19.06.2013 Екоаналітична хімія. Лекція 8. 1 Экоаналитическая химия Лекция 9. - презентация

1 Екоаналітична хімія. Лекція 8. 1 Экоаналитическая химия Лекция 9

2 Екоаналітична хімія. Лекція 8. 2 Аналитическая химия почв Общая характеристика почв как объектов анализа. Пробоотбор и пробоподготовка. Обзор методов экологического анализа почв и донных отложений. Определение общих показателей и отдельных компонентов почв.

3 Екоаналітична хімія. Лекція 8. 3 Что такое почва? Верхний, обладающий плодородием, слой земной поверхности глубиной от нескольких сантиметров до 1 м и более; Результат выветривания горной породы и деятельности живых организмов – «благородная ржавчина».

4 Екоаналітична хімія. Лекція 8. 4 Что такое почва? В.В. Докучаев,"Русский чернозём": впервые объяснил происхождение и географическое разнообразие почв, как специфических природных тел, которые могут существовать только в особом мире - четвёртом царстве природы. В.И. Вернадский: почвы- сложные естественные тела, закономерно построенные из живых и косных (т.е. неживых) природных тел. "...Всё яснее становится нам значение почвы в биосфере - не только как субстрата, на котором живёт растительный и животный мир, но как области биосферы, где наиболее интенсивно идут разнообразные химические процессы, связанные с живым веществом" В.И. Вернадский

5 Екоаналітична хімія. Лекція 8. 5 Специфические свойства почвы в отличие от горных пород Наличие характерного почвенного профиля; Рыхлость, водопроницаемость, воздухопроницаемость, аэрируемость; Особенности химического состава; Биотичность.

6 Екоаналітична хімія. Лекція 8. 6 Почвенный профиль Последовательность и характер горизонтов с разными физическими свойствами, окраской и общим видом.

7 Екоаналітична хімія. Лекція 8. 7 Особенности химического состава почвы в верхней части почвенного профиля накапливается гумус, органические вещества, элементы питания (азот, фосфор, сера, калий, кальций, медь, цинк и др.); значительное количество высокодисперсных аморфных и кристаллических веществ (почвенные коллоиды и минералы); почвенная влага (почвенный раствор) и почвенный воздух (повышенное содержание СО 2, углеводородов, водяных паров) по объему составляют % почвы.

8 Екоаналітична хімія. Лекція 8. 8 Специфические свойства почвы - биотичность Почва- среда обитания: Микроорганизмов; Животных организмов; Корневых систем растений; Грибов, водорослей и т.п.

9 Екоаналітична хімія. Лекція 8. 9 Основные компоненты почв Минеральная основа (50–60 % от общего объёма); Органическое вещество (до 10 %); Воздух (15–25 %); Вода (25–35 %).

10 Екоаналітична хімія. Лекція Содержание химических элементов в почвах

11 Екоаналітична хімія. Лекція Химические соединения основных элементов почв Разнообразие соединений одного и того же элемента - залог устойчивости химического состояния почв. Разнообразие фосфатов: Ca 8 H 2 (PO 4 ) 6, Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2, Ca 10 (PO 4 ) 6 F 2, Ca 4 (PO 4 ) 3 H. 3H 2 O, Ca 3 (PO 4 ) 2, Ca(H 2 PO 4 ) 2, CaHPO 4, AlPO 4. 2H 2 O, FePO 4. 2H 2 O, Fe 3 (PO 4 ) 2. 8H 2 O, Zn 3 (PO 4 ) 2, Pb 3 (PO 4 ) 2, Pb 5 (PO 4 ) 3 OH, PbAl 3 H(OH) 6 (PO 4 ) 2, MnHPO 4 ; органические соединения фосфора.

12 Екоаналітична хімія. Лекція Химические соединения основных элементов почв Соединения железа: гетит FeOOH; гематит Fe 2 O 3; различные гидроксиды. Соединения кремния: в почвенном растворе -ортокремниевая кислота H 4 SiO 4 или ее полимерные формы; в твердых фазах - аморфный и кристаллический диоксид кремния SiO 2 (кварц), минералы группы алюмосиликатов, каркасные и слоистые: монтмориллонит, каолинит и гидрослюды.

