ความรู้พื้นฐาน
กำมะถันในธรรมชาติมีสิ่งที่อยู่ในรูปของธาตุ สารประกอบอินทรีย์ และสารประกอบอนินทรีย์ ดินที่ใช้เพื่อการเพาะปลูก โดยทั่วไปมักพบว่ากำมะถันส่วนใหญ่อยู่ในรูปสารประกอบอินทรีย์ อินทรีย์วัตถุในดินมีสัดส่วนโดยน้ำหนักของธาตุ C:N:S ประมาณ 125:10:1.2 ดินในเขตแห้งแล้งอาจมีเกลือซัลเฟต เช่น CaSO4 MgSO4 หรือ Na2SO4 สะสมอยู่ในดิน แต่ดินในเขตร้อนชื้นทั่วไปกำมะถันมักมีแนวโน้มถูกชะล้างออกไปจากชั้นดิน ดินสวน ดินไร่ ที่ระบายน้ำได้ดี สารประกอบอนินทรีย์กำมะถันมักอยู่ในรูปเกลือซัลเฟต แต่ดินที่อยู่ในสภาพน้ำขัง กำมะถันจะถูกรีดิวซ์เป็นสารประกอบซัลไฟด์
พืชต้องการกำมะถันในปริมาณใกล้เคียงกับฟอสฟอรัส ถ้าพืชขาดกำมะถันกระบวนการสร้างโปรตีนจะถูกยับยั้ง และจะพบกรดอมิโนที่ไม่มีกำมะถันเป็นองค์ประกอบสะสมอยู่ในพืช พืชถูกกำมะถันไปใช้ได้เฉพาะเมื่ออยู่ในรูปซัลเฟตไอออน (SO42-) ดังนั้นกำมะถันที่อยู่ในรูปสารประกอบอินทรีย์จะต้องผ่านกระบวนการย่อยสลายก่อนพืชจึงจะใช้ประโยชน์ได้ ส่วนสารประกอบซัลเฟตจะต้องละลายออกมาอยู่ในสารละลายดินก่อนพืชจึงจะถูกไปใช้ได้

 

วิธีวิเคราะห์กำมะถันที่เป็นประโยชน์มี 2 ขั้นตอน คือ
ขั้นตอนที่ 1 การสกัดกำมะถันที่อยู่ในรูปซัลเฟตไอออน หรือสามารถเปลี่ยนเป็นซัลเฟตไอออนได้ง่าย โดยใช้สารละลายต่าง ๆ เช่น
0.01 M Ca(H2PO4)
0.25 M KCl
0.5 M NaHCO3
0.15 % CaCl2
5 mM MgCl2
500 mg-P/dm3 KH2PO4
0.5 M NH4OAc + 0.25 M HOAc
ขั้นตอนที่ 2 การวิเคราะห์ปริมาณหรือความเข้มข้นของซัลเฟตไอออนในสารละลายที่สกัดได้ วิธีวิเคราะห์ที่นิยมมี 2 วิธี คือ
1. วิธีวัดความขุ่น (turbidimetry หรือ Nephelometry) วิธีนี้วิเคราะห์โดยเติม BaCl2 ลงไปในสารละลายที่สกัดได้ หากมี SO42- อยู่ ปฏิกริยาเคมีเกิดขึ้นดังสมการ

BaSO4 เป็นสารที่ละลายน้ำได้น้อย (Ksp = 1.3 x 10-10) จึงเกิดตะกอนขุ่นขาวขึ้น เพื่อลดการละลายของ BaSO4 ให้ต่ำลงอีก นิยมเติมสารประเภทแอลกอฮอล์ เช่น CH3CH2OH ลงไปด้วย และเพื่อต้องการให้ BaSO4 แขวนลอยอยู่ในสารละลายได้มาก นิยมเติมสารเพิ่มความหนืด เช่น glycerin, gum acacia หรือ polyvinyl alcohol ลงไปด้วย จากนั้นนำสารแขวนลอยไปวัดความขุ่นที่ความยาวคลื่นประมาณ 400 nm ถ้าสารแขวนลอยขุ่นมากแสดงว่ามีซัลเฟตมากนั่นเอง

