Тема лекции № 9. Почва как объект анализа

План лекции: 1. Специфические требования к почву

2. Особенности почв как объекта химического анализа

3. Минеральная основа донных отложений речек, озер, водоемов

Цель лекции: Ознакомить с химическим составом почвы и отбором серии проб для анализа

Конспект лекции:

Из материала курса «Аналитической химии» известно, что пробы различаются:

– генеральная;

– лабораторная;

– аналитическая;

– арбитражная.

Однако при отборе проб объектов окружающей среды необходимо учитывать специфические требования:

1. Проба или серия проб, отобранных для анализа, должна быть представительной, т.е. характерной для данного природного объекта в месте их отбора.

2. Отбор проб, их транспортирование, сохранение и дальнейшая обработка не должны изменять содержание определяемых компонентов.

3. Объем или масса пробы должны полностью обеспечивать возможность выполнения всех запланированных аналитических определений.

Виды проб при анализе объектов окружающей среды:

1. Простые или смешанные пробы.

Простые пробы получают в результате одноразового отбора; они несут информацию о химическом составе воды, воздуха в определенном месте и в определенное время. Смешанные пробы – смесь простых проб, отобранных одновременно в разных местах или в одном месте за определенный промежуток времени. Эти пробы характеризуют средний химический состав воды или воздуха за определенный период.

Смешанные пробы могут быть составлены непропорционально. Если установлено, что концентрация исследуемого компонента в средней части течения реки вдвое меньше, чем возле правого берега и в три раза меньше, чем возле левого берега, то смешанную пробу готовят сливанием объемов взятых в разных местах проб в соотношении 1 (середина):0,5 (возле правого берега): 0,33 (возле левого берега). Смешанную пробу не рекомендуется отбирать за период больше одних суток. Ее нельзя отбирать для определения быстро изменяющихся показателей – растворенных газов, мутности, редокспотенциала.

2. Одноразовые (нерегулярные) или средние (регулярные) пробы.

Одноразовый отбор используют при анализе глубинных подземных вод, химический состав которых постоянный, либо при контроле качества воды природного объекта, для которого ранее были изучены закономерности изменения концентрации анализируемого компонента. Серийный отбор может производиться:

– зональные пробы (пробы отбирают по схеме с разных глубин, в разных местах водного объекта);

– через определенный промежуток времени (сезоны, декады, сутки, часы). Таким образом проверяют, как меняется качество воды со временем;

– согласованные пробы. Они отбираются в разных местах по течению с учетом времени прохождения воды от одного пункта к другому. Такие пробы используют для оценки физических, физико-химических и биологических процессов, которые приводят к изменению химического состава воды вследствие самоочищения или самозагрязнения.

Особенности почв как объекта химического анализа:

– большой набор элементов;

– высокое содержание углерода и кремния;

– большой диапазон концентраций, охватывающий 4-5 или даже 9-10 порядков;

– профилированная дифференциация химического состава почв.

Почва состоит из минеральной и органической частей. К органической части относят лигнин, флавоноиды и дубильные вещества, гумусовые кислоты, пигменты, липиды, углеводы, азотсодержащие соединения. Между двумя частями осуществляется постоянное

органоминеральное взаимодействие. Химический состав почв зависит от их типа: тундровые, торфяные, подзолистые, серые лесные, пергнойно-карбонатные, черноземы, каштановые, бурые пустынно-степные песчаные, коричневые, бурые лесные, красноземы, сероземы. Средний элементный состав метрового слоя почвы по данным учебника Орлова Д.С., Садовниковой Л.К., Сухановой Н.И. (Химия почв. – М.: Высш. шк., 2005. –С. 45) составляет в %:

O – 49; H – 0,1; C гумуса – 1,4; С карбонатов – 0,24; N ~ 0,1; P – 0,06; S– 0,09;

Si – 33; Al – 6,6; Fe – 3,2; Ti – 0,38; Mn – 0,16; Ca – 1,8; Mg – 0,9; K –1,7; Na – 1.

Традиционный способ выражения химического состава почв – в виде массовой доли высших оксидов элементов, входящих в состав почвы. Например, минеральный макросостав дерново-подзолистой почвы в пересчете на абсолютно сухую навеску может быть представлен следующим образом (в %): SiO₂ – 73; Al₂O₃ – 8,7; Fe₂O₃ – 2,6; CaO – 1; MgO – 0,7; K₂O – 2,2; Na₂O – 1,1. Недостающее до 100% количество приходится на MnO, P₂O₅, SO₃ и на органические вещества.

