Métodos de caracterización de las Sustancias Húmicas.
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Métodos de caracterización de las Sustancias Húmicas. Autores: Dr. Nelson Garcés Lic. Mayra Arteaga.

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Métodos de caracterización de las Sustancias Húmicas.

Autores:

Dr. Nelson Garcés

Lic. Mayra Arteaga


  • La información que les presento a continuación pretende brindarles una panorámica de las posibilidades que se presentan para el estudio de las sustancias húmicas (SH) a partir del desarrollo alcanzado por las técnicas analíticas. No es posible abarcarlas todas, ni siquiera citar muchos resultados alcanzados con ellas, pero con el objetivo de mostrar sus potencialidades se escogieron algunas de las más importantes así como el impacto que poseen dada la información que brindan.

  • La mayor parte de las técnicas analíticas aplicadas a las SH se dirigen a conocer:

  • Composición.

  • Estructura.

  • Propiedades.

  • Tiempo de residencia en la naturaleza.

  • Interacciones con otros componentes inorgánicos del suelo.

  • Interacciones con sistemas de microorganismos.

  • Interacciones con sistemas biológicos de plantas.

  • Impactos (toxicología) de su presencia en las aguas y del tratamiento de estas al purificarlas.

  • Potencialidades como sistemas depuradores de agentes contaminantes.

  • Propiedades y efectos sobre sistemas naturales de las sustancias compostadas.


MÉTODOS QUÍMICOS

- MÉTODOS DE EXTRACCIÓN

- COMPOSICIÓN ELEMENTAL

- ANÁLISIS DE SUSTANCIAS NITROGENADAS

- ANÁLISIS DE GRUPOS REACTIVOS ( COOH, OH-FEN, OH-ALC, C=O, OCH3, QUINONAS)

- HIDRÓLISIS ( H2O, ÁCIDA, ALCALINA )

- DEGRADACIÓN POR OXIDACIÓN

- DEGRADACIÓN POR REDUCCIÓN

- FRACCIONAMIENTO CON DISOLVENTES INORGÁNICOS Y ORGÁNICOS

- FORMACIÓN DE COMPLEJOS Y QUELATOS

- DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE CAMBIO CATIÓNICO

- ESTUDIO DE PROPIEDADES COLOIDALES

-MEDICIÓN DE INTERACCIONES ORGANO-MINERALES

- UMBRALES DE COAGULACIÓN


CONDICIONES DE UN MÉTODO IDEAL DE

EXTRACCIÓN

- SE LOGRA EL AISLAMIENTO DE LAS S.H. INALTERADAS.

- LAS S.H. QUEDAN LIBRES DE ARCILLAS, HIDRÓXIDOS

Y ME TALES.

- LA EXTRACCIÓN ES EXAUSTIVA, ESTANDO PRESENTES

TODAS LAS FRACCIONES DE LAS S.H.

- EL MÉTODO SE PUEDE APLICAR UNIVERSALMENTE A

TODOS LOS SUELOS.


SOLVENTES Y EXTRAYENTES MÁS UTILIZADOS

SOLVENTES BÁSICOS (NaOH, Na4P2O7, Na2CO3).

SOLVENTES ÁCIDOS (HCl, HF, H2SO4).

SOLVENTES ORGÁNICOS (BENCENO, ETANOL,CLOROFORMO, ACETILACETONA, FENOL).

SALES NEUTRAS (Na4P2O7, NaF)

AGENTES ACOMPLEJANTES (Na2-EDTA)

RESINAS DE INTERCAMBIO (DOWEX A-1, AMBERLITA IRC-50, AMBERLITA XAD-8, XAD-4).

ESTOS SOLVENTES Y EXTRAYENTES SE UTILIZAN CONJUNTAMENTE CON PROCEDIMIENTOS DE AGITACIÓN, CALENTAMIENTO, ULTRASONIDO, ETC.


EFECTIVIDAD DE ALGUNOS REACTIVOS

BREMNER Y LEES

SALES INORGÁNICAS DE Na

PIROFOSFATO > FLUORURO > HEXAMETAFOSFATO >

ORTOFOSFATO > BORATO > CLORURO > BROMURO >

IODURO.

SALES ORGÁNICAS DE Na

OXALATO > CITRATO > TARTRATO > MALATO >

SALICILATO > BERZOATO > SUCCINATO >

P-HIDROXIBENZOATO > ACETATO.


