Методы исследования свойств гумусовых кислот

Для изучения физико-химических свойств гумусовых веществ используются: ИК- и УФ-спектроскопия, электронная микроскопия, термогравиметрия, рентгенодифрактометрия [39]. Методы определения элементного состава и функциональных групп могут быть дополнены исследованиями структурных фрагментов на основе газожидкостной хроматографии, определения молекулярных масс с помощью светорассеивания, ультрацентрифугирования, гель-фильтрации, методов ядерного и электронного парамагнитного резонанса, потенциометрического титрования, полярографии и вольтамперометрии [40].

Оптические методы

Для ГВ характерна высокая интенсивность светопоглощения в ультрафиолетовой области, что дает возможность использовать метод УФ-спектроскопии при изучении их строения [41]. С помощью этого метода можно проводить качественный и количественный анализ. Еще в 1876 г. Витт установил, что светопоглощение органических соединений связано с присутствием в них определенных групп атомов и связей (хромофоров), таких, как азо-, виниленовой, нитро-, нитрозо-, карбонильной и других [2]. За счет поглощенной дополнительной энергии происходит изменение электронного состояния молекулы вещества: она переходит в электронно-возбужденное состояние [42]. Энергия электронных переходов соответствует видимому и УФ излучению. Спектры поглощения соответствующего излучения получили название "электронных" [2]. Метод электронной спектроскопии достаточно давно и широко используется при изучении почвенных гумусовых веществ [43].

Наиболее широкое применение получили показатели оптической плотности (D) растворов ГВ в видимой области спектра (350-800 нм) [44]. Изучению же спектральных свойств ГВ в ближней УФ-области (195-350 нм) уделяется значительно меньшее внимание, несмотря на то, что эта область спектра является наиболее информативной при изучении структуры органических молекул [45].

Зависимость энергии светопоглощения от длины волны, представляющая собой спектр поглощения, используется для изучения строения ГВ. По максимумам на кривых электронных спектров определяют наличие соответствующих структурных компонентов. Кроме того, метод УФ-спектроскопии используют для сравнительной характеристики ГВ различного происхождения; для быстрого определения содержания гуминовых и фульвокислот; в экспериментальных работах для контроля за растворимостью ГК, условиями их осаждения, образованием соединений с катионами металлов и др. [43].

Количественная спектрофотометрия растворов ГВ основана на приложимости к ним закона Бугера-Ламберта-Бера при всех значениях длин волн. Для количественной оценки интенсивности светопоглощения ГВ используют следующую запись закона:

D = E х С х L (1),

где Е - условный коэффициент поглощения, рассчитанный на условную единицу молекулярной массы.

Следует отметить, что публикуемые в специальной литературе электронные спектры экстрактов почвенных ГВ, а также растворов гумусовых кислот (ГК и ФК), характеризуются, как правило, отсутствием полос поглощения [43, 46, 47]. Спектры в основном представляют собой пологие кривые, монотонно снижающиеся с увеличением длины волны. Тем не менее, даже такие спектры выявляют различие спектральных свойств ГВ не только почв разного типа, но и одной и той же почвы при разных обработках [43]. Монотонность спектральной кривой может обусловливаться многими причинами, среди которых выделяют следующие [48]:

1) полосы поглощения располагаются в далекой (вакуумной) УФ-области (λ менее 190 нм);

2) использование кювет с относительно большой толщиной поглощающего слоя (как правило, 10 мм) и спектрофотометров, не позволяющих выбирать оптимальную шкалу оптической плотности при достаточно высокой концентрации в растворе молекул с С=С-связями;

3) полоса поглощения сопряженных С=С-связей, имеющая максимум в коротковолновой области УФ-спектра [45], может перекрываться полосой поглощения растворителя, как правило, раствора NaOH (0.1 н.), наиболее широко используемого для извлечения из почвы ГВ и растворения ГК. Поэтому авторы [48] советуют использовать в качестве эталона сравнения 0.1 н. NaOH. Автоматическое вычитание спектра растворителя способствует выявлению полосы поглощения сопряженных С=С-связей в спектрах гумусовых молекул [49]. В результате информативность спектра ГВ значительно повышается.

Анализируя полученные таким приемом спектральные кривые, А. Ю. Кудеярова [48] делает вывод, что молекулы гумусовых веществ целинной и пахотной серой лесной почвы характеризуются разной степенью электронной поляризуемости и соответственно разной реакционной способностью. В сравнении с гумусовыми молекулами целинной почвы, гумусовые молекулы пахотной почвы активнее вступали в реакции с анионами минеральных кислот, используемых для осаждения гуминовых кислот. Е. С. Гридяевой в работе [50] данным приемом были исследованы образцы ГК выделенные из чернозема выщелоченного методом последовательной экстракции. На основании полученных данных автор предполагает, что водой из почв экстрагируются только слабо связанные органические соединения не гумусовой природы. Обработка почвы нейтральным раствором пирофосфата натрия вызывает связывание ионов поливалентных металлов в комплексы, и, как следствие, повышает растворимость низкомолекулярных алифатических соединений и отщепление некоторой части боковых цепей ГК и ФК, имеющих также алифатический характер. Увеличение рН до 10 при последующей экстракции вызывает появление максимума при 207 нм и ряда слабых при более высоких длинах волн (238, 247, 270, 307 нм). В этих условиях начинается процесс извлечения собственно гумусовых кислот из почв, а наиболее интенсивное извлечение имеет место при рН = 3.

В работе Черникова В. А. [51] исследованы состав и свойства ФК черноземов с различной молекулярной массой методом УФ-спектроскопии. Изучение отдельных фракций ФК, по мнению Орлова [2], должно явиться предметом следующего этапа исследования гумусовых кислот. Интересные результаты получены при разделении гумусовых веществ методом систематизированной гель-хроматографии [43, 52, 53]. С использованием данного метода разделения ФК Черников В. А. получил 14 фракции ФК. Установлено, что значения молярного коэффициента погашения увеличиваются с увеличением молекулярной массы ФК. Почти для всех ФК с ростом значения молярного коэффициента погашения наблюдается и возрастание коэффициентов цветности.

Другим из распространенных оптических методов исследования ГВ является инфракрасная спектроскопия (ИК). Это метод дает исключительно богатую информацию не только о наборе важнейших атомных групп и типов связей, но и о конкретном расположении отдельных групп, дает возможность идентифицировать отдельные соединения, изучать механизмы органо-минерального взаимодействия, адсорбцию и десорбцию влаги, определять присутствие минеральных соединений. Метод ИК-спектроскопии дает сведения как о качественных особенностях строения вещества, так и о его количественном содержании в образце [43, 54]. Следует отметить, что в технике ИК-спектроскопии и интерпретации спектров остается еще много нерешенных задач не только в области точной идентификации отдельных полос поглощения ГК и ФК, но даже при сравнительной характеристике веществ и установлении их идентичности.

Осложнения при расшифровке и использовании ИК-спектров ГВ вызваны многими причинами. ГК и ФК содержат очень большой набор разнообразных атомных группировок, поэтому полосы поглощения, как правило, составные, широкие, обусловлены колебаниями количества различных групп. Положение максимумов определяется не всегда четко и может быть промежуточным между максимумами составляющих компонентов. Значительные осложнения вносят минеральные компоненты, многие из которых дают собственные полосы поглощения в тех же областях, что и ГВ. Взаимодействие минеральных компонентов с функциональными группами ГВ также существенно изменяет спектр последних [11]. Поэтому остается важным изучение как можно более чистых препаратов ГК и ФК, получение которых является главной задачей данной работы.

