Способи розкладання ґрунту

Доволі високий рівень розвитку сучасної аналітичної хімії ґрунтів дає змогу аналізувати проби ґрунту у твердому стані, тобто без їхнього попереднього розчинення. Для цього використовують такі методи аналізу: емісійний спектральний, рентгенофлуорисцентний, нейтронноактиваційний.

Проте значно частіше використовують методи, розроблені для аналізу розчинів, а не речовин у твердому стані. Головними складниками мінеральної частини ґрунтової маси є силікати, алюмосилікати, кварц, які не розчиняються ні у кислотах, ні у лугах. Тому першим необхідним етапом валового хімічного аналізу є розкладання наважки ґрунту. Унаслідок розкладання компоненти ґрунтової маси переходять у такі форми сполук, які мають здатність розчинятися у кислотах.

Здатність силікатів до розкладання залежить, насамперед, від їхнього складу та властивостей металів, які містять силікати. Встановлено, що силікат з меншим вмістом SiO₂ або меншим відношенням SiO₂ до суми оксидів металів розкладається значно легше. Швидкому розкладанню сприяє також переважання у складі силікату металів, які проявляють чітко виражені основні властивості. Зокрема, силікат натрію (Na₂SiO₃) розчиняється у воді, силікат кальцію (CaSiO₃) добре розчиняється у кислотах, а на силікат алюмінію (Al₂SiO₅) кислоти практично не діють.

Для розкладання ґрунту у хімічному аналізі використовують такі способи:

▪ розчиняють ґрунт за допомогою мінеральних кислот (HCl, HNO₃, H₂SO₄, HClO₄, HF);

▪ сплавляють ґрунт з лужними (Na₂CO₃, K₂CO₃, NaOH, борати лужних металів і їхні суміші), кислотними (гідросульфат або піросульфат калію і B₂O₃), окисними (пероксид натрію, суміші пероксиду натрію з лужними плавнями) та відновними плавнями;

▪ спікають ґрунт з карбонатом натрію (Na₂CO₃) у присутності нітрату калію (KNO₃) як окисника.

Спосіб розкладання ґрунту з використанням мінеральних кислот є одним із найдавніших та найвідоміших. Ще у 1823 р. з цією метою фтористоводневу (HF) кислоту вперше застосував Я. Берцеліус.

Кислоти, залежно від їхньої природи і концентрації, можуть проявляти окисні властивості. Насамперед це стосується концентрованих сульфатної і нітратної кислот, а також підігрітої до температури 70 ⁰С концентрованої хлорної кислоти.

Незважаючи на те, що зазначені кислоти володіють добре вираженими властивостями окисників, роздільне (не у суміші) їхнє використання для розкладання ґрунтів у багатьох випадках створює труднощі для подальшого визначення елементів.

Зрідка для розкладання ґрунтів застосовують сульфатну кислоту (H₂SO₄), оскільки внаслідок її взаємодії з ґрунтом утворюються важкорозчинні сульфати.

Обмежене використання гарячої хлорної кислоти (HClO₄) для розкладання ґрунтів зумовлене тим, що за наявності навіть незначного вмісту органічних речовин у підготовленій пробі ґрунту перебіг окисного процесу нерідко завершується вибухом.

За наявності у ґрунтовій масі мінералів-карбонатів їхнє розкладання провадять за допомогою хлоридної кислоти (HCl). Водночас відбувається і часткове розкладання всієї маси ґрунту. Однак необхідно пам’ятати, що унаслідок цього можуть утворюватися леткі хлориди Ge(IV), As(III), Sn(IV), Sb(III), Hg(II) та інші, які втрачаються для подальшого аналізу.

У багатьох випадках (зокрема, при визначенні вмісту мікроелементів) розкладання ґрунту здійснюють, використовуючи суміш таких кислот, як хлоридна (HCl), нітратна (HNO₃) і сульфатна (H₂SO₄).

Однак, застосування тих чи інших мінеральних кислот не забезпечує повного розкладання ґрунту, тобто не відбувається переведення всіх його компонентів у розчинний стан. Одержані у результаті розчинення залишки завжди містять певну кількість нерозчинного у кислотах SiO₂.

Для повного розкладання ґрунту застосовують суміш фтористоводневої (плавикової) кислоти з сульфатною або нітратною кислотами.

У зв’язку з тим, що зазначені кислоти є доволі небезпечними і можуть спричинити серйозні ушкодження дихальних шляхів чи різного ступеня хімічні опіки, потрапляючи на відкриті ділянки шкіри, необхідно всі роботи з їхнім використанням проводити у спеціальних захисних окулярах та рукавицях і обов’язково у витяжній шафі.

Порівняно безпечним та ефективним є розкладання ґрунтів за допомогою мінеральних кислот у герметично закритих автоклавах. Застосування автоклавів дає змогу зменшити витрати необхідних реагентів, збільшити швидкість розкладання речовин і практично унеможливити втрати летких сполук.