EXTRACCION DE M.O. DEL SUELO POR VARIOS REACTIVOS

SUSTANCIA EXTRAIDAEXTRAYENTE% M.O.

SUSTANCIAS HÚMICASNaOH80

Na2CO380

Na4P2O730

NaF30

Na Ac. Org:30

ACETILACETONA30

CUPFERRON50

8-HIDROXIQUINOLINA45

ÁCIDO FÓRMICO55

ACETONA-AGUA-HCl20

SUSTANCIAS HIDROLIZABLES

AMINOÁCIDOS, AMINOAZÚCARESHCl(6N) CALIENTE25-45

AZÚCARES, POLISACÁRIDOSH2SO4(1 N) CALIENTE5-25

NaOH,HCOOH, H2O CALIENTE< 5

BIOQUÍMICOS LIBRES (AA, AZ)SOL. NH4Ac, H2O, ALCOHOL1 %

GRASAS, CERAS, RESINASSOLVENTES DE GRASAS2-6

BIOQUÍMICOS UNIDOS A ARCILLASHF5-50

STEVENSON, 1982


COMPOSICIÓN ELEMENTAL

DATOS PROMEDIOS RECOGIDOS POR DIF. AUTORES /

KONONOVA,1966 ; SCHNITZER,1972 ; FLAIG Y COL. , 1975 ; STEVENSON ,1982)

(GARCÉS, 1987)

AH

AF

H

%C %H %O %N %S F.GLOBAL

52 - 62

41 - 50

55 -60

2 - 6

3 - 6

5 - 6

30 - 39

40 - 50

30 -40

2.5 -5

1 -3

4 - 5

0 -2

0 -2

0 - 1

C10H12O5N

C12H12O9N

(30 - 38)

(50 -60)

(3%)

(ORLOV , 1974)

RELACIONES ATÓMICAS

AH

0.42 – 0.60

0.76 – 1.22

12 - 20

AF

0.76 – 0.96

0.91 – 1.42

12 - 18

O/C

H/C

C/N

DIAG.

VAN KREVELEN

(0.49 – 1.56)

ESTAB. HUMUS

(8 – 11) < DESCOMPONEN

(3 –8)


COMPOSICIÓN ELEMENTAL DE LOS AH EN SUELOS DE CUBA

EXTRAIDOS CON NaOH


COMPOSICIÓN ELEMENTAL DE LOS AH EN SUELOS DE CUBA

EXTRAIDOS CON PIROFOSFATO


COMPOSICIÓN ELEMENTAL DE LOS AF DE SUELOS DE CUBA

EXTRAIDOS CON NaOH


DIAGRAMA DE VAN KREVELEN DE LAS SH .

ÁCIDOS HÚMICOS (I)

ÁCIDOS FÚLVICOS (II)

RESIDUOS VEGETALES (III)

HIDROGENACIÓN

OXIDACIÓN

DESHIDROGENACIÓN

I I

I I I

X

I

X

X

X

SÍMBOLOS:

KHAN (1971),

GRISHINA Y MORGAN(1985)

HOLDER Y GRIFFITH (1983)

AH ext. Pirofofato

AH ext. NaOH

AF ext. NaOH

X

DEMETILACIÓN

DESHIDRATACIÓN

DESCARBONIZACIÓN


DETERMINACIÓN DE G. CARBOXILO .

2 R-COOH + CaAc2 = (R-COO)2Ca 2 +HAc

RECUPERAR HAc

X DESTILACIÓN

con arrastre de vapor

Valoración

potenciométrica

indirecta

HOLTZCLAW Y SPOSITO

(1979)

EXTRAER HAc

x ultracentrifugación

(SCHNITZER,1972)

NO USAR BASE INT: NaAc.

(PERDUE Y COL.,1980)

(Vm-Vb)N.106

Cont.COOH(cmole/Kg) = _______________

mg MUESTRA


DERTERMINACIÓN

DE G.CARBOXILO + FENILHIDROXILOS

F.ORTEGA

ACIDEZ TOTAL

AH

MAS

POPULAR

Ba(OH)2

N2

AH

+

Ba(OH)2

AH

AH

Ba(OH)2

Ph >13

VALORAR POT.

HCL

CaAc2

AH

+

NaOH

(SCHNITZER)

VALORAR

POT. X NEUT.