С точки зрения особенностей и путей миграции элементов в ландшафтах А.И. Перельман разделил все элементы на две большие группы: воздушные мигранты и водные мигранты. Воздушные мигранты представлены пассивными элементами (инертные газы He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) и активными, т.е. способными к образованию химических элементов в условиях биосферы (О, Н, С, N, I). К подвижным и очень подвижным водным мигрантам относятся Cl, Br, S, Ca, Na, Mg, Sr, Ra, F, B. Слабоподвижные катионы и анионы образуют K, Ba, Rb, Li, Be, Cs, Ti, Si, P, Ge, Sn, Sb, As. Малоподвижны в большинстве природных сред Al, Cr, Bi, W, лантаноиды.

Органическая часть почвы состоит из живой органики (эдафон) и отмершей органики (гумус). К эдафону относят отмершие части живых организмов, не утративших своего анатомического строения. Гумификация эдафона ведет к образованию гумуса.

Гумус – совокупность всех органических соединений, находящихся в почве, но не входящих в живые организмы или образования. Гумус состоит из специфических гуминовых веществ (темноокрашенные азотсодержащие высокомолекулярные соединения кислотной природы) и неспецифических соединений и промежуточных продуктов распада и гумификации. К последним относятся лигнин, целлюлоза, протеины, аминокислоты, аминосахариды, воска, жирные кислоты. Они присутствуют в почве в свободном состоянии или связаны с минеральными компонентами почвы.

Гумусовые кислоты – главный и специфический продукты гумификации органических остатков в почвах. Это азотсодержащие высокомолекулярные оксикарбоновые кислоты с интенсивной темно-бурой или красновато-бурой окраской. Гумусовые кислоты (смесь) экстрагируют из почвы растворами щелочей, а затем по растворимости разделяют на гуминовые кислоты, гиматомелановые кислоты и фульвокислоты. Гуминовые кислоты – это группа веществ, извлекаемых из почвы щелочами в виде темно-окрашенного раствора (гуматов натрия, аммония, калия) и осаждаемых минеральными кислотами в виде аморфного осадка – геля при рН=1-2. В кислой среде гуминовые и гематомелановые кислоты выпадают в осадок, в растворе остаются фульвокислоты. Состав гуминовых кислот (в %): С – 46-62; N – 3-6; H – 3-5; O – 32-38. Молекулярная масса в среднем составляет от 20 до 80 тысяч. До настоящего времени формулы гуминовых кислот установлены лишь гипотетически.

Светлоокрашенные гумусовые вещества, остающиеся в растворе после подкисления щелочной вытяжки и отделения гуминовых кислот, называют фульвокислоты. Их состав (в %): С – 36-44; N – 3-4,5; H – 3-5; O – 45-50. Молекулярная масса может составлять 4-6 тысяч либо 10-15 тысяч. Фульвокислоты по сравнению с гуминовыми имеют более высокую растворимость и меньшую молекулярную массу. В составе молекул гуминовых и фульвокислот присутствуют различные функциональные группы: пептидные, амидные, альдегидные, карбоксильные, карбонильные, метоксигруппы, фенольные, хинонные.

Минеральная основа д онных отложений речек, озер, водоемов аналогична почвам – это силикаты и алюмосиликаты. Более 90% донных отложений составляют материалы разрушения и эрозии горных пород на склонах водоемов и в руслах. Донные отложения вследствие их высокой сорбционной способности служат показателями антропогенного загрязнения водных экосистем и подлежат обязательному экологическому контролю. Для примера в табл. 1.2 представлены данные о содержании металлов в донных отложениях некоторых водохранилищ.

Большая часть донных отложений сформирована за счет почв и пород. Качественной характеристикой загрязнения донных отложений тяжелыми металлами может служить перемещение металла в концентрационном ряду на две или более позиции левее в сравнении с его положением в ряду, построенном по значениям кларков металлов для мировых почв. Таких отклонений для 21 исследованных проб донных отложений найдено для Cs в 15 случаях, для Cu и Cd – в 1, Co и Cr – в 3, Pb – в 4 пробах. Результаты количественного анализа показали, что донные отложения, отобранные в устьях притоков Днепра, сформированы в основном за счет материалов техногенного происхождения, в том числе и осадков очистных сооружений.

Контрольные вопросы:

1. Что называют гумусом? Из чего он состоит?

2. Как отделить гуминовые кислоты от фульвокислот?

3. В среднем почвы содержат по массе 33% кремния и 6,6% алюминия. Пересчитайте эти данные для SiO₂ и Al₂O₃.

Тема самостоятельной работы студентов (СРС):

1. Чувствительность и точность анализа
2. Использование компьютера в аналитической химии

Литература:

1. Другов Ю.С., Родин А.А. Анализ загрязненной почвы и опасных отходов. Практическое руководство. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 424 с.

2. Другов Ю.С., Родин А.А. Экологические анализы при разливах нефти и нефтепродуктов. Практическое руководство. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 272 с.

3. Другов Ю.С., Родин А.А. Анализ загрязненных биосред и пищевых продуктов. Практическое руководство. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 296 с.

4. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию. – М.: Мир, 1997. – 232 с.