1.2. Фотоколориметрия

Работа 2. Методы определения валового содержания

органического углерода (гумуса) в почве

Цель работы: Определить содержание гумуса в одной и той же почве двумя различными методами и сопоставить эти методы с точки зрения метрологических, аналитических и экономических характеристик.

Органическое вещество, входящее в состав почвы (за исключением живых организмов), по своему происхождению и функциям делится на 2. группы: органические остатки, не утратившие анатомического строения, и гумус, или перегной. Гумус -это совокупность индивидуальных (специфических и неспецифических) органических соединений, продуктов их. взаимодействия между собой и с минеральными компонентами, образующаяся в результате трансформации животных и растительных остатков, существенно более устойчивая к дальнейшему разложению, чем исходная биомасса. Наиболее характерными специфическими гумусовыми веществами являются гумусовые кислоты. Это азотсодержащие высокомолекулярные оксикарбоновые кислоты с интенсивной бурой окраской.

По растворимости их разделяют на гуминовые кислоты, гиматомелановые (ранее включавшиеся в группу гуминовых кислот) и фульвокислоты.

Гуминовые кислоты содержат (.мас.%) 46 - 62% С, 3 - 6% N, 3-5% Н, 32- 38% 0. Для фульвокислот характерно более низкое содержание углерода - 36-44%, в их составе 3 - 4,5% N, 3-5% Н и 45-50% С.

Содержание гумуса почвы колеблется в широких пределах -от десятых долей до 20% и более. Гумус определяет структуру почвы, регулирует ее водно-воздушный режим, повышает противоэрозионную устойчивость. С гумусом связаны важнейшие физико-химические показатели почв: ЕКО, буферность почв. Оптимальное содержание гумуса определяет максимальную продуктивность почв. Поэтому определение его в верхних горизонтах почв проводят при всех почвенных исследованиях. Количество гумуса рассчитывают по экспериментально определенному процентному содержанию органического углерода в почве, умножая его на коэффициент (К_г), зависящий от процентного содержания углерода в гумусе (для гуминовых кислот содержание углерода 58% и К_г = = 1,724, а для фульвокислот содержание углерода = 40% и К_г = = 2,25).

Все методы определения органического углерода основаны на его окислении до углекислоты. Наиболее точные результаты получают при сухом озолении гумуса и гравиметрическом определении выделившегося СО₂ (метод Густавсона). При мокром озолении органического вещества почв раствором бихромата калия углерод можно определить не только по количеству выделившегося СО₂, но и косвенно титриметрическим (метод Тюрина) или фотометрическим (метод Никитина) методами. Полнота- окисления органического углерода при мокром озолении составляет 85 - 95%. Однако вследствие большей простоты и доступности косвенные методы получили наибольшее распространение.

Принцип косвенных методов определения гумуса: Мокрое озоление органического вещества почв основано на окислении углерода гумуса 0,4 н. раствором двухромовокислого калия, приготовленным на разбавленном 1:1 растворе серной кислоты. Для окисления гумуса к навеске почвы приливают заведомый избыток раствора хромовой смеси, что необходимо для полноты окисления органического углерода. Если при определении гумуса учитывать только взаимодействие бихро-мата калия с углеродом органического вещества почв, то процесс можно представить уравнением:

3C+2K₂Cr₂О₇+8H₂SO₄ = 3CO₂ + 2Cr₂(SO₄)₃+8H₂O+2K₂SO₄ (1.1)

3 С + 2(O)  CO₂ (1.2)

2 K₂Сг₂O₇+ 4H₂SO₄  Cr₂(SO₄)₃ + 3(O) + 4H₂O + K₂SO₄ (1.3)

Окисление происходит в сильнокислой среде и сопровождается восстановлением шестивалентного хрома в трехвалентный.

По методу Тюрина избыток бихромата в растворе после окисления гумуса титруют раствором сульфата железа (П):

K₂Cr₂О₇+6 FeSO₄+7Í2SO4 = Сг₂(SO₄)₃ + ЗFе₂(SO₄)₃+7 H₂O +К₂SO₄ (1.4)

1 Cr₂О₇ + 6 е + 14Н⁺  2Сг³⁺ + 7 H₂O (1.5)

6 Fe²⁺ – 1 е  Fe³⁺ (1.6)

По разнице между введенным количеством бихромата калия и оставшимся после реакции определяют количество окислителя, затрачиваемое на окисление органического углерода почв. Фактически в методе Тюрина прямым образом учитывается не углерод, а кислород (количество окислителя в пересчете на кислород), затрачиваемый на его окисление. Поэтому в соответствии с ур. 1.2 эквивалентная масса углерода в процессе окисления гумуса может быть принята равной

