Гуминовые кислоты относятся к классу карбонизированных соединений и характеризуются высоким содержанием углерода (до 60%). Фульвокислоты содержат несколько меньше углерода (до 40–50%). Кроме углерода, в гумусовые вещества входят водород и кислород, соотношение которых приближается к 2:1, и азот, на долю которого приходится 3–5%. В состав гумусовых веществ также входят P, S, Al, Fe, Si. Однако их положение и характер взаимодействия в молекуле гумуса пока не установлены. Элементный анализ гумусовых веществ позволяет вскрыть особенности гумификации в различных почвенно-климатических зонах, для чего вычисляют обычно атомные отношения С: Н и С: О. Простейшие (элементарные) формулы для гуминовых и фульвокислот обычно не составляются, так как гумусовые кислоты имеют очень сложное химическое строение. Однако в отдельных случаях исследователям приходится прибегать к простейшим формулам, поскольку это необходимо при оценке спектров, при изучении распределения кислородно-функциональных групп и азота по типам связей. Сведения об элементном составе гумусовых веществ необходимы для обоснованного отнесения природных органических соединений различного происхождения к группе гумусовых веществ.
Методы элементного анализа гумусовых веществ разнообразны. Содержание углерода может быть найдено методом Густавсона, содержание азота – методом Къельдаля.
Подготовка гумусовых веществ к анализу (микроанализ)
Для проведения элементного анализа используют гуминовые и фульвокислоты в твердом состоянии, высушенные и растертые в порошок. Качество анализа зависит от чистоты выделенного образца, поэтому получение гумусовых веществ для микроанализа должно быть особенно тщательным. Все существующие методы определения углерода и водорода основаны на окислении органического вещества до СО2 и Н2О с последующим количественным определением образующихся продуктов сгорания. Окисление проводится кислородом, а также твердыми окислителями в присутствии катализаторов (оксида меди, хромата свинца, перекиси марганца).
Скоростной метод разработан Коршун и Климовой. В основу его положено быстрое термическое разложение вещества в кварцевой пробирке, помещенной в пустую кварцевую трубку. Продукты разложения (пиролиза) попадают в обогащенную кислородом накаленную зону и полностью окисляются до СО2 и Н2О. Сжигание продолжается в течение 10–15 мин. Способ пиролитического сжигания по Коршун и Климовой универсален и используется в различных методах одновременного определения нескольких элементов из одной навески.
Для количественного определения образующихся при сжигании СО2 и Н2О применяют различные способы (газовометрические, кондуктометрические, весовые). Чаще всего применяют весовое определение. Для определения СО2 используют аскарит (асбест, смоченный NaOH), поглощающий СО2 в количестве до 20 % от своей массы. Для поглощения воды используют ангидрон (Mg (ClO4)), не расплывающийся под действием влаги. Сжигание протекает при t = 900 °C в течение 10–15 мин.
Определение азота микрометодом по Дюма
В основу метода положено разложение органического вещества в присутствии окиси меди в атмосфере углекислоты. При сжигании органического вещества окисление идет за счет кислорода раскаленной окиси меди. Газообразные продукты горения, состоящие из элементарного азота, окиси азота, углерода, паров воды, галоидов и т. д., проходят через раскаленную зону восстановленной меди и металлического серебра. Окись меди при высоких температурах способствует окислению недоокисленных продуктов. Сжигание вещества длится 10–15 мин. В настоящее время для анализа различных органических веществ широко используются автоматические приборы – элементные анализаторы раз-личных марок, например чешский анализатор СНN. На нем анализируют органические вещества на содержание углерода, водорода, азота. Он отличается высокой точностью (менее 0,3 %), время проведения одного анализа приблизительно 10 мин. Для анализа достаточна навеска 0,5–2,5 мг.
Вычисление атомных отношений
Атомные отношения С: Н; С: О; С: N показывают количество атомов углерода, приходящееся в молекуле гумусового вещества на единицу водорода, кислорода и азота. Чем больше отношение, тем больше углерода приходится на единицу этих элементов, тем большее значение имеет углерод в построении молекул органического вещества. По отношению каждой из указанных выше пар можно судить об относительной разветвленности боковых цепей, степени окисления, роли азотсодержащих соединений в образовании гумусовых веществ.
Величина атомного отношения С: Н зависит от разветвленности боковых цепей и замещения ароматических колец. Чем сложнее строение молекул, тем больше замещено водородных атомов, тем выше отношение С: Н. Величина атомных отношений сильно отличается от процентных от-ношений при сравнении элементов с резко различными атомными массами (С-Н, О-Н). При близких атомных массах процентные и атомные отношения близки. Для нахождения атомных отношений делят процентное содержание элемента в гуминовой или фульвокислоте на соответствующую атомную массу. В качестве примера приведем расчет гуминовой кислоты из чернозема выщелоченного мощного.