На основе изменения коэффициента цветности установлена динамика выхода фракций ГК в ходе диализа [55]. Согласно данным ИК-спектроскопии ГК, разлагаемые при более высокой температуре фракции, характеризуется большей величиной коэффициента цветности. При этом они содержат небольшое количество алифатических группировок по сравнению с ГК, прошедшими через полупроницаемую мембрану. Методом ИК спектроскопии Черниковым В. А. изучены различия между фракциями ФК [56]. Наиболее четкая и интенсивная полоса поглощения при 2950 см-1, обусловленная асимметричными и симметричными валентными колебаниями СН3- и СН2-групп, отмечена для фракции ФК чернозема обыкновенного с ММ (молярная масса) > >50 000. В спектрах ФК с ММ 9200, 6300 и 3220 Да южного, южного карбонатного и обыкновенного черноземов наиболее интенсивное поглощение наблюдалось в области 3240-3200 см-1, обусловленное присутствием азотсодержащих группировок. Установлено, что низкомолекулярные фракции ФК содержат больше кислородсодержащих группировок по сравнению с высокомолекулярными фракциями [51].

Данные работы [56] хорошо согласуются с проведенным исследованием аминокислотного состава гидролизатов ФК с различной ММ, выделенных из чернозема южного карбонатного. Гидролизаты всех фракций ФК имеют качественно однотипный набор аминокислот. Однако содержание аминокислот и групп аммония увеличивается параллельно увеличению ММ фракций.

Методы определения валового гумуса по Густавсону

Принцип метода. В основу положен гравиметрический метод. Содержание углерода находят по количеству СО2, выделившегося в процессе озоления органического вещества почвы. Сжигание органического вещества почвы в токе воздуха проводят в контакте с оксидом меди при температуре 700-750°С. Образующийся СО2 количественно улавливается поглотителями и взвешивается. СuО, реагируя с органическим веществом, сначала восстанавливается до Сu2О, а затем до металлической меди. СuО, используемую в опыте, получают прокаливанием медных листов или медной проволоки на воздухе.

Устройство прибора. В прибор для определения гумуса по Густавсону входит трубка для сжигания из тугоплавкого стекла, кварца или фарфора длиной 50-100 см (на 15 см длиннее печей для сожжения) и внутренним диаметром 12-20 мм (рис. 5).

Прибор для определения углерода

Рис. 5. Прибор для определения углерода:

1 - поглотительная колонка с аскаритом, 2 - трубка для сжигания, 3 - лодочка с навеской, 4 - электропечи, 5 - трубки-поглотители, 6 - предохранительная колонка с хлоридом кальция

Передняя часть трубки соединяется со склянкой Тищенко, заполненной концентрированной H2SO4 для поглощения паров воды из пропускаемого кислорода или воздуха, а затем с поглотительной колонкой с гранулированным аскаритом для поглощения СО2 из воздуха. Колонка с аскаритом подключается непосредственно к источнику кислорода или воздуха.

К другому концу трубки подключают поглотители:

     ·    U-образную трубку с гранулированным хлоридом кальция для поглощения образующихся при сжигании гумуса паров воды:

СаС12+Н2О → СаС12 + nН2О;

     ·    U-образные трубки с поглотителями (аскарит) для СО2;

     ·    колонку с гранулированным хлоридом кальция для предохранения поглотителей от паров воды, которые могут проникать в прибор из аспиратора или водоструйного насоса.

Реакция протекает по следующему уравнению:

СО2 + 2NaOH→ Na2CO3 + Н2О

Навеска почвы помещается в кварцевую или фарфоровую лодочку. Трубка для сжигания заполняется в следующем порядке. В переднем конце расположена медная спираль, затем помещается лодочка с навеской почвы, после которой следует слой оксида меди, предварительно освобожденной от органических примесей прокаливанием в железном тигле. Рекомендуется закреплять слой оксида меди при помощи медной сетки, вырезанной в форме диска, или рыхлых асбестовых пробок. Вплотную к ней примыкает слой РbСrO4 длиной 5 см и размером зерен 2-3 мм. Хромат свинца служит для поглощения диоксида серы, образующегося при окислении соединений серы в процессе анализа. Затем следует спираль из серебряной сетки длиной 8 см для связывания свободных галогенов. В конце трубки находится блестящая восстановленная медная спираль, служащая для восстановления оксидов и полуоксидов азота до свободного азота. Для ее получения накаленную медную спираль быстро переносят из пламени горелки в пробирку, содержащую 1 мл чистого метилового спирта. Спираль мгновенно восстанавливается парами спирта. Пробирку сразу закрывают пробкой и после полного охлаждения выдерживают в эвакуированном вакуум-эксикаторе для удаления остатков органических соединений. Медную спираль необходимо вновь восстанавливать перед каждым сжиганием

Трубку для сжигания наиболее удобно обогревать двумя трубчатыми электрическими печами. При их отсутствии можно использовать железный желоб, обогреваемый газовыми горелками. В желобе делается вырез в том месте, где находится оксид меди. Использование электрических печей позволяет точнее регулировать температуру и создавать в трубке требуемый перепад температур. Подвижная печь, служащая для сжигания гумуса, нагревается до светло-красного каления и находится сначала в крайнем положении у переднего конца трубки и затем постепенно передвигается вдоль трубки. Вторая печь нагревается до темно-красного свечения и на 1/3 находится в зоне хромата свинца и серебряной спирали, и на 2/3 - в зоне оксида меди.

Ход анализа. Для удаления органических примесей перед началом определения трубку прокаливают в токе кислорода или воздуха в течение 30 мин. Нагревание ведется при отключенных поглотителях. В итоге сжигаются органические примеси в трубке, доокисляется медь и накаляется оксид меди к началу определения. В это время навеску почвы (1-5 г в зависимости от содержания гумуса) помещают в фарфоровую или кварцевую лодочку и взвешивают поглотительные трубки.

Не прекращая нагревание заднего конца трубки, соединяют трубку для сжигания с аспиратором. С холодного конца трубки извлекают проволокой спираль оксида меди, задвигают в трубку лодочку с навеской почвы, вставляют спираль оксида меди и закрывают каучуковой пробкой со стеклянной трубочкой, которая подсоединяется к склянке Тищенко с серной кислотой. Пропускают воздух, лишенный СО2, в течение 15-20 мин затем подсоединяют поглотители.

Установив скорость тока воздуха (2-3 пузырька в секунду) начинают медленно нагревать передний конец трубки, где стоит лодочка, постепенно повышая температуру в течение 15 мин до темно-красного каления. Если печь подвижна, ее постепенно передвигают от переднего конца до места нахождения лодочки. В этот период необходимо постоянно наблюдать за скоростью прохождения пузырьков в кали-аппарате. При слишком большой скорости нужно либо уменьшить нагревание, либо отрегулировать аспиратор. Если в переднем конце трубки у резиновой пробки конденсируется вода, ее удаляют, нагревая трубку в этом месте пламенем газовой горелки. При темно-красном калении проводят сжигание в течение 10 мин. К концу сжигания печь должна быть доведена до светло-красного каления. Затем постепенно уменьшают нагревание и усиливают ток воздуха или кислорода через трубку, следя, чтобы не произошло засасывания воздуха в прибор.

По окончании сжигания органического вещества поглотительные трубки осторожно отключают и сразу закрывают их колпачками. Поглотительные трубки протирают чистой тряпочкой без ворса и взвешивают. По привесу хлоркальциевой трубки определяют количество воды, а по привесу трубок с аскаритом - количество диоксида углерода. После охлаждения трубки лодочку взвешивают. Уменьшение массы соответствует потере от прокаливания. Количество углерода (%) в почве находят по формуле:

где: m - привес СО2, мг;

р - навеска почвы, г,

0,273 - коэффициент пересчета СО2 на углерод;

100 - коэффициент пересчета в проценты;

1000 - перевод мг в г.