Недостатньо вивченою та доволі складною є хімія процесів сплавлення ґрунту з різними плавнями. Дослідженнями встановлено, що упродовж сплавлення водночас відбуваються окисно-відновні та кислотно-основні реакції, унаслідок чого спостерігаються глибокі зміни у структурі мінералів. Цьому також сприяє попереднє збагачення ґрунту лужними металами. У результаті сплавлення ґрунту з різними плавнями замість природних оксидів, силікатів і алюмосилікатів, наявних у ньому, утворюється суміш простих сполук. Ця суміш, зазвичай, містить силікати лужних металів, їхніх карбонатів, алюмінатів та манганатів, які розчиняються у воді і кислотах. Продукт сплавлення називають плавом.

Для здійснення сплавлення використовують лужні, кислотні, окисні та відновні плавні. Правильний вибір того чи іншого плавня для проведення сплавлення залежить від складу ґрунту, набору елементів, які необхідно визначити, та вибраних методів аналізу.

У випадках, коли склад аналізованої проби ґрунту характеризується домінуванням кислотних або амфотерних оксидів (SiO₂, Al₂O₃), застосовують лужні плавні.

Кислотні плавні застосовують для розкладання проб ґрунтів, у складі яких переважають основні або амфотерні оксиди – оксиди титану, хрому, феруму, алюмінію тощо.

Дослідженнями встановлено, що переважаючими у складі значної кількості ґрунтів є кислотні оксиди, відтак, аналізуючи ґрунти, найчастіше застосовують лужне сплавлення, з використанням суміші карбонатів натрію і калію.

Одним із прикладів хімічної реакції, яка відбувається у процесі лужного сплавлення, є взаємодія ортоклазу з карбонатним плавнем:

Водночас карбонатні плавні у процесі лужного сплавлення зумовлюють окислення таких елементів, як S, Mn, Cr та інших, істотно полегшуючи розкладання ґрунтів. Зокрема, як приклад, розглянемо реакцію плавня з Mn(II) i Mn(IV).

;

.

Для розкладання таких мінералів, як титанати, циркон, та інших, рекомендують застосовувати не лужні, а кислотні плавні.

Загалом сплавлення є універсальним способом розкладання ґрунтів, проте характеризується багатьма недоліками, які дещо обмежують його застосування. По-перше, процес сплавлення проби ґрунту відбувається з використанням великої кількості (у 6 разів більше, ніж наважка проби ґрунту) плавня. Унаслідок цього вміст у аналізованій системі Натрію і Калію значно перевищує вміст усіх інших хімічних елементів, що ускладнює їхнє визначення. По-друге, всі без винятку плавні містять ті чи інші домішки, що призводить до забруднення проби ґрунту. По-третє, для нейтралізації і розчинення плаву, зазвичай, використовують значну кількість кислоти. По-четверте, у процесі сплавлення відбувається корозія платинового тигля і, можливо, обмін деякою кількістю хімічних елементів між плавом і тиглем.

У сучасній аналітичній хімії все більшої ваги набувають методи, які дають змогу здійснювати розкладання ґрунтів при температурі, нижчій від точки плавлення. Дотримання цієї вимоги можливе у разі застосування методу спікання.

Отже, для розкладання ґрунтів застосовують також метод спікання. Цей метод, порівняно з іншими, доволі простий у виконанні та забезпечує повноту розкладання проби ґрунту. Крім того, за умови застосування відповідних прийомів при спіканні, доволі вартісні платинові тиглі можна замінити на фарфорові.

У процесі спікання відбувається трансформація кристалічної ґратки та дифузія іонів лужних металів у середню частину ґратки кристала. Швидкість процесу спікання залежить від наявності рідких і газоподібних компонентів, які є проміжними продуктами реакцій упродовж спікання. Наприклад, унаслідок окислення органічної речовини у системі з’являються CO₂ і H₂O. Діоксид карбону не бере участі у хімічних перетвореннях, проте значно прискорює процес спікання, збільшуючи шпаруватість та реакційну здатність компонентів. Наявність рідкої фази може як прискорювати, так і сповільнювати процес спікання.

Розкладання ґрунту за допомогою методу спікання передбачає ретельне розтирання аналітичної проби ґрунту в одній зі ступок (халцедоновій або агатовій чи яшмовій до стану пудри) і рівномірне її змішування з реагентом для забезпечення їхнього найтіснішого контакту.

Сьогодні одним із найкращих є спосіб розкладання проб ґрунтів їхнім спіканням з карбонатом натрію (Экспресс-метод полного валового анализа почв, 1973). Спікання здійснюють за наявності нітрату калію як окисника у фарфорових тиглях. Внутрішню поверхню фарфорового тигля від руйнування захищають сульфатом калію. Сульфати лужних металів навіть при високій температурі надто повільно реагують з силікатами, присутніми як у складі проби ґрунту, так і у матеріалі, з якого виготовлено тигель. Тому він не руйнується, а його компоненти не впливають на результати аналізу.

Обираючи один зі способів розкладання ґрунтів, необхідно враховувати особливості методів кількісного аналізу, за допомогою яких аналізуватимуть одержані у результаті розкладання ґрунтів розчини.

Дата добавления: 2014-01-04