Wir erforschen den Boden/Bestimmung des Nitratgehaltes

Aus ZUM-Unterrichten

Mineralböden enthalten im allgemeinen 5 bis 30 ppm Nitratstickstoff; dieser Wert kann jedoch stark schwanken. Höhere Gehalte stellen sich besonders bei übermäßiger Gülledüngung ein (Nitratbelastung des Grundwassers!). Ein ständiger Nitratnachschub erfolgt aus der bakteriellen Umsetzung der organischen Bodensubstanz. Bei einem Gehalt von 3 bis 30 % Reinstickstoff in der organischen Bodensubstanz ergibt sich ein Stickstoffvorrat im Boden von 900 bis 9000 kg N je Hektar in der Bodenkrume bis zu 20 cm Bodentiefe.

Stickstoffkreislauf im Boden

Gewinn kg N/ha und Jahr
Nachlieferung (Mineralisation) 30 bis 270
N-Bindung durch freilebende Bakterien ca.10
N-Bindung durch Knöllchenbakterien 100 200
Zufuhr aus der Atmosphäre ca. 10
Zufuhr durch organische Düngung ca. 40
Zufuhr durch anorganische Düngung ca. 60

( Durchschnittswerte in Deutschland)


Verluste kg N/ha und Jahr
Auswaschung (humide Böden) 5 bis 30
Entzug durch eine Ernte 50 bis 15o



Nitrifikation

Nitrifizierende Bakterien (Nitrobakter; Nitrosomonas)oxidieren Ammoniuem über Nitrit - zu Nitratstickstoff. Der pflanzenverfügbare Stickstoffvorrat ist im Boden überwiegend als Nitration, in geringerer Menge auch als Ammoniumion vorhanden


Laborverfahren zur Erstellung eines Nitratauszugs

Bevor ein qualitativer Nitratnachweis erfolgen kann, muss ein Bodenauszug erstellt werden.


Verfahren mit Natriumformiatlösung

34,0 g Natriumformiat werden in destilliertem Wasser gelöst. Man gibt 50 ml einer 10-molaren Ameisensäure (oder 19 ml wasserfreie Ameisensäure) hinzu und füllt auf 1000 ml mit destilliertem Wasser auf. Diese Mischung wird auf das zehnfache Volumen verdünnt und die resultierende Lösung im folgenden als "Formiat1ösung" bezeichnet. 10 g des zu untersuchenden abgesiebten Bodens werden in einem Becherglas mit 0,3 g nitratfreier Aktivkohle versetzt und dann mit 200 ml Formiatlösung aufgeschlämmt. Die Natriumformiatlösung trennt die Hydroxonium-Ionen vom Austauscherkomplex der Bodenteilchen. Sie soll bei gelegentlichem Umschwenken 15 Minuten einwirken. Danach wird abfiltriert. Das Filtrat muß farblos sein. Sollte das nicht der Fall sein, muß nochmals Aktivkohle zugesetzt, geschwenkt und abfiltriert werden. Aus dem wässrigen Auszug wird das Nitrat bestimmt.


Verfahren mit Kaliumchlorid

An Stelle der Natriumformiatlösung kann auch eine 0,1- molare Kaliumchloridlösung venwendet werden. 7,4 g Kaliumchlorid werden in destilliertem Wasser in Lösung gebracht und bis zu 1000 ml aufgefüllt. 100 g Boden werden mit 100 ml Kaliumchioridlösung versetzt. Dann umrühren, 10 Minuten einwirken lassen und abfiltrieren.

Qualitativer Nachweis mit Eisen(II)-Sulfat

Das Filtrat wird mit einigen Tropfen einer kaltgesättigten Eisen(II)-Sulfatlösung (die mit Schwefelsäure angesäuert wird) versetzt und vorsichtig mit konzentrierter Schwefelsäure unterschichtet. An der Grenzfläche der beiden Flüssigkeiten bildet sich bei Anwesenheit von Nitrationen ein brauner Ring.

Natriumsalicylatmethode zur quantitativen Bestimmung des Nitratstickstoffs

Die Bestimmung des Nitratstickstoffs erfolgt photometrisch nach der Natriumsalicylatmehthode, wobei das Nitrat in das Natriumsalz der Nitrosalicylsäure überführt wird. Die Farbintensität der gelb gefärbten Lösung dieses Salzes wird kolorimetrisch bestimmt. Anhand einer Eichkurve (nur die Eichgrade kommt zur Anwendung) lässt sich daraus auf die Konzentration des Nitratstickstoffs im eingesetzenten Bodenextrakt schließen.

Reagenzien

  Untersuchungsmaterialien

  • Messkolben (1000 mi)
  • Erlenmeyerkolben (100 ml)
  • Bechergläser (50 ml)
  • Pipetten und/oder Büretten
  • Tropfengeber
  • Trockenschrank

  Ansetzen der Eichlösung

Zum Vergleich der konzentrationsabhängigen Farbabstufungen stellt man eine Eichreihe auf. Beispiel   Man setzt eine Lösung an, die 10 g N/l Nitratstickstoff enthält. Dazu werden 72,14 g Kaliumnitrat (KNO3) in Formiat­lösung bis auf 1000 ml aufgefüllt (Stammiösung).


