M Ở ĐẦU
3.7.Thiết bị và hóa chất sử dụng trong nghiên cứu
3.7.1. Danh mục các thiết bị sử dụng
- Máy NOI-7 – FAN GmbH, Cộng Hòa Liên Bang Đức - Cân phân tích Mettler AE200 chính xác đến 0,1mg, Thụy Sĩ
- Cân Mettler PE3600 chính xác đến 0,01g, Thụy Sĩ
- Máy đo γ tổng - Thiết bị lấy mẫu đất - Hệ phá mẫu Kjeldahl - Hệ chưng cất nitơ - Hệ bếp cô mẫu - Burette hiện số dung tích 25mL - Pipet 100µL – 1mL – 5mL
- Các dụng cụ thủy tinh: bình Kjeldahl dung tích 100mL, bình chuẩn độ dung tích 100mL, vial thủy tinh
3.7.2. Hóa chất sử dụng
- Axit H2SO4đậm đặc, (95-97%), p.a., Merck - Nước cất hai lần
- Hỗn hợp xúc tác selen, Merck - H2O2 30%, Prolabo
- Methyl Red - C15H15N3O2, Merck
- Bromocresol Green - C21H14Br4O5S, Merck - Ống chuẩn NaOH c=0,1N, Merck
- Ống chuẩn HCl c= 0,1 N, Merck - Urê - (NH2)2CO, China
- Urê - (15NH2)2CO làm giàu đến 10,16 % nguyên tử 15N, China -Amoni sulfat - (NH4)2SO4, Merck
- Natri hydroxit - NaOH, Merck - Arsen oxit As2O3, Merck - Brom - Br2, Merck
- Bromothymol Blue - C27H28Br2O5S, Merck - Axit boric - H3BO3, Merck
- Kali iođua - KI, Merck - Kali clorua - KCl, GmbH
- Các dung dịch chuẩn NH4Cl với các hàm lượng 15N khác nhau
3.7.3. Chuẩn bị hóa chất
1. Dung dịch NaOH dùng chuẩn độ, C=0,02mol/L từống chuẩn TitrisolR * Dung dịch NaOH 0,2mol/L từống chuẩn
- Cho cẩn thận toàn bộ lượng NaOH chứa trong ống chuẩn vào bình định mức dung tích 500mL theo hướng dẫn ghi trên ông chuẩn.
- Tráng ống chuẩn nhiều lần với nước cất - Thêm nước cất và định mức đến 500mL.
* Dung dịch NaOH 0,02mol/L pha từ dung dịch NaOH 0,2mol/L
- Lấy chính xác 100mL dung dịch NaOH 0,2mol/L cho vào bình định mức 1000mL. Thêm nước cất và định mức đến 1000mL
- Rót toàn bộ dung dịch NaOH 0,02N thu được vào bình thủy tinh đã được rửa sạch, sấy khô và gắn burrete cẩn thận.
- Rửa burette vừa lắp cẩn thận với dung dụch NaOH 0,02N để đuổi hết bọt khí trong burette.
- Dung dịch được kiểm tra nồng độ trước mỗi lần sử dụng.
2. Dung dịch HCl dùng thu gom NH3 sau chưng cất, C=0,02mol/L từ ống chuẩn TitrisolR
* Dung dịch HCl 0,2mol/L từống chuẩn
- Cho cẩn thận toàn bộ lượng HCl chứa trong ống chuẩn vào bình định mức dung tích 500mL theo hướng dẫn ghi trên ông chuẩn.
- Tráng ống chuẩn nhiều lần với nước cất - Thêm nước cất và định mức đến 500mL.
* Dung dịch HCl 0,02mol/L pha từ dung dịch HCl 0,2mol/L
- Lấy chính xác 100mL dung dịch HCl 0,2mol/L cho vào bình định mức 1000mL. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Thêm nước cất và định mức đến 1000mL
- Rót toàn bộ dung dịch HCl 0,02N thu được vào bình thủy tinh đã được rửa sạch, sấy khô và gắn burrete cẩn thận.
- Rửa burette vừa lắp cẩn thận với dung dụch HCl 0,02N để đuổi hết bọt khí trong burette.
