1,613 x 10-2 mol.L-1.

Seguidamente se tomaron 10 mL de la solución correspondiente a (M5) y 5 mL

de la solución de (M6), dichas soluciones se colocaron en aforados de 100 mL,

a los cuales se le adicionaron volúmenes variables de una solución de

concentración conocida de nitrato para obtener una concentración del analito

añadido entre (0,81 y 8,06) x 10-3 mol.L-1. Los resultados obtenidos se resumen

en la Tabla 10 y en ellos se puede observar que en todos los casos el

porcentaje de recuperación fue cuantitativo 100 - 101 %. Estos resultados

indican con claridad que no existen pérdidas de los analitos durante la

preparación de las muestras y análisis de las mismas.

Tabla 10. Estudio de recuperación para el ión nitrato

Muestra [Nitrato]

(añadido) (mol.L-1)

10-3

[Nitrato] (recuperado)

(mol.L-1) 10-3

[Nitrato] (recuperado) -

[Nitrato](Inicial) (mol.L-1)

10-3

Recuperación(%)

5 0 0,81 ----- ----- 1,61 2,44 1,63 100 4,03 4,88 4,07 101 8,06 8,97 8,16 101

6 0 1,62 ----- ----- 0,81 2,44 0,82 101 1,61 3,25 1,63 101 4,03 5,65 4,03 100

5. Análisis de muestras reales

Se analizaron por el método propuesto seis muestras comerciales de

fertilizantes. Los resultados obtenidos para la determinación simultánea de

amonio y nitrato se resumen en la Tabla 11. El contenido de amonio y nitrato



osciló entre 9,88 ± 0,06 y 22,87 ± 0,07 % (p/p), y entre 22,02 ± 0,04 y

72,28 ± 0,04 % (p/p) respectivamente. En la Tabla 11 se puede observar que

los valores encontrados para la concentración de amonio y nitrato están en el

orden de magnitud del valor reportado en la etiqueta de los productos

comerciales. En este punto es importante destacar que en la etiqueta de los

productos se reporta es el porcentaje de nitrógeno total contenido en los

mismos tal y como se muestra en la Tabla 3, por lo que es necesario realizar

cálculos estequiométricos para obtener el porcentaje de nitrato y amonio que

contienen las muestras de fertilizante en estudio y los mismos se presentan en

la Tabla 11. Destacándose que en dichas etiquetas no se da ninguna

información relativa al método utilizado para el control de calidad de los mismos

ni la condición de la muestra en el momento de análisis. Por otra parte, la

exactitud del método propuesto fue evaluada inicialmente de forma satisfactoria

con base a los estudios de recuperación. La concordancia entre los resultados

obtenidos por vía de la curva de calibrado y la calibración por adición de

estándar representan una segunda evidencia de la validez del procedimiento

utilizado.

Tabla 11. Contenido de amonio y nitrato en fertilizantes.

MUESTRA

[NH4+]

Encontrado por este

método (a)

% (p/p)

[NH4+]

Reportado en la

etiqueta (b)

% (p/p)

[NO3-]

Encontrado por este

método (a)

% (p/p)

[NO3-]

Reportado en la

etiqueta (b)

% (p/p) M1 9,88 ± 0,06 10,29 22,02 ± 0,04 22,14 M2 20,74 ± 0,06 21,60 71,89 ± 0,05 73,96 M3 22,87 ± 0,07 23,79 33,74 ± 0,06 33,21 M4 ----- ----- 55,31± 0,05 57,57 M5 ----- ----- 56,79 ± 0,05 57,57 M6 21,58 ± 0,07 21,60 72,28 ± 0,04 73,96

(a) Media ± desviación estándar de tres determinaciones independientes obtenidas mediante el procedimiento propuesto. (b) Valor declarado en la etiqueta del producto.



CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

En el presente trabajo se desarrolló una metodología para la

determinación de nitrato y amonio en fertilizantes nitrogenados de origen

inorgánico. La metodología propuesta utiliza un sistema acoplado de análisis

por inyección en flujo con determinación espectrofotométrica y tiene por base la

reacción entre el cloruro de amonio con el hidróxido de sodio para generar el

amoniaco gaseoso. El método consiste en la inyección en dos etapas de

volúmenes de muestra en un sistema de flujo. En la primera se determina

amonio y en la segunda nitrato. Para este último el método incorpora en el

sistema una columna rellena con Zn/Cu.

Se encontró que con una columna de 17 cm de longitud y 2 mm de

diámetro interno rellena de Zn/Cu es posible la reducción en un cien por ciento

de los iones nitrato a amonio de una forma altamente reproducible y con una

eficiencia adecuada a través de un sistema en línea.

Los estudios realizados denotan marcadores analíticos de calidad

objetivos en términos de sensibilidad, precisión y exactitud, que compiten de

forma abierta con otras propuestas descritas en la literatura.

En relación a la robustez del método, es evidente que los parámetros

críticos del sistema son los caudales de la solución portadora y del hidróxido de

sodio 13 mol.L-1. Por tal motivo, es importante mantener un control estricto

sobre los flujos de las soluciones y el estado físico de las tuberías de tygon.

En cuanto a la columna reductora, se evaluó el tiempo de vida media de

esta mediante un control en el número de inyecciones de muestras y

estándares de nitrato y luego de 200 inyecciones se observó cambios

significativos de la respuesta instrumental. Por cuanto se estableció como

protocolo de trabajo la regeneración de la misma luego de estas inyecciones.

Las mayores ventajas del método propuesto se relacionan a la

frecuencia de análisis que es favorable frente a otros métodos



espectrofotométricos y a la selectividad que implica la separación del analito de

la matriz mediante la generación de una fase gaseosa, la cual elimina en una

proporción importante la presencia de potenciales interferentes.

En cuanto a los resultados obtenidos en el análisis de las muestras

reales de fertilizantes, se puede decir que los valores encontrados para la

concentración de amonio y nitrato están en el orden de magnitud del valor

reportado en la etiqueta de los productos comerciales. Al comparar los

resultados experimentales con los teóricos, se observa que los valores de

concentración obtenidos experimentalmente están por debajo de los

reportados, estas pequeñas diferencias se pueden atribuir al hecho de que no

se conoce el método utilizado para el control de calidad de los fertilizantes en

estudio, ni la condición de la muestra en el momento de análisis.

Con relación a los objetivos planteados en el trabajo, estos fueron

cumplidos en un cien por ciento. El método desarrollado permitió declarar

aceptada la hipótesis de estudio, ya que se aplicó a la determinación de nitrato

y amonio en fertilizantes inorgánicos nitrogenados que se comercializan en la

región de los Andes Venezolanos. Dicho método analítico representa una

alternativa viable y valida, que puede ser utilizado para el análisis de control

rutinario en este tipo de productos.

Una vez descritas las conclusiones del trabajo se recomienda la

realización de estudios posteriores dentro de esta línea de investigación en el

laboratorio de Espectroscopía Molecular, sugiriéndose la adaptación del

método al análisis de estas especies en otras matrices. Sin embargo, el

protocolo de trabajo a seguir estará fundamentalmente basado en el origen de

la muestra y los niveles de concentración de los analitos en las mismas.



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