2. วิธีวัดการดูดกลืนแสง (speetrophotometry)
2.1 Johnson&Nishita method วิธีนี้จะต้องรีดิวซ์ซัลเฟตในสารละลายด้วยกรดผสม HI, HCOOH และ H3PO3 ไปเป็น H2S จากนั้นจับแก๊สที่เกิดขึ้นด้วยสารละลาย Zn(OAc)2 แล้วนำไปทำปฏิกริยากับ p-aminodimethylaniline โดยมี FeCl3 เป็นสารเร่ง จะได้ methylene blue แล้วนำไปวัดการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่น 670 nm ปฏิกริยาเคมีเกิดขึ้นดังสมการ

2.2 Cromate method วิธีนี้วิเคราะห์โดยเติมผง BaCrO4 ลงไปในสารละลายที่สกัดได้จากดิน ถ้าในสารละลายมีซัลเฟตอยู่ จะเกิดปฏิกริยาดังสมการ
จากนั้นแยกตะกอนแขวนลอยของ BaCrO4 และ BaSO4 ออกแล้วนำไปวัดการดูดกลืนแสงของโครเมตที่ความยาวคลื่น 370 nm วิธีนี้มีข้อเสียที่มีไอออนอื่นอีกหลายชนิดที่สามารถเกิดปฏิกริยากับ BaCrO4 ได้ เช่น ฟอสเฟต อาเซนเนต ซิลีเนต และตะกั่ว เป็นต้น ดังนั้นหากสารละลายมีไอออนเหล่านี้อยู่ จะทำให้ผลการวิเคราะห์จางกว่าความเป็นจริง
2.3 Th-morin method วิธีนี้วิเคราะห์โดยเติมสารประกอบเชิงซ้อน Th-morin (3, 5, 7, 2', 4' -pentahydroxyflavon) ลงไปในสารละลายที่สกัดได้จากดิน ถ้าในสารละลายมีซัลเฟตอยู่ ซัลเฟตจะเกิดปฏิกริยา Th-morin กลายเป็นสารประกอบ Th-SO4 สารประกอบ Th-morin มีสีเหลืองและดูดกลืนแสงได้ดีที่สุดที่ความยาวคลื่น 410 nm ดังนั้น ถ้าในสารละลายมีซัลเฟตอยู่จะทำให้ค่าการดูดกลืนแสงลดลง นอกจากนี้สารประกอบ Th-morin ยังเรืองแสงสีเขียวเมื่อได้รับ รังสีอุลตร้าไวโอเลต ในขณะที่ Th-SO4 ไม่เรืองแสง ดังนั้นสามารถวิเคราะห์ความเข้มข้นของซัลเฟตได้อีกวิธีหนึ่ง โดยการวัดความเข้มของแสงสีเขียวที่ลดลง เทคนิคนี้มีไอออนรบกวนการวิเคราะห์ที่สำคัญ คือ ฟลูออไรด์ ฟอสเฟต และเหล็ก (III) ข้อเสียของวิธีนี้คือ Th-(NO3)4.2H2O เป็นสารที่มีราคาแพง และเป็นสารกัมมันตภาพรังสี ทำให้ต้องเพิ่มการป้องกันอันตรายระหว่างการวิเคราะห์

 

3. วิธีไอออนโครมาโทกราฟฟี่ วิธีนี้วิเคราะห์โดยใช้เครื่องไอออนโครมาโตกราฟฟี่ ข้อดีของวิธีนี้คือ สามารถวิเคราะห์แอนไอออนชนิดอื่น เช่น ฟลูออไรด์ คลอไรด์ ไนเตรต หรือ ฟอสฟอรัส ได้พร้อมกันในครั้งเดียว ส่วนข้อเสียของวิธีนี้คือ ถ้าความเข้มข้นของไอออนชนิดใดชนิดนึ่งสูงกว่าความเข้มข้นของไอออนที่ต้องการวิเคราะห์มาก จะทำให้สัญญาณของไอออนนั้นซ้อนทับสัญญาณของไอออนที่ต้องการวิเคราะห์ ดังนั้นวิธีนี้จึงเหมาะกับการวิเคราะห์ซัลเฟตที่สกัดด้วยน้ำ ในกรณีที่ต้องการวิเคราะห์ซัลเฟตที่สกัดด้วยสารละลาย จำเป็นต้องมีกระบวนการกำจัดหรือลดความเข้มข้นของแอนไอออนที่ใช้สกัดเสียก่อน

 

4. วิธี Induetively coupled plasma atomic emission speetrophotometry (ICP-AES) วิธีนี้วิเคราะห์โดยใช้เครื่องมือ ICP-AES ข้อดีของวิธีนี้ คือ สามารถวิเคราะห์ได้รวดเร็ว และสะดวกเนื่องจากไม่มีกระบวนการทางเคมีใด ๆ เข้ามาเกี่ยวข้องในขั้นตอนการวิเคราะห์ และมีช่วงความเข้มข้นที่วิเคราะห์ได้ (working range) กว้างกว่าวิธีอื่น เครื่อง ICP-AES มีราคาแพง ทำให้หน่วยงานที่มีงบประมาณน้อย ไม่สามารถจัดหาเครื่องมือชนิดนี้ได้
วัตถุประสงค์
  • เพื่อให้นักศึกษารู้วิธีวิเคราะห์กำมะถันที่เป็นประโยชน์ในดิน
  • เพื่อให้นักศึกษาได้เรียนรู้เทคนิคการวิเคราะห์โดยวิธีวัดความขุ่น
อุปกรณ์และเครื่องแก้ว
Vis speetrophotometer
Analytical balance ความละเอียด 0.1 mg
Erlenmeyer flask ขนาด 250 cm3 จำนวน 3 ใบ
Erlenmeyer flask ขนาด 50 cm3 จำนวน 3 ใบ
Volumetric flask ขนาด 25 cm3 จำนวน 10 ใบ
Volumetric flask ขนาด 100 cm3 จำนวน 1 ใบ
Volumetric pipet ขนาด 10 cm3 จำนวน 2 อัน
สารเคมี
สารละลายโซเดียมคลอไรด์ในกรดไฮโดรคลอริค : เตรียมโดยละลาย NaCl (LR grade) 240 กรัม ในน้ำกลั่นประมาณ 800 cm3 เติมกรด HCl เข้มข้น (35-37% AR grade) ลงไป 5 cm3 แล้วปรับปริมาตรเป็น 1000 cm3
สารละลายกลีเซอรีนในเอธานอล : เตรียมโดยผสมกลีเซอรีน (C3H8O3 : AR grade) 300 cm3 กับเอธานอล (CH3CH2OH : 95% LR grade) 600 cm3 เข้าด้วยกัน
Mixed reagent : ผสมสารละลายในข้อ 4.1 และ 4.2 ลงในขวด dispenser ในอัตราส่วน 1:1
สารละลายมาตรฐานซัลเฟต : เตรียมโดยนำ Na2SO4 ไปอบที่อุณหภูมิ 100-110 เป็นเวลาไม่น้อยกว่า 3 ชั่วโมง ทั้งให้เย็นในโถแก้วดูดความชื้นจากนั้นชั่งสารนี้มา 4.4299 กรัม ละลายน้ำแล้วปรับปริมาตรเป็น 1 dm3 จะได้สารละลายที่ความเข้มข้น 1000 mg-S/dm3
BaCl2 : ใช้ในสภาพของแข็ง
สารละลายสกัด : เตรียมโดยละลาย 1.47 กรัม CaCl2.2H2O ในน้ำ 1 dm3 จะได้สารละลายนี้ความเข้มข้น 0.01 M
วิธีทดลอง
  1. ชั่งดินตัวอย่างละ 5 กรัม (ความละเอียด 0.01 กรัม) ใส่ใน erlenmeyer flask ขนาด 250 cm3
  2. เติมสารละลายสกัดลงไป 25 cm3 โดยใช้ dispenser
  3. นำไปเขย่าด้วยเครื่องเขย่านาน 30 นาที จากนั้นกรองด้วยกระดาษกรอง Whatman No.5 และรองรับสารที่กรองได้ด้วย erlenmeyer flask ขนาด 50 cm3
  4. เจือจางสารละลายซัลเฟตมาตรฐาน โดยปิเปตสารละลาย 10 cm3 ใส่ใน volumetric flask ขนาด 100 cm3 แล้วปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่น
  5. ปิเปตสารละลายมาตรฐานที่เจือจางแล้วจากข้อ 5.4 ใส่ใน volumetric flask ขนาด 25 cm3 จำนวน 0 1 2 3 4 6 และ 8 cm3 (ใช้ flask 7 ใบ)
  6. เติม mixed reagent ลงใน volumetric flask ทั้ง 7 ใบในข้อ 5 ใบละ 10 cm3 โดยใช้ dispenser แล้วปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่น
  7. ปิเปตสารละลายที่สกัดได้จากข้อ 3 ตัวอย่างละ 10 cm3 ใส่ใน volumetric flask ขนาด 25 cm3 จากนั้นเติม mixed reagent ลงไป flask ละ 10 cm3 แล้วปรับปริมาตรด้วยน้ำกลั่น
  8. นำสารที่เตรียมได้ในข้อ 6 (Standard) และข้อ 7 (sample) ไปยังเครื่องวัดการดูดกลืนแสง (UV-Vis speetrophotometer)
  9. เติมผง BaCl2 ลงไปประมาณ 50 mg แล้วเขย่า 10 ครั้ง วางทิ้งไว้ประมาณ 2 นาที เพื่อให้ฟองอากาศลอยขึ้นสู่ผิวของสารละลายจนหมด
  10. วัดความขุ่นที่ความยาวคลื่น 410 nm เทียบกับ reagent blank (ปรับค่าการดูดกลืนแสงของ reagent blank ให้อ่านค่าเป็น 0.00)
  11. เขียนกราฟความสัมพันธ์ระหว่างค่าความขุ่น (turbidance) ที่วัดได้ของสารละลายมาตรฐาน (เตรียมได้ในข้อ 5) กับความเข้มข้นของซัลเฟตในหน่วย mg-S/25cm3 ด้วยโปรแกรม CalLib หรือโปรแกรมอื่นที่ผู้ควบคุมปฏิบัติการจัดหาไว้ให้
การคำนวณ
ความเข้มข้นของกำมะถันที่เป็นประโยชน์ในดินตัวอย่าง คำนวณได้จากสูตร
Avail S = mVs/WVx         mg-S/kg

