Metode Penentuan Kadar Nitrogen: Metode Kjeldahl

1.1    Metode Penentuan Kadar Nitrogen

Metode analitik yang paling umum digunakan dalam penentuan kadar

nitrogen adalah metode Kjeldahl. Metode tersebut diperkenalkan oleh Johan

Kjeldahl pada tahun 1883. Metode ini dapat diterapkan pada senyawa-

senyawa organik maupun anorganik meliputi makanan, daging, biji-bijian, air

limbah, tanah dan banyak sampel yang lainnya. 

 Peralatan Keldahl (modern)

1.1.1   Metode Kjeldahl    

Metode Kjeldahl merupakan metode yang digunakan untuk menentukan

kadar nitrogen dalam senyawa organik maupun senyawa anorganik. Metode

ini telah mengalami perubahan secara teknis dan pada peralatannya selama

lebih dari 100 tahun sejak diperkenalkan, namun secara mendasar, prinsip

yang digunakan tetaplah sama. Metode Kjeldahl dapat dibagi menjadi tiga

tahap utama, yakni:

1.    Digesi (Digestion)

Tahap digesi merupakan tahap dekomposisi nitrogen dalam sampel

menggunakan asam pekat. Tahap ini disempurnakan dengan mendidihkan

sampel pada asam sulfat pekat. Hasil akhir digesi merupakan larutan

amonium sulfat.

2.    Distilasi (Distillation)

Merupakan tahap penambahan basa berlebih ke dalam larutan digesi untuk

mengubah NH4+ menjadi NH3 yang diikuti pemanasan dan kondensasi gas

NH3 pada larutan penerima.

3.    Titrasi (Titration)

Tahap ini bertujuan untuk mengetahui jumlah amoniak dalam larutan

penerima. Jumlah nitrogen dapat dihitung dari jumlah ion amonia di dalam

larutan penerima tersebut.

Beberapa kondisi tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut:

1.1.2   Tahap Digesi

Persamaan umum untuk proses digesi ditunjukkan melalui persamaan

3.1 di bawah ini

N organik/anorganik + H2SO4    (NH4)2SO4 + H2O + CO2 + hasil samping(3.1)

Sejumlah kondisi internal digesi sangat menentukan laju reaksi dan

kesempurnaan pemecahan nitrogen menjadi amonium sulfat. Beberapa

diantara kondisi tersebut antara lain adalah pemanasan yang diberikan pada

campuran digesi, penambahan sejumlah garam untuk meningkatkan titik

didih asam, laju refluks asam sulfat pada leher labu digesi, lama digesi dan

penambahan katalis. Pengaturan salah satu kondisi tersebut akan sangat

berpengaruh pada kondisi yang lain. Kondisi digesi yang baik diperoleh

dengan menyeimbangkan faktor-faktor tersebut dalam suatu pola yang

terkontrol dan berulang. Jika suatu sampel mengandung nitrogen nitrat atau

nitrit, maka perlu dilakukan perlakuan awal secara kimiawi untuk ikut

memasukkan atau mengeluarkan sumber nitrogen pada analisa yang

dilakukan.

a.  Pertimbangan Asam

Asam sulfat telah lama digunakan untuk proses digesi sampel. Jumlah

asam yang digunakan dipengaruhi oleh ukuran dan jumlah sampel yang juga

menunjukkan jumlah nitrogen. Sampel yang banyak tentu membutuhkan

jumlah asam yang lebih banyak pula. Selain itu, lama pemanasan  dan suhu

yang diberikan juga berpengaruh terhadap jumlah asam yang hilang akibat

penguapan.

b.  Suhu Pemanasan dan Lama Digesi

Unsur pemanasan yang digunakan pada digesi Kjeldahl meliputi

beberapa variasi pengaturan. Suhu pemanasan yang digunakan umumnya

berpatokan pada suhu yang dapat menyebabkan “250 ml air yang suhunya

25 °C dapat mendidih dalam waktu lima menit”.

