Kjeldahl-metoden

Den Kjeldahl-metoden er en metode for å bestemme nivået av nitrogen i en prøve . Det er anvendelig for bestemmelse av forskjellige nitrogenforbindelser som aminer og salter av kvartært ammonium . Det tillater ikke direkte dosering av nitrater , nitritter , nitrosyler , cyanider som først må reduseres til ammoniakk .

Når nitrogenet er i organisk form, blir forbindelsen først mineralisert for å passere til mineral nitrogen. Den organiske molekylet ødelegges ved oksydering av det ved koketemperatur med konsentrert svovelsyre (H 2 SO 4 ), i nærvær av en katalysator : den karbonet elimineres i form av karbondioksyd (CO 2), Hydrogen i form av vann og nitrogen forblir i oppløsning i form av ammonium -ion (NH 4 + ).

Kjeldahl-metoden, brukt til å beregne proteininnholdet i matvarer , viste sine grenser i 2008 da melaminskandalen ble oppdaget: denne analysen skiller ikke mellom forskjellige kilder til nitrogen. Dermed fikk tilsetningen av dette molekylet som inneholder 66% nitrogen i forskjellige jordbruksprodukter, ved å øke innholdet av dette elementet, tro på proteinnivåer høyere enn de egentlig var.

Historisk

I 1883 utviklet den danske forskeren Johan Kjeldahl , som arbeidet med utviklingen av proteininnholdet i korn som ble brukt til fremstilling av øl, en metode for å bestemme organisk nitrogen. Teknikken har gjennomgått mange endringer siden den ble en st publisering i samme år i et tysk tidsskrift Analytical Chemistry . Det var faktisk Gunning som foreslo tilsetning av kaliumsulfat til svovelsyren som allerede ble brukt for å øke mineraliseringshastigheten ved å øke koketemperaturen. Metoden er kjent internasjonalt som bestemmelse av nitrogen i følge Kjeldahl, Wilforth og Gunning .

Prinsipp

Den 1 st trinnet er mineralisering. Hensikten er å nedbryte nitrogenholdig organisk materiale i form av ammoniumsalt. Mineraliseringsligning:

{\ displaystyle {\ rm {M_ {Organic} \ rightarrow NH_ {4} ^ {+}}}}

Den sure pH-verdi kan ammoniumsaltet skal vises i sin sure form av ammonium NH 4 + .

Nedbrytning av organisk materiale er nitrogen ved hjelp av en katalysator ( kobbersulfat og kaliumsulfat ), av svovelsyre ved høy temperatur ( 380 ° C ).

De to nd trinnet er destillasjon av ammoniumsaltet ved tilsetning av soda : Målet er å omdanne ammonium til sin flyktig form, ammoniakk .

Destillasjonsligning:

{\ displaystyle {\ rm {NH_ {4} ^ {+} + NaOH \ rightarrow Na ^ {+} + NH_ {3} + H_ {2} O}}}

Soda tilsettes i overskudd for å endre sur pH til en basisk pH, som har den effekten at ammoniakk oppnås. Ammoniakken blir medtatt av vanndampen ved destillasjon. ${\ displaystyle {\ rm {NH_ {3}}}}$

Ammoniakkdamp kondenseres ved kontakt med kjølemiddel.

Den 3 th trinnet er den dose, enten direkte eller indirekte. For en direkte analyse samles ammoniakken i en løsning av borsyre (H 3 BO 3 ). Borsyre er en svak syre som ikke reagerer med ammoniakk, den fungerer ganske enkelt som en ammoniakkfelle. (Det må være i overkant av ammoniakk). Den således fanget ammoniakk blir nøytralisert hvert som de ankommer med en kalibrert løsning av sterk syre (HCl eller H- 2 SO 4 ) i nærvær av en farget indikator. Så vi har: ${\ displaystyle {\ ce {NH3 + H + -> NH4 +}}}$

For en indirekte bestemmelse, ammoniakken oppsamles i et kjent volum og i overkant av en standard oppløsning av sterk syre (HCl eller H- 2 SO 4 ). Overskuddet av syre bestemmes deretter ved bruk av en kalibrert løsning av sterk base i nærvær av en farget indikator. Så vi har: da

{\ displaystyle {\ ce {NH3 + H + -> NH4 +}}}

{\ displaystyle {\ ce {H + + OH- -> H2O}}}

Driftsmodus

For å bestemme proteinene som finnes i en prøve ved Kjeldahl-metoden, er det første trinnet mineralisering . For å gjøre dette introduserer vi i en kolbe ( kolbe ):

mengden m av prøven;
ett volum svovelsyre (vanligvis 50 ml);
kaliumsulfat- og kobbersulfatkatalysatoren (enten i form av krystaller eller i form av en pellet);
et antiskummiddel (praktisk for destillasjons- og kjølefasen etter mineralisering).

Mineralisering gjøres vanligvis i en mineraliseringsmiddel i 1 time 30 minutter til 3 timer. Mineraliseringen utføres under hette (dampene fra mineraliseringen er veldig irriterende og giftige på grunn av svovelsyren) eller ved en suging med bjelle som gjenoppretter frigjøring av syre for å få den til å passere i vann og deretter i en brusoppløsning med en farget indikator (vanligvis bromotymolblå ).

Tillatt å avkjøle og nøye innført destillert vann . Advarsel : tilsetning av vann til en sterk syre , som svovelsyre her, kan forårsake en veldig sterk reaksjon, eller til og med en eksplosjon.

Kolben inneholder nå nitrogenatomer i form av ammoniumsalt (unntatt nitrater og nitritter).

Ammoniakkdestillasjon

Kolben plasseres i et stillbilde. Den er koblet til en løsning av mettet borsyre , metylrødt og bromtymolblått (i en profesjonell miljø en damp destillasjonsapparat blir brukt , blir dosen generelt utført ved pH-Metry ).

Tilsett overflødig konsentrert brus mens kolben varmes litt opp for å endre pH til et basisk medium, denne endringen i pH vil transformere ammoniumsaltene til ammoniakk som vil "fordampe".

Ammoniakken vil passere gjennom et kjølemiddel som får den til å komme tilbake i flytende form, og vil deretter strømme til borsyre (direkte dosering) eller i overskudd sterk syre (indirekte dosering) som vil fange den (se prinsipp).

Direkte bestemmelse av ammoniakk

En direkte syrebaseanalyse utføres; det er en indirekte metode: borsyren erstattes av overflødig svovelsyre, og denne overflødige syren doseres etter destillasjon.

Borsyre har ingen effekt på pH (svak syre).

Bestem ammoniakken med en standard løsning av svovelsyre eller saltsyre . Ekvivalens er preget av en rosa farge på grunn av metylrød.

Som en forholdsregel, fjern løsningen før du stopper oppvarmingen for å unngå filtrering.

Beregning fra direkte dosering

Eksempel på saltsyre (merk: svovelsyre er en syre ).

Finne resultatet i g% (m / V):

1 mol syre reagerer med 1 mol ammoniakk, slik at vi får følgende likhet:

1 mol syre = 1 mol ammoniakk (bemerket mol N)

Vet det :

n (mol) = C (mol / L) * V (L)

vi ankommer:

mol N = C av syren (bemerket C1) * V av ekvivalensen (bemerket Va).

er :

mol N = C1 * Va

Vet det :

m N (masse av nitrogen) = M molær masse av nitrogen (g / mol) * n N (mol)

er :

m N = M * C1 * Va

vi ser etter et resultat i g%, vi multipliserer med 100 og vi deler med massen av prøven.

Eksempel: bestemmelse av totalt nitrogen i melk

Den melk inneholder mellom 32 og 35 g / l nitrogenholdig organisk materiale av hvilket 95% av nitrogenet er i den protein og de resterende 5% i aminosyre fri.

Driftsmodus

Mineralisering

For å måle proteinene som finnes i melk etter denne metoden, fortsetter vi først med mineralisering . For å gjøre dette, sett i en kolbe:

2 ml melk nøyaktig målt;
15 til 20 ml av konsentrert svovelsyre ;
6 g av kaliumsulfat ;
1 g av kobbersulfat ;
noen få korn av pimpstein .

Kok opp. Etter klaringen av løsningen fortsetter kokingen i tre timer.

Fikk avkjøles og forsiktig innført fra 30 til 50 ml med destillert vann .

Gjenoppretting av ammoniakk

En destillasjonsenhet utføres :

i ballongen introduserer vi:

innholdet i kolben (se ovenfor) skylles grundig (for å ekstrahere alle nitrogenforbindelsene; fyll opp til 250 ml med destillert vann;
noen få dråper fenolftalein ;
av natriumhydroksyd til 400 g / l , til innholdet i kolben blir rosa.

Tuppen av kondensatoren er nedsenket i et begerglass inneholdende 20 ml av borsyre og 2-3 dråper av metylrødt .

Kolben oppvarmes moderat.

Ammoniakken analyseres når den frigjøres med en standard løsning av svovelsyre ved 0,05 mol / l . Analysen avsluttes så snart fargen forblir stabil i omtrent 5 minutter .

Beregninger

x representerer fremdriften i reaksjonen. I den første reaksjonen bringes ammoniakk i kontakt med et overskudd av syre hvor del n 'av syren reagerer. Resten av n '' syren reageres med natriumhydroksydet. , det er en dose til gjengjeld. ${\ displaystyle {\ rm {nH_ {3} O ^ {+} = n '+ n' '}}}$

	${\ displaystyle {\ rm {NH_ {3}}}}$	${\ rm {H_ {3} O ^ {+}}}$	${\ displaystyle {\ rm {NH_ {4} ^ {+}}}}$	${\ rm {H_ {2} O}}$
Opprinnelige tilstand	${\ displaystyle {\ rm {nNH_ {3}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {n'H_ {3} O ^ {+}}}}$	${\ displaystyle 0}$	overflødig
Mellomstat	${\ displaystyle {\ rm {nNH_ {3} -x}}}$	${\ displaystyle {\ rm {n'H_ {3} O ^ {+} - x}}}$	$x$	overflødig
Endelig tilstand	${\ displaystyle 0}$	${\ displaystyle 0}$	${\ displaystyle x_ {max}}$	overflødig

${\ displaystyle {\ rm {nNH_ {3} -x = 0}}}$
${\ displaystyle {\ rm {n'H_ {3} O ^ {+} - x = 0}}}$
derfor ${\ displaystyle {\ rm {nNH_ {3} = n'H_ {3} O ^ {+}}}}$

	${\ rm {H_ {3} O ^ {+}}}$	${\ rm {OH ^ {-}}}$	${\ displaystyle {\ rm {2H_ {2} O}}}$
Opprinnelige tilstand	${\ displaystyle {\ rm {n''H_ {3} O ^ {+}}}}$	${\ displaystyle {\ rm {nOH ^ {-}}}}$	${\ displaystyle 0}$
Mellomstat	${\ displaystyle {\ rm {n''H_ {3} O ^ {+} - x}}}$	${\ displaystyle {\ rm {nOH ^ {-} - x}}}$	${\ displaystyle {\ rm {2x}}}$
Endelig tilstand	${\ rm {0}}$	${\ rm {0}}$	${\ displaystyle {\ rm {2x_ {max}}}}$

{\ displaystyle {\ rm {n''H_ {3} O ^ {+} - x = 0}}}

{\ displaystyle {\ rm {nOH ^ {-} - x = 0}}}

derfor ${\ displaystyle {\ rm {n''H_ {3} O ^ {+} = nOH ^ {-}}}}$

{\ displaystyle {\ rm {nH_ {3} O ^ {+} = n'H_ {3} O ^ {+} + n''H_ {3} O ^ {+}}}}

{\ displaystyle {\ rm {H_ {3} O ^ {+} = nNH_ {3} + nOH ^ {-}}}}

{\ displaystyle {\ rm {2C_ {H_ {2} SO_ {4}} \ times V_ {H_ {2} SO_ {4}} = C_ {NH_ {3}} \ times V_ {NH_ {3}} + C_ {NaOH} \ times V_ {NaOH}}}

{\ displaystyle {\ rm {C_ {NH_ {3}} = {\ frac {2C_ {H_ {2} SO_ {4}} \ times V_ {H_ {2} SO_ {4}} - C_ {NaOH} \ times V_ {NaOH}} {V_ {NH_ {3}}}}}}

Ett mol NH 3 kommer fra et mol av nitrogenatomene (N). Så ved å finne antall mol nitrogenatomer, kan vi bestemme massekonsentrasjonen.

Se også

Johan kjeldahl
Dumas- metoden, en annen, eldre metode for nitrogenbestemmelse, ved full forbrenning,
Biuret- metode, kolorimetrisk metode for nitrogenbestemmelse
Organisk analyse
Devarda legering