1 Жебентяев Александр Ильич
 Скачать 5.46 Mb.
|
|
6.6.1. Минерализация серной и азотной кислотами Метод используется для определения большинства катионов и рассматривается как общий метод минерализации. В начале минерализации H 2 SO 4 обладает низким окислительным потенциалом, но как водоотнимающее вещество способствует повышению температуры кипения реакционной смеси и тем самым повышает окислительное действие HNO 3 – более сильного окислителя, входящего в окислительную систему. При повышении температуры и концентрации H 2 SO 4 до 70% серная кислота принимает участие в дегидратации и окислении органических веществ. В процессе минерализации происходит не только разрушение органических веществ, но и ряд побочных реакций (нитрование, сульфирование). Образующиеся нитро- и сульфопроизводные трудно разрушаются. Поэтому концентрированные серную и азотную кислоты частично разбавляют водой, что уменьшает степень нитрования и сульфирования ароматических веществ. Техника минерализации. Измельченный и перемешанный объект исследования помещают в колбу Кьельдаля емкостью 300–350 мл и заливают смесью, состоящей из равных объемов воды, конц. H 2 SO 4 и конц. HNO 3 (1:1:1) из расчета 75 мл смеси на 100 г биоматериала (рис. 6.1). Если объектом исследования является жидкость (моча, молоко и др.), то ее смешивают с 25 мл конц. H 2 SO 4 и 25 мл конц. HNO 3 и подвергают минерализации. Колбу закрепляют в штативе и осторожно нагревают (во избежание обугливания) на газовой горелке. В процессе минерализации к содержимому колбы время от времени добавляют по каплям концентрированную HNO 3 (не допускать обугливания), регулируя процесс так, чтобы она полностью расходовалась на минерализацию и бурые пары оксидов азота не выходили из колбы. Первая стадия минерализации (деструкция) заключается в разрушении форменных элементов и продолжается, при не очень 128 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ жирном объекте, 30–40 минут (объект бурого или желтого цвета с жирными каплями). Вторая стадия – глубокое жидкофазное окисление. Рис. 6.1. Прибор для минерализации серной и азотной кислотами. 1- колба Кьельдаля; 2-делительная воронка. После разрушения форменных элементов колбу с содержимым подвергают более сильному нагреванию (избегать обугливания), постоянно добавляя HNO 3 (1:1). Минерализацию продолжают до тех пор, пока полученная бесцветная жидкость при нагревании в течение 3 0 минут без добавления азотной кислоты и выделении тяжелых белых паров не будет больше темнеть. Обычно процесс минерализации длится 3–4 часа. На минерализацию жирного объекта требуется 6–8 часов. Для уменьшения вспенивания при разложении растительных объектов рекомендуется предварительно обработать объект концентрированной азотной кислотой (оставить на 10–12 часов). После разрушения и охлаждения минерализат обычно бесцветен или слегка желтоват и прозрачен. 129 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ В присутствии окрашенных ионов (Cu 2+ , Cr 3+ ) минерализат может быть окрашен, а при наличии Pb 2+ , Ba 2+ , Ca 2+ (после разбавления водой) может содержать осадок. Достоинства метода: быстрое достижение полноты разрушения органических веществ, полнота разрушения, малые объемы получаемого минерализата. Недостатки метода: значительные потери ртути за счет летучести ее соединений. Поэтому этот метод не применяется для минерализации объектов, содержащих ртуть. Для изолирования ртути применяют деструктивный метод. 6.6.2. Минерализация серной, азотной и хлорной кислотами При разрушении органических веществ хлорной кислотой и её смесями возможен взрыв. Поэтому следует соблюдать меры предосторожности при работе с хлорной кислотой. Безводная хлорная кислота HClO 4 – сильно дымящая жидкость, при нагревании до температуры выше 90 ºС разлагается со взрывом, взрывается также при соприкосновении с некоторыми органическими веществами. При нагревании разбавленных растворов хлорной кислоты сначала отгоняется вода, а при 203 ºС – азеотропная смесь, содержащая 72,4% (масс.) хлорной кислоты (концентрированная хлорная кислота). Окислительные свойства хлорной кислоты зависят от концентрации и температуры. Сильным окислителем является только нагретая концентрированная хлорная кислота. Разбавленная хлорная кислота не проявляет окислительных свойств ни при нагревании, ни на холоде. Взрыв происходит в тех случаях, когда к растворам