13 Екоаналітична хімія. Лекція Соединения углерода в почвах Минеральные соединения: в почвенном воздухе -диоксид углерода CO 2 ; в почвенном растворе - угольная кислота; в степных и сухостепных почвах - CaCO 3 и Na 2 CO 3 ; Органические соединения: низкомолекулярные - от метана CH 4 до аминокислот (в почвах обнаруживают до различных аминокислот), простейших кислот жирного ряда, моносахаридов; высокомолекулярные соединения - целлюлоза, лигнин, полипептиды, гуминовые вещества.

14 Екоаналітична хімія. Лекція Химические реакции и процессы в почвах осаждение-растворение; катионный обмен; комплексообразование; синтез и минерализация органических соединений; образование гуминовых веществ.

15 Екоаналітична хімія. Лекція Катионный обмен Твердая часть почвы – П – ионообменник; Почвенный раствор – раствор электролита: ПCa,Mg + 4KCl ПK 4 + CaCl 2 + MgCl 2; Общее количество обменных катионов в почве - емкость катионного обмена (ЕКО); Единицы измерения: смоль (+). кг -1.

16 Екоаналітична хімія. Лекція Кислотность почв Обменные катионы и потенциальная кислотность почв: ПH + + K + ПK + + H +; ПAl K + ПК Al 3+ ; Al Н 2 О Al(OH) 3 + 3H +. Природная кислотность почв: органические кислоты; СО 2 (несколько %); кислотные дожди.

17 Екоаналітична хімія. Лекція Что такое загрязненная почва? Почва, которая представляет актуальную (реальную, действующую сейчас) или потенциальную опасность для здоровья или окружающей среды в результате текущего или предшествующего использования.

18 Интегральный показатель качества почв - коэффициент концентрирования химического элемента в почве К с и суммарный показатель загрязнения почвы Z c : К с = С/C ф Z c = Σ К сi - (n - 1) C ф – фоновая концентрация элемента; К С – коэффициент концентрирования i- того элемента в пробе; n – число учитываемых элементов Екоаналітична хімія. Лекція 8. 18

19 Категория загрязнения почв ZcИзменение показателей здоровья населения Допустимаяменее 16 Наиболее низкий уровень заболевания детей Умеренно опасная Увеличение общего уровня заболеваемости Опасная Увеличение числа часто болеющих детей, нарушение функционирования сердечно- сосудистой системы населения Чрезвычай- но опасная более 128 Нарушение репродуктивной функции женщин, промышленная заболеваемость детей Екоаналітична хімія. Лекція 8. 19

20 Екоаналітична хімія. Лекція Пробоотбор почв Пробы гумусового горизонта: глубина 20см; масса 0.5 – 1 кг; отбор методом «конверта». При определении нефти, нефтепродуктов и др. веществ, локализующихся на поверхности - глубина 0-5 см и 5-20 см; масса 0.2 кг; При локальном загрязнении – места отбора проб по концентрическим окружностям м

21 Екоаналітична хімія. Лекція Пробоотборники почв При изучении миграции веществ отбирают пробы с отдельных горизонтов (Задана глубина и площадь отбора)

22 Екоаналітична хімія. Лекція Консервирование и хранение проб почв Консервирование: Охлаждение до 2-5 о С; Замораживание до -20 о С (органические вещества, ЛОС, ПХБ, ПАУ, пестициды, минеральные масла) высушивание; защита от света; добавки этанола, метанола (ЛОС), формалина. Хранение: в темноте без доступа воздуха. ЛОС, нитрит, сульфид определяют сразу же.

23 Предварительная обработка проб высушивание; дробление и отделение случайных объектов (камни, корни); просеивание (< 2 мм); деление (сокращение) пробы; Перемалывание. Объединенная проба Лабораторная проба 200 г Проба для анализа < 2 г Проба для хранения

24 Высушивание проб – воздушно- сухая проба Слой почвы не толще 15 мм; Сушат на воздухе без прямого солнечного света; До постоянной массы – чтобы потеря в массе за 24 ч не превышала 5%.