เมื่อ m = ความเข้มข้นของซัลเฟตที่อ่านได้จากโปรแกรม CalLib (mg-S/25cm3)
Vs = ปริมาตรของสารละลายสกัดที่ใช้ในที่นี้คือ 25 cm3
Vx = ปริมาตรของสารละลายสกัดที่กรองได้และนำไปวิเคราะห์ (cm3 )
W = น้ำหนักดินตัวอย่าง (g)
การประเมินระดับกำมะถันในดิน
ค่าวิกฤติของกำมะถันที่เป็นประโยชน์อยู่ที่ 10 mg-S/kg ซึ่งหมายความว่าถ้าค่าวิเคราะห์ต่ำกว่านี้พืชที่ปลูกในดินบริเวณพื้นมีแนวโน้มจะขาดกำมะถัน อย่างไรก็ตาม การวิเคราะห์ดินไม่อาจชี้วัดได้แน่นอนเนื่องจากสาเหตุหลายประการ เช่น
  • พืชแต่ละชนิดต้องการกำมะถันไม่เท่ากัน
  • พืชได้รับกำมะถันจากหลายแหล่ง
  • กำมะถันในดินถูกชะล้างลงสู่ชั้นดินที่ลึกลงไปได้ง่าย
  •  ดังนั้นการประเมินกำมะถันควรใช้ข้อมูลความเข้มข้นในดินชั้นล่างประกอบด้วยดินที่มีอินทรีย์วัตถุต่ำกว่าร้อยละ 1 หรือมีอินทรีย์วัตถุสูงกว่าร้อยละ 1 แต่มีฟอสฟอรัสที่เป็นประโยชน์ต่ำกว่า 10 mg-P/kg มักมีแนวโน้มว่ากำมะถันไม่เพียงพอต่อความต้องการของพืช