Method of rapid spectrophotometric determination of iron in dithionite extracts of soils

Full Text

Введение

Железо является четвертым по распространенности (после О, Si и Al) элементом в литосфере и многих почвах и играет важную роль в процессах почвообразования [1, 2, 3]. Оно способствует стабилизации органического вещества (ОВ) в почве через различные механизмы: 1 – сорбцию ОВ активной поверхностью аморфных и слабо окристаллизованных оксигидроксидов, 2 – образование устойчивых комплексов ионов Fe с гуминовыми веществами почв, 3 – катализ окисления органических остатков ионами Fe (реакция Фентона) и др. [4, 5]. Железо также вносит существенный вклад в микроагрегацию почв, т. к. его оксигидроксиды являются одним из важных строительных блоков при формировании агрегатов, а ионные формы – цементирующим агентом [6]. В то же время его присутствие в кристаллической структуре способствует выветриванию первичных минералов [3]. В связи с этим при решении многих исследовательских задач возникает необходимость определения содержания разных форм Fe в почве. Основное значение для всех перечисленных процессов имеют несиликатные формы железа, содержание которых в почве и грунтах обычно оценивают по цитрат-бикарбонат-дитионитной (ЦБД) вытяжке по Мера–Джексону [7]. И хотя разделение между плохо окристаллизованными и кристаллическими фракциями оксидов Fe зависит от многих факторов и не является абсолютным при использовании любых реактивов [8, 9], данный метод наиболее широко принят в мировой практике почвенного анализа [8, 10–12].

Метод основан на растворении оксигидроксидов железа путем восстановления Fe (III) до Fe (II), соединения которого гораздо более растворимы, и создании условий для удержания ионов железа в растворе за счет образования цитратных комплексов. Обычной аналитической практикой в настоящий момент является определение концентрации Fe в полученных вытяжках методом атомно-абсорбционной спектроскопии [12], однако довольно часто возникает необходимость использования более дешевого и портативного метода, такого как спектрофотометрия (СФ).

Ранее в работе [13] была разработана методика для анализа навесок порядка 10–20 мг, где концентрация Fe определяется СФ-методом c роданидом калия. Роданид-ионы образуют прочные окрашенные комплексы с Fe(III), поэтому перед анализом необходимо удалять дитионит и окислять восстановленное Fe(II) обратно до трехвалентного состояния. Это достигается обработкой вытяжек пероксидом водорода при нагревании, либо сжиганием в тиглях при добавлении концентрированных серной и азотной кислот, что значительно удлиняет время анализа. Та же проблема возникает при использовании в качестве реагента сульфосалициловой кислоты [12, 14, 15]. Однако существует и широко используется для СФ-определения железа в водных растворах реагент, который образует устойчивые комплексы именно с Fe(II)– 1,10-фенантролин (далее – фенантролин). Он количественно реагирует с двухвалентным железом в широком интервале рН от 2.0 до 9.0, образуя оранжево-красный комплекс (C₁₂H₈N₂)₃Fe²⁺ – ферроин [15]. Благодаря высокому коэффициенту экстинкции комплекса метод является высокочувствительным. Реактив нечувствителен к присутствию дитионита, фосфатов, хлоридов, сульфатов. Ацетаты, цитраты и тартраты также не влияют на определение, т. к. устойчивость фенантролинатных комплексов Fe на несколько порядков больше, чем с этими органическими ионами [15]. Fe(III) также взаимодействует с фенантролином, образуя окрашенные комплексы, но чувствительность этого варианта гораздо меньше, и он используется для определения только сравнительно высоких концентраций железа [15]. В почвенной практике данный реактив рекомендован для определения закисного Fe и его подвижных форм в кислотных вытяжках [10, 16].

Цель работы – разработка и оптимизация методики СФ-определения железа в ЦБД-вытяжке с использованием комплексообразования с о-фенантролином для анализа микронавесок почвы массой порядка 20–25 мг. Исследование применимости и ограничений ЦБД-вытяжки, как метода оценки содержания несиликатного или свободного Fe, не входило в задачи настоящей работы, т. к. этот аспект неоднократно освещался в литературе [9, 17].

