Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы. Гумусовые вещества. Гуминовые кислоты и фульвокислоты
1.1. Образование гуминовьтх и фульвокислот 9-13
1.2. Выделение и исследование гумусовых веществ 13-14
1.3. Модели строения гуминовых и фульвокислот 15-18
1.4. Методы выделения препаратов гумусовых кислот из почв 18-19
1.5. Методы исследования свойств гумусовых кислот 1.5.1. Оптические методы 20-25
1.5.2. Потенциометрический метод 25-29
1.5.3. Другие методы 29-31
1.6. Мембранные методы разделения смесей 31
1.6.1. Диализ 33-35
1.6.2. Электродиализ 35-39
1.6.3. Разделение смесей органических и неорганических электролитов 39-42
Глава 2. Объекты и методы исследования
2.1. Объект исследования 43
2.2. Выделение ПС и ФК из почвы 43-44
2.3. Методика деминерализации почвенных экстрактов диализом 44-45
2.4. Методика деминерализации почвенных экстрактов электродиализом 45-48
2.5. Пирометрическое исследование структуры мембран 49
2.6. Методика измерения электропроводности мембран 49-51
2.7. Методика измерения мембранных потенциалов 51 -52
2.8. Методика выделения фракций фульвокислот на активированном угле 53
2.9. Методика определения остатка при прокаливании препаратов
ГК 53-54 2.10. Методика потенциометрического титрования гумусовых кислот 54-56
2.11. Методика УФ-спектроскопического исследования гумусовых кислот 56-57
2.12. Методика ИК-спектроскопического исследования гумусовых кислот 57-58
Глава 3. Получение препаратов гк повышенной чистоты
3.1. Диализ щелочных почвенных экстрактов с использованием целлофановых мембран 59-66
3.2. Перенос ионов пирофосфорной кислоты через анионообменные мембраны различной химической природы при электродиализе 66-74
3.3. Деминерализация щелочных почвенных экстрактов электродиализом с инертными и ионообменными мембранами 74-80
3.4. Моделирование взаимодействия молекул гумусовых кислот с мембранами МА-40 и МА-41 80-83
3.5. Влияния гумусовых кислот на структуру и электрохимические свойства ионообменной мембраны МА-40 83-88
Глава 4. Анализ Гк различной степени чистоты и их сенсорные свойства
4.1. Оптические свойства препаратов ГК 89-93
4.2. Состав и кислотно-основные свойства ГК 93-98
4.3. Использование ГК в качестве селективных покрытий кварцевых пьезорезонансных сенсоров 98-105
Глава 5. Содержание Фк в почвах и свойства их фракций
5.1. Влияние техногенного воздействия на содержание ФК в поч вах 106-109
5.2. Оптические свойства препаратов фракций ФК 109-114
5.3. Состав и кислотно-основные свойства фракций ФК 114-121
Выводы 122-123
Список литературы
- Выделение и исследование гумусовых веществ
- Методика деминерализации почвенных экстрактов диализом
- Перенос ионов пирофосфорной кислоты через анионообменные мембраны различной химической природы при электродиализе
- Состав и кислотно-основные свойства ГК
Введение к работе
Актуальность. Гумусовые кислоты представляют собой природные высокомолекулярные соединения (ВМС), содержащие функциональные группы различной химической природы. В почвах они, являясь полиэлектролитами, регулируют процессы накопления, хранения и миграции ионов. Изучению состава и физико-химических свойств гумусовых кислот посвящено множество исследований и практически все они включают стадию извлечения гумусовых кислот из почв выщелачиванием. При этом выделение различных типов гумусовых кислот проводится из экстрактов кислотным осаждением гуминовых кислот (ГК) и образованием в кислом растворе фульвокислот (ФК). Однако выделенные ГК, несмотря на отдельные приемы их очистки, содержат до 30 % минеральных примесей. Поэтому поиск новых методов, позволяющих получить препараты высокой чистоты, представляется необходимым для дальнейшей их достоверной идентификации и применения в аналитической химии в качестве реагентов.
Методом эффективного разделения смесей органических и неорганических электролитов является электродиализ с ионообменными мембранами. Данных по использованию этого метода при получении препаратов ГК в литературе не имеется, а других мембранных методов - явно недостаточно. В связи с этим разработка процесса электромембранной деминерализации щелочных почвенных экстрактов с выделением высокоочищенных препаратов ГК является актуальной задачей.