NaOH

G. CARBOXÍLICO

(G. I Y II A)

(STEVENSON)

STADNIKOV Y COL

(1929,34,35)

VALORAR

NaOH

REPOSO

HUMATOS

(KUJAUNKO,1937)

BaCL2

FULVATOS

VALORACIÓN

HCL 0.1N

(ANÁLISIS X ESPECTROMETRÍA INFRARROJA)

(DRAGUNOVA,1958)


REACC. TÍPICAS P/ DETERMINAR G.CARBONILOS.

*POR FORMACIÓN DE OXIMAS , HIDRAZONAS, CARBAZONAS .

HIDROXILAMINA

OXIMAS

FENILHIDRAZONA

FENILHIDRACINA

SCHNITZER ,1972

(Vb -VS) N 106

CARBONILO = ________________

mg MUESTRA

Vb VOL. CONSUMIDO BLANCO

Vs vol cons. Muestra

N conc.del ácido


Reacción con el dimetil sulfato para

determinar OH totales

R-OH + NaOH = RO-+ Na+ +H2O

RO- + CH3-O-SO2-O-CH3 = ROCH3 + CH3-O-SO2-O-

Leenheer y Noyes (1989)

(CH3)2SO4 + K2CO3

Schnitzer (1974)

(CH3)2SO4 + K2CO3(ACETONA)


4

8

A

H

OCH3

4

0

L

i

g

n

i

t

a

s

y

AF

c

a

r

b

ó

n

COOH

%

3

2

O

x

í

2

4

g

C

=

O

e

n

1

6

O

H

o

(

á

c

i

d

o

)

O

H

8

C

-

O

-

C

y

o

t

r

o

s

g

r

u

p

o

s

0

4

5

5

5

6

5

7

5

8

5

9

5

%

C

a

r

b

o

n

o

Grupos funcionales que contienen oxígeno en los AH, AF, carbón y

Lignita, según Stevenson y Butler.


METODOS DEGRADATIVOS PARA IDENTIFICAR UNIONES ESTRUCTURALES DE S. HUMICAS

HIDRÓLISIS

REDUCCIÓN

OXIDACIÓN

OTROS

Cu -NaOH

NITROBENCENO

1/2 ALCALINO.

PERMANGANATO

1/2 ALCALINO.

DEGRADACIÓN

CON SULFITO DE SODIO.

DEPOLIMERIZA-CIÓN.

AGUA

ACIDO

BÁSICO

AMALGAMA DE Na

DESTILACIÓN Zn polvo


COMPUESTOS ORG. IDENTIFICADOS EN LA DEGRADACIÓN DE AH Y AF.

1, 2 ,3

4, 5, 6

7 , 8

9, 10

11 , 12

13 , 14 , 15

16 , 17

1-R=CHO SIRINGALDEHIDO 2-R= COOH AC. SIRINGICO

3-R=CH2CH2-COOH 4- R=CHO VANILLIN

5- R=COOH AC. VANILLICO 6- R=CH2CH2-COOH

7- R= COOH AC. P-HIDROXIBENZOICO 8-R=CHO p-HIDROXIBENZALDEHIDO

9- R=H CATECOL 10- R= COOH AC. PROTOCATEICO

11- R=PIROGALOL 12- R=COOH AC. 2,3,4-TRIHIDROXI.BENZOICO

13- R=H RESORCINOL 14- R=COOH AC. 2,4 -DIHIDROXI BENZOICO

15- R= OH PIROGALOL 16- R= H AC. M -HIDROXIBENZOICO

17- R= OH AC.2,4 DIHIDROXIBENZOICO


MÉTODOS FÍSICOS

- ESPECTROSCOPÍA:

- REGIÓN VISIBLE ( 440-800 nm )

- COEFICIENTES E4 /E6 , COEFICIENTES  LOG K

- REGIÓN U.V. ( 200-400 nm )

- REGIÓN I.R. ( 500-5 000 cm -1 )

- DIFRACCIÓN DE RAYOS X

- DETERMINACIONES ELECTROMÉTRICAS

- POTENCIOMETRÍA

- CONDUCTIMETRÍA

- POLAROGRAFÍA

- DETERMINACIÓN DE MASAS MOLECULARES

- ISOTERMAS DE ADSORCIÓN

- VISCOSIMETRÍA

- MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA

- DERIVATOGRAFÍA

- ANÁLISIS DE CARBONO 14

- ESPECTROMETRÍA DE MASAS Y RMN


ESPECTROS UV-VISIBLES DE LOS AH

Garcés, 1987

A

nm


ESPECTROS UV-VISIBLES DE LOS AF

Garcés, 1987

A

nm


COEFICIENTES ÓPTICOS E1 cm, 465 nm) ( 0,001 % )