Метод сухого озоления достаточно точен, но требует больших затрат времени: на одно определение уходит 2,5-3 ч. Он неприменим для почв, содержащих карбонаты, так как при нагревании возможно их разложение и привес трубок будет зависеть не только от СО2 органического вещества, но и от СО2 карбонатов. Кроме того, большое количество кальциевых солей ведет к образованию карбонатов кальция за счет СО2 гумуса. Если вновь образованные карбонаты останутся в прокаленной навеске, то получатся заниженные результаты.

Вычисление содержания гумуса. Для перевода содержания углерода в гумус пользуются коэффициентом 1,724, который был получен из расчета, что в гумусе содержится 58 % углерода [57].

Определение углерода сухим сжиганием по прописи Аринушкиной

Принцип метода. При сжигании навески почвы в токе кислорода при температуре ≥950° С углерод окисляется до СО2 по уравнению:

С + О2→СО2.

Выделившийся диоксид углерода количественно учитывают гравиметрическим или титриметрическим методами и пересчитывают на содержание углерода.

Газообъемное определение углерода проводят с помощью газоанализатора ГОУ-1. С помощью этого аппарата сначала измеряют объем смеси СО2 + О2 после сжигания углерода, затем газовую смесь направляют в поглотительный сосуд с раствором КОН, который поглощает СО2: СО2 + 2КОН = К2СО3 + Н2О

Оставшийся кислород переводят в газоизмерительную бюретку (эвдиометр) и по разности между первоначальным объемом газов и объемом, полученным после поглощения СО2, находят по шкале бюретки процентное содержание углерода в навеске.

Установка для определения углерода газообъемным методом. Газоанализатор ГОУ-1 является частью установки для определения углерода (рис.6).

Установка состоит из газометра, наполненного кислородом (1), двух промывных склянок, одна из которых (2) наполнена 4 % раствором КМnО4 в 40 % растворе КОН, другая (3) - концентрированной H2SO4. Щелочной раствор с перманганатом служит для очистки кислорода от примеси диоксида углерода и органических соединений, серная кислота - для высушивания кислорода. Очищенный и высушенный кислород поступает через кран (4) в фарфоровую трубку (5) для сжигания. Для этой цели используют неглазурованные и газонепроницаемые трубки № 7 или 8 длиной 750 мм с внутренним диаметром 18-20 мм. Концы трубки должны выступать из печи не менее чем на 160 мм с каждой стороны. Стеклянным краном (4) регулируют скорость поступления кислорода в трубку для сжигания.

Трубку помещают в электрическую печь (6), обеспечивающую температуру нагрева 950-1000°С. Печь включают через трансформатор с терморегулятором (7) в сеть переменного тока.

Схема установки для определения углерода газообъемным методом

Рис. 6. Схема установки для определения углерода газообъемным методом

Газообразные продукты сгорания органических веществ почвы вместе с кислородом поступают из трубки для сжигания, в которую помещают PbCrCО4 для поглощения оксидов Сl и S, через хлоркальциевую трубку (8), заполненную стеклянной ватой для задержания пылеобразных продуктов сгорания, в змеевиковый холодильник (9) и после охлаждения в нем - в газоизмерительную бюретку (10).

Газоизмерительная бюретка представляет собой узкий цилиндрический сосуд с расширением в верхней части. Бюретка имеет двойные стенки, между которыми через специальное отверстие в верхней части наливают воду.

Образующаяся водяная рубашка служит для поддержания постоянной температуры газа в бюретке. Бюретка снабжена термометром (11) с пределом измерения 0-45 °С, помещенным в ее верхней расширенной части. Верхняя часть бюретки соединена резиновой трубкой с крановой гребенкой, которая имеет центральный 3-ходовый (12) и боковой кран (13). С помощью 3-ходового крана бюретка может соединяться с холодильником (9), поглотительным сосудом (16) и атмосферой. Одноходовой кран соединяет газоизмерительную бюретку лишь с атмосферой. Стеклянный затвор (пустотелый поплавок) запирает верхнее выходное отверстие бюретки при ее заполнении жидкостью.

Узкая нижняя часть бюретки имеет шкалу (14), при помощи которой отсчитывают измеряемые объемы. Деления шкалы рассчитаны таким образом, что соответствуют непосредственно процентному содержанию углерода в определенной навеске вещества, равной 1 г. Шкала должна обязательно соответствовать бюретке, для которой она предназначена; перенос ее на другую бюретку не допускается.

Примечание: Таблица 1 содержит поправочные коэффициенты для измерительной бюретки (эвдиометра), калиброванной при 16"С и давлении 760 мм рт. ст. с использованием в качестве запирающей жидкости 2 % раствора серной кислоты. Для других условий проведения измерений (давление ниже 730 и выше 770 мм рт. ст.) следует брать поправочные коэффициенты из табл. прилагаемой к прибору ГОУ - 1. При измерении объема газа вводят поправку на температуру и атмосферное давление по специальной таблице 1.

Подготовка установки к определению углерода. Перед началом работы концы фарфоровой трубки закрывают резиновыми пробками со вставленными в них стеклянными трубками.

Уравнительная склянка (15) служит для перекачивания газовой смеси из газоизмерительной бюретки в поглотитель. Склянка заполняется окрашенным 2% раствором H2SO4 в таком объеме, чтобы уровень жидкости в ней при нижнем положении склянки совпадал с нулевым делением шкалы и меткой на бюретке.

Поглотительный сосуд (16) заполнен 40% раствором КОН. Поглотитель снабжен автоматическими затворами-поплавками, запирающими поглотительный сосуд при наполнении его жидкостью, благодаря чему исключается возможность попадания раствора щелочи в бюретку.

Все стеклянные части прибора должны быть плотно соединены между собой при помощи толстостенных эластичных отрезков резиновой трубки. Для измерения атмосферного давления служит ртутный барометр или барометр-анероид.

Для того чтобы пробки не обгорали, внутреннюю торцовую поверхности пробки закрывают асбестовой прокладкой, надетой на конец стеклянной трубки (рис. 7).

 Резиновая пробка со стеклянной трубкой и асбестовой прокладкой

Рис. 7. Резиновая пробка со стеклянной трубкой и асбестовой прокладкой: 1 - пробка; 2 - асбестовая прокладка

Проверяют герметичность всех кранов и соединений. Для этого конец фарфоровой трубки, направленной к газометру, соединяют с ним через очистительные склянки, а другой конец соединяют с газоанализатором. Наполняют поглотительный сосуд 40 % раствором КОН, а в уравнительную склянку наливают 400-450 см3 2 % раствора H2SO4, подкрашенного метиловым оранжевым. Если раствор изменит окраску (из красного станет желтым), значит, в бюретку проникает щелочь из поглотительного сосуда. В этом случае жидкость в бюретке необходимо заменить свежей и еще раз проверить работу поплавков-затворов. После каждого наполнения уравнительной склянки свежей жидкостью следует произвести 1-2 сжигания навески почвы для насыщения этой жидкости диоксидом углерода. В противном случае первые определения углерода могут оказаться заниженными.

