Расчет кислотности, обусловленной ионами водорода тот же, но по результатам второго титрования, после осаждения алюминия

2 Расчет кислотности, обусловленной ионами водорода тот же, но по результатам второго титрования, после осаждения алюминия.

3. Расчёт содержания алюминия (ионов) по разности 1-го и 2-го определений (Н⁺ + Аl³⁺) мг-экв – Н⁺ мг-экв =Аl³⁺ мг-экв/100 г почвы, умножив полученное значение на 9 (эквивалентный вес алюминия), определяем количество алюминия в мг на 100 г почвы.

• При определении этих показателей во влажной почве одновременно

определяют процент влажности.

Реактивы

1. Раствор 1 н. КСl, 74.6 г х.ч. КСl растворить в 400-500 мл дистиллированной воды, перенести в мерную колбу 1 л и довести до метки. рН реактива должен быть 5.6-6.0 (проверить перед началом анализа - в случае необходимости установить нужное значение рН добавлением 10%-го раствора КОН)

2. 0.01 или 0.02 н. раствор КОН или NaOH готовится из навески реактива или фиксанала.

3. 3.5% раствор фтористого натрия, приготовленный на дистиллированной воде без СО₂ (кипятить дистиллированную воду, упаривая до 1/3 первоначального объёма).

10) Методы определения приоритетных загрязняющих веществ

в почвах

Отдельно, в виду актуальности и важности задачи, следует упомянуть о необходимости анализа тяжелых металлов в почвах. Выявление загрязнения почв тяжелыми металлами производят прямыми методами отбора почвенных проб на изучаемых территориях и их химического анализа. Также используют ряд косвенных методов: визуальная оценка состояния фитогенезов, анализ распространения и поведения видов – индикаторов среди растений, беспозвоночных и микроорганизмов. Рекомендовано отбирать образцы почв и растительности по радиусу от источника загрязнения с учетом господствующих ветров по маршруту протяженностью 25-30 км. Расстояние от источника загрязнения для выявления ореола загрязнения может изменяться от сотен метров до десятков километров. Выявить уровень токсичности тяжелых металлов непросто. Для почв с разными механическими составами и содержанием органического вещества этот уровень будет неодинаков. Предложены ПДК для ртути – 25 мг/кг, мышьяка – 12-15, кадмия – 20 мг/кг. Установлены некоторые губительные концентрации ряда тяжелых металлов в растениях (г/млн.): свинец – 10, ртуть – 0,04, хром – 2, кадмий – 3, цинк и марганец – 300, медь – 150, кобальт – 5, молибден и никель – 3, ванадий – 2.

Кадмий. В растворах кислых почв он присутствует в формах Cd²⁺ , CdCl⁺ , CdSO₄ , щелочных почв - Cd²⁺ , CdCl⁺ ,CdSO₄ ,CdHCO₃ . Ионы кадмия (Cd²⁺) составляют 80-90% общего количества в растворе за исключением тех почв, которые загрязнены хлоридами и сульфатами. В этом случае 50% общего количества кадмия составляют CdCl⁺ и CdSO₄. Кадмий склонен к активному биоконцентрированию, что приводит в короткое время к его избытку в биодоступных концентрациях. Т.о., кадмий по сравнению с другими тяжелыми металлами является наиболее сильным токсикантом почв. Кадмий не образует собственных минералов, а присутствует в виде примесей, большая его часть в почвах представлена обменными формами (56-84%). Кадмий практически не связывается с гумусовыми веществами.

Свинец. Для почв характерны менее растворимые и менее подвижные формы свинца по сравнению с кадмием. Содержание этого элемента в водорастворимой форме составляет 1,4%, в обменной - 10% от валового; более 8% свинца связано с органическим веществом, большая часть этого количества приходится на фульваты. С минеральной составляющей почвы связано 79% свинца. Концентрации свинца в почвах фоновых районов мира 1-80 мг/кг. Результаты многолетних мировых исследований показали среднее содержание свинца в почвах 16 мг/кг.