3. Dung dịch NaOH 50% dùng trong giai đoạn chưng cất - Cân 500g NaOH hạt và 500g nước cất
- Cho khoảng 250g vào bình đựng, rót khoảng 250mL nước cất và khuấy đều đến tan hết, ngâm bình trong nước để làm nguội.
- Thêm tiếp phần NaOH hạt và phần nước cất còn lại, khuấy đều đến tan hết. - Cất giữ dung dịch thu được trong bình polyethylene
4. Dung dịch (NH4)2SO4 – 0,2mg-N/mL - Cân chính xác 0,9440g (NH4)2SO4
- Hòa tan trong nước cất và định mức đến 100mL. 5. Dung dịch urê (NH2)2CO – 1mg-N/mL
- Cân chính xác 0,2145g urê (NH2)2CO
- Hòa tan trong nước cất và định mức đến 100mL.
6. Dung dịch urê (15NH2)2CO làm giàu đến 10,16% 15N – 0,1mg-N/mL * Dung dịch urê làm giàu 15N (15NH2)2CO – 1mg-N/mL
- Cân chính xác 0,2137g urê (15NH2)2CO làm giàu đến10,16 % nguyên tử15N - Hòa tan trong nước cất và định mức đến 100mL.
* Dung dịch urê làm giàu 15N (15NH2)2CO – 0,1mg-N/mL
- Pipet chính xác 10mL dung dịch urê làm giàu 15N – 1mg-N/mL. - Định mức với nước cất đến 100mL.
7. Dung dịch chỉ thị màu Methyl Red – Bromocresol Green - Cân chính xác 0,1g Bromocresol Green và 0,07g Methyl Red - Hòa tan trong 100mL cồn tuyệt đối.
- Cất giữ dung dịch trong chai tối màu.
8. Dung dịch NaOH 2M dùng pha dung dịch chuẩn arsen
- Cân 80g NaOH cho vào bình đựng, thêm khoảng 500mL nước cất và khuấy
đều đến tan hết, ngâm bình trong nước để làm nguội. - Định mức với nước cất đến 1000mL.
- Cất giữ dung dịch thu được trong bình polyethylene
9. Dung dịch NaOH 0,84M dùng pha loãng dung dịch NaOBr - Lấy 105mL dung dịch NaOH 2M cho vào bình định mức 250mL. - Thêm nước cất và định mức đến 250mL
- Cất giữ dung dịch thu được trong bình polyethylene 10. Dung dịch NaOH 0,1M dùng pha dung dịch đệm
- Lấy chính xác 50mL dung dịch NaOH 2M cho vào bình định mức 1000mL. - Thêm nước cất và định mức đến 1000mL
- Cất giữ dung dịch thu được trong bình polyethylene 11. Dung dịch chuẩn arsen 0,1N
- Hòa tan 4,946g As2O3 trong 100mL dung dịch NaOH 2M
- Thêm 2mL axit H2SO4đậm đặc, sau đó thêm nước cất đến khoảng 900mL - Để nguội và định mức với nước cất đến 1000mL.
12. Dung dịch đệm pH = 8,3
- Hòa tan 9,27g H3BO3 trong 219mL dung dịch NaOH 0,1M - Hòa tan 11,18g KCl trong 200mL nước cất
- Trộn lẫn hai dung dịch trên và định mức với nước cất đến 1000mL
- Cất giữ dung dịch thu được trong bình polyethylene và để yên một ngày trước khi sử dụng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
13. Dung dịch chỉ thị màu Bromothymol blue
- Lấy 2mL dung dịch NaOH 2M pha với nước cất đến 100mL - Hòa tan 0,05g Bromothymol blue trong dung dịch trên - Cất giữ dung dịch thu được trong bình polyethylene 14. Dung dịch NaOBr gốc
- Cân chính xác 20g NaOH và hòa tan trong 200mL nước cất, liên tục làm mát dung dịch và sau đó làm lạnh đến 4oC
- Giữ dung dịch ở nhiệt độ 4oC, thêm 2mL dung dịch Br2 bằng cách nhỏ từng giọt một và khuấy đều dung dịch để từng giọt Br2 tan hoàn toàn trước khi nhỏ giọt Br2 khác. Dung dịch chuyển sang màu vàng cam do phản ứng xảy ra hoàn toàn: 2NaOH + Br2 NaOBr + NaBr + H2O
- Lọc dung dịch thu được và cất giữ trong bình polyethylene đóng kín, giữ trong tủ lạnh 4 ngày.