После этого центральный 3-ходовый кран гребенки (12) ставят в такое положение, при котором бюретка, поглотительный сосуд и холодильник разобщены между собой. Открыв кран (13), соединяющий бюретку с атмосферой, поднимают уравнительную склянку (15). Бюретка при этом наполняется окрашенной жидкостью, пока выходное отверстие ее не закроется автоматически поплавком. Как только жидкость заполнит бюретку, кран (13) закрывают, а центральный 3-ходовый кран (12) ставят в положение, при котором бюретка соединяется с поглотительным сосудом.

Опустив уравнительную склянку вниз, дают окрашенной жидкости стечь из бюретки обратно в уравнительную склянку. При этом уровень раствора щелочи в поглотительном сосуде повышается, поднимая поплавок. Как только поплавок закроет выход из поглотителя, центральный 3-ходовый кран (12) ставят в положение соединения бюретки с атмосферой. Поднимая уравнительную склянку, наполняют бюретку жидкостью до верхнего предела.

Когда бюретку заполнят жидкостью, кран (13), соединяющий ее с атмосферой, закрывают, а уравнительную склянку (15) опускают. Если аппарат герметичен, т. е. все краны хорошо притерты, поглотитель остается заполненным, а уровень жидкости в газоизмерительной бюретке 2-3 мин остается без изменения. Если же уровень раствора в бюретке опускается, аппарат не герметичен. В этом случае краны смазывают вазелином и снова проверяют аппарат на герметичность.

При герметичности прибор готов для проведения анализа. Перед сжиганием навески измерительная бюретка должна быть заполнена жидкостью до такого уровня, чтобы поплавок закрыл бюретку. Поглотительный сосуд также должен быть заполнен раствором щелочи. Кран, соединяющий бюретку с атмосферой, должен быть закрыт. Для проверки правильности работы установки производят несколько контрольных определений углерода в образцах почв с известным его содержанием.

Ход анализа. Почву проверяют на наличие карбонатов, т.е. на вскипание от 10 % НCl. В случае их обнаружения определяют СО2 карбонатов для внесения поправки в результаты определения углерода органического вещества почвы.

Навеску растертой и просеянной через сито с отверстиями диаметром 0,25 мм некарбонатной почвы, с отобранными корешками, в количестве 1 г при содержании углерода 0,2-1 % и 0,5 г, при содержании углерода от 1 до 2,5 %, а при большем содержании углерода 0,25 г и меньше, помещают в предварительно прокаленную в потоке кислорода при температуре 950-1000°С фарфоровую лодочку.

Открывают резиновую пробку печи со стороны поступления кислорода, берут лодочку с навеской пинцетом, ставят в трубку и вводят ее при помощи металлического крючка в самую накаленную часть предварительно нагретой электрической печи.

Закрывают пробку, соединяющую печь с газометром, и поворотом 3-ходового крана (12) соединяют другой конец фарфоровой трубки через холодильник с измерительной бюреткой. Открывают кран (4) и пропускают поток кислорода со скоростью 4-5 пузырьков в секунду.

Предварительно приводят газоанализатор в рабочее состояние: заполняют бюретку раствором H2SO4, поглотительный сосуд заполняют 40 %-ным раствором щелочи и закрывают кран, соединяющий бюретку с атмосферой.

Уравнительную склянку ставят на подставку в верхней части газоанализатора и оставляют в таком положении до тех пор, пока кислород и продукты горения не вытеснят жидкость из широкой верхней части газоизмерительной бюретки, чтобы процесс сгорания навески проходил при повышенном давлении. Сгорание продолжается около 3 мин.

Затем уравнительную склянку ставят на нижнюю подставку и оставляют в таком положении до тех пор, пока уровень жидкости в измерительной бюретке не опустится до 0,2 деления шкалы. После этого вынимают из трубки пробку, через которую поступал кислород. Извлекают лодочку металлическим крючком.

Поворотом центрального 3-ходового крана (12) соединяют бюретку с поглотителем и, поднимая или опуская уравнительную склянку, газовую смесь (СО2+О2) переводят из газоизмерительной бюретки в поглотитель, наблюдая за тем, чтобы в верхней части бюретки не оставалось пузырьков газа.

Остаток газа из поглотителя снова перекачивают в бюретку. Эту операцию повторяют два раза. После второго перекачивания поворотом 3-ходового крана разобщают бюретку с поглотителем и устанавливают уровни жидкости в бюретке и уравнительной склянке на одном уровне. Дают выдержку 20-25 с, чтобы жидкость стекла со стенок, уравнивают мениск по шкале измерительной бюретки и отмечают объем поглощенного диоксида углерода, т.е. находят содержание углерода в процентах.

Записывают соответствующие деления шкалы, отмечая при этом температуру газа в бюретке и атмосферное давление по барометру. Поскольку эти величины быстро изменяются, регистрация их должна производиться в течение рабочего дня не менее 4-5 раз. При массовых определениях проверку температуры и атмосферного давления рекомендуют производить каждые 1,5 часа.

Освобождают бюретку от газа, открывая кран (13), соединяющий бюретку с атмосферой. Подготовляют установку для следующего сжигания, заполняя бюретку окрашенной жидкостью из уравнительной склянки, после чего кран (13) закрывают.

Сжигание почвы проводят в 2-3 навесках. Содержание углерода (%) вычисляют по формуле:

C = а х р: г

где: а - показания шкалы эвдиометра (измерительной бюретки) после поглощения СО2, %;

р - поправочный коэффициент на температуру и давление, найденный по таблице 18;

г - навеска почвы, г.

Пример вычисления. Определение содержания углерода произведено при температуре газовой смеси в измерительной бюретке 20° и атмосферном давлении 750 мм рт. ст. Навеска почвы - 0,5 г. Отсчет по бюретке - 1,24. Поправочный коэффициент для данных условий равен 0,9680:

С = 1,24 х 0,9680: 0,5 = 2,50 %

Реактивы.

1. 4 %-ный раствор КМnО4 в 40%-ом растворе КОН;

2. H2SO4kонц (ρ = 1,84);

3. 40 %-ный раствор КОН (400 г/дм3);

4. 2 %-ный раствор H2SO4 (11,5 cm3 H2SO4, ρ = 1,84 г/дм3).

5. 0,1 %-ный водный раствор индикатора метилового оранжевого.

6. Хромат свинца РbСrO4 чда, гранулированный.

Примечание. Крючок для вынимания лодочек из раскаленной трубки должен быть из безуглеродистой стали или хромникелевой проволоки [57].

2.4 Определение углерода методом Кнопа-Сабанина

Принцип метода. Метод основан на окислении органического вещества почвы хромовой смесью (мокрое сжигание), и учете образовавшегося при окислении СО2 гравиметрически. Если рассматривать только окисление углерода, то реакцию можно выразить уравнением:

3С + 4СrО3 + 6H2SO4 = 3СО2↑ +2Cr(SO4)3 + 6Н2О

Применяя для окисления К2Сr2О7 приходится увеличивать кислотность среды, т.к. реакция протекает по уравнению:

3C+2K2Cr2O7+8H2SO4 = 3CO2↑+K2SO4+2Cr2(SO4)3+8H2O.

Прямое определение выделяющегося диоксида углерода делает этот метод применимым для засоленных и болотных почв. Лишь присутствие карбонатов в почве вызывает искажение результатов, поэтому выполнение анализа для карбонатных почв имеет ряд особенностей указанных далее в ходе анализа для карбонатных почв. Выделившийся диоксид углерода улавливают в трубках с поглотителем и учитывают при взвешивании. В качестве поглотителей применяют раствор КОН, натронную известь, аскарит. Аскарит (натронный асбест) наиболее удобен, так как он способен поглощать СО2 в количестве до 20 % своей массы, а полное поглощение диоксида углерода происходит даже при токе газа до 500 см3/мин.

