Методи хімічного аналізу ґрунту

Для хімічного аналізу ґрунтів аналітики використовують надзвичайно великий набір методів. У результаті їхнього застосування вимірюють або необхідну величину показника, або величину, функціонально з нею пов’язану. Наприклад, концентрація солей у рідких фазах насичених водою ґрунтових паст і ступінь засолення ґрунтів оцінюють за величиною питомої електропровідності фільтратів із паст.

У лабораторній практиці аналізу ґрунтів застосовують як класичні хімічні, так і інструментальні методи. Систематизацію класичних хімічних методів, які використовують для аналізу ґрунтів, подано у табл. 1.2.

У випадку застосування класичних хімічних методів одержують найточніші результати, оскільки відносна похибка визначених величин показників становить усього 0,1-0,2 %. Водночас відносні похибки значної кількості інструментальних методів є значно вищими − 2-5 %.

Класичні хімічні методи аналізу (за Л. А. Воробйовою, 1998)

Методи	Принцип методу або тип хімічної реакції	Компоненти, які визначають у ґрунті
Гравіметричні	Вимірювання маси компонента, виділеного у вигляді осаду або за допомогою відгонки	Si, R₂O₃, Ca, Mg, P, SO₄²⁻, CaCO₃ за CO₂, C за CO₂, N, гігроскопічна волога, втрати від прожарювання
Титрометричні	Вимірювання об’єму або маси реагенту, який взаємодіє із компонентом, що визначають	−
Кислотно-основне титрування	H₃O⁺ + OH⁻ = 2H₂O [ацидиметрія (H₃O⁺) і алкаліметрія (OH⁻)]	Гідролітична та обмінна кислотність, загальна та інші види лужності, обмінний алюміній і гідроген, сума обмінних основ, CaCO₃, N
Окисно-відновне титрування	a O x ₁ + b Red₂ = a Red₁ + b O x ₂	Окиснюваність, карбон органічних сполук, Fe
Комплексометричне титрування	M + L = ML 1. Меркуриметрія [титрант − Hg(NO₃)₂] 2. Комплексонометрія [титрант − ЕДТА]	Cl⁻ Al, Fe, Ca, Mg, SO₄²⁻
Титрування з утворенням осаду	1. Аргентометрія [титрант − AgNO₃] 2. Меркурометрія [титрант − Hg₂(NO₃)₂] 3. Титрант − BaCl₂	Cl⁻ Cl⁻ SO₄²⁻

Серед інструментальних методів для аналізу ґрунтів найчастіше використовують електрохімічні та спектроскопічні. У свою чергу, серед електрохімічних методів найбільше застосовують потенціометричні, кондуктометричні, кулонометричні і вольтамперометричні, у тім числі усі сучасні різновиди полярографії.

Класифікацію електрохімічних методів аналізу, головним критерієм формування якої є вимірювані у процесі аналізу параметри та перелік показників, рівні яких оцінюються електрохімічними методами, подано у табл. 1.3. Систематизацію та деякі особливості спектроскопічних методів наведено у табл. 1.4.

Залежно від характеру взаємодії випромінювання із речовиною, серед спектроскопічних методів вирізняють: спектроскопію виділення (емісійну), вбирання (абсорбційну), розсіювання та відбиття. Крім цього, спектроскопію поділяють на атомну і молекулярну. Для аналізу ґрунтів використовують як методи атомної, так і молекулярної спектроскопії.

Широкого застосування у хімічному аналізі ґрунтів набула атомно-емісійна спектроскопія. У ґрунтознавчій і агрохімічній літературі цей метод називають емісійним спектральним аналізом (М. Г. Зирін, А. І. Обухов, 1977). Для визначення лужним металів, зазвичай, використовують емісійну фотометрію полум’я, яку ґрунтознавці часто називають методом полуменевої фотометрії (І. М. Іванов, 1974).