Методика исследования

Образцы почв. Для отработки методики использовали образец дерново-подзолистой почвы, отобранный на делянке Учебно-опытного почвенно-экологического центра МГУ им. М.В. Ломоносова “Чашниково”. Для этого образца было предварительно определено содержание дитионитного Fe по стандартной методике [12] с атомно-абсорбционным окончанием. Оно составило 1.21 ± 0.05%. Для верификации методики использовали стандартные образцы курского чернозема, московской дерново-подзолистой и прикаспийской светло-каштановой почв (СП1, СП2 и СП3, №№ 901-76, 902-76, 903-76 соответственно по Госреестру мер и измерительных приборов), отличавшихся высокой степенью гомогенности и стандартизированные по содержанию органического углерода [18].

Реактивы. Цитрат, гидрокарбонат и дитионит Na, а также фенантролин квалификации не ниже ч. д. а. использовали без дополнительной очистки. Дитионит натрия для предотвращения его окисления на свету хранили в склянке темного стекла и заменяли не реже 1-го раза в полгода. Для приготовления калибровочных растворов использовали ГСО ионов железа (III) 1 г/л, фон – 1М азотная кислота (ГСО 7835–2000).

Для приготовления рабочих водных растворов: 0.3 М цитрата Na, 1М бикарбоната Na и 0.1%-ного фенантролина брали навески сухих реактивов на аналитических весах и растворяли в дистиллированной воде. Рабочий раствор 0.1%-ного фенантролина хранили в темноте. Рабочий стандартный раствор ионов Fe 0.01 г/л готовили, разбавляя 1 мл аликвоту ГСО 1 г/л дистиллированной водой в 100 мл мерной колбе, и подкисляли 1 каплей 1 М HCl.

Оборудование. Исследование проведено с привлечением оборудования Центра коллективного пользования Почвенного института им. В. В. Докучаева. Атомно–абсорбционное определение Fe проводили на спектрофотометре Agilent AA-240 (США). Для измерения оптической плотности растворов фенантролинатных комплексов Fe использовали микропроцессорный фотоколориметр “ЭКОТЕСТ 2020-РС”, ЭКОНИКС, Россия, который можно использовать как стационарно, так и в полевых условиях. Измерения проводили при 502 нм.

Приготовление ЦБД-вытяжек по Мера–Джексону. В пластиковые центрифужные пробирки емкостью 10–15 мл (с крышкой) помещали навески образцов 20–25 мг, добавляли 4 мл 0.3 М цитрата Na и 0.5 мл 1 М бикарбоната Na, перемешивали, помещали пробирки на водяную баню с температурой 80°С, оборудованную держателем для пробирок, и нагревали 4–5 мин, чтобы содержимое нагрелось до 80°С. Внагретые пробирки добавляли маркированной ложкой 80–100 мг порошка дитионита натрия, взбалтывали и оставляли нагреваться с открытой крышкой в течение 15 мин. После этого вынимали пробирки из бани, закрывали пробками и тщательно встряхивали, затем помещали на ротатор, перемешивали 10 мин и оставляли до утра. Утром пробирки еще раз встряхивали на ротаторе 10 мин. Затем переносили пробирки в штатив на стол, добавляли 0.5 мл насыщенного раствора NaCl и центрифугировали 5 мин при 3000 об./мин. Затем сливали супернатант в мерные колбы или пробирки на 50 мл. К осадку в пробирках добавляли новую порцию экстрагента и повторяли весь процесс еще 2 раза, уже не оставляя на ночь. Супернатант сливали в теже мерные колбы (или пробирки) и доводили растворы до метки дистиллированной водой.