Гумусовые кислоты находят применение в медицине, в сельском хозяйстве в составе специальных препаратов для повышения почвенного плодородия и других областях. В настоящее время имеются сведения о применении ВМС в качестве селективных покрытий химических газовых сенсоров при анализе компонентов воздушной среды. Представляется перспективным использование очищенных препаратов ГК в качестве таких покрытий.
Наряду с ГК, ФК являются активными участниками почвенных ионообменных процессов, однако состав и свойства отдельных их фракций исследованы недостаточно. Поэтому необходимым представляется определение функционального состава и кислотно-основных свойств ФК, что расширяет и углубляет представления об особенностях этих органических соединений.
Работа выполнена по Координационному плану НИР Научного совета по адсорбции и хроматографии РАН на 2005 - 2009 г.г. тема 2.15.6.2.Х.65 - «Исследование строения, селективности и транспортных свойств природных и синтетических ионообменных материалов как функции их гидратационных характеристик», тема 2.15.11.5.Х.71 - «Исследование механизмов газоразделения на полупроводниковых датчиках с мембранными покрытиями».
Целью работы является разработка методики разделения смесей гумусовых кислот и неорганических электролитов для получения препаратов повышенной чистоты мембранными и сорбционными методами, характеристика ГК и ФК и использование ГК в качестве селективных покрытий сенсоров при определении токсичных газов.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
Получение препаратов ГК повышенной чистоты с использованием мембранных методов разделения щелочных почвенных экстрактов.
Определение характеристик мембранного разделения гумусовых кислот и неорганических электролитов на примере электродиализа щелочных почвенных экстрактов.
Установление степени влияния органических полианионов на структуру используемых мембран.
Выявление особенностей качественного, количественного состава и кислотно-основных свойств препаратов ГК в зависимости от степени их очистки от минеральных веществ.
Изучение возможности использования препаратов ГК в качестве селективных покрытий пьезокварцевых сенсоров при определении в воздухе токсичных газов на уровне ПДК.
Установить степень влияния техногенного воздействия на соотношение количеств в почве ГК/ФК и содержание отдельных фракций ФК.
Методами спектроскопии и потенциометрии выявить особенности качественного и количественного состава и кислотно-основных свойств фракций ФК.
Научная новизна
Разработана методика разделения смесей неорганических и органических электролитов, растворимость которых является функцией рН на примере электродиализа щелочных почвенных экстрактов, содержащих гидроксид и пирофосфат натрия. Показано, что обработка экстракта электродиализом с ионообменными мембранами при достижении предельной плотности тока вызывает образование препаратов ГК непосредственно в камерах обессоливания электродиализатора. Наибольшая эффективность процесса электродиализа достигается с использованием чередующихся анионообменных и катионообменных мембран, а полученный таким способом и дополнительно отмытый водой препарат имеет остаток при прокаливании (ОНИ) менее 1 %.
Разработан кварцевый пьезорезонансный сенсор с покрытием из очищенных препаратов ГК. Показана возможность применения пьезокварцевого сенсора для определения аммиака в воздухе в концентрации ниже ПДК.
Выявлены особенности массопереноса ионов пирофосфорной кислоты при электродиализе через мембраны МА-40 и МА-41. Установлен преимущественный перенос пирофосфат-ионов из смеси с гидропирофосфат-ионами через мембрану МА-40 по сравнению с МА-41. Установлено, что сорбция мембраной МА-40 гумусовых веществ (ГВ) оказывает незначительное влияние на ее структуру. Показано, что основные структурные изменения проходят в межгелевых участках мембраны, практически не затрагивая гелевые.
Практическая значимость
Предложенный принцип получения препаратов ГК из чернозема выщелоченного электродиализом щелочных почвенных экстрактов может быть использован для получения препаратов ГК из других типов почв, а также при получении ве-
ществ, растворимость которых зависит от рН, при очистке их от неорганических электролитов.
Установлен качественный и количественный состав ГК на разных стадиях очистки, а также различных фракций ФК. Показано, что при увеличении степени техногенного воздействия на почву соотношение количеств ГК/ФК снижается. Эти данные могут быть использованы при разработке агротехнических приемов.