Ртуть. Ртуть - самый токсичный элемент в природных экосистемах. Ион Hg²⁺ может присутствовать в виде индивидуальных ртутьорганических соединений (метил-, фенил-, этилртуть и др.). Ионы Hg²⁺ и Hg⁺ могут быть связаны с минералами как часть их кристаллической решетки. При низких значениях pH почвенной суспензии большая часть ртути сорбирована органическим веществом, а по мере увеличения pH возрастает количество ртути, связанной с почвенными минералами.

Свинец и кадмий. Для определения содержания свинца и кадмия в объектах природной среды на фоновом уровне наиболее широко применяется метод атомно-абсорбционной спектрофотометрии (ААС). Метод ААС основан на атомизации переведенного в раствор определяемого элемента в графитовой кювете в атмосфере инертного газа и поглощении резонансной линии спектра испускания лампы полого катода соответствующего металла. Абсорбцию свинца измеряют при длине волны 283,3 нм, кадмия при длине волны 228,8 нм. Анализируемый раствор проходит стадии сушки, озоления и атомизации в графитовой кювете при помощи высокотемпературного нагрева электрическим током в потоке инертного газа. Поглощение резонансной линии спектра испускания лампы с полым катодом соответствующего элемента пропорционально содержанию этого элемента в пробе. При электротермической атомизации в графитовой кювете предел обнаружения свинца 0,25 нг/мл, кадмия 0,02 нг/мл.Твердые образцы почвы переводят в раствор следующим образом: 5 г воздушно-сухой почвы помещают в кварцевую чашку, заливают 50 мл концентрированной азотной кислоты, осторожно упаривают до объема приблизительно 10 мл, добавляют 2 мл 1 н. раствора азотной кислоты. Пробу охлаждают и фильтруют. Фильтрат разбавляют до 50 мл бидистиллированной водой в мерной колбе. Аликвоту пробы 20 мкл микропипеткой вводят в графитовую кювету и измеряют концентрацию элемента.

Ртуть. Наиболее селективным и высокочувствительным методом определения содержания ртути в различных природных объектах является атомно-абсорбционный метод холодного пара. Пробы почвы минерализуют и растворяют смесью серной и азотной кислот. Получаемые растворы анализируют методом атомной абсорбции. Ртуть в растворе восстанавливают до металлической ртути и с помощью аэратора пары ртути подают непосредственно в кювету атомно-абсорбционного спектрофотометра. Предел обнаружения - 4 мкг/кг.Измерения проводят следующим образом: аппаратуру выводят на рабочий режим, включают микропроцессор, растворенную пробу объемом 100 мл переливают в пробу, затем добавляют 5 мл 10%-го раствора хлорида олова и немедленно вставляют аэратор с пробкой на шлифе. Фиксируют максимальное показание спектрофотометра, по которому и проводят расчет концентрации.

Б) Анализ растений

Анализ растений позволяет решить следующие задачи.

1. Исследовать трансформацию макро- и микроэлементов в системе почва- растение - удобрения при различных режимах выращивания растении.

2. Определить содержание основных биокомпонентов в растительных объектах и кормах: белков, жиров, углеводов, витаминов, алкалоидов и соответствие их содержания принятым нормам и стандартам.

3. Оценить меру пригодности растений для потребителя (нитраты, тяжелые металлы, алкалоиды, токсиканты).

1) Отбор растительной пробы

Отбор растительной пробы - ответственный этап работы, требует определённых навыков и опыта. Ошибки при отборе пробы и подготовке к анализу не компенсируются качественной аналитической обработкой собранного материала. Основа в отборе проб растений в агро- и биоценозах метод средней пробы. Чтобы средняя проба отражала статус всей совокупности растений, учитывают макро- и микрорельеф, гидротермические условия, равномерность и густоту стояния растений, их биологические особенности.

Растительные пробы отбираются в сухую погоду, в утренние часы, после высыхания росы. При изучении процессов обмена веществ в растениях в динамике эти часы соблюдаются в течение всего вегетационного периода.

Различают культуры сплошного сева: пшеница, овёс, ячмень, злаковые культуры, травы и др. и пропашные: картофель, кукуруза, свекла и т.п.