Выделившийся при окислении гумуса СО2 необходимо очищать от сопутствующих примесей. С этой целью перед поглотителями для СО2 ставят ряд вспомогательных поглотителей, рассчитанных на связывание водяных паров и галогенов.

Для поглощения хлоридов используется железная спираль, очищенная от ржавчины наждачной бумагой и обезжиренная спиртом или эфиром. Высушенную спираль помещают в U-образную трубку. Для поглощения остатков НС1 за U-образной трубкой помещают кали-аппарат с водным раствором AgNO3 или с раствором Ag2SO4 в серной кислоте.

Для поглощения несконденсированных водяных паров и диоксидов азота служит кали-аппарат с концентрированной серной кислотой (кали-аппараты заполняются жидкостью наполовину).

Очищенный от примесей диоксид углерода поступает в поглотительные трубки, заполненные на 3/4-7/8 аскаритом, а на 1/4-1/8 - хлоридом кальция. Между аскаритом и хлоридом кальция в трубках делают тонкую прокладочку из ваты. Чтобы избежать распыления наполнителей, каждое колено поглотительных трубок также закрывается тонкой прослойкой ваты. Поглотительные трубки соединяют каучуковыми трубочками таким образом, чтобы конец, заполненный аскаритом, был ориентирован в колбе для сжигания, а конец, заполненный хлоридом кальция, - к аспиратору.

Одна из основных частей прибора - колба для сжигания, сделанная из термостойкого стекла (рис. 8). К колбе присоединяется холодильник, через который проходит трубка, заканчивающаяся делительной воронкой. Поступающий в прибор атмосферный воздух очищается от СО2 50 %-ным водным раствором КОН. К верхнему отростку холодильника присоединяют поглотительные трубки.

Поглотительные трубки делаются из тонкого стекла для уменьшения массы и поэтому хрупки, при подсоединении или отключении трубок и при надевании на них колпачков-предохранителей держать трубки надо только за боковые отростки, а не за колено. Последняя поглотительная трубка соединяется с колонкой, наполненной хлоридом кальция или щелочью для предохранения поглотителей от паров воды, могущих попасть в прибор из аспиратора или водоструйного насоса.

Перед началом анализа прибор испытывают на герметичность. Перекрывают приток воздуха, постепенно включают аспиратор или водоструйный насос. Если прибор герметичен, то через 2-3 мин ток пузырьков воздуха через кали-аппараты замедляется и затем прекращается. Если поток пузырьков не прекращается, прибор не герметичен. Тогда проверяют все соединения, краны и шлифы прибора, добиваясь прекращения тока воздуха. Может оказаться, что пузырьки воздуха с самого начала не проходят через кали-аппараты. В этом случае или неплотно закрыты пробки аспиратора, бунзеновской колбы, поглотительных трубок (а также колонки со щелочью), или трубки потеряли газопроходимость в результате слипания зерен поглотителя.


Прибор для определения углерода по Кнопу-Сабанину

Рис. 8. Прибор для определения углерода по Кнопу-Сабанину:

1 - колба для сжигания; 2 - делительная воронка; 3 - поглотитель с 50% раствором КОН; 4 - трубка с железной спиралью; 5 - кали-аппарат с раствором Ag2SO4; 6 - кали-аппарат с концентрированной H2SO4; 7 - поглотительные трубки; 8 - предохранительная колонка с хлористым кальцием

Проверка газопроходимости очень важна, так как в неисправном приборе может произойти взрыв во время работы. При работе на приборе надевают предохранительные очки.

Ход анализа для некарбонатных почв. Из почвы отбирают корешки, разминают и просеивают через сито с диаметром отверстий 0,25 мм. Навеску почвы от 0,5 до 3 г (в зависимости от предполагаемого содержания гумуса) помещают в круглодонную колбу, которую подсоединяют к аппарату. Отключают поглотительные трубки, а кали-аппараты соединяют непосредственно с аспиратором или водоструйным насосом.

В течение 30 мин пропускают ток воздуха без СО2 для вытеснения имеющегося в приборе диоксида углерода. В это время взвешивают поглотительные трубки. Тарированные трубки подключают к аппарату, и проверяют на герметичность, после чего аспиратор отключают, и давление в приборе уравнивают с атмосферным.

В делительную воронку с закрытым штифтом приливают 30 см3 концентрированной H2SO4 (ρ = 1,83 г/см3) и, приподнимая делительную воронку (7), порциями спускают ее по трубке в колбу для сжигания. При этом штифт приподнимают так, чтобы в колбу не попал атмосферный воздух. Несколько капель кислоты остается у основания штифта в качестве гидравлического затвора.

Не вынимая колбу из прибора, круговым движением осторожно перемешивают ее содержимое. После прекращения тока пузырьков в кали-аппарате в делительную воронку вливают 25 см 10 % раствора K2Cr2O7 или 10 см3 50 % водного раствора Сr2О3. Раствор порциями спускают в колбу для сжигания, оставляя несколько капель в качестве гидравлического затвора. Для промывания воронки приливают немного дистиллированной воды, частично спускают ее в колбу для сжигания, а частично оставляют в качестве гидравлического затвора. Если раствор кислоты или дихромат калия не спускается в колбу полностью, то подключают на короткий промежуток времени аспиратор. Давление в колбе снижается, и раствор свободно входит в нее. Затем аспиратор отсоединяют.

Реакция между хромовым ангидридом и гумусом почвы бурно протекает уже на холоду, а при слишком быстром приливании окислителя может произойти выбрасывание жидкости, потеря СО2 и даже взрыв колбы.

После прекращения реакции на холоду содержимое колбы начинают медленно подогревать газовой горелкой с небольшим пламенем так, чтобы поток воздуха в кали-аппаратах не превышал 3-4 пузырьков в секунду.

Постепенно жидкость доводят до кипения и кипятят 10-15 мин. Затем подсоединяют аспиратор и равномерно протягивают воздух. Пламя горелки постепенно уменьшают, а поток воздуха увеличивают, чтобы не допустить засасывание раствора. Просушенный и лишенный СО2 воздух протягивают через прибор в течение 45-60 мин. За это время образовавшийся СО2, при сжигании органического вещества, полностью поглощается поглотителями.

По окончании протягивания воздуха поглотительные трубки отключают от прибора. Надевают на боковые отростки каучуковые трубочки со стеклянной пробочкой (или иные колпачки-пробочки) и переносят поглотители в весовую комнату, где через 15-20 мин взвешивают. Перед взвешиванием колпачки снимают и каждую трубку взвешивают отдельно.

Содержание углерода (%) в почве вычисляют по формуле:

C = (а х 0,273 х 100): р

где: а - привес трубок, г;

р- высушенная при 105 °С навеска, г;

0,273 - коэффициент пересчета СО2 на углерод.

Для вычисления содержания гумуса принимают, что в гумусе содержится 58 % углерода, тогда пересчетный коэффициент равен 100:58 = 1,724.

Ход анализа для карбонатных почв. Если карбонатов в почве немного, то их определение можно проводить из той же навески, что и определение гумуса. При высоком содержании карбонатов и низком количестве гумуса целесообразно брать отдельные навески для каждого из определений. Одновременное определение гумуса и карбонатов проводят на том же приборе. Сначала разрушают карбонаты и находят их содержание по количеству выделившегося СО2, затем определяют содержание гумуса.