- Cân chính xác 0,25g KI, hòa tan trong 50mL nước cất và thêm vào dung dịch NaOBr trên sau khi làm lạnh 4 ngày để giữ dung dịch NaOBr được ổn định. Nồng độ của dung dịch NaOBr thu được theo lý thuyết là 0,156M.
15. Dung dịch NaOBr 0,071M dùng làm việc trên máy NOI-7 - Lấy 100mL dung dịch NaOBr gốc
- Thêm 80mL dung dịch NaOH 0,84M
- Chuẩn độ với dung dịch arsen chuẩn để xác định nồng độ của dung dịch thu
được (qui trình chuẩn độđược trình bày trong phụ lục 8 trang 91) - Thêm dung dịch NaOH 0,84M để thu được dung dịch NaOBr 0,071M
- Dung dịch NaOBr 0,071M cần được cất giữ trong tủ lạnh và lọc trước khi sử
dụng trên máy NOI-7.
3.8. Quy trình phân tích hàm lượng 15N trong mẫu đất[2], [3], [5], [6], [7]3.8.1. Phá mẫu theo quy trình Kjeldahl 3.8.1. Phá mẫu theo quy trình Kjeldahl
- Cân chính xác khoảng 1g mẫu đất đã nghiền mịn với độ chính xác 0,1mg cho vào bình Kjeldahl dung tích 100mL. Làm ẩm bằng 1mL nước cất.
- Thêm 0,8g hỗn hợp xúc tác selen.
- Thêm 5mL H2SO4đậm đặc. Lắc nhẹđể tất cả mẫu thấm đều axit.
- Đun nhẹ mẫu đến sủi bọt, tăng và duy trì nhiệt độ đảm bảo mẫu sôi nhẹ trong suốt quá trình phân hủy (5giờ). Để nguội mẫu và thêm vào 1 giọt H2O2 30% để
oxy hóa các hợp chất hữu cơ còn lại. Tiếp tục đun trong 30 phút. Để nguội đến nhiệt độ phòng. Mẫu thu được có màu trắng đục.
3.8.2. Chưng cất và chuẩn độ
- Cho 10mL dung dịch HCl 0,02N và một giọt chỉ thị BromocresolGreen-Methyl Red vào bình chuẩn độ dung tích 100mL. Đặt bình chuẩn độ vào vị trí gom mẫu trong hệ chưng cất.
- Cho toàn bộ mẫu sau khi phân hủy vào bình chưng cất.
- Tráng bình đựng mẫu nhiều lần với từng lượng ít nước một, tổng lượng nước cất tráng bình giới hạn khoảng 20mL.
- Rót 18mL dung dịch NaOH 50% vào phễu. Đóng kín hệ cất mẫu. Thêm từ từ
NaOH vào mẫu (Thời gian cho NaOH ghi nhận là 3-4 phút).
- Cất mẫu đến khi thu hết NH3 giải phóng (thời gian cất mẫu sau khi cho hết lượng NaOH là khoảng 20 phút, thể tích thu được trong bình hứng khoảng 40mL).
- Trước và sau khi cất mẫu, hệ cất mẫu cần được làm sạch bằng cách cất với nước cất. Độ kín của hệ cất mẫu được kiểm tra bằng cách cất 7mL dung dịch chuẩn (NH4)2SO4-0,2mgN/mL.
- Lượng NH3 thu gom được xác định thông qua phép chuẩn độ dung dịch HCl còn dư trong bình hứng bằng dung dịch chuẩn NaOH 0,02N.
- Sau khi chuẩn độ, axit hóa mẫu với 1 giọt HCl 0,1N để tránh mất mát nitơ cho phép xác định 15N/14N.