( KAURICHEV)

ESCALA:

> 0,10MUY ALTO

0,08-0,10ALTO

0,06-0,08MEDIANO

0,04-0,06BAJO

< 0,04MUY BAJO

INTERPRETACIÓN:

> VALOR DE E IMPLICA

> MASA MOLAR

> % DE CARBONO

> CONDENSACIÓN

> RELACIÓN CAROM/ CALI

COEFICIENTES DETERMINADOS EN S.H. (KONONOVA)

- Sod-podzólico0,040

- Gris forestal0,107

- Chernozem ordinario0,109

- Solonetz0,074

- Serozem0,080

- Carmelita forestal de montaña0,065

- Montañoso0,096

- Rojo0,083

- Canela-carmelita sobre caliza0,058

- Canela carmelita sobre pizarra0,061


COEFICIENTES ÓPTICOS E1 cm, 465 nm) ( 0,001 % )

DETERMINADOS EN SUELOS DE CUBA ( Garcés, 1987)

A.H.A.F.

- Ferralítico Rojo0,0328--

- Pardo con Carbonatos0,03090,0136

- Pardo sin Carbonatos0,03090,0081

- Húmico con carbonatos0,05240,0040

- Vertisuelo0,06600,0122


COEFICIENTES E4/E6 DE S.H. (KONONOVA, CHEN Y SCHNITZER, GARCÉS)

> E4/E6

> ACIDEZ

> CONTENIDO R-COOH

> CONTENIDO DE OXÍGENO

< CONDENSADO Y POLIMERIZADO

< E4/E6

> MASA MOLAR

> TAMAÑO DE PARTÍCULA

> TIEMPO DE RESIDENCIA

> HUMIFICACIÓN

INDICES

ÁCIDOS HÚMICOS

POPDZOL5,0

GRIS OSCURO3,5

CHERNOZEM3,0-3,5

CASTAÑO3,8-4,0

SEROZEM4,0-4,5

ROJO5,0

ACIDOS FÚLVICOS

RANGO6,0-8,5

DE CUBA

A.H.A.F.

FERRALÍTICO R.5,98-

PARDO CON CARB.6,3612,43

PARDO SIN CARB.6,218,42

RENDZINA NEGRA5,017,83

VERTISUELO3,9114,11


RELACIÓN ENTRE EL COEFICIENTE DE EXTINCIÓN MOLAR () y Mn (Wood y col.)

40 000

30 000

20 000

10 000

0

 (212 nm)

100 300 500 700 900 1000 Mn


PROPIEDADES ÓPTICAS DE LOS AH

Garcés, 1987


PROPIEDADES ÓPTICAS DE LOS AF

Garcés, 1987


Valor (D)

Método

Destilación Isotérmica

Análisis Grupos Finales

Peso Equivalente

Temperatura de Congelamiento

DRX

Diálisis

Cromatografía de gel

Sedimentación

Viscosidad

Osmometría

1000

984 - 1294

1336

1684

1392

5000 - 7000

4500 - 26000

10000 - 200000

~25000

~36000

47000 - 53800

MASAS MOLECULARES (AH)


MASA MOLAR PROMEDIO (Mn)Y MASA DE LA CELDA E.

Garcés, 1987


1

2

3

pH de las soluciones

6-

5-

4-

3-

ml de ag. Val.

CURVAS DE VALORACIÓN POTENCIOMÉTRICAS

SUSTANCIAS HÚMICAS.

ACIDOS HÚMICOS :

1-PODSOL

2- CHERNOZIOM

ÁCIDOS FÚLVICOS:

3- CHERNOZIOM


Magnitudes de pK de Ácidos Húmicos de Cuba

Garcés, 1987


log K

pH = 3.0

pH = 5.0

Var. Cont.

Int. I.

Var. Cont.

Int. I.