Для определения СО2 карбонатов навеску почвы помещают в колбу для сжигания и, используя описанные выше приемы, обрабатывают ее разведенной (1:1) серной кислотой без прибавления хромовой смеси до прекращения выделения пузырьков газа. К. К. Гедройц (1924) установил, что чем больше в почве содержится карбонатов, тем более разбавленную серную кислоту следует применять во избежание выпадения гипса, который обволакивает частицы гумуса и солей, препятствуя полному выделению СО2.

После окончания реакции на холоду содержимое колбы постепенно нагревают и кипятят в течение 5 мин. Затем протягивают через прибор воздух и взвешиванием трубок поглотителей находят количество СО2 карбонатов. Затем снова присоединяют поглотительные трубки, приливают через делительную воронку 45 мл H2SO4 (ρ = 1,84 г/см3) и хромовый ангидрид так, чтобы разведение серной кислоты было 1:3, и определяют углерод органических соединений (гумуса) почвы как описано выше [57].

Определение углерода органических соединений почвы по Тюрину

Принцип метода. Метод основан на окислении органического вещества почвы 0,4 н раствором дихромата калия, приготовленного на серной кислоте, разведенной в воде в объемном отношении 1:1. Содержание углерода определяют по количеству хромовой смеси, израсходованной на окисление органического вещества. Для окисления гумуса к навеске почвы приливают заведомый избыток титрованного раствора хромовой смеси, что необходимо для полноты окисления углерода органических соединений. После операции окисления избыток хромовой смеси оттитровывают солью Мора. По разности между количеством соли Мора, которое пошло на титрование хромовой смеси в холостом опыте без почвы и в опыте с почвой, находят количество соли Мора (мл), отвечающее содержанию гумуса во взятой навеске почвы.

Реакция окисления углерода гумуса хромовой смесью протекает по уравнению:

2K2Cr2О7 + 8H2SO4 + 3С (гумуса) = 2Cr2(SO4)3 + 2K2SO4 + 8Н2О + 3СО2

Мокрое озоление органических соединений почвы хромовой смесью проводят в колбах на электрической плитке. О количестве углерода, содержащегося в органических соединениях, судят по количеству оставшегося неизрасходованным дихромата калия, которое определяют титрованием солью Мора. Реакция титрования остатка хромовой смеси солью Мора (NH4)2Fe(SO4)2 идет по уравнению:

6FeSO4(NH4)2SO4 + K2Cr2O7 + 7H2SO4 = Cr2(SO4)3 +3Fe2(SO4)3 + +6(NH4)2SO4 + K2SO4 + 7H2O

Ход анализа. Из подготовленной для определения гумуса пробы почвы на аналитических весах в тарированную пробирку берут навеску. Величина ее зависит от предполагаемого содержания гумуса, о котором можно судить по цвету почвы, таблица 2.

Таблица 2 – зависимость цвета почвы от содержания гумуса

Цвет почвы Содержание гумуса, % Примерная масса навески, г
Черный > 10 0,1
Темно-серый 10-5 0,2
Серый 5-1 0,3
Светло-серый 1,0-0,5 0,4
Белесый <0,5 0,5

Навеску переносят на дно сухой конической колбы на 100 мл с помощью резиновой трубки, надетой на дно пробирки. После этого пробирку взвешивают вторично. По разности массы пробирки с почвой и без нее рассчитывают величину навески с учетом четырех значащих цифр. В колбу медленно приливают из бюретки точно 10 см3 0,4 н раствора дихромата калия в серной кислоте. Количество добавленного дихромата учитывается при расчете содержания углерода, поэтому неточное отмеривание раствора дихромата приводит к ошибкам в определении. Содержимое осторожно перемешивают круговым движением, обращая внимание на то, чтобы вся почва была смочена раствором, и частиц ее не было на стенках колбы. Колбу закрывают маленькой воронкой, которая служит обратным холодильником, ставят на горячую электроплитку или горелку с асбестовой сеткой и нагревают в течение 5 мин с начала кипения жидкости. Нельзя допускать бурного кипения. В модификации Никитина колбы греют в термостате, что позволяет выдержать одинаковые условия.

При сильном и продолжительном кипении увеличивается концентрация серной кислоты, что может привести к разложению дихромата, а отсюда к неверным конечным результатам анализа. Колбу снимают с плитки и дают ей охладиться. Воронку обмывают дистиллированной водой из промывалки над колбой, разбавляя раствор до объема 20-30 мл. Жидкость в колбе должна быть буровато-коричневой. Если она ярко-зеленая, это означает, что в процессе озоления весь добавленный дихромат восстановился до ионов трехвалентного хрома, имеющих интенсивно-зеленый цвет, и, возможно, его не хватило на озоление углерода. В этом случае сжигание следует повторить, уменьшив при этом навеску почвы.

Титрование дихромат-ионов с дифениламином. Если в качестве индикатора при титровании используют дифениламин, раствор переносят через маленькую воронку в коническую колбу на 250 мл, ополаскивая несколько раз дистиллированной водой до объема 100-150 мл. Прибавляют 8 капель раствора индикатора дифениламина. Титруют 0,1 н раствором соли Мора оставшийся в растворе дихромат калия до перехода окраски из грязно-фиолетовой в бутылочно-зеленую от одной капли восстановителя. Восстановленная форма дифениламина бесцветна, и конечная окраска раствора связана с зеленым цветом ионов трехвалентного хрома. Для маскировки ионов трехвалентного железа в раствор добавляют несколько капель концентрированной ортофосфорной кислоты.

Определение концентрации дихромата калия. Поскольку при нагревании дихромат калия может подвергнуться частичному разложению, одновременно с основным анализом следует провести определение его концентрации. Для этого в чистую сухую колбу вносят 0,2 г растертой в порошок прокаленной пемзы или песка, чтобы обеспечить равномерное кипение жидкости и исключить перегревание, и приливают точно из бюретки 10 мл раствора дихромата в серной кислоте. Дальше анализ ведут так же, как и для испытуемых образцов.

Вычисление результатов определения углерода (%) проводят по уравнению:

где:  а - объем соли Мора, пошедший на титрование при определении концентрации раствора дихромата, мл;

b - объем соли Мора, пошедший на титрование хромовой смеси после сжигания пробы, см;

( а -b) - объем раствора соли Мора, соответствующий количеству дихромата, израсходованного на окисление органического вещества, см;

н - концентрация соли Мора;

0,003 - масса углерода в реакции, г;

m- абсолютно сухая навеска, г.

Реактивы:

1. Хромовая смесь - 0,4 н К2Сr2О7 в разбавленной 1:1 серной кислоте: 40±0,1 г тонко измельченного в ступке дихромата калия растворяют в дистиллированной воде, отфильтровывают через бумажный фильтр в мерную колбу на 1 дм3, доводят до метки, переносят раствор в большую колбу из термостойкого стекла на 2,5-3 дм3, куда осторожно приливают 1 дм3 концентрированной H2SO4. Во избежание сильного разогревания и разбрызгивания жидкости при смешивании серную кислоту приливают к водному раствору К2Сr2О7 частями с интервалами 15-20 мин и при осторожном перемешивании. Смесь накрывают стеклом и оставляют до полного охлаждения, вновь тщательно перемешивают и переливают в склянку из темного стекла с притертой пробкой для хранения.

2. Соль Мора 0,2 н (NH4)2SO4.FeSO4.6H2O: 80 г соли Мора заливают 1н раствором H2SO4 (28 см3 концентрированной H2SO4 на 1 дм3 воды) на 2/3 объема колбы. Раствор перемешивают до полного растворения соли, отфильтровывают через складчатый фильтр, добавляют дистиллированную воду до метки и перемешивают. Хранят в бутыли, снабженной сифоном со стеклянным краном для подачи в бюретку и склянкой Тищенко со щелочным раствором пирогаллола для предохранения раствора соли Мора от окисления кислородом воздуха (рис.5).