3.8.3. Xác định hàm lượng 15N
- Cô cạn mẫu cẩn thận đến thể tích thích hợp để có được hàm lượng nitơ trong mẫu sau làm giàu nằm trong khoảng 0,4mg/1mL mẫu đến 2,0mg/1mL mẫu để có thể đo hàm lượng đồng vị 15N (% nguyên tử) trên máy NOI-7. Thể tích mẫu sau cô cạn là khoảng 1mL. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Lấy 25µL mẫu sau cô cạn vào ống đo mẫu và đem xác định hàm lượng 15N trên máy NOI-7 (Chi tiết vận hành và đường khí trong máy NOI-7 được trình bày ở
phụ lục 9 và 10 trang 92-93).
3.9. Các công thức tính toán sử dụng trong nghiên cứu[6], [7] 3.9.1. Các công thức tính toán nitơ tổng số 3.9.1. Các công thức tính toán nitơ tổng số
3.9.1.1. Xác định hệ số chuẩn độ của dung dịch HCl - tHCl
- Pipet 10,0mL dung dịch HCl có Cdanh định = 0,02N vào 3 bình chuẩn độ - Thêm vào mỗi bình 2 giọt chỉ thị Methyl Red – Bromocresol Green
- Chuẩn độ với dung dịch NaOH 0,02N. Điểm cuối là khi dung dịch chuyển từ
màu hồng sang màu xanh lục nhạt.
- Tính giá trị trung bình lượng dung dịch NaOH sử dụng - VNaOH-trung bình. - Nồng độ thực của dung dịch HCl được tính theo công thức:
0,02(N) x VNaOH-trung bình(mL)
Cthực = (1)
10(mL)
- Hệ số chuẩn độ của dung dịch HCl được tính theo công thức: Cthực
tHCl = (2)
3.9.1.2. Tính toán hàm lượng % nitơ tổng số trong mẫu đất
- Lượng nitơ trong mẫu đất - [mg]Nmẫu:
[mg]Nmẫu=[([ml]HClmẫu.CHCl.tHCl) – ([ml]NaOHmẫu.CNaOH)].M(N) (3) - Lượng nitơ trong mẫu trắng - [mg]Nmẫu trắng:
[mg]Nmẫu trắng=[([ml]HClmẫu trắng.CHCl.tHCl) – ([ml]NaOHmẫu trắng.CNaOH)].M(N) (4) - Hàm lượng % nitơ tổng số trong mẫu đất - %Nmẫu:
[mg]Nmẫu - [mg]Nmẫu trắng
%Nmẫu = (5)
[mg]mẫu
3.9.2. Các công thức tính toán với đồng vị 15N[6], [7]
3.9.2.1. Các ký hiệu, thuật ngữ sử dụng trong các công thức tính toán với
đồng vị15N
- a hay %15N: Hàm lượng đồng vị15N trong mẫu tính theo đơn vị %. a0: Hàm lượng 15N phân bố trong tự nhiên; a0 = 0,3663 ± 0,0004 (%) a : Hàm lượng 15N trung bình
a1, a2: Hàm lượng 15N trong chất 1, chất 2
- a’ hay %15Nlàm giàu : Hàm lượng đồng vị 15N trong mẫu được làm giàu hơn so với tự nhiên, được tính bằng hiệu số giữa hàm lượng 15N của mẫu và hàm lượng 15N phân bố trong tự nhiên (0,366%) theo đơn vị %.