Berechnung der Kaliumnitratmenge   Kaliumnitrat Molmasse (abgerundet)

  •    m (1 mol K-Atomne) =39 g
  •    m (1 mol N-Atome) =14 g
  •    m (3 mol 0-Atome) = 48 g
  •    m (1 mol KNO3)= 101 g

14 g Stickstoff sind in 101 g Kaliumnitrat enthalten.

10g Stickstoff sind in 101 x 10 / 14= 72,14 g Kaliumnitrat enthalten  

Eichgrade


Verdünnungsreihe

10 ml der Stammiösung werden auf 1 Liter aufgefüllt; es resultiert eine Lösung mit einem Nitratstickstoffgehalt von 100 mg/l. Von dieser Lösung werden 4 ml, 8 ml, 12 ml, 16 ml, 20 ml und 24 ml in je ein 100-ml-Kölbchen pipettiert und auf 100 ml aufgefüllt. Die Gehalte an Nitratstickstoff betragen dann 4, 8, 12, 16, 20 und 24 mg/l.

Blindprobe

Als Blindprobe dient eine Lösung von 1 ml konzentrierter Schwefelsäure, 10 ml 30-prozentiger Natronlauge und 1 ml 0,5-prozentiger Natriumsalicylatlösung, die im Messkolben auf 100 ml aufgefüllt werden.

Bodenauszug

10 g abgesiebter Boden werden, wie oben beschrieben, mit 200 ml Formiatlösung extrahiert.


Bestimmung des Nitratgehaltes/Natriumsalicylatmethode

Je 10 ml der Eichlösung und des zu untersuchenden Bodenextrakts (oder der zu untersuchenden Bodenextrakte) werden in ein Becherglas pipettiert. Jede Lösung wird durch einen Tropfen 3-prozentiger Natronlauge in den schwach alkalischen Bereich übergeführt. Anschließend wird 1 ml einer 0,5-prozentigen Natriumsalicylatlösung hinzugegeben.Die so vorbehandelte Probe wird nun im Trockenschrank bei 750 Celsius zur Trockene eingedampft, so dass das Nitrat in fester Form vorliegt.

Nach den, Abkühlen wird der Rückstand mit 1 ml konzentrierter Schwefelsäure versetzt, wobei darauf zu achten ist, dass der Rückstand vollständig benetzt wird und die Schwefelsäure eingewirkt hat. Hierbei bildet die Schwefelsäure aus dem in fester Form vorliegenden Nitrat Salpetersäure, welche die gleichzeitig vorhandene Salicylsäure nitriert, so daß Nitrosalicylsäure entsteht. Nachdem die Schwefelsäure 10 Minuten lang eingewirkt hat, verdünnt man mit 6 ml destilliertem Wasser und gibt 10 ml einer 30-prozentigen Natronlauge hinzu.

Die Nitrosalicylsäure reagiert mit der Natronlauge unter Bildung des gelbgefärbten Natriumnitrosalicylats. Sie wird anschließend in einen 100 ml Meßkolben überführt, wobei man das Becherglas, um eventuelle Reste mitzubekommen, ausspült und das Spülwasser ebenfalls in den Kolben überführt. Die Extinktionen der gelblich gefärbten Lösungen werden photometrisch bei einer Schichtdicke von 1 cm und einer Wellenlänge von 436 nm bestimmt. Dann wird anhand der Konzentrationen und Extinktionen der Eichlösungen die Eichkurve (Eichgrade) gezeichnet .Sie ermöglicht es, aus den Extinktionen der Analysenlösungen die ursprünglich vorliegenden Konzentrationen an Nitratstickstoff zu ermitteln.

Auswertungsbeispiel


  • EichwertC1 = 4 mg/l N --> Extinktion E1= 0,20
  • Eichwert C2= 8 mg/l N --> Extinktion E2= 0,24
  • Eichwert C3= 12 mg/1 N --> Extinktion E3= 0,39
  • EichwertC4 = 16 mg/l N --> Extinktion E4= 0,51

Extinktionen der Bodenfiltrate

  • EBOA = 0,2 → → → CBOA = 6 mg/l Nitratstickstoff
  • EBOB= 0,44 → → → CBOB= 14 mg/l Nitratstickstoff



Erfahrungen und Konsequenzen

Das Verfahren ist vorteilhaft, weil es auch bei niedrigen Nitratkonzentrationen zu guten Ergebnissen führt. Außerdem werden relativ ungiftige Reagenzien verwendet (die Vorschriften über den Umgang mit Säuren und Laugen, sind selbstverständlich zu beachten!). Das Verfahren unterscheidet sich somit vorteilhaft von der DIN-Vorschrift (DIN 38 405), nach der mit Brucin analysiert wird, oder von der häufiger in der Literatur beschriebenen Methode mit Xylenol. Leider hat es auch einen erheblichen Nachteil: die nitrathaltige Lösung muß eingedampft werden. Das erfordert mehrere Stunden, so daß dieses Verfahren nur in Etappen zu handhaben ist. Bei höheren Nitratkonzentrationen müssen Eichlösungen mit höheren Konzentrationen eingesetzt werden.


Informationen zum Thema

Nitratbestimmung (Wasser) mit der Natriumsalicylatmethode


Wir erforschen den Boden


Sinn und Zweck

Mineralische Zusammensetzung

Einfache Analyseverfahren

Organische Zusammensetzung

Bodenwasser, -luft, -wärme

Bodenreaktion

Close-up of mole.jpg

Untersuchungsmethoden

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