По методу Никитина количество органического углерода в почве определяют по количеству образовавшегося в процессе его окисления (ур. 1.1) трехвалентного хрома Cr³⁺, который фиксируется фотометрическим методом при  = 590 нм. В этом случае количество органического углерода определяют по калибровочному графику, построенному по окисленным бихроматом калия стандартным растворам глюкозы

Азот, входящий в состав гумуса, хромовой смесью не окисляется, а остается в восстановленной форме, переходя в (NH₄)₂SO₄. Присутствие в почве карбонатов не оказывает влияния на результаты определения гумуса рассматриваемыми методами. Наличие же хлоридов и закисных соединений железа и марганца мешает определению, т.к. на их окисление затрачивается дополнительное количество хромовой смеси и результаты определения гумуса получаются завышенными.

Из Практикум по агрохимии/ под ред. В.Г. Минеева М.: МГУ,1989, с. 60-61.

Ход анализа по методу Никитина. На аналитических весах взять навеску почвы 0,1—0,5 г с точностью до четвертого знака в колбы на 100 мл. Прилить из бюретки 20 мл 0,4н. раствора К₂Сг₂О₇, колбы закрыть воронкой, осторожно перемешать. Поставить на 20 мин в сушильный шкаф, предварительно нагретый до 150° (время нагревания отсчитывается с момента достижения температуры 150°). Колбы ставить в удалении от стенок на 3—4 см для обеспечения более равномерного нагрева. По истечении времени вынуть колбы из шкафа, охладить. Раствор над осадком осторожно слить в пробирки и оставить на сутки, после чего колориметрировать в кюветах на 5 мл при длине волны 590 нм. Для сравнения в качестве оптического нуля используется раствор «холостой пробы», для чего в шкаф одновременно о опытными колбами поставить две колбы с 20 мл хромовой смеси.

Содержимое углерода найти по калибровочному графику.

Построение калибровочного графика. Отвесить на аналитических весах 2,5022 г глюкозы или 2,3771 г сахарозы и растворить в мерной колбе на 1 л дистиллированной воды. В 1 мл такого раствора содержится 1 мг углерода. В 5 колб прилить последовательно 2,5; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0 мл раствора глюкозы или сахарозы. Выпарить досуха (до 1 капли) на водяной бане, прилить 20 мл хромовой смеси. Одновременно готовить «холостую пробу». Все колбы поместить в сушильный шкаф. После сжигания разбавить водой до 50 мл и через сутки колориметрировать. По найденным значениям оптических плотностей и известному содержанию углерода строится калибровочный график. Содержание углерода (в % ) рассчитывают по формуле

С=

где а — содержание углерода, найденное по графику, мг; н — навеска почвы, г.

Для перевода в гумус процент углерода необходимо умножить. на коэффициент 1,724.

Реактивы

0,4н. раствор бихромата калия: 40 г хорошо измельченного двухромовокислого калия (К₂Сг₂О₇) растворить в 600 мл дистиллированной воды, перенести в мерную колбу на 1 л и довести дистиллированной водой до метки. Раствор из мерной колбы перелить в колбу на 2 л или фарфоровый стакан на 2 л, прилить 1 л концентрированной серной кислоты (d 1,84). Серную кислоту необходимо приливать очень осторожно, небольшими порциями, по 50— 100 мл, с перерывами 10—15 мин. Когда вся кислота добавлена, раствор охладить до комнатной температуры и перенести в склянку с притертой стеклянной пробкой.

Работа 3. Определение концентрации хрома в природных

и сточных водах

(составлено по ПНД Ф 14.1:2.52-96. Методика выполнения измерений массовой концентрации хрома в природных и сточных водах фотометрическим методом с дифенилкарбазидом.)

Цель работы. Произвести оптимизацию фотометрического определения (выбрать длину волны, толщину кюветы, количество фотометрического реагента) хрома(VI) с дифенилкарбазидом. Сравнить чувствительность и точность определения хрома(VI) на приборах с разной монохроматичностью потока излучения. Сравнить спектральные характеристики бихромат-иона и комплекса хрома(VI) с дифенилкарбазидом.

Введение. В поверхностных водах содержание хрома, как правило, не превышает 10 мкг/л, однако в сильно загрязненных водных объектах его концентрация может достигать сотен микрограммов в литре. В водную среду хром попадает при выщелачивании из горных пород и минералов, из почв в районах рудных месторождений. Основным источником антропогенного поступления хрома в водные объекты являются сточные воды гальванических цехов, текстильных и кожевенных предприятий, а также химических производств.