Для культур сплошного сева на опытном участке выделяются равномерно 5-6 площадок размером 0.25-1.00 м², растения с площадки скашиваются на высоте 3-5 см. Общий объём взятого материала составляет объединенную пробу. После тщательного усреднения этой пробы отбирают средний образец массой 1 кг. Проводят взвешивание средней пробы, а затем разбор по ботаническому составу, учёт сорняков, больных растений, которые исключают из состава пробы.

Проводят разделение растений на органы с весовым учётом в пробе листьев, стеблей, початков, цветов, колосьев. Молодые растения не дифференцируют по органам и фиксируют целиком. Для культур пропашных, особенно высокостебельных, таких как кукуруза, подсолнечник и т.д. объединенную пробу составляют из 10-20 растений средней величины, взятых по диагонали делянки или поочерёдно в несмежных рядах.

При отборе корнеплодов выкапывают 10-20 растений средней величины, очищают от почвы, подсушивают, взвешивают, отделяют надземные органы и взвешивают корнеплоды.

Среднюю пробу составляют с учетом размера клубней, початков, корзинок и т.п. Для этого материал сортируют визуально на большие, средние, малые и соответственно долевому участию фракции составляют средний образец. У высокостебельных культур проба может усредняться за счет продольного расчленения всего растения от верхушки до основания.

Критерием оценки правильного отбора пробы является сходимость результатов химического анализа при параллельных определениях. Скорость химических реакций в растительных образцах, взятых в период активной вегетации, намного выше, чем во многих анализируемых объектах. За счёт работы ферментов продолжаются биохимические процессы, в результате которых происходит разложение таких веществ, как крахмал, белки, органические кислоты и особенно витамины. Задачи исследователя - сократить до минимума срок от взятия пробы до проведения анализа или фиксации растительного материала. Снижения скорости реакций можно добиваться работой со свежими растениями на холоде в климатокамере (+4°С), а также кратким хранением в бытовом холодильнике. В свежем растительном материале при естественной влажности проводят определение водорастворимых форм белков, углеводов, ферментов, калия, фосфора, определяют содержание нитратов и нитритов. С небольшой погрешностью эти определения можно выполнять в образцах растений после лиофильной сушки.

В фиксированных воздушно-сухих образцах определяют все макроэлементы, т.е. зольный состав растений, общее содержание белков, углеводов, жиров, клетчатки, пектиновых веществ. Высушивание растительных образцов до абсолютно- сухого веса для проведения анализа недопустимо, так как нарушается растворимость и физико-химические свойства многих органических соединений, происходит необратимая денатурация белков. При анализе технологических свойств любых объектов, допускается сушка при температуре не более 30°С. Повышенные температуры изменяют свойства белково-углеводных комплексов в растениях и искажают результаты определения.

 