Sampel organik umumnya menjadi hitam dan berarang selama proses

digesi ini. Reaksinya dapat berjalan hebat pada permulaan tergantung pada

matriks dan suhu pemanasan. Namun lama kelamaan campuran digesi

menjadi jernih karena terjadinya pembentukan CO2 akibat dekomposisi

organik. Keberadaan ion logam dapat memberikan warna pada campuran

digesi. Hal yang perlu diperhatikan adalah jernihnya larutan tidak

menunjukkan semua nitrogen organik telah terpecah.

1.1.3   Proses Distilasi

Campuran digesi selanjutnya diencerkan dan dibasakan melalui

penambahan NaOH. Proses distilasi ini menghasilkan NH3 menurut

persamaan 3.2 :

(NH4)2SO4 + 2NaOH  2NH3 + Na2SO4 + 2H2O                    (3.2)

Labu Kjeldahl ditempatkan pada kondensor air dan dipanaskan untuk

menguapkan gas NH3 dari larutan. Ujung kondensor yang dihubungkan

dengan labu yang berisi larutan penerima yang berupa asam, baik berupa

asam standar maupun asam borat. Parlakuan ini dilakukan untuk

menangkap NH3 yang teruapkan.

a.  Pengenceran Larutan Digesi

Campuran asam digesi biasanya didinginkan dan diencerkan dengan air

yang bebas amonia. Pengenceran campuran digesi juga bertujuan untuk

mencegah terjadinya ledakan selama proses distilasi. Pencegahan ledakan

juga bisa dilakukan dengan menambahkan batu didih pada larutan digesi,

sementara itu penambahan dua atau tiga tetes tributil sitrat bisa dilakukan

untuk mencegah terjadinya busa.

b.  Penambahan NaOH

NaOH pekat (biasanya larutan NaOH 50%) ditambahkan secara perlahan

ke dalam larutan yang akan didistilasi. Umumnya, untuk tiap 5 ml asam

sulfat pekat larutan digesi, dibutuhkan 20 ml NaOH 50% untuk membuat

larutan menjadi bersifat basa kuat. Labu dihubungkan dengan kondensor

sebelum proses pemanasan dan distilasi dilakukan. Untuk sampel yang tidak

memerlukan proses digesi seperti penentuan amoniak secara langsung

dalam air, sampel disangga pada pH 9,5 dengan larutan natrium tetraborat

dan natrium hidroksida untuk mengurangi hidrolisis senyawa kompleks

nitrogen organik yang ada.

 c.   Distilasi

Sebagian besar NH3 didistilasi dan terperangkap ke dalam larutan asam

penangkap selama 5 sampai 10 menit awal pemanasan. Tetapi, tergantung

pada volume campuran digesi dan metode yang digunakan, 15 sampai 150

ml kondensat dapat dikumpulkan dalam labu penerima untuk memastikan

didapatnya kembali nitrogen. Perpanjangan waktu distilasi dan volume yang

dikumpulkan menghasilkan lebih banyak air yang juga akan tertampung

pada larutan penerima. Namun kelebihan air ini tidak akan memperngaruhi

hasil titrasi. Waktu distilasi dan volume distilat yang dikumpulkan harus

distandarisasi. Laju distilasi dipengaruhi oleh kapasitas pendinginan dari

kondensor dan suhu air pendingin.

Peralatan prakondisi diperlukan katika sampel yang akan ditentukan

kadar nitrogennya memiliki kadar nitrogen yang sangat kecil sebelum

sampel tersebut didistilasi. Hal ini dapat dilakukan dengan mendistilasi

campuran air bebas amonia dan NaOH 50% denganperbandingan 1:1 selama

5 menit sebelum sampel didistilasi untuk mengurangi kontaminasi dari

amonia di atmosfer.

d.  Larutan Penerima

Larutan yang digunakan sebagai larutan untuk menangkap amonia

merupakan asam yang bisa berupa asam standar ataupun asam borat. Jika

yang digunakan sebagai larutan penerima adalah HCl atau H2SO4, maka akan

lebih baik jika hanya ada sedikit kelebihan asam yang tertinggal setelah

NH3 didistilasi dan terperangkap untuk menghindari titrasi balik. Dengan

mengantisipasi jumlah nitrogen dalam sampel. Jumlah target asam standar

dapat dihitung menurut persamaan 3.3 :

 Konsentrasi yang tepat tidak terlalu dibutuhkan jika larutan penerima

yang digunakan adalah asam borat. Hal ini karena proses titrasi langsung

menghitung jumlah amonia dalam larutan distilat dengan menetralkan

kompleks yang terbentuk antara amonia dan asam borat (perbandingan 1:1).