25 Просеивание пробы почвы Дробление почвы Сито с отверстиями 2 мм

26 Делители проб Щелевой делитель проб Вращающийся делитель проб

27 Способы извлечения определяемых компонентов из почв Термодесорбция и криоловушки или улавливание на сорбенте(ЛОС); Жидкостная экстракция гексаном, ацетоном, метиленхлоридом (ПАУ, ПХБ, пестициды, хлорфенолы, металлоорганические соединения); СФЭ; Воздействие УЗ или микроволнового облучения Аппарат Сокслета

28 Методы экологического анализа почв и донных отложений

29 Агрохимические показатели: гигроскопическая вода; потери при прокаливании (ппп); общее содержание минеральных веществ (100% – ппп); органический углерод Сорг.; органический азот Nорг, общий Nобщ.; карбонаты; катионообменная способность соленоватость рН солевой вытяжки Антропогенные загрязнители: Металлы V, W, Co, Mn, Cu, Ni, Zn, Cr, Pb, Hg ; сульфаты, фосфаты, нитраты, фториды нефть и нефтепродукты; пестициды; синтетические ПАВ; минеральные удобрения Екоаналітична хімія. Лекція 8. 29

30 Антропогенные загрязнители почв

31 Показатели валового состава почв Гигроскопическая вода (удаляют при С), удаляются сорбированные газы, некоторые ЛОС и карбиды; потери после прокаливания (ППП, %) при 900 С: содержание всех органических соединений, химически связанной воды (гидроксиды переходят в оксиды); содержание минеральных веществ, %: Массовая доля мин. веществ = ППП ;

32 Показатели валового состава почв содержание N общ. и N орг.; содержание С орг ; СО 2 ; карбонатов. минеральная часть: содержание элементов в пересчете на оксиды (SiO 2, Fe 2 O 3, Al 2 O 3, MnO, TiO 2, CaO, MgO, P 2 O 5, K 2 O, SO 2, Na 2 O). ПДК в мг/кг для воздушно-сухой пробы

33 Н 2 S – в местах загрязнения нефтепродуктами 10KI + 2KMnO 4 + 8H 2 SO 4 = 5I 2 + 2MnSO 4 + 8H 2 O + 6K 2 SO 4 H 2 S + I 2 = S + 2I – + 2H + Оставшийся I 2 оттитровывают раствором тиосульфата натрия Екоаналітична хімія. Лекція 8. 33

34 SO гравиметрически или нефелометрически Екоаналітична хімія. Лекція F - СФМ

35 Тест-наборы для анализа почв Параметры почвы: % насыщения основаниями Катионобменная емкость Обменный натрий Свободная известь Обменный кальций и магний Известь Нитрат рН Фосфор Калий Обменный натрий Оценка текстуры почвы Общая обменная кислотность SIW-1 Принципы анализа: колориметрия, титриметрия, цветовые шкалы

36 Тест-наборы для определения NPK-комплекса и рН Определяемые параметры: Фосфор; Калий; Нитратный азот (в нитрат- калийных удобрениях N : P : K = 64 : 0 : 55); Водородный показатель.

37 Почвенные вытяжки Водная вытяжка: 5 мл воды на 1 г почвы; определение растворимых солей. Солевая вытяжка: 1 моль/л KCl или другая соль; 2.5 мл раствора на 1 г почвы; Кислотная вытяжка: H 2 SO 4, HNO 3, HCl – определение тяжелых металлов.

38 Водородный показатель Показатель обменной кислотности – рН солевой вытяжки; Измеряют также рН водной вытяжки.

39 Разложение пестицидов Фотохимическое разложение Гидролиз Екоаналітична хімія. Лекція Дихлорфеноксиуксусная кислота Трифлуралин

40 Екоаналітична хімія. Лекція Метолахлор Производные фенилмочевины

41 Окисление 1. Алканы (алифатические углеводороды): RCH 3 RCH 2 OH RCHO RCOOH 2. Алкены 3. Биологические реакции окисления с участием микробов ведут к разрыву углеводородных цепей Екоаналітична хімія. Лекція 8. 41

42 4. Окисление отдельных функциональных групп 5. Окисление углеводородных цепей жирных кислот через промежуточную стадию образования кетона до кислот с укороченными углеводородными цепями Екоаналітична хімія. Лекція 8. 42

43 Восстановление Екоаналітична хімія. Лекція Линдан

44 Биологические индикаторы Биологические индикаторы Биоиндикаторы уровня загрязнений Организмы- концентраторы Биоиндикаторы состояния экосистемы

45 Биоиндикаторы состояния почвы Конский щавель – почва с повышенной кислотностью Мак - почва сухая, щелочная, каменистая

46 Биоиндикаторы уровня загрязнения почв организмы концентраторы Мокрицы – тяжелые почвы; личинки комаров долгоножек – мягкий гумус.

47 Спасибо за внимание!