2) Фиксация растительного материала

Сохранение органических и зольных веществ в растительных пробах в количествах, близких к их естественному состоянию, осуществляется за счёт фиксации. Применяется температурная фиксация и лиофильная сушка. В первом случае стабилизация состава растений осуществляется за счёт инактивации ферментов, во-втором - за счёт сублимации, при этом растительные ферменты сохраняются в активном состоянии, белки не денатурируют. Температурная фиксация растительного материала проводится в сушильном шкафу. Растительный материал помещают в пакеты из плотной бумаги типа «крафт» и загружают в сушильный шкаф, предварительно нагретый до 105-110°С. После загрузки выдерживают температуру 90-95°С в течении 10-20 минут в зависимости от свойств растительного материала. При такой температурной обработке за счёт паров воды происходит инактивация растительных ферментов. По окончании фиксации растительный материал должен быть влажным и вялым при этом он должен сохранить свою окраску. Дальнейшее высушивание пробы проводят при доступе воздуха в открытых пакетах при температуре 50-60°С в течение 3-4 ч. Превышать указанные интервалы температуры и времени не следует. Длительное нагревание при высокой температуре приводит к термическому разложению многих азотсодержащих веществ и карамелизации углеводов растительной массы. Растительные образцы с большим содержанием воды- корнеплоды, фрукты, ягоды и т.п. разделяют на сегменты так, чтобы в анализ попали периферийные и центральная части плода. Набор сегментов для пробы составляют из сегментов больших, средних и маленьких плодов или клубней в соответствующем соотношении их в урожае. Сегменты средней пробы измельчают и фиксируют в эмалированных кюветах. Если образцы объёмны, то надземную часть растений непосредственно перед фиксацией измельчают и быстро закрывают в пакеты. Если в образцах предполагается определение только набора химических элементов, их можно не фиксировать, а высушить при комнатной температуре. Высушивание растительного материала лучше провести в термостате при температуре 40-60⁰С так как при комнатной температуре возможно загнивание массы и загрязнения пылевыми частицами из атмосферы. Не подвергают температурной фиксации образцы зерна и семян, но высушивают их при температуре не выше 30°С. Лиофилизация растительного материала (высушивание путём возгонки) основана на испарении льда минуя жидкую фазу. Высушивание материала при лиофилизации проводится следующим образом: отобранный растительный материал замораживают до твёрдого состояния, заливая образец жидким азотом. Затем образец помещают в лиофилизатор, где при низкой температуре и в условиях вакуума происходит высушивание. При этом влага поглощается специальным осушителем (реактивом) в качестве которого используется силикагель, хлористый кальций и т.д. Лиофильная сушка подавляет ферментативные процессы, но сами ферменты сохраняются.

3) Размол растительных образцов и их хранение

Размол растений проводят в воздушно-сухом состоянии. Скорость размола увеличивается, если образцы предварительно подсушиваются в термостате. Отсутствие в них гигроскопической влаги определяется визуально: хрупкие, легко разламывающиеся в руках стебли и листья - наиболее пригодный материал для размола

Для размола объёмных образцов, весом более 30 г, используют лабораторные мельницы, для размола небольших проб используют бытовые кофемолки. При очень малых количествах растительные пробы измельчают в фарфоровой ступке с последующим пропусканием материала через сито. Измельчённый материал просеивается через сито. Диаметр отверстий зависит от специфики анализа: от 1 мм до 0.25 мм. Часть материала, не прошедшая через сито, повторно измельчается на мельнице или в ступке. "Отброс" растительного материала не допускается, так как это изменяет состав средней пробы. При большом объёме размолотых образцов можно снизить объём, перейдя от средней лабораторной пробы к средней аналитической, вес последней составляет 10-50 г, а для зерна не менее 100 г. Отбор производится методом квартования. Лабораторная проба равномерно распределяется на бумаге или стекле в виде круга или квадрата. Шпателем делится на мелкие квадратики (1-3 см) или сегменты. Материал из несмежных квадратиков отбирается в аналитическую пробу.

 

4) Определение различных веществ в растительном материале

 

Определение водорастворимых форм углеводов

Содержание углеводов и их разнообразие определяются видом растения, фазой развития и абиотическими факторами среды и изменяются в широких пределах. Существуют количественные методы определения моносахаридов: химические, поляриметрические. Определение полисахаридов в растениях осуществляется теми же методами, но, прежде кислородная связь (-О-) этих соединений разрушается в процессе кислотного гидролиза. Один из основных методов определения - метод Бертрана основан на извлечении растворимых углеводов из растительного материала горячей дистиллированной водой. В одной части фильтрата определяют моносахариды, в другой - после гидролиза соляной кислотой - ди- и трисахариды, которые распадаются при этом до глюкозы

Определение калия, фосфора, азота основывается на реакциях гидролиза и окисления органических веществ растений сильными окислителями (смесь серной и хлорной к-т). Основным окислителем является хлорная кислота (НСlO₄). Безазотистые органические вещества окисляются до воды и углекислоты, высвобождая зольные элементы в виде оксидов. Азотсодержащие органические соединения гидролизуются и окисляются до воды и углекислоты, освобождают азот в виде аммиака, который немедленно связывается серной кислотой. Таким образом, в растворе находятся зольные элементы в виде оксидов и азот в форме сернокислого аммония и аммонийной соли хлорной кислоты. Метод исключает потери азота, фосфора и калия в виде их оксидов, так как растительное вещество оголяется при температуре 332°С. Это температура кипения серной кислоты, у хлорной кислоты значительно меньшая температура кипения - 121°С.