Електрохімічні методи аналізу (за Л. А. Воробйовою, 1998)

Метод	Вимірюваний параметр	Умови вимірювання	Компоненти, які визначають у ґрунті
Потенціометрія (іонометрія)	Потенціал (Е), В	І = 0	H⁺, Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl⁻, NO₃⁻, F⁻, SO₄²⁻, B, Cu²⁺, Br⁻, I⁻, S²⁻
Вольтамперометричні методи, включаючи усі сучасні різновиди полярографії	Струм (І), мкА	І = ƒ(E _накл)	H⁺, B, NO₃⁻, NO₂⁻, Na, Mg, Al, P, S²⁻, SO₄²⁻, Cl⁻, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sc, Br, Mo, Cd, I, Pb
Амперметричне титрування	Те ж	E = const	Mg, Ca, V, Cr, Mn
Кулонометрія	Кількість електрики (Q), Кл	I = const або E = const	Cl⁻, As, C
Кондуктометрія	Питома електропровідність (χ), См·м^-1		Вміст солей, SO₄²⁻

Спектроскопічні методи (за “Основи аналітичної хімії”, 1996)

Назва методу	Спосіб атомізації	Джерело випромінювання	Спосіб уведення проби	Хімічні елементи, які визначають у ґрунті
Методи атомної спектроскопії Емісійні методи
Атомна емісійна спектроскопія	Електричні дуга або іскра	Дуга або іскра	Досліджувану речовину поміщають у порожнину електрода	B, F, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Sn, Ba, Pb
Емісійна фотометрія полум’я	Полум’я	Полум’я	Досліджуваний розчин розпилюють у полум’ї	Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Mg
Атомнофлуорисцентна спектроскопія	Полум’я або плазма	Розрядна лампа або лазер	Досліджуваний розчин розпилюють у полум’ї або плазмі	−
Спектроскопія з індуктивно-зв’язаною плазмою	Електрогенерована плазма у газі-носії (індуктивно-зв’я-зана плазма − ІЗП)	ІЗП	Досліджуваний розчин розпилюють у вигляді аерозолю у газ-носій	Al, As, B, Ba, Be, C Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, K, Mg, Mn, Mo, N, Na, Ni, P, Pb, S, Sc, Se, Si, Sn, Sr, Ti, V, Y, Zn
Рентгенофлуоресцентна спектроскопія	Немає потреби	Рентгенівська трубка	Досліджувану речовину поміщають на шляху рентгенівських променів	Si, Fe, Mn, Ti, Ca, K, S, P, Al, Mg, Na, Cr, Ni, Cu, Zn, Rb, Sr, Zr
Абсорбційні методи
Атомно-абсорбційна спектроскопія із використанням полум’я	Полум’я	Лампа з пустотілим катодом	Досліджуваний розчин розпилюють у полум’ї	Li, Be, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Se, Pb, Rb, Sr, Cd, Ba, Hg, B, P, Sn, Zr, Sc, Cs, Mo, Sb
Атомно-абсорбційна спектроскопія без використання полум’я	Підігріта поверхня	Те ж	Досліджуваний розчин поміщають на підігріту поверхню	−
Рентгеноабсорбційна спектроскопія	Немає потреби	Рентгенівська трубка	Досліджувану речовину поміщають у потік випромінювання	−
Методи молекулярної спектроскопії Абсорбційні методи
Спектрофотометрія	Немає потреби	Лампи розжарювання із вольфрамовою ниткою, галогено- кварцева або дейтерієва	Досліджуваний компонент переводять у поглинаючу світлосполуку і поміщають на шляху випромінювання	B, C, N, F, Mg, Al, Si, P, Cl⁻, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, As, Se, Mo, I, Hg, Pb
Нефелометрія і турбідиметрія	Те ж	−	Досліджуваний компонент переводять у малорозчинну сполуку і поміщають на шляху випромінювання	SO₄²⁻

Серед емісійних методів атомної спектроскопії у ґрунтознавстві застосовують рентгенофлуоресцентну спектроскопію (В. А. Большаков, 1978). Останніми десятиріччями для визначення великого набору хімічних елементів доволі часто використовують атомно-абсорбційну спектроскопію полум’я (А. І. Обухов, О. І. Плеханова, 1991).