Данные по использованию препаратов ГК в качестве селективных покрытий пьезокварцевых сенсоров могут быть применены при разработке газоаналитических приборов.
Положения, выносимые на защиту
Методика разделения смесей гумусовых кислот и электролитов, используемых при выщелачивании, электродиализом с ионообменными мембранами, в процессе которого изменение значения диффузионного тока позволяет удалить минеральные вещества, фульвокислоты и выделить гуминовые кислоты повышенной чистоты.
Повышение чистоты гуминовых кислот при электродиализе щелочных почвенных экстрактов, по сравнению с кислотным выделением, позволяет снизить в 10 раз остаток при прокаливании, относительное стандартное отклонение при определении состава функциональных групп с 17,5-32,5 до 0,1-3,2 % и их силовых показателей с 0,6-7,5 до 0,1-2,1 %.
Применение препаратов гуминовых кислот в качестве селективных покрытий кварцевых пьезорезонансных сенсоров позволяет детектировать содержание аммиака в воздухе в концентрациях на уровне ПДК.
Способ идентификации фульвокислот содержащихся в экстрактах (водных, водно-ацетоновых и аммонийных) с использованием хроматографических, потенциометрических методов, ПК и УФ-спектроскопии.
Публикации
Основное содержание работы изложено в 17 публикациях, 11 из которых в журналах, входящих в перечень ВАК и 5 тезисов докладов на научных конференциях различного уровня.
Апробация работы
Результаты исследований были представлены на следующих конференциях: Международная конференция «Ионный перенос в органических и неорганических мембранах» (Туапсе, 2008); Международная конференция «Ion transport in organic and inorganic membranes» (Krasnodar, 2009); III Всероссийская конференция с международным участием «Аналитика России 2009» (Краснодар, 2009); Международная научно-практическая конференция «Чистая вода 2009» (Кемерово, 2009); научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов ВГАУ им. К.Д. Глинки (Воронеж, 2008 - 2009).
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы. Изложена на 142 страницах машинописного текста, включает 8 таблиц, 43 рисунка и список литературы, содержащий 178 наименований.
Выделение и исследование гумусовых веществ
Первые эксперименты по выделению и изучению гумусовых веществ (ГВ) приходятся на конец XVIII века. В 1786 году Ф. Ахард действием раствора щелочи на торф получил темноокрашенный раствор, из которого под-кислением концентрированной серной кислотой был выделен осадок гуми-новых кислот [2]. В работе [15] они получили название «некромовые кислоты». Изучив кислотные свойства ГК методом потенциометрического титрования, С. Оден в работе [2] сделал вывод, что они являются трех- или четырехосновными кислотами. В 20-30 годы XX века В.В. Геммерлингом [11] было установлено, что ГК полидисперсны и их окраска зависит от молекулярной массы. В работе А.А. Шмука [2] было доказано присутствие в макромолекулах ГК карбоксильных и фенольных гидроксо-групп. При сплавлении ГК со щелочью он обнаружил структуры ароматической природы, а из продуктов окисления выделил терефталевую кислоту. В 40-60 годы XX века были попытки искусственно синтезировать ГК из мономерных соединений: моносахаридов, аминокислот, фенолов. В это же время проводились исследования строения и состава природных ГК [16]. В 70-80 годы XX века был предложен ряд схем строения ГК, на основе которого Д.С Орловым, Л.А. Гришиной, М.И. Дергачевой, Ф. Стивенсоном, с использованием некоторых приближений и уточнений были построены более точные модели ГК [2].
Изучение ФК началось с работ Берцелиуса [2], который выделял из воды креновую и апокреновую кислоты, относящиеся к водорастворимым органическим кислотам. Впервые термин ФК употребил С. Оден в 20-х годах XX века, называя так желтоокрашенные вещества, остающиеся в растворе после осаждения ГК [11]. Однако, довольно обширный материал о строении ФК носил противоречивый характер. Одни исследователи считали их начальными формами ГК или продуктами их распада (Мульдер, Оден) [11], другие - смесью органических веществ индивидуальной природы (углеводов, алифатических и аминокислот), третьи - специфическими компонентами гумуса (Тюрин) [17].