Определение содержание нитратов и нитритов. Растения накапливают нитраты и нитриты в больших количествах. Эти соединения токсичны для человека и животных, особенно опасны нитриты, токсичность которых в 10 раз выше, чем нитратов. Нитриты в организме человека и животных переводят двухвалентное железо гемоглобина в трехвалентное. Образующийся при этом метагемоглобин не способен переносить кислород. Необходим строгий контроль за содержанием нитратов и нитритов в растениеводческой продукции. Для определения содержания нитратов в растениях разработан ряд методов. Наибольшее распространение получил ионометрический экспресс-метод. Нитраты извлекают раствором алюмокалиевых квасцов с последующим измерением концентрации нитратов в растворе с помощью ионселективного электрода. Чувствительность метода 6 мг/дм³. Предел определения нитратов в сухом образце - 300 мл^-1, в сыром - 24 -30 мл-¹. Несколько более подробно остановимся на анализе общего азота в растениях.

5) Определение общего азота по Кьельдалю

Более высокое содержание азота наблюдается в генеративных органах, особенно в зерне, и меньше его концентрация в листьях, стеблях, корнях, корнеплодах, очень мало в соломе. Общий азот в растении представлен двумя формами: азотом белковым и азотом небелковых соединений. К последним относится азот, входящий в состав амидов, свободных аминокислот, нитратов и аммиака.

Содержание белка в растениях определяют по количеству белкового азота Содержание белкового азота (в процентах) умножают на коэффициент 6.25 при анализе вегетативных органов и корнеплодов и на 5.7 при анализе зерна. На долю небелковых форм азота приходится в вегетативных органах 10-30 % от общего азота, а в зерне не более 10%. Содержание небелкового азота к концу вегетации снижается, поэтому в производственных условиях его долей пренебрегают. Определяют в этом случае общий азот (в процентах) и его содержание пересчитывают на белок. Этот показатель называется "сырой белок", или протеин. Принцип метода. Навеску растительного материала озоляют в колбе Кьельдаля концентрированной серной кислотой в присутствии одного из катализаторов (металлического селена, перекиси водорода, хлорной кислоты и т.п.) Температура озоления 332°С. В процессе гидролиза и окисления органической массы азот в колбе сохраняется в растворе в виде сульфата аммония. Для освобождения аммиака используют 40%-ный раствор щёлочи:

(NH₄)₂SO₄+ 2NaOH =Na₂S0₄ + 2 NН₄ОН

Отгон аммиака ведут в аппарате Кьельдаля при нагревании и кипении раствора.

В кислой среде нет гидролитической диссоциации сульфата аммония, парциальное давление аммиака равно нулю. В щелочной среде происходит смещение равновесия, и в растворе образуется аммиак, который при нагревании легко улетучивается.

2NH₄OH = 2NH₃• 2Н₂0.

Аммиак не теряется, а переходит по холодильнику вначале в виде газа, а затем, конденсируясь, каплями попадает в приёмник с титрованной серной кислотой и связывается ею, вновь образуя сернокислый аммоний:

2NH₃+ H₂SO₄= (NH₄)₂S0₄.

Избыток кислоты, не связанный с аммиаком, оттитровывается щёлочью точно установленной нормальности по комбинированному индикатору или по метилроту.

Ход анализа

1. На аналитических весах взять навеску растительного материала ≈0,3-0,5 ± 0 0001 г с помощью пробирки (по разности между весом пробирки с навеской и весом пробирки с остатками материала) и, надев на конец пробирки резиновую трубку длиной 12- 15 см, осторожно опустить навеску на дно колбы Кьельдаля. Прилить в колбу небольшим цилиндром 10-12 мл концентрированной серной кислоты (d=1.84). Равномерное озоление растительного материала начинается уже при комнатной температуре, поэтому залитые кислотой навески лучше оставить на ночь.