Практично у кожній із ґрунтово-хімічних лабораторій традиційно застосовують методи молекулярної спектроскопії у видимій і значно рідше − в ультрафіолетовій області спектра. Методи називають спектрофотометричними або фотометричними. Прилади, у яких для монохроматизації випромінювання використовують монохроматори, називають спектрофотометрами, а ті прилади, у яких для виділення необхідного інтервалу довжини хвиль використовують світлофільтри, називають фотоелектроколориметрами (ФЕК).

Одним із найкращих навчальних посібників щодо застосування інструментальних методів у ґрунтознавстві є “Фізико-хімічні методи дослідження ґрунтів” (1980).

Оптимальний вибір методу вимірювання вимагає від дослідника дотримання певних правил, зокрема, врахування особливостей хімічних властивостей досліджуваного ґрунту, природи показника, достатньої точності визначення його рівня, можливості методів вимірювання та виконання необхідних вимірювань в умовах проведення експерименту. У свою чергу, точність вимірювань зумовлюється метою дослідження та природною варіабельністю досліджуваної властивості. Точність – комплексна характеристика методу, за допомогою якої оцінюють правильність і відтворюваність одержаних результатів аналізу. Необхідно враховувати, що точніші методи, зазвичай, значно трудомісткіші. Тому немає потреби вибирати особливо точний метод вимірювань у тих випадках, коли оцінюють властивість ґрунту, яка характеризується значною мінливістю у просторі. Якщо ж метою дослідження є власне оцінка мінливості ознаки (властивості) ґрунту, тоді точний метод просто необхідний, оскільки він дає змогу виявити мінливість ознаки (властивості) ґрунту як у просторі, так і у часі.

Як відомо, до складу ґрунту входять практично усі наявні у природі хімічні елементи. Їхній вміст змінюється у надзвичайно широких межах – від десятків відсотків до мільйонних часток відсотка. Співвідношення рівнів середнього вмісту у ґрунтах деяких хімічних елементів наочно показано у табл. 1.5.

Середній вміст хімічних елементів у ґрунтах (за Д. С. Орловим, 1992)

Хімічні елементи	Інтервал середнього вмісту, %
C, Fe, Al, Si	2,0-33,0
Ti, Mg, Na, K, Ca	0,4-1,4
V, Cr, F, Sr, Zr, Ba, Mn, P, S	0,01-0,07
Mo, Br, As, I, Sc, Pb, Co, B, Cu, Li, Ni, Zn	10⁻⁴-10⁻³
Se, Hg	10⁻⁶

Неоднакові рівні вмісту та різні хімічні властивості елементів не завжди дають змогу застосувати один і той же метод вимірювань для кількісного визначення усього необхідного набору елементів.

Досліджуючи валовий хімічний склад ґрунту, використовують методи з різними межами вимірювань. Наприклад, для визначення хімічних елементів, вміст яких перевищує десяті частки відсотка, перевагу віддають класичним методам хімічного аналізу – гравіметричним і титрометричним. Зокрема, гравіметричний метод застосовують для визначення у ґрунтах Силіцію (Si). За допомогою титрометричних методів визначають такі катіони і аніони: Al³⁺, Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl⁻, SO₄²⁻ та ін., а також Карбон (С_орг) органічних сполук.

Незважаючи на те, що класичні хімічні методи здебільшого поступаються за продуктивністю перед інструментальними, необхідно пам’ятати, що ці методи, передусім гравіметричні, є найточнішими. Тому, незважаючи на свою трудомісткість, вони сьогодні виконують роль стандартних арбітражних методів як у випадку розробки нових (у тому числі інструментальних) методів аналізу ґрунтів, так і для створення стандартних ґрунтових зразків. Стандартні зразки ґрунту (з відомим наперед вмістом хімічних елементів) використовують, насамперед, для контролю правильності одержаних результатів аналізу, а також для калібрування приладів.

Методи з різними межами вимірювань застосовують не тільки для визначення хімічних елементів, які відрізняються за властивостями і вмістом у ґрунтах. Навіть за умови визначення різних показників хімічного стану одного і того ж елемента, зазвичай, використовують різні методи вимірювань або різні їхні варіанти.

Отже, різні властивості хімічних елементів, далеко неоднакові рівні їхнього вмісту, необхідність визначення різних показників хімічного стану елемента у ґрунті спонукають до застосування методів з різними межами вимірювань.