Современный этап изучения ФК начинается с работ Тюрина и Пономаревой. В соответствии с данными Тюрина, почвенные ФК составляют группу оксикарбоновых азотсодержащих кислот, имеющих более светлую по сравнению с ГК окраску, меньшее содержание в молекулах углерода, растворимых в воде и минеральных кислотах. ФК имеют высокую обменную емкость (до 700 мг-экв/100 г), разрушительно действуют на минералы и склонны к образованию комплексных соединений с ионами металлов [2].
Большое количество разнообразных функциональных групп в составе молекул гумусовых кислот обуславливает их высокую реакционную способность. Это, прежде всего, карбоксильные, фенольные, спиртовые, аминные, хинонные группы, способные к образованию ковалентных и электровалентных связей, внутрикомплексных соединений [11]. Гуминовые кислоты содержат в среднем (мае. %) 46-62% С, 3-6% N, 3-5% Н и 32-38% О. Молекулы фульвокислот имеют более низкое содержание углерода и повышенное содержание кислорода: 36-44% С, 3-4,5% N, 3-5% Н и 45-50% О. В составе молекул гумусовых кислот также практически всегда содержатся сера, фосфор и катионы различных металлов [18-21].
Почти все современные экспериментальные данные подтверждают образование ФК в ходе щелочного или кислотного гидролиза как органического вещества почвы, так и собственно ГК или гумина [22]. Так Т.А. Гореловой [23] было показано постоянство количественного выхода ФК из торфяных почв в расчете на общее содержание органического вещества, что отрицает существование ФК, как отдельного класса природных соединений. 1.3. Модели строения гуминовых и фульвокислот
Гумусовые кислоты относятся к соединениям переменного состава, вследствие чего полную и однозначную их структурную формулу вывести невозможно. Следует отметить, что замена в молекуле гуминовой или фуль-вокислоте отдельных структурных фрагментов, боковых цепей и функциональных групп существенно не изменяет их свойства в целом. Таким образом, существуют вероятностные (статистические) формулы, отражающие средний состав, строение и средние свойства гумусовых кислот. В настоящее время существует несколько структурных формул гумусовых кислот, но все они имеют гипотетический характер, отражая в той или иной мере подробно накопленные экспериментальные данные. Гипотетический структурный фрагмент гумусовых кислот почв предложенный Кляйнхемпелем [24], показанный на рисунке 2, наглядно демонстрирует сложность их строения.
В соответствии с моделью С.С. Драгунова [2] гуминовая кислота представляет собой цепь ароматических ядер расположенных линейно и включает фенольные и хинонные группировки, гетероциклический азот, углеводные остатки с высокой степенью замещения ароматических колец. Однако, данная модель имеет несколько существенных недостатков: ароматическая часть представлена только четырехзамещенными кольцами, почти все бензольные кольца имеют кислородсодержащие заместители. Данная формула не подтверждает экспериментальные данные о высокой оптической плотности растворов гумусовых веществ.
Наиболее достоверно, на наш взгляд, отражает строение гуминовой кислоты модель, предложенная Стивенсоном [25]. В соответствии с его представлениями главная цепь макромолекулы гуминовой кислоты состоит из фрагментов фенилкарбоновых кислот с привитыми к ней углеводными и белковыми цепочками. В составе гуминовой кислоты он выделяет следующие функциональные группы: карбоксильные, фенольные, амидные, спиртовые, альдегидные, карбоксилатные, кетонные, метоксильные, хинонные, гид-роксихинонные и аминогруппы. Структура фрагмента гуминовой кислоты, соответствующая модели Стивенсона, построенная нами в программе HyperChem 7.01 и оптимизированная методом молекулярной механики (mm+), а затем полуэмпирическим методом AMI, показана на рисунке 3. Количество функциональных групп, содержащихся в макромолекуле ГК, и их роль в органоминеральных процессах окончательно не определены. Однако, основу ГК как ионообменников составляют фиксированные карбоксильные и фенольные гидроксигруппы. Карбоксильные группы ГК входят в различные фрагменты структуры и отличаются по кислотности [2].