Соединения хрома присутствуют в водах в растворённом и взвешенном состояниях, соотношения между которыми обусловлены химическим составом вод, температурой, рН, Еh и другими факторами. Во взвеси доминирующее положение занимает сорбированная форма. В растворе хром может присутствовать в двух степенях окисления: Cr(III) и Cr(VI).

Cr(III) устойчив в растворе и в реальных условиях существования водных объектов далее не окисляется. Cr(VI), существующий в виде хромат- или бихромат-ионов, относительно устойчив только в аэробных условиях, при дефиците кислорода и в присутствии восстановителей он быстро восстанавливается до Cr(III).

Соединения хрома, особенно Сr(VI) токсичны и обладают канцерогенным действием. ПДК хрома(VI) для рыбохозяйственных водоемов составляет 0,02 мг/л, для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования - 0,05 мг/л. ПДК Cr(III) равны соответственно 0,07 и 0,5 мг/л.

Сущность метода. Методика основана на взаимодействии хрома (VI) с дифенилкар- базидом:

Реакция протекает в кислой среде. В результате образуется красно-фиолетовое положительно заряженное внутрикомплексное соединение, в котором хром содержится в восстановленной форме, в виде Cr(III), а дифенилкарбазид окислен до дифенилкарбазона. Для обеспечения полноты реакции необходим полутора-двухкратный избыток дифенилкарбазида. Максимум поглощения продукта реакции лежит в области 540 нм.

При необходимости определения Cr(III) в одной порции пробы проводят окисление Сr(III) до Cr(VI) персульфатом и определяют суммарное содержание обеих форм хрома, а в другой порции пробы окисление Cr(III) не проводят и определяют только содержание Cr(VI). По разности между полученными результатами находят содержание Cr(III).

Методика позволяет определять содержание общего, трех- и шестивалентного хрома в диапазоне концентраций от 0,01 до 1,0 мг/л.

Реакция бихромат-иона с дифенилкарбазидом очень чувствительна и достаточно селективна, т.к. многие другие окислители не дают такого окрашивания с дифенилкарбазидом. Подобно бихромат-иону с дифенилкарбазидом реагируют лишь молибден (VI) и ванадий (V), но реакция менее чувствительна. Поэтому оба эти элемента допустимы в концентрациях до 200 мг/л.

Мешает определению также железо, образующее с дифенилкарбазидом желтобурое соединение. Мешающее влияние железа устраняется добавлением в анализируемый раствор фосфорной кислоты, что предусмотрено в ходе определения.

При определении Cr(VI) результат анализа может оказаться завышенным, т.к. бихромат-ион может окислять некоторые содержащиеся в пробе вещества (например, некоторые органические соединения) в промежуток времени между отбором пробы и ее анализом. Для исключения таких ошибок пробы на Cr(VI) анализируются не позже, чем через 2 часа после отбора. При определении общего содержания хрома допускается консервирование (5 мл концентрированной HNO₃ на 1 л пробы).

Реактивы. 1. Дифенилкарбазид, 1%-ный спиртовый раствор. Растворяют 0,5 г дифенилкарбазида в 50 мл этилового спирта. Хранят раствор в темной склянке.

2. Фосфорная кислота концентрированная 85%-ная.

3. Серная кислота, разбавленный раствор 1:1.

4. Серная кислота, водный раствор. 27,3 мл серной кислоты плотностью 1,84 г/см³ вносят при перемешивании в 150-200 мл дистиллированной воды, переносят в мерную колбу на 1 л и доводят до метки дистиллированной водой.

5. Персульфат аммония, 0,1%-ный раствор. 0,1 г персульфата аммония растворяют в 100 мл дистиллированной воды. Применяют свежеприготовленным.

6. Основной стандартный раствор хрома (VI) c концентрацией хрома 1 г/л. 0,283 г калия двухромовокислого растворяют в 100 мл дистиллированной воды.

Рабочий раствор 1 с концентрацией хрома 10 мг/л. Готовят в день проведения анализа разбавлением основного стандартного раствора в 100 раз дистиллированной водой.

Рабочий раствор II с концентрацией хрома 1 мг/л. Готовят в день проведения анализа разбавлением рабочего раствора I в 10 раз бидистиллированной водой.

Задание 1

Выбрать условия фотометрирования и произвести определение хрома (VI) в контрольных пробах на фотоэлектроколориметре КФК-2 или КФК-3.

Обычно для охвата широкого диапазона концентраций хрома в природных и сточных водах (0,01 - 1,00 мг/л) строят два градуировочных графика:

первый - в диапазоне концентраций 0,01 - 0,10 мг/л путем разбавления рабочего раствора II; второй - в диапазоне 0,10 - 1,00 мг/л с использованием рабочего раствора 1. Для выполнения работы Вам будет необходимо построить один из этих графиков (по заданию преподавателя).