Титр соли Мора сравнительно неустойчив, несмотря на пирогаллоловый предохранитель, так как в ее состав входит Fe(2), поэтому титр необходимо проверять каждый раз перед началом работы [57].

Определение углерода гумуса по методу Тюрина в модификации Симакова

Принцип метода. Приготовление реактивов и ход выполнения анализа до момента окончания пятиминутного кипячения ведут также, как и по Тюрину, но в качестве индикатора применяется фенилантраниловая кислота (о-дифенил-аминкарбоновая кислота). Этот индикатор предпочтительнее дифениламина, так как окислительно-восстановительный потенциал выше. Переход окраски фенилантраниловой кислоты при окислении солей двухвалентного железа из зеленой в вишнево-фиолетовую очень резкий и обратимый.

Титрование дихромат-ионов с фенилантраниловой кислотой. В качестве индикатора при титровании дихромата калия раствором соли Мора можно использовать вместо дифениламина фенилантраниловую кислоту. Концентрация серной кислоты в титруемом растворе должна быть 15-20 н, поэтому после проведения озоления и обмывания воронки-холодильника к раствору прибавляют 3-5 капель 0,2 %-ного раствора фенилантраниловой кислоты и титруют в той же колбе, в которой проводилось озоление, 0,1 н раствором соли Мора до перехода окраски из вишнево-фиолетовой в зеленую. Раствор соли Мора в конце титрования приливают по каплям, так как переход окраски очень резкий. Так же, как и дифениламин, фенилантраниловая кислота в восстановленной форме бесцветна, и конечная окраска раствора обусловлена присутствием ионов Сr3+.

Холостой опыт проводят так же, как и при анализе навески почвы. Для равномерного кипячения жидкости при холостом анализе в колбу перед приливанием раствора хромовой смеси обязательно вносят около 0,1-0,2 г растертой в порошок прокаленной пемзы или песка. В противном случае происходит неизбежное при кипячении чистого раствора перегревание, которое может вызвать разложение хромовой смеси.

После 5 мин кипячения колбы с навеской почвы и хромовой смесью, ее снимают, дают остыть, смывают капли хромовой смеси, оставшиеся на воронке, приливают 2-3 капли 0,2% раствора дефинилантрониловой кислоты и титруют 0,2 н раствором соли Мора до перехода окраски из вишнево-фиолетовой в зеленую. Вычисление результата анализа и холостого титрования проводятся также, как и по Тюрину.

Реактивы: Приготовление фенилантраниловой кислоты (индикатор): 0,2 г кислоты растворяют в 100 мл 0,2 % водного раствора Nа2СОз. Для лучшего смачивания порошка фенилантраниловой кислотой навеску предварительно растирают стеклянной палочкой в фарфоровой ступке с небольшим количеством 0,2 % раствора соды до сметанообразного состояния, затем добавляют остальное количество раствора соды при тщательном перемешивании.

Определение гумуса в почве по методу Робинзона в модификации Lean'a и WhIiams'a

Принцип метода. Углерод органических соединений почвы окисляется серной кислотой до СО2, а серная кислота при этом восстанавливается в эквивалентном количестве до SO2:

С + 2H2SO4 = СО2 + 2Н2О + 2SO2

Выделившейся SO2 определяется иодометрически.

Ход анализа. Навеску почвы с содержанием 0,02-0,05% углерода органических соединений почвы помещают в къельдалевскую колбу, длиной в 30 см; вносят в колбу 25 см3 концентрированной серной кислоты, 15 г прокаленного сульфата калия и 0,3-0,4 г CuSO4. Колбу соединяют с приемником SO2 с помощью каучуковой пробки, в которую вставлены две стеклянные трубки; одна из них короткая с каучуковой трубкой на внешнем конце, снабженной винтовым зажимом; другая же служит для соединения с приемником. Стеклянный приемник имеет форму острого угла, короткая сторона которого снабжена одним большим шарообразным расширением (около 7,5 см диаметром), а длинное колено состоит из десяти шариков с диаметром 4,5 см. Къельдалевская колба соединяется с коротким коленом приемника.

В приемник вводят 50 см3 0,5 н раствора йода и разбавляют 100 см3 прокипяченной дистиллированной водой. Содержимое колбы нагревают сначала медленно, а затем так, чтобы жидкость в колбе энергично кипела; после того как жидкость обесцветится, нагревание продолжают еще около часа, после чего удаляют горелку, дают колбе несколько охладиться в течение приблизительно 30 с, чтобы получить внутри слабое отрицательное давление; открывают зажим на стеклянной трубке, находящейся в пробке колбы, и пропускают в колбу через эту трубку длинную стеклянную трубку такого диаметра, чтобы она плотно приставала к каучуковой трубке, но проходила через короткую стеклянную трубку пробки колбы; пропущенная в колбу стеклянная трубка должна оканчиваться внутри колбы как раз над поверхностью жидкости. Соединяют эту трубку с аспиратором и аэрируют колбу в течение 20 мин. За это время через колбу должно пройти около 15 дм3 воздуха. По окончании пропускания воздуха содержимое приемника переносится в высокий стакан вместимостью в 600 мл и избыток йода титруется 0,5 н раствором тиосульфата натрия. Конец титрования достаточно резок и без применения крахмала. С = 2SО2 = 4I; 1 см3 1,0 н раствора йода соответствует 0,003 г С. Метод дает в среднем 89,6% С по сравнению с методом сухого озоления гумуса; поэтому полученный результат должен быть скорректирован путем умножения на коэффициент 1,116 [57].

Спектрофотометрическое определение содержания гумуса в почве по Орлову и Гриндель

Метод объемного определения гумуса по Тюрину, наиболее часто применяемый в массовых анализах, достаточно точен при значительной простоте и скорости определения. Введение фотометрического окончания вместо титрования позволяет еще более упростить ход анализа благодаря тому, что отпадает необходимость приготовления титрованных растворов вообще, и вместо титрования измеряют оптическую плотность на фотоэлектроколориметре и спектрофотометре.

Предложен ряд вариантов колориметрического и фотометрического определения гумуса, которые различаются деталями исполнения. Большинство авторов прибегают к разбавлению и отстаиванию суспензии после сжигания гумуса с последующим фотометрированием в красной области спектра. Окислителем обычно служит раствор дихромата калия в серной кислоте, но при разных соотношениях. Поскольку в растворах серной кислоты образуются ионы три- и тетрахромата (Сr3О102- и Сr4О132-), а при разбавлении раствора происходит их деполимеризация и окраска со временем (через 2-4 ч) становится более устойчивой, то фотометрирование рекомендуется проводить через несколько часов после разбавления, что обеспечивает оседание суспензии и постоянство окраски. Некоторые авторы рекомендуют добавлять сухую соль К2Сr2О7 для полноты окисления гумуса.

Упомянутые методы мало различаются, варьируя по количеству и концентрации окислителя, условиям кипячения (нагревания), конечным объемам раствора и способам измерения окраски.

Все определение складывается из двух основных операций: окисления гумуса и фотометрирования (колориметрирования) окрасок. Окисление гумуса целесообразно полностью осуществлять по методу Тюрина. Это обеспечивает сопоставимость результатов, получаемых объемным и фотометрическим методами. В то же время количество дихромата, затраченное на окисление, можно определять любым способом, не нарушая преемственности данных. Общим недостатком фотометрических методов является необходимость приготовления шкалы. Это удлиняет определение и умаляет те преимущества, которые дает фотометрическое окончание.