Методика деминерализации почвенных экстрактов диализом
Аналогичным образом проводилось потенциометрическое титрование ФК водной фракции (А) и водно-ацетоновой фракции (В). В растворы ФК фракции Д перед титрованием добавляли 0,1 М раствор NaOH до рН 12 и далее выдерживали их на водяной бане до полного удаления образующегося аммиака, которое фиксировалось по окраске индикаторной бумаги в парах воды. Титрование проводилось так же, как и для ГК, но в обратном порядке, сначала раствором хлороводородной кислоты, а затем гидроксидом натрия.
По полученным данным строили интегральные кривые (pH-V) и дифференциальные зависимости (ApH/AV). Точки эквивалентности определялись по максимумам на дифференциальных кривых. Начальные точки титрования фе-нольных гидроксилов (или других очень слабо диссоциированных протондо-норных групп) рассчитывали по функциям Грана [71], при ацидиметрическом титровании: (V0+V)[OH-]=CHci(Vb-V) (15), и при алкалиметрическом титровании: (V0+V) рҐ]=СКаон( Va-V) (16), где [ОН"]=10рН14, [Н+]=10рН, V0 - исходный объем титруемого раствора, Vb -объем титранта, необходимый для нейтрализации сильного основания (NaOH в титруемом растворе), Va - объем титранта, необходимый для нейтрализации сильной кислоты (избытка НС1 в титруемом растворе), CHci и CNaon - концентрация титранта (НС1 или NaOH соответственно).
Концентрация функциональных групп в препаратах Е (ммоль/г) рассчитывалась по формуле: Е=с =УЛ (17); т где С - концентрация раствора титранта, моль/л; V - его объем, мл; m - масса образца, г; п - номер скачка на кривой титрования. При титровании фенольных или других слабодиссоциированных протон-донорных групп Vn— соответствует объему титранта в точке начала титрования, рассчитанной по функции Грана. Из значений рН в начальной точке титрования, до добавления раствора KCI, рассчитывали pIQ карбоксильных групп по формуле: PK,=2pH + lgC (18), где С - концентрация карбоксильных групп в пересчете на объем раствора. Значения рКг (рКп) карбоксильных и рК фенольных гидроксо-групп определяли по уравнению Гендерсона-Хассельбаха, как значения рН при 50%-ой их нейтрализации: pK = pH-lg(a/l-a) (19), где a - степень ионизации функциональных групп, рН - величина, соответствующая a = 0,5.
Электронные спектры экстрактов гумусовых кислот, растворов гумино-вых и фульвокислот снимались на спектрофотометре СФ-26 в диапазоне длин волн 200-350 нм с шагом 5 нм. Использовались кварцевые кюветы с толщиной слоя 1 см. Перед снятием УФ-спектров образцы препаратов ГК массой 0,94 мг растворялись в 100 мл 0,1 М раствора гидроксида натрия, который в дальнейшем использовался в качестве раствора сравнения. При снятии электронных спектров фракций ФК А, В и Д, брали навеску препарата, массой 15 мг растворяли соответственно в 10, 120 и 320 мл дистиллированной воды. Для раствора сравнения использовали дистиллированную воду. Данные по разбавлению препаратов гумусовых кислот использовались, для того чтобы, оптическая плотность полученных растворов находилась в оптимальном по шкале спектрофотометра диапазоне.
Результаты записывались в виде интегральных зависимостей оптической плотности D от длины волны и дифференциальных кривых AD/ДА- - X. Для учета разбавления при сравнении фракций ФК, полученных по методу Форсита, значения оптической плотности их растворов пересчитывались на коэффициенты поглощения по формуле (20). e=D/K (20), где є — коэффициент поглощения, D - оптическая плотность раствора, К -коэффициент рассчитанный по формуле (21). K=m/V (21), где m - масса навески препарата ФК (15 мг), V - объем дистиллированной воды используемой, для растворения препарата ФК.
Коэффициенты цветности рассчитывались как отношение оптической плотности растворов при 465 нм к оптической плотности при 650 нм. Оптическую плотность в данных диапазонах определяли на спектрофотометре СФ-101.
