Методы изучения строения и некоторых свойств гумусовых веществ

При изучении строения и свойств гумусовых веществ применяются методы препаративного выделения гумусовых кислот и их фракционирование различными приемами, определение элементного состава и теплоты сгорания, ИК спектроскопия, дериватография, определение электронных спектров поглощения и др. Подробнее остановимся на некоторых из них.

Теплота сгорания определяется прямым калориметрическим методом сжиганием гумусовых веществ в калориметрической бомбе. Навеска препарата либо в чистом виде, либо в смеси с бензойной кислотой помещают в бомбу, герметично закрывают и наполняют кислородом до давления 25-30 кг/см². Затем вещество поджигают электрическим током и по повышению температуры находят теплоту сгорания. Для групп гумусовых веществ теплота сгорания колеблется в пределах от 1500-2000 до 5000-8000 кал/г.

Методом ИК спектроскопии удается установить наличие важнейших атомных групп и типы связей в гумусовых веществах, кроме того, возможно идентифицировать индивидуальные соединения, а также изучить механизмы органоминеральных взаимодействий. Инфракрасные спектры поглощения специфических гумусовых веществ имеют характерный вид и постоянный набор полос поглощения (слайд 47). Важнейшие полосы поглощения в ИК-спектрах гумусовых веществ представлены на слайде 48.

Дериватография – это комплексный метод исследования химических и физико-химических процессов, происходящих в веществе в условиях программированного изменения температуры (Химическая энциклопедия, т.2., 1990). Метод основан на сочетании дифференциального термического анализа с одним или несколькими физическими или физико-химическими методами. Во время анализа наряду с превращениями в исследуемом веществе, происходящими с тепловым эффектом, регистрируют изменение массы образца. Дериватограф – прибор, регистрирующий одновременно термические и термогравиметрические изменения. Его действие основано на сочетании дифференциального термического анализа и термогравиметрии. В дериватографе держатель с исследуемым веществом установлен на термопару, свободно подвешенную на коромысле весов. Метод позволяет установить последовательность превращений вещества и определить количество и состав промежуточных продуктов. Молекулы гуминовых кислот и фульфокислот состоят из двух качественно различных частей (периферической и центральной) резко отличающихся по устойчивости к деструкции. Центральная часть состоит преимущественно из ароматических колец, относительно устойчивых к деструкции, и подвергающихся разрушению по данным различных авторов при температуре от 400 до 700ºС. Периферическая часть состоит преимущественно из алифатических цепей и разрушается при температуре от 200 до 400ºС. Однако температурные пределы разрушения периферической и центральной части довольно условны и зависят от строения конкретных гумусовых кислот.

Использование электронных спектров поглощения при исследовании строения гумусовых веществ основано на активном взаимодействии последних с электромагнитными колебаниями, в результате чего образуются спектры поглощения в широком диапазоне длин волн. Электронные спектры поглощения для гумусовых кислот наиболее хорошо изучены в диапазоне 220-750нм. Электронные спектры поглощения при изучении органического вещества почвы используют для сравнительной характеристики гумусовых веществ и их фракций, для изучения строения и свойств гуминовых кислот и фульвокислот, для идентификации и количественного определения отдельных органических соединений, присутствующих в щелочных и спиртобензольных вытяжках из почв. Анализ ведут с применением спектрофотометров.

Для более глубокой характеристики гумусовых веществ данные фракционно-группового состава гумуса полезно подкреплять некоторыми довольно простыми анализами, а именно: определением порога коагуляции, определением коэффициента цветности (Е₄:Е₆), фракционированием гумусовых кислот с помощью бумажной или гелевой хроматографии.

Определение порога коагуляции позволяет оценить миграционную способность гумусовых веществ. Многие из них способны хорошо мигрировать по почвенному профилю в виде одних форм (фульваты щелочных и щелочноземельных элементов, комплексные соединения фульвокислот с катионами железа и алюминия, гуматы щелочных элементов), и выпадают в осадок в виде других форм (гуматы двух и трехвалентных катионов). В зависимости от состава и свойств гуминовых кислот различается и порог их коагуляции при реакции раствора гумата натрия исследуемой кислоты с раствором хлорида кальция. Данные этого анализа интересны при подготовке мелиоративных работ (известковании и гипсовании).

При определении коэффициента цветности (Е₄:Е₆) ограничиваются установлением оптической плотности раствора гумусовых кислот при двух длинах волн: 465 и 650нм. Анализ ведется с применением фотоэлектроколориметров. Коэффициент Е₄:Е₆ вычисляют с учетом размера кювет. Коэффициент цветности различается у гуминовых кислот разных типов почв.

Для определения молекулярных масс гумусовых кислот часто используется метод гелевой хроматографии. В его основе лежит так называемый обратно ситовой эффект. Молекулы гумусовых кислот, размеры которых малы по сравнению с порами геля, заполняющего вертикальную колонку, свободно диффундируют во всем объеме геля. При этом крупные молекулы не проникают в поры и остаются во внешнем объеме растворителя. Специально для этого метода создано несколько типов гелей. Для исследования гумусовых кислот применяются так называемые сефадексы – декстрановые гели, получаемые на основе полисахарида, продуцируемого бактериями. Для установления молекулярных масс гумусовых кислот пользуются эмпирическими формулами, определенными для различных типов сефадексов. К недостаткам метода следует отнести необходимость калибровки колонки с гелем по веществам с известными молекулярными массами.

Для исследования гумусовых веществ иногда применяется метод электронного парамагнитного резонанса, например для изучения органоминеральных взаимодействий.