a’ = a – a0 (6)
%15Nlàm giàu = %15N – 0,366(%) (7) a’0 = 0 ;
a’1, a’2: hàm lượng 15N được làm giàu trong chất 1, chất 2 - M (g/mol): khối lượng mol của một hợp chất hóa học
AN, AC,... : khối lượng mol của một nguyên tố (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
A(14), A(15): khối lượng mol của đồng vị14N, 15N
- m (g): khối lượng của một nguyên tố hay một hợp chất hóa học m1, m2: khối lượng chất 1, chất 2
mN hay [N]: khối lượng nitơ; m(15) hay [15N]: khối lượng 15N m’(15): khối lượng 15N được làm giàu
- n (mol): số mol của các chất n1, n2: số mol chất 1, chất 2
nN: số mol nitơ; nN1, nN2: số mol nitơ trong chất 1, chất 2 ; n(15): số mol 15N; n(14): số mol 14N
n’(15): số mol 15N được làm giàu
- Hàm lượng tương đối của đồng vị 15N trong một hợp chất được định nghĩa là tỉ số giữa lượng đồng vị 15N (tính bằng mol) và lượng nitơ tổng số bao gồm cả đồng vị14N và 15N (tính bằng mol) có trong mẫu, được biểu diễn như sau:
N n n n n n a (15) ) 15 ( ) 14 ( ) 15 ( 100 = + = (8) Từđó có thể biểu diễn hàm lượng 15N của mẫu như sau: 100(%) (15) 100(%) ) 15 ( ) 14 ( ) 15 ( × = × + = N n n n n n a (9)
- Ndff và %Ndff: Tỉ số và tỉ số % lượng nitơ có nguồn gốc từ phân đánh dấu (% N derived from fertilizer)
- Ndfs và %Ndfs: Tỉ số và tỉ số % lượng nitơ sẵn có trong đất và từ các nguồn phân bón khác (% N derived from soil)
- [N]mẫu: lượng nitơ tổng số trong mẫu;
- %Nmẫu: hàm lượng nitơ tổng số trong mẫu tính theo đơn vị % - [N]dff: lượng nitơ trong mẫu có nguồn gốc từ phân đánh dấu
- [N]dfs: lượng nitơ trong mẫu không có nguồn gốc từ phân đánh dấu (là lượng nitơ sẵn có trong đất và từ các nguồn phân bón khác)
- [N]tồn dư: lượng phân nitơđánh dấu còn tồn dư trong đất
- %Ntồn dư: % lượng phân nitơđánh dấu sử dụng ban đầu còn tồn dư trong đất - [N]phân đánh dấu: là lượng nitơ trong phân urê làm giàu đến hàm lượng 10,16%
15N bón cho 1ha đất tại thời điểm bắt đầu nghiên cứu. - [N]mẫu-1ha: lượng N tổng số trong 1ha lớp đất
3.9.2.2. Phương trình “cân bằng đồng vị” hay phương trình “pha loãng đồng vị”
Phương trình này được sử dụng để tính toán nhằm thu được hỗn hợp có độ giàu
đồng vị 15N mong muốn từ các phân nitơ đánh dấu có độ giàu đồng vị 15N khác
nhau: x.a1 + y.a2 = (x + y).a (10)
Trong đó: x là lượng chất có hàm lượng đồng vị 15N là a1 ; y là lượng chất có hàm lượng đồng vị 15N là a2, với a1 > a2 ; a là hàm lượng đồng vị 15N mong muốn có được trong hỗn hợp cuối cùng (x + y)
Nếu chất pha loãng thêm vào không đánh dấu với đồng vị15N, nghĩa là a2 = a0 = 0,366% hay a’2 = a’0 = 0 (%15Nlàm giàu). Lúc đó phương trình (10) trở thành:
x.a1 + y.a0 = (x + y).a (11)
hay: y x a y a x a + + = . 1 . 0 (12) hay: y x a x a + = . '1 ' (13)
Trong đó: - a’1 = %15Nlàm giàu của chất có hàm lượng 15N cao hơn - a’ = %15Nlàm giàu mong muốn trong hỗn hợp cuối cùng
Các hợp chất có cùng công thức phân tử nhưng có độ giàu đồng vị 15N khác nhau sẽ có khối lượng phân tử khác nhau. Tuy nhiên, sự khác nhau này là không đáng kể khi độ giàu đồng vị15N của các chất là gần giống nhau (a1 ~ a2).Trong trường hợp này, hai chất với hàm lượng đồng vị a1 và a2 có khối lượng phân tử tương
ứng M1 và M2 tương đương nhau: M1 ~ M2 và lượng x và y có thể biểu diễn bằng m1 và m2 tính bằng gam. Khi đó, công thức (12) và (13) có thể viết lại như sau:
2 1 0 2 1 1. . m m a m a m a + + = (14) 2 1 1 1. ' ' m m a m a + = (15)
Khi hai chất có hàm lượng đồng vị a1 và a2 khác nhau nhiều dẫn đến M1 ≠ M2,
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});