2. Поставить колбы на электроплитку и проводить постепенное сжигание вначале на слабом огне (положить асбест), затем на сильном, периодически осторожно взбалтывая. Когда раствор станет однородным, прибавить катализатор (несколько кристаллов селена или несколько капель перекиси водорода) и продолжить сжигание до полного обесцвечивания раствора.

Катализаторы. Повышению температуры кипения серной кислоты и ускорению озоления способствует применение катализаторов. В различных модификациях метода Кьельдаля используют металлические ртуть и селен, сернокислый калий, сернокислую медь, перекись водорода. Использовать для сжигания в качестве катализатора хлорную кислоту отдельно или в смеси с серной кислотой не рекомендуется. Скорость окисления материала обеспечивается в этом случае не за счёт повышения температуры, а за счет быстрого выделения кислорода, что сопровождается потерями азота при озолении.

3. Отгон аммиака. После окончания сжигания колбу Кьельдаля охлаждают и в неё осторожно приливают по стенкам дистиллированную воду, перемешивают содержимое и ополаскивают горлышко колбы. Первую порцию воды наливают до горлышка и количественно переносят в круглодонную колбу емкостью 1 л. Колбу Кьельдаля еще 5-6 раз промывают небольшими порциями горячей дистиллированной воды, сливая каждый раз промывные воды в отгонную колбу. Наполняют отгонную колбу промывными водами до 2/3 объема и добавляют 2-3 капли фенолфталеина. Малое количество воды затрудняет парообразование при отгоне, а большое может вызвать переброс кипящей воды в холодильник.

4. В коническую колбу или химический стакан ёмкостью 300- 400 мл (приёмник) наливают из бюретки 25-30 мл 0.1 н. H₂SO₄ (с точно установленным титром), добавляют 2-3 капли индикатора метилрота или реактива Гроака (лиловая окраска). Кончик трубки холодильника погружают в кислоту. Отгонную колбу ставят на нагреватель и подсоединяют к холодильнику, проверяя герметичность соединения. Для разрушения сернокислого аммония и отгона аммиака используют 40 %-ный раствор щёлочи, взятый в таком объёме, который в четыре раза превосходит объём концентрированной серной кислоты, взятой при сжигании пробы

5. Отгонную колбу прямо на нагревателе открывают, наклоняют, в левой руке удерживают колбу и пробку холодильника. В колбу по стенке приливают отмеренное количество щёлочи так, чтобы она опустилась вся на дно колбы, и пробку холодильника быстро закрывают. Это вызвано тем, что реакция взаимодействия щелочи и сульфата аммония начинается и без нагревания, что приводит к потерям аммиака. Горлышко колбы нельзя по всей поверхности заливать щёлочью, так как пробка холодильника выскочит при кипячении.

6. Закрытую колбу осторожно и тщательно взбалтывают круговыми движениями, при этом в стакан-приёмник проскакивают первоначально пузырьки воздуха. Раствор в колбе сначала становится красного цвета, а затем темнеет, и при нагревании появляется объёмный осадок. Включают нагреватель и холодильник и приступают к отгону аммиака. Через 20-25 мин после начала отгона опускают стакан-приёмник так, чтобы раствор аммиака из холодильника стекал по стенке стакана. Кипение в отгонной колбе должно быть равномерным и достаточно интенсивным, иначе кислота из стакана будет засасываться в холодильник за счёт перепада внутреннего и наружного давления газов. Если засасывание началось, надо усилить нагрев отгонной колбы и вынуть конец трубки холодильника из раствора кислоты, для этого опустить стакан-приёмник.

7. Отгон считать законченным, когда содержимое отгонной колбы испарится до 1/3 первоначального объёма. Полноту отгона аммиака проверяют универсальным индикатором, лакмусом или реактивом Несслера, для чего берут несколько капель из холодильника на индикаторную бумагу или в пробирку, куда добавлен реактив Несслера. Он дает с аммиаком жёлтое окрашивание. Если в процессе отгона жидкость в приёмнике изменит окраску, необходимо добавить точно фиксированное количество 0.1 н. H₂SO₄(20 мл), так как первоначального объёма кислоты не хватило для связывания аммиака.