ИК-спектры препаратов ГК и фракций ФК снимали на приборе Specord. Для этого, монокристаллический бромистый калий растирали в агатовой ступке и высушивали в термостате при 150-160С до полного удаления следов воды. Далее проверяли чистоту растертого КВг и степень его высушивания по отсутствию полос поглощения в области 4000-400 см"1. Сухой и чистый КВг в этом интервале выписывает прямую линию. Подготовленный КВг хранили в бюксе с крышкой в эксикаторе.
Затем анализируемый образец препарата ГК или ФК растирали в агатовой ступке до мелкодисперсного состояния (состояния «пудры»). Растертый образец высушивали до постоянной массы в термостате при 40-50С. Далее взвеши вали 3 мг препарата и 300 мг КВг, тщательно их перемешивали и растирали в ступке в течение 10 минут, после чего отвешивали 250 мг подготовленной смеси и переносили в пресс-форму с круглым сечением рабочей поверхности. Навеску прессовали в течение 30 минут. Полученные прозрачные таблетки были по размеру в диаметре 8 мм, и толщиной 1 мм. В рабочий канал прибора помещали таблеткодержатель с образцом, а в канал сравнения — таблеткодержатель с таблеткой чистого бромида калия. Спектрограмму записывали в интервале частот 4000-400 см"1. Результаты фиксировались с помощью специальной компьютерной программы. По полученным данным строили ИК-спектры, откладывая по оси ординат пропускание, а по оси абсцисс — волновые числа. Анализ спектров проводили методом базовой линии [129].
Перенос ионов пирофосфорной кислоты через анионообменные мембраны различной химической природы при электродиализе
В области колебаний ОН-связей проявляются полосы 2600-2610 см" , характеризующие образование димеров за счет водородных связей между недис-социированными карбоксильными группами или -СОО" НОН; 3250, 3210 и 3254 см", относимые к валентным колебаниям ОН-связей в гидратных оболочках функциональных групп, а также 3430, 3399 и 3416 см"1, указывающие на наличие в образцах ГК воды с нормальной сетью водородных связей. Характерным для всех спектров является отсутствие полос в области 3500-3700 см" , указывающих на наличие воды с разупорядоченной структурой.
Полосы 988 и 1017 см"1, проявляющиеся в длинноволновой области спектра, характеризуют колебания фрагментов ароматического ядра, а также валентные и деформационные колебания связей Р=0 и Р-ОН в пирофосфатах, которые, по-видимому, соосаждаются из раствора в процессе образования осадка ГК. Полосы 1078, 1094 и 1097 см"1 (соответственно на кривых 1, 2 и 3) могут быть отнесены к колебаниям связей Р=0, а также -СОО" НОН "rNH3. Наличие двух максимумов 988 и 1078 см"1 в спектре ГК, полученных традиционным способом, и 1017 и 1094 см"1 при электродиализе, указывает на присутствие, в препаратах солевых форм пирофосфатов, и их взаимодействие с водой [154].
Характеристические частоты 1128 и 1146 см"1 также указывают на колебания связей Р=0. Полосы 1238, 1252 и 1254 см 1 характеризуют колебания связей С-О и деформационные колебания О-Н в недиссоциированных карбоксильных группах. Спектры содержат таюке полосы 1400 и 1404 см"1, относящиеся к симметричным валентным колебаниям карбоксилат-ионов, а также 1634 и 1630 см"1, характеризующие их асимметричные колебания. Последние могут быть также отнесены к колебаниям С-Н связей в ароматических фрагментах ГК. Спектры содержат частоты 1713, 1715, 1718 см"1, указывающие на валентные колебания связей С=0 в недиссоциированных карбоксильных группах. Выявленные характеристические частоты соответствуют известным данным [2, 39], согласно которым молекулы ГК содержат карбоксильные, гидроксо-группы и ароматические фрагменты.
Сравнение спектров ГК проведено методом базовой линии [129]. В каче стве стандартных полос взяты: 2926, 2930 и 2934 см"1, характеризующие валентные колебания связей С-Н в алифатических фрагментах ГК (рис. 31).