Принцип метода заключается в том, что при окислении гумуса дихроматом шестивалентный хром восстанавливается до трехвалентного: Cr2O72-→2 Cr3+

Окраска чистого раствора дихромата калия варьирует от желтой (в разбавленных растворах) до оранжевой. Полоса поглощения Сr3+ довольно широкая, а максимум поглощения приходится на область 584-594 нм, имея среднее значение при 588-590 нм.

Различия в коэффициентах погашения ελ для окисленной и восстановленной форм очень велики. В области максимума коэффициент погашения дихромата (рассчитанный на концентрацию, равную 1 ммоль-экв /100 см3 равен) 0,66, тогда как коэффициент погашения восстановленного хрома при той же длине волны всего лишь 0,062, т.е. меньше почти в 11 раз.

Использование области 590 нм дает еще одно важное преимущество. Измерив оптическую плотность при 590 нм, мы непосредственно узнаем количество восстановленного хрома, которое эквивалентно общему количеству гумуса (восстановителя) в анализируемой пробе. Таким образом, отпадает необходимость определения «по разности», а, следовательно, и установления исходного количества дихромата в окислительной смеси. Более того, благодаря нулевой оптической плотности дихромата при λ 590 нм не нужно титровать исходную окислительную смесь; ее можно готовить путем взятия навески соли на технических весах. Раствор дихромата приливают в этом случае к навеске почвы не из бюретки, а мерным цилиндром. Это же обстоятельство позволяет даже добавлять к окислительной смеси сухую соль, как было указано выше.

Высота максимума, или оптическая плотность, при 590 нм зависит только от количества восстановителя - введенного в раствор дихромата. Характер спектров показывает, что наиболее благоприятна для количественного определения область 588-592 нм, где оптическая плотность максимальная, а на кривой имеется небольшой горизонтальный участок. Это значительно снижает возможные ошибки за счет неточного измерения (установления) длины волны.

Растворы, содержащие Сr3+-ион, полностью подчиняются закону Бугера-Ламберта-Бэра (БЛБ):

D = ε590 C х l

где: D - оптическая плотность;

С - концентрация Сr3+иона,

l - толщина поглощающего слоя (длина кюветы), см;

ε590 - коэффициент погашения при 590 нм.

Если концентрацию восстановителя выразить в ммоль-экв/100 мл раствора, то можно вычислить коэффициент погашения:

Проверка метода показала, что определение гумуса по Тюрину и измерение его содержания на спектрофотометре при 590 нм дают хорошее совпадение результатов. Коэффициенты корреляции результатов, полученных спектрометрическим и объемным методом, очень высоки и достигают 0,99.

Ход анализа. Берут навеску подготовленной к анализу почвы - 0,3 г; эта навеска пригодна при содержании гумуса от 0,6-0,8 до 12-13%; при большем или меньшем количестве гумуса навеску изменяют. Переносят навеску в коническую колбу вместимостью 100 мл, заливают 20 мл 0,4 н (по дихромату) окислительной смеси, отмеривая раствор дихромата мерным цилиндром. Осторожно перемешивают содержимое, закрывают горло колбы маленькой воронкой и кипятят на электроплитке с толстой асбестовой сеткой точно 5 мин с начала момента кипения. Смесь охлаждают, переносят в мерный цилиндр вместимостью 100 мл, ополаскивая колбу дистиллированной водой, и доводят объем до 100 мл, добавляя воду. Для ускорения анализа можно разбавлять смесь прямо в конических колбах. Цилиндр (или колбу) закрывают пробкой, смесь хорошо перемешивают и оставляют на ночь. Отстоявшийся раствор осторожно (не взмучивая осадка) сливают в кювету фотоэлектроколориметра длиной 3 или 5 см. При содержании гумуса до 6-7 % можно пользоваться кюветой 5 см, при большем содержании гумуса - кюветой 3 см.

Измеряют оптическую плотность раствора на спектрофотометре (при 590 нм) или на фотоэлектроколориметре со светофильтром (610 нм), устанавливая "нуль" приборов не по воде, а по холостому раствору (прокипяченный и разбавленный раствор окислительной смеси).

Содержание углерода рассчитывают по одной из приведенных ниже формул. Общая расчетная формула в данном случае имеет вид:

где: D - оптическая плотность;

ελ - коэффициент погашения;

l - длина кюветы, см;

т - навеска почвы, г;

d - удельная масса твердой фазы почвы.

Численные коэффициенты учитывают фактор разбавления и эквивалентный вес углерода.

Изменением объема за счет твердой фазы можно пренебречь при величине навески 0,3-0,5 г. Тогда получим:

Окончательные расчетные формулы получим, подставляя численные значения ελ и l для спектрофотометров при λ=590 нм:

кювета 3 см, %С = 1,43 кювета 5 см, %С = 0,86

для фотоэлектроколориметра, светофильтр с λ = 610 нм:

кювета 3 см, %С = 1,82; кювета 5 см, %С = 1,09

Новые значения коэффициентов погашения легко найти по стандартному оттитрованному раствору соли Мора.

С этой целью в серию колб берут по 20 мл 0,4 н окислительной смеси (точно отмеряя бюреткой), кипятят 5 мин и по охлаждении в колбы последовательно добавляют 1, 3, 5, 10, 25 см3 0,2 н (титрованного) раствора соли Мора. Объем раствора доводят до 100 см3 (в мерных колбах), и измеряют оптические плотности растворов с тем светофильтром, который предполагается использовать для определения гумуса. Коэффициент погашения находят по формуле закона БЛБ для каждого раствора в отдельности, а затем вычисляют среднее значение [57].

Определение степени гумификации органического вещества почвы по методу Робинзона и Жоиеса

Принцип метода состоит в том, что 6 %-й раствор пероксида водорода при нагревании разрушает и отчасти растворяет некоторые органические соединения, а на другие не действует и, по-видимому, разрушает именно аморфные бесструктурные соединения, структурные же (клетчатка, лигнин) не поддаются действию этого реактива.

Ход определения. Навеска почвы в 1-2 г помещается стакан вместимостью в 500 см3, сюда же приливают 60 см3 6% -го раствора пероксида водорода и нагревают 15 мин при 100 °С, а под конец доводят до кипения. Если реакция протекала энергично, то операцию с прибавлением новой порции пероксида водорода необходимо повторять до тех пор, пока пероксид водорода не перестанет реагировать с почвой. После этого содержимое фильтруется, остаток промывается несколько раз горячей водой, затем смывается с фильтра во взвешенную фарфоровую чашечку, просушивается до постоянного веса при 100 °С и взвешивается. Затем сухой остаток прокаливают и снова взвешивают. Разность между массой сухого и прокаленного остатка дает количество неразложившегося перекисью водорода органического вещества ("негумифицированного"), конечно, вместе с химически связанной водой.

Более точные результаты можно получить, если из массы сухой навески вычесть массу сухого остатка такой же навески после обработки ее, по описанию авторов, пероксидом водорода; так как количество воды, химически связанной с минеральной частью почвы и с тем органическим веществом, которое не подверглось действию пероксида водорода, не должно заметно измениться от воздействия пероксида водорода, то означенная разность должна дать довольно точно количество гумифицированного органического вещества почвы вместе с его химически связанной водой.

Определив методами Густавсона или Кнопа, содержание углерода в остатке почвы после ее обработки пероксидом водорода и зная содержание в почве всего углерода органического вещества почвы и углерода негумифицированных органических веществ, узнаем по разности содержание в почве углерода гумифицированных органических соединений.