хлорной кислоты прибавляют водоотнимающие вещества (концентрированная серная кислота, уксусный ангидрид), гидразин, гидроксиламин и другие восстановители. Смеси хлорной кислоты с желатином и уксусным ангидридом чувствительны к удару. Хлорную кислоту нельзя хранить в стеклянных сосудах, закрытых корковыми или резиновыми пробками. Сосуды с хлорной кислотой должны быть закрыты стеклянными пробками. При минерализации органических веществ в присутствии хлорной кислоты нагревание проводят в колбах с обратным холодильником (вода не улетучивается и не повышается концентрация хлорной кислоты). Разлитую хлорную кислоту необходимо сразу разбавить водой, а затем пол или стол вытереть шерстяной (но не хлопчатобумажной) тряпкой. Необходимо регулярно промывать водой деревянные части вытяжных шкафов, в которых проводились работы с растворами хлорной кислоты. 130 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ Фильтровальную бумагу, через которую фильтровали растворы хлорной кислоты, необходимо промывать водой. Если это правило не соблюдать, то при высыхании непромытых фильтров может произойти их загорание. Методика минерализации: биоматериал помещают в колбу Кьельдаля (объем колбы 500 мл) или в колбу аппарата Бетге (рис. 6.2). Рис. 6.2. Прибор Бетге для минерализации серной, хлорной и азотной кислотами. 1 – колба для разрушения биоматериала; 2 - делительная воронка для введения кислот; 3 – коллектор; 4 – холодильник; 5 – насадка. Замкнутая система аппарата Бетге позволяет улавливать летучие продукты окисления. К исследуемому раствору прибавляют по 25 мл конц. H 2 SO 4 и конц. HNO 3 и 35 мл 37% или 42% раствора хлорной кислоты. Нагревают, при обугливании добавляют концентрированную азотную кислоту. Обугливание усиливается и образуются пары хлорного ангидрида. Нагревание колбы ослабляют и по каплям прибавляют 35–45% раствор азотной кислоты. Когда минерализат станет прозрачным, проверяют полноту окисления органических веществ (к капле охлажденного и разбавленного водой минерализата 131 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ прибавляют 25% раствор аммиака). При полном окислении раствор окрашивается в слабо-желтый, но не в оранжевый цвет. Эта реакция на наиболее трудно окисляемые аминокислоты – тирозин, триптофан, фенилаланин и др. При наличии в минерализате ионов хрома конец минерализации определяется по изменению окраски из зеленой в желтую за счет окисления Cr 3+ в Cr(VI). Достоинства метода: 1. Полнота окисления органических веществ (до 99%). HClO 4 разрушает более устойчивые к окислению компоненты биоматериала. 2. Окисление большинства поливалентных ионов до высшей степени окисления. 3. Сокращение в 2–3 раза времени по сравнению с методом минерализации серной и азотной кислотами (около 2-х часов длится минерализация). Недостатком метода является потеря больших количеств ртути. Поэтому изолирование ртути проводят специальными методами. 6.7. Методы «сухой» минерализации Методы «сухой» минерализации применяются редко, т.к. требуют соблюдения некоторых условий – небольшое количество объекта исследования и отсутствие ртути. Сплавление с карбонатом и нитратом натрия. Метод используется при специальных исследованиях на наличие мышьяка, серебра и при малых количествах объекта (органические красители, остатки мочи, волосы, ногти). Техника минерализации Объект (1–2 г) растирают в фарфоровой чашке со смесью 2 частей карбоната натрия и 1 части нитрата натрия, смачивают водой и высушивают на водяной бане. В тигель емкостью 30–50 мл помещают 5– 6 г нитрата натрия и, нагревая, расплавляют его. В расплавленный NaNO 3 , уменьшив нагрев, фарфоровым шпателем вносят малыми порциями подготовленный объект. Следующую порцию вносят лишь тогда, когда сгорела предыдущая (исчезла черная окраска сплава от присутствия угля). По сожжению всего объекта фарфоровую чашку несколько раз обрабатывают сухим карбонатом натрия и содержимое вносят в тигель. Тигель охлаждают, содержимое обрабатывают горячей водой и раствор анализируют. Применение метода возможно только при исключении из плана исследования соединений ртути, так как ртуть в процессе сплавления восстанавливается до металла и полностью улетучивается. 