Сопоставление полос 988 и 1017 см" , указывает на некоторое снижение содержания пирофосфатов в образцах ГК, полученных при электродиализе по сравнению с традиционным способом, а отмывка водой препарата, полученного электродиализом, приводит к полному их удалению, что подтверждается отсутствием соответствующих характеристических полос в областях спектра 988-1017 см" и 1126-1146 см"1. Обращает на себя внимание увеличение относительных высот характеристических максимумов в областях 1238-1254; 1400-1404; 1630-1634 и 1713-1718 см"1, в ряду препаратов, полученных традиционным методом, электродиализом экстрактов и электродиализом с последующей отмывкой. Это указывает на постепенное снижение содержания поливалентных ме таллов, образующих солевые "мостики" между карбоксильными группами молекул ГК, что уменьшает амплитуду их колебаний. На протекание такого процесса косвенно указывают полосы 2600-2610 см"1, характеризующие образование димеров между карбоксильными группами. Они отсутствуют в препарате, полученном традиционными методом и максимальны в препарате, отмытом водой. Следует отметить также снижение в данном ряду максимумов в области 3399-3430 см" характеризующих "свободную" воду, которая, по-видимому, перераспределяется в гидратные оболочки функциональных групп.
На наличие в молекулах ГК ионов поливалентных металлов указывает значение разности Аи между максимумами, характеризующими асимметричные (vas) и симметричные (DS) валентные колебания диссоциированной карбоксильной группы Аи = Das - s. Согласно [155] эта разность указывает на степень ко-валентности связи металла с кислородом карбоксильной группы. При At) 225 см" эта связь является преимущественно ионной, а при AD 225 см" — преимущественно ковалентной. Из полученных спектров следует, что минимальное значение AD (226 см"1) соответствует препарату, полученному при электромембранной очистке с последующей отмывкой.
Входящие в строение молекул ГК функциональные группы (карбоксильные, фенольные гидроксилы и др.) придают им ионообменные свойства, которые, в зависимости от рН, могут проявляться в различной степени. Основная роль ГК как ионообменникам принадлежит карбоксильным группам. Известные данные [2, 66] указывают на наличие в молекулах ГК карбоксильных групп с константами ионизации, изменяющимися в достаточно широком интервале. Определенную роль в ионообменных процессах, проходящих при повышенных значениях рН, проявляют фенольные гидроксо-группы.
Образцы ГК анализировались методом потенциометрического титрования по методике описанной в разделе 2.10 [156]. На рис. 32 и 33 показаны кривые титрования препаратов ГК, полученных осаждением из щелочного экстракта хлороводородной кислотой (рис. 32) и выделенных при его электромембранной деминерализации (рис. 33). На кривых алкалиметрического титрования ГК, полученных кислотным осаждением (рис. 32а), наблюдается несколько скачков, некоторые из которых весьма незначительны. Однако скачок в области рН 8-9 достаточно хорошо выражен и соответствует концу титрования карбоксильных функциональных групп [135].
Состав и кислотно-основные свойства ГК
Сопоставление кривых алкали- и ацидиметрического титрования фракций ФК (рис. 41-43) показывает, что если при титровании ФК фракции В объемы титрантов, пошедших на титрование суммы карбоксильных групп и протониза-ции их солевых форм близки, то в случае фракций А и Д они заметно различаются. При этом обьем кислоты, израсходованной между первым и вторым скачками при титровании ФК фракции А меньше, а при титровании ФК фракции Д больше, чем объемы, израсходованные до первого скачка на кривых ал-калиметрического титрования. Это позволяет сделать предположение о наличии в молекулах этих фракций четвертого типа функциональных групп. Известно, что ФК содержат помимо карбоксильных и фенольных гидроксогрупп атомы азота в количестве 3,0-4,5%, входящие в состав аминогрупп и белковых фрагментов их молекул [11]. При этом, в зависимости от того, с какими фрагментами связаны аминогруппы в молекулах, силовые показатели соответствующих азотсодержащих групп могут сильно различаться. Так, гидроксиды алифатических аминов имеют рК порядка 3-4, в то время как ароматических -около 10 [131]. Поэтому фрагменты молекул ФК, содержащие соли алкиламмония должны оттитровываться ацидиметрически при относительно низких рН, а соли ариламмония — при относительно высоких. Расчет показывает, что при концентрации в растворе иона алкиламмония 10"3 моль/л и рК его гидроксида 4,0 он оттитровывается в интервале рН 10,5-6,5; а иона ариламмония при рК 10,0 — в интервале рН 7,5-3;5. Полученные при титровании данные позволяют считать, что ФК фракции А содержат аминогруппы, входящие в состав алифатических соединений, (аминокислот или аминов), а ФК фракции Д аминогруппы, связанные с ароматическими фрагментами их молекул.