Metal

3.3

3.1

2.9

2.6

2.6

2.4

2.1

1.9

6.1

3.7

3.3

3.2

2.8

2.7

2.7

2.2

2.2

1.9

-

3.7

4.0

4.2

4.2

4.1

3.4

3.7

3.7

2.2

-

-

4.0

4.2

4.1

4.0

3.3

3.6

3.7

2.1

-

-

Cu2+

Ni2+

Co2+

Pb2+

Ca2+

Zn2+

Mn2+

Mg2+

Fe3+

Al3+

c (MLx)

M + x L  MLx

K =

c (M) c (L)x

Constantes de estabilidad M-FA a  = 0.1


log K

7

6

5

4

3

2

0

Fe3+

Al3+

Ni2+

Cu2+

Co2+

Pb2+; Ca2+

Zn2+

Mn2+

Mg2+

0 0.05 0.10 0.15

Valores delog Kde complejos M-AF a pH = 3

(Schnitzer y Skinner)


ESPECTROS UV-VISIBLES DE LOS AH

A

Garcés, 1987

nm


ESPECTROS UV-VISIBLES DE LOS AF

Garcés, 1987

A

nm


ESPECTROS IR DE LOS AH

Garcés, 1987

A

cm-1


ESPECTROS IR DE LOS AF

Garcés, 1987

A

cm-1


Cambian la estructura con el

pH y la concentración

Adsorben especies

en la superficie

Migran en un

campo eléctrico

Propiedades coloidales de

las sustancias húmicas

Intercambian

iones en la superficie

Peptizan con

el lavado

Tamaño y MM de los polímeros

similar a los coloides inorgánicos


Determinación del umbral de coa gulación de las sustancias húmicas .

(Kononova , 1966)

Muestra de SH

5ml

CaCl2 +H 2O

1ml

NaHCO3

Serie de TUBOS DE ENSAYOS

0.026g/L (C)

AGITA

FUERTEMENTE

REPOSO

OBSERVACIÓN

TIEMPO(TURBIDEZ)

TIEMPO(COMPLETA COAGULACIÓN)

4h


CARÁCTER DE LA COAGULACIÓN DE LOS ÁCIDOS HÚMICOS.

SUELO PODSÓLICO

SUELO CHERNOZIOM


pH Buffer

Fracción arcilla

cmol.kg-1

Fracción orgánica

cmol.kg-1

% CCC determinada

por la MO

Contribución de la materia orgánica y la fracción de arcilla al suelo (CCC influenciada por el pH)

Helling et al.,1964

2.5

38

36

19

3.5

45

73

28

5.0

54

127

37

6.0

56

131

36

7.0

60

163

40

8.0

60

215

45


MICELA ESFÉRICA

ATKINS,1998

CADENAS

HIDROFÓBICAS

(FILAMENTOS)

GRUPOS

HIDROFÍLICOS


Nuevas Técnicas


ESTRUCTURA DE LOS AC. HÚMICOS


FOTOGRAFÌA ELECTRÓNICA DE LOS AH


FOTOGRAFÍA ELECTRÓNICA DE LOS AH


RMN de 13C en fase líquida y  14C de Sustancias Húmicas

Agnelli y col., 2000


RMN de 13C y 15N de Materia Orgánica de aguas residuales

Dignac y col., 2000

Grupos amidas/péptidos


Estructura de Sustancias Húmicas mediante Electro Spray/Ciclotrón EM

Hatcher y col, 2000


LC-RMN y (HR-MAS) RMN de Sustancias Húmicas

Simpson y col., 2000


(Adaptado de

Schulten y Schnitzer,1993)

Modelo de Ácidos Húmicos

Grupos funcionales, Estructuras Aromáticas y Alifáticas


Size Exclusion Crom./ Electrospray MS de Sustancias Húmicas

Persson y col. 2000


Nu ZANG y col., 2000


Caracterización de AH mediante EPR/13C RMN/Esp. Fluorescencia

González Martha y col., 2000


Gonet y col., 200


INTERPRETACIÓN DE LOS CORRIMIENTOS QUÍMICOS EN C13-RMN DE SH

  • -Carbono alifático (alc. + ácidos grasos)0-39 ppm

  • -C de proteinas, péptidos, amino ác. Y metoxilos40-60

  • -C de carbohidratos61-105

  • -C aromáticos106-165

  • -C de fenoles150-165

  • -C de carboxilos170-190

  • -C de carbonilos (cetonas)210-230

  • % Carácter alifático

  • - % Carácter aromático


Espectroscopía de fotoelectrones de Rayos X de Ácidos Húmicos

Monteil-Rivera y col., 2000


Espectro de Rx de fotoelectrones de ácidos Húmicos

Monteil-Rivera y col., 2000


NUEVA CONCEPCIÓN EN LA INTERPRETACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE LAS

SUSTANCIAS HÚMICAS

SCHULTEN (1995-2001)

SHULTEN Y SCHNITZER (2000-2001)

arcillas

INTERACCIÓN ÓRGANO-MINERAL


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