Jumlah asam borat yang banyak bisa ditambahkan pada larutan penerima

sehingga absorpsi amonia dapat berlangsung dengan sempurna.

Volume larutan penerima dapat ditingkatkan dengan menambahkan air

bebas amonia sehingga ujung pipa pengantar bisa tercelup ke larutan

tersebut. Pipa pegantar harus selalu dibilas ke dalam labu penerima sesaat

sebelum labu tersebut dipindahkan dari perangkat distilasi. Larutan

penerima harus berada pada suhu 45 C selama proses distilasi untuk

mencegah hilangnya amonia.

1.1.4   Proses Titrasi

Terdapat dua macam titrasi yang digunakan pada proses Kjeldahl, yakni

titrasi balik yang biasanya digunakan pada Kjeldahl Makro dan titrasi

langsung. Kedua metode tersebut mengindikasikan keberadaan amonia

dalam air distilat dengan menunjukkan perubahan warna dan

memungkinkan dilakukannya perhitungan konsentrasi.

a.  Penentuan Nitrogen Melalui Titrasi Balik

Pada titrasi balik, amonia ditangkap dengan larutan asam yang telah

distandarisasi dengan sangat tepat pada labu penerima. Kelebihan asam

pada larutan penerima menjaga pHnya tetap rendah sehingga indikator tidak

berubah warna.

2NH3 + 2H2SO4          (NH4)2SO4 + H2SO4                         (3.4)

Kelebihan larutan asam kemudian dinetralkan dengan larutan basa yang

telah distandarisasi dengan tepat misalnya basa NaOH. Perubahan warna

terjadi ketika titrasi mencapai titik akhirnya.

(NH4)2SO4 + H2SO4 + 2NaOH  (Na)2SO4 + (NH4)2SO4 +

2H2O           (3.5)

b.  Penentuan Nitrogen Melalui Titrasi Langsung

Titrasi langsung dilakukan dengan menggunakan asam borat sebagai

larutan penerimanya.  Reaksi yang terjadi pada titrasi ini adalah:

NH3 + H3BO3   NH4+:H2BO3

- + H3BO3                     (3.6)

Asam borat menangkap gas amonia dan membentuk kompleks borat.

Setelah amonia terkumpulkan, maka warna larutan penerima akan berubah.

2NH4H2BO3- + H2SO4    NH4

+:H2BO3- + H3BO3                                 (3.7)

Penambahan asam sulfat menetralkan kompleks amonium borat

sehingga perubahan warna terjadi.

Metode asam borat ini memiliki dua kelebihan yakni hanya

membutuhkan satu larutan standar untuk proses penentuan kadar nitrogen

dan larutan memiliki waktu hidup yang lama.

a.  Indikator

Beberapa indikator yang berbeda telah digunakan untuk dapat

memberikan perbedaan warna yang mencolok selama proses titrasi. Analis

biasanya menggunakan indikator yang spesifik dan hal ini sangat terganting

pada pilihan personal. Namun demikian, indikator yang sering digunakan

adalah campuran dari metil merah dan metilen biru. Indikator harus memiliki

trayek pH perubahan wrana dimana titik ekivalen titrasi terjadi.

b.  Perhitungan

Perhitungan kadar nitrogen harus disesuaikan dengan larutan penerima

yang digunakan dan faktor pengenceran selama proses distilasi. Pada

persamaan di bawah, “N” menunjukkan normalitas. “ml blank‘ adalah

mililiter yang diperlukan untuk titrasi balik reagen blank jika yang digunakan

adalah asam standar, atau menunjukkan mililiter asam standar yang

dibutuhkan untuk mentitrasi larutan penerima. Ketika asam standar

digunakan sebagai larutan penerima, persamaan yang digunakan adalah

Jika berat sampel berupa miligram, berat molekul nitrogen harus diubah

menjadi 1400,67.

Ketika asam borat digunakan sebagai larutan penerima, maka

persamaan yang digunakan adalah: