تعيين الآزوت النشادري بطريقة كيلدال kjeldahl
كان لتعيين الآزوت تاريخ طويل في حقل الكيمياء التحليلية ، وكان الكيميائي الدانماركي Johan Kjeldahl رئيس قسم الكيمياء في شركة الاختمار الدانماركية في Carlsberg اول من طرح طريقة Kjeldahl لتعيين النتروجين عام 1883 خلال اجتماع الجمعية الكيميائية الدانماركية .
ومنذ عام 1883 وحتى وقتنا هذا لقيت طريقة Kjeldahl قبولا واسعا واستخدمت في تطبيقات متعددة كالاغذية ، الاعلاف ، المياه العادمة ، التربة ....
وتعتبر طريقة Kjeldahl اليوم الطريقة الرئيسية لتعيين النتروجين والبروتين في التحاليل الروتينية للاغذية لأنها طريقة عالمية ، عالية الاحكام وجيدة التكرارية Reproducibility , ولهذا فقد اعتمدت حاليا من العديد من المؤسسات (AOAC , AACC , AOCS , EPA , ISO )
قامت العديد من المؤسسات التجارية بتطوير طرائق أو شبه آلية لطريقة Kjeldahl مثل منظومة Kjeldahl tecator , منظومة Foss Kjel-Foss و منظومة Büchi , وتعتمد جميع هذه الطرائق على المبدأ نفسه .
مبدأ طريقة Kjeldahl
تعتبر طريقة كيلدال وسيلة جيدة لتعيين محتوى النتروجين في المواد العضوية واللاعضوية ، وتعتمد على تحويل الآزوت العضوي إلى أملاح أمونيوم لاعضوية بعملية تهضيم حمضية ، ليتم فيما بعد طرد النشادر من هذه الاملاح برفع قلوية المحلول ، ثم يعاير النشادر المتحرر بجمعه في محلول حمضي .
تتألف طريقة كيلدال من ثلاث مراحل اساسية :
- مرحلة التهضيم
- مرحلة التقطير
- مرحلة المعايرة
مراحل طريقة كيلدال Kjeldahl
1- مرحلة التهضيم
تتضمن تفكيك العينات العضوية باستخدام محلول حمض الكبريت المركز وتحويل الآزوت فيها إلى كبريتات الامونيوم .
CaHbNc + H2SO4 → aCO2↑ + 1/2bH2O + 1/2c (NH4)2SO4
إن استخدام حمض الكبريت لوحده لإتمام هذه المرحلة يحتاج إلى زمن طويل ، لذا يمكن تسريع إتمامها من خلال رفع درجة غليان حمض الكبريت بإضافة أملاح لاعضوية وباستخدام وسطاء.
الأملاح اللاعضوية المضافة :
تعمل هذه الاملاح على رفع درجة غليان حمض الكبريت ، فمثلا تعمل كبريتات البوتاسيوم على رفعها من 330 إلى 390 درجة مئوية أو أكثر تبعا لنسبة الملح / الحمض .
ومن الجدير بالذكر وجوب اتخاذ الأحتياطات اللازمة عند إضافة هذه الاملاح ، إذ يمكن أن ترتفع درجة حرارة محلول التهضيم بشكل كبير إلى أكثر من 400 درجة مئوية مما يؤدي إلى تطاير بعض مركبات النيتروجين وخسارة في المحتوى الحقيقي له في المادة المدروسة .
ومن ناحية ثانية يمكن أن تؤدي زيادة نسبة الملح / الحمض ايضا إلى تشكل كتلة ملحية متصلبة عند تبريد محلول التهضيم .
الوسطاء المضافة :
استخدم العديد من الوسطاء في عملية Kjeldahl التي تنظم عملية الأكسدة الجارية وتسرع عملية تحطيم المركب العضوي .
كان اكسيد الزئبق الوسيط الفعال الأكثر انتشارا ، إلا ان استخدام مركبات الزئبق غير مرغوب فيه من النواحي الصحية والبيئية ، فاستبدلت بها حفازات أخرى مثل كبريتات النحاس ، مزيج من كبريتات النحاس وأكسيد التيتانيوم ، كما يمكن استخدام السيلينيوم إلا أنه غير مرغوب فيه أيضا لنفس الأسباب الصحية والبيئية .
2- مرحلة التقطير
تتم إضافة كمية قلوي فائضة إلى المزيج الحمضي الناتج عن التهضيم لتحويل شوارد الأمونيوم إلى غاز النشادر المتطاير الذي يقطر ويقرقر ضمن محلول حمضي في وعاء مستقبل .
↗1/2c(NH4)2SO4 + cNaOH → 1/2Na2SO4 + cH2O + cNH3
3- مرحلة المعايرة
للتحديد الكمي لكمية الامونيا في وعاء الاستقبال
cNH3 + (c+d) HCl → cNH4Cl + d HCl
dHCl + dNaOH → 1/2 dH2O + dNaCl
كما نرى مما سبق ، تحتاج المعايرة إلى محلولين معياريين ، حمض لجمع النشادر وأساس لمعايرة الفائض من الحمض.
في طريقة أخرى معدلة لانحتاج سوى لحمض معياري واحد من أجل المعايرة المباشرة ، حيث يجمع النشادر في هذه الطريقة ، في محلول حمض البور فيتشكل أثناء التقطير مقدار مكافئ من بورات الامونيوم :
¯NH3 + H3BO3 ⇌ NH4 ๋ + H2BO3
يمكن أن نعاير البورات بحمض معياري مع مشعر أحمر الميثيل ، ولايتداخل حمض البور نظرا لضعفه .
ملاحظات :
1- ينصح في حال المحتوى الصغير من النيتروجين في العينة ، بتهيئة جهاز التقطير قبل إجراء مرحلة التقطير وذلك بطرد الأمونيا الجوية منه بتقطير مزيج (ماء مقطر : ماءات الصوديوم 50%) بنسبة (1:1)
2- تتميز طريقة حمض البور المباشرة بانها ابسط واكثر دقة غير أن انقطاه نقطة النهاية ليس حادا مميزا ، وتبقى الطريقة غير المباشرة الرجعية مفضلة في تحاليل Kjeldahl الميكروية .
3- تتضمن المواد التي اقتصرنا مناقشتها هنا على المواد التي يوجد فيها الآزوت في حالة التكافؤ -3 كما في النشادر، وتتضمن هذه المواد البروتينات ، الامينات والأميدات .