При расчете содержания аминогрупп в ФК фракции А была взята разность объемов титранта между скачками на кривой ацидиметрического титрования и объема до первого скачка на кривой алкалиметрического титрования.
Содержание аминогрупп в ФК фракции Д рассчитано по разнице объемов кислоты до первого скачка на кривой ацидиметрического титрования и объема щелочи до второго скачка на кривой алкалиметрического титрования.
В таблицах 7 и 8 показаны данные расчета содержания функциональных групп и их силовых показателей и констант диссоциации.
Карбоксильных фенольных или других слабо ионизированных амино- суммапрото-ноднор-ных всего более сильно ионизированных менее сильно ионизированных Водная (А) - 1,93±0,09 2,36±0,08 0,50±0,04 4,29±0,19 4,79±0,20 8,58
Следует сказать, что рассчитанные величины силовых показателей и констант диссоциации отражают средние, наиболее вероятные, значения для близких по кислотности функциональных групп.
Полученные данные позволяют сделать следующие заключение. Молекулы ФК фракции А не содержат относительно сильно диссоциированные прото-нодонорные группы, а включают относительно слабодиссоциированные с рК 6,37 и очень слабо диссоциированные с рК 9,77. Последние могут быть отнесены к карбоксильным группам, входящим в состав аминокислот, образующихся при деструкции более крупных молекул гуминовых кислот. Следует сказать, что рК=6,37 не характеризует какие-то определенные функциональные группы, а является усредненным показателем и близок к изоэлектрической точке большинства аминокислот [135]. ФК фракции В не содержат аминогрупп и их состав, по-видимому, определяется содержанием углеводных и частично ароматических фрагментов - продуктов деструкции гумусовых кислот. При этом наличие достаточно сильно диссоциированных групп с рК 3,13 подтверждает содержание альдоновых кислот [131]. Кроме того, эта фракция может содержать белковые фрагменты, что подтверждается данными спектроскопии (раздел 5.1). При ацидиметрическом титровании атомы азота пептидной связи не протони-руются, из за p-7i сопряжения и поэтому содержание азота в этой фракции не влияет.
Полученные значения содержания функциональных групп и величины рК ФК фракции Д соответствуют или близки к известным из литературных данных [147, 22]. Соотношение содержания карбоксильных и фенольных гидроксог-рупп в молекулах этой фракции составляет примерно 1:1 и близко к данным, полученным при анализе ГК чернозема выщелоченного [178]. Кроме того, отношение содержания протонодонорных групп к содержанию атомов азота близко к известным данным по составу ГК. Последнее обстоятельство подтверждает гипотезу о том, что собственно ФК являются фрагментами гуминовых кислот, образующиеся при деструкции последних. Усложнение состава ФК в ряду фракций А В Д и повышение при этом общего содержания функциональных групп также говорит в пользу данной гипотезы.
Как было отмечено в обзоре литературы, одной из гипотез происхождения ФК являются гидролитические и окислительные процессы ГК. Сравнение данных по ИК спектрам ГК и ФК (рис. 30 и 39) показывает достаточно близкий их качественный анализ. Сравнение силовых показателей ГК и фракций ФК позволяет с достаточной достоверностью считать, что эти величины различаются не очень значительно. Так можно выделить в составе гумусовых кислот сильно диссоциированные карбоксильные группы (3,80 у ГК и 3,92 у ФК), менее сильно диссоциированные (6,36 у ГК и 6,21 у ФК) и очень слабо диссоциирующие протонодонорные группы (9,98 у ГК и 9,91 у ФК). Отсутствие в молекулах ФК протонодонорных групп с рК 4,94 и 7,07, определяемых алкалиметрическим титрованием ГК связано, по-видимому, с тем, что отщепление от молекулы ГК фракций ФК ведет к некоторому перераспределению электронной плотности в их молекулах, в результате чего возникают боле сильно диссоциированные (с рК 3,13; 6,37; 6,53) функциональные группы.