132 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ HgCl 2 + Na 2 CO 3 → HgCO 3 + 2NaCl (6.5) HgCO 3 → HgO + CO 2 (6.6) 2HgO → 2Hg + O 2 (6.7) Минерализация простым сжиганием. Частный метод, имеющий ограниченное применение при исследовании на наличие солей Cu, Mn в растительных объектах, фторо- и кремнефтороводородных кислот, иодидов. Метод сухого озоления применяется при исследовании на наличие висмута, цинка и др. Техника минерализации Объект исследования высушивают, обугливают в фарфоровой чашке при осторожном нагревании. Когда остаток обуглится или даже превратится в пепел, его смачивают раствором конц. NH 4 NO 3 или конц. HNO 3 , высушивают на водяной бане, помещают в тигель и держат над пламенем горелки (не допуская вспышки), добиваясь медленного истлевания объекта. Оптимальной температурой является 300–400 0 С. При температуре выше 400 0 С летучими являются хлориды кадмия, мышьяка, свинца, серебра, цинка, марганца и др. Золу обрабатывают при нагревании HNO 3 или HCl и фильтруют (исследуют на Cu 2+ или Mn 2+ ). Раствор упаривают досуха на бане, остаток растворяют в небольшом количестве воды и исследуют (после обработки HNO 3 ) на Cu 2+ , после обработки HCl - на Mn 2+ . При таком выборе кислот получаются растворы, содержащие ионы Cu 2+ и Mn 2+ 6.8. Методы денитрации После минерализации биологического материала любым из перечисленных методов минерализат содержит окислители, которые мешают дальнейшему проведению исследования. Жидкость, полученная после минерализации с помощью H 2 SO 4 и HNO 3 , как правило, содержит оксиды азота, азотную, азотистую, серную кислоты и нитрозилсульфат. Если каплю холодного минерализата смешать с раствором дифениламина в серной кислоте, образуется синее окрашивание, указывающее на наличие окислителя в минерализате. Для удаления оксидов азота из минерализата применяется 2 способа: 1 .Термический (гидролизный) способ: минерализат в фарфоровой чашке разбавляют в 5–10 раз дистиллированной водой и упаривают его до появления на поверхности жидкости тяжелых белых паров триоксида серы. Жидкость проверяют с раствором дифениламина, если есть посинение, первоначальную операцию повторяют снова, т.е. пока дифениламин не покажет, что оксиды азота 133 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ полностью не удалены из минерализата. Удаление оксидов азота из минерализата термическим способом требует затраты нескольких часов (15– 17), т.к. в минерализате, в результате взаимодействия оксидов азота с H 2 SO 4 , образуется нитрозилсульфат (нитрозилсерная кислота), устойчивая к термическим воздействиям. 4HNO 3 → 4NO 2 + O 2 + 2H 2 O (6.8) 2NO 2 + H 2 SO 4 → HSO 4 NO +HNO 3 (6.9) Нитрозилсерная кислота способна гидролизоваться с образованием серной и азотистой кислот. С повышением температуры степень гидролиза нитрозилсерной кислоты увеличивается. Если в процессе гидролиза удалять азотистую кислоту, то степень гидролиза нитрозилсульфата также увеличивается. HSO 4 NO + H 2 O HNO 2 + H 2 SO 4 (6.10) Большая часть оксидов азота при гидролизном методе удаляется в первый час денитрации, остальная часть удаляется медленно, то есть удаление азотистой кислоты в виде оксидов по этому способу идет медленно. 2. Денитрация с применением восстановителей. При дальнейших исследованиях по совершенствованию методов денитрации было установлено, что для этой цели можно использовать восстановители (формальдегид, мочевину, сульфит натрия). Денитрация с помощью этих веществ основана на гидролизе нитрозилсерной кислоты и восстановлении азотистой кислоты (продукта гидролиза нитрозилсерной кислоты) до легко удаляемых из жидкостей оксида азота (NO) и элементарного азота (N 2 ). Денитрация минерализата с применением формальдегида. К минерализату прибавляют 10–15 мл дистиллированной воды и смесь нагревают. В нагретую жидкость, осторожно, по каплям, избегая избытка, вносят формалин. Наблюдается бурное выделение пузырьков газа (NO и N 2 ) и, вследствие окисления NO кислородом воздуха, выделяются бурые пары NO 2 . Удобство применения формальдегида в том, что он, как восстановитель, взаимодействует и с HNO 2 , полученной при гидролизе нитрозилсерной кислоты, и с HNO 3 , содержащейся в минерализате в избытке. 4HNO 3 + 3CH 2 O → 3CO 2 + 4NO + 5H 2 O (6.11) 4HNO 2 + 2CH 2 O → 2NO + N 2 + 2CO 2 + 4 H 2 O (6.12) 2NO + 2O 2 → 2NO 2 (6.13) 134 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ 4HNO 3 + 5CH 2 O → 5CO 2 + 2N 2 + 7H 2 O (6.14) На денитрацию при помощи формальдегида расходуется до 2 мл формалина и реакция заканчивается через 1–2 мин. Остатки непрореагировавшего формалина удаляют или нагреванием жидкости в течение 5–10 минут или добавлением в нагретую жидкость 5–10 капель пергидроля. Окончание денитрации определяют с дифениламином. Денитрация минерализата с применением мочевины. Минерализат нагревают и в нагретую жидкость, небольшими порциями, при постоянном помешивании вносят сухую мочевину. На процесс денитрации мочевиной требуется 3–5 мин., расходуется 2,5 г мочевины. Невступившая в реакцию мочевина разрушается с образованием оксида углерода (IV) и сульфата аммония: CO(NH 2 ) 2 + H 2 O → CO 2 + 2NH 3 (6.15) 2NH 3 + H 2 SO 4 → (NH 4 ) 2 SO 4 (6.16) Денитрация с помощью сульфита натрия. Время денитрации 5–15 минут. Расход сульфита натрия − 12 г. Избыток сернистого ангидрида удаляют нагреванием и добавлением к нагретой жидкости 5–10 капель пергидроля. Полученную после минерализации и денитрации жидкость разбавляют дистиллированной водой в химическом стакане приблизительно до 180 мл. Если образуется осадок, то жидкость нагревают и оставляют на сутки. Раствор декантируют, осадок отфильтровывают, промывают на фильтре 10 мл 0,1% раствора Н 2 SO 4 и 10 мл воды. Промывные воды присоединяют к фильтрату в мерной колбе на 200 мл и доводят водой до метки. Основные методы концентрирования определяемых элементов - экстракция и сорбция, реже – электрохимическое выделение. Например, после автоклавной минерализации кадмий, цинк, железо выделяют на колонке, содержащей модифицированный сорбент с дитиокарбаматными группами. 6.9. Способы изолирования ртути При остром пероральном отравлении на исследование берут: желудок, кишечник с содержимым, печень, почку. При отравлении парами ртути – мозг. Предложено несколько способов изолирования ртути из органов трупа. 135 Глава 6. Вещества, изолируемые методом минерализации _______________________________________________________ I способ: в коническую колбу емкостью 200 мл помещают 20 г измельченного биоматериала, 5 мл воды, 1 мл этанола (катализатор), 10 мл концентрированной азотной кислоты и малыми порциями по каплям прибавляют 20 мл концентрированной серной кислоты. Следят, чтобы не выделялись бурые пары оксидов азота). Оставляют на 10 минут при комнатной температуре, затем помещают на кипящую водяную баню и нагревают 10–20 минут. При бурном протекании реакции в колбу прибавляют 30–50 мл горячей воды. Горячий деструктат разбавляют двойным объемом кипящей воды и фильтруют в мерную колбу с 20 мл насыщенного раствора мочевины (денитрация). Деструктат охлаждают, доводят водой до определенного объема. II способ: к 20 г биоматериала прибавляют 10 мл воды, 1 мл этанола, 10 мл концентрированной азотной кислоты, 10 мл концентрированной серной кислоты (по каплям), 10 мл 42% раствора хлорной кислоты, нагревают 5–10 мин. Предложены и другие способы изолирования ртути: 0,5 г волос помещают во фторопластовый сосуд реактора, прибавляют 2 мл конц. HNO 3 и 1 мл 30% раствора пероксида водорода. Герметизируют реактор и нагревают его при 160–180 ° С в течение 30 минут. При определении ртути в моче предложено два способа способа деструкции органических веществ в моче: 1. В колбу Къельдаля вместимостью 500 мл помещают 200 мл нефильтрованной мочи и прибавляют 35 мл концентрированной азотной кислоты, 2 мл этанола и небольшими порциями вносят 25 мл концентрированной серной кислоты. Колбу нагревают на водяной бане в течении 40 мин, затем прибавляют 20 мл насыщенного раствора мочевины. При появлении осадка его отфильтровывают, фильтр промывают горячей водой и промывные воды присоединяют к деструктату. 2. В колбу Къельдаля вместимостью 500 мл помещают 200 мл нефильтрованной мочи, прибавляют 25 мл концентрированной серной кислоты и малыми порциями вносят 7 г перманганата калия. Оставляют содержимое колбы на 40 мин, периодически взбалтывая. Затем в колбу прибавляют небольшими порциями насыщенный раствор щавелевой кислоты до исчезновения окраски перманганата калия. Деструкция органических веществ в крови проводится по методике, которая используется для деструкции органов трупа (к пробе крови не прибавляют воду). На исследование берут 50-100 мл крови. При анализе молока, картофеля и тканей рыб гомогенизированные пробы разлагают в автоклаве (смесь равных объемов HCl, H 2 SO 4 , HNO 3 в присутствии H 2 O 2 ) в течение 2 часов при 85ºС. Ртуть выделяют электролитическим способом и определяют атомно-флуоресцентным методом. 136 |