СФ-определение Fe c фенантролином. Для построения градуировочной кривой готовили калибровочные растворы, содержащие реактивы, используемые для вытяжек по Мера–Джексону, в тех же количествах, что и анализируемые пробы. В мерные колбы на 50 мл вносили небольшое количество дистиллированной воды и рабочий стандартный раствор ионов Fe в соответствии с табл. 1:

№ раствора	1	2	3	4	5	6
Объем рабочего стандартного раствора ионов Fe (0.01 г/л), мл	0	1	2.5	3.5	5	7
Концентрация ионов Fe в калибровочном растворе, мг/л	0	0.2	0.5	0.7	1	1.5

Добавляли в колбы 2.4 мл раствора цитрата натрия, 0.3 мл раствора NaHCO₃, приблизительно 50 мг дитионита Na, тщательно перемешивали, вращая колбу. Затем добавляли 1 мл раствора фенантролина, доводили до метки, давали постоять не менее 1.5 ч и фотометрировали при λ = 502 нм.

Для подготовки к фотометрическому анализу полученных экстрактов необходимо было отобрать аликвоту 10 мл и перенести в чистые мерные пробирки на 50 мл. Затем добавить в каждую пробирку по 1 мл раствора фенантролина, довести до метки и дать постоять 15 мин перед фотометрированием.

Обработка данных. Для обработки результатов измерений использовали статистический пакет Microsoft Excel 2010, выбранный уровень значимости p = 0.05.

Результаты и их обсуждение

Оптимизация условий проведения ЦБД-вытяжки для анализа микропроб почв и почвенных фракций. На первом этапе до подбора условий СФ-определения Fe провели оптимизацию условий проведения ЦБД-вытяжки для микронавесок, взяв за основу методику [13].

Подготовка образцов почвы перед экстракцией. В исходной методике для более полного взаимодействия экстрагента с поверхностью частиц предусмотрено ультразвуковое диспергирование. Авторы отмечали увеличение растворимости соединений Al, Fe и Si при озвучивании. Однако не совсем корректно сравнивать результаты, полученные таким способом, с полученными традиционным вариантом для 1–5 г проб почв, где пробы измельчают и пропускают чрез сито 0.25 мм. Кроме того, следует отметить, что сами реактивы дитионитного метода, являясь солями натрия, обладают выраженной диспергирующей способностью [19]. В связи с этим для упрощения процедуры и стандартизации условий стадия ультразвукового диспергирования образца была заменена гомогенизацией путем растирания и пропускания через сито 0.05 мм.

Время и кратность обработки пробы ЦБД-смесью. С использованием в качестве аналитического окончания ААС-метода было исследовано влияние на экстракцию Fe и воспроизводимость результатов времени и кратности обработки пробы почвы ЦБД-смесью, а также объема и кратности добавления раствора NaCl (как коагулянта коллоидов, мешающих СФ-определению). В первоначальном варианте методики [7] предлагали проводить однократную обработку всех образцов, за исключением тех, содержание экстрагируемого Fe₂О₃ в которых превышало 5%. Для последних рекомендовали 2–3-кратную обработку. Аналогичная рекомендация дана и в методике [13]. Исследование зависимости определяемой концентрации железа от кратности обработки ДЦБэкстрагентом показало, что 3-кратной обработки достаточно для достижения стабильного результата. Дальнейшее увеличение числа обработок не вело к заметному росту результата. При такой кратности наблюдали наилучшую повторяемость и воспроизводимость данных при анализе по предлагаемому нами варианту методики для малых навесок (рис. 1).

 

Рис. 1. Зависимость результата определения Fe в ЦБД-вытяжке от количества обработок образца почвы.

 

Объем и кратность добавления раствора NaCl. В исходной методике [7] объем добавляемого NaCl составляет ¼ от объема цитрата, в методике [13] – ½. Чтобы подобрать оптимальную добавку раствора NaCl мы исследовали зависимость количества экстрагируемого Fe от добавленного объема NaCl при 3-кратной экстракции (табл. 1).

 

Таблица 1. Влияние объема добавки насыщенного раствора NaCl на результаты определения железа

Объем добавки NaCl, мл	0.5	1.0	2.0
Содержание Fe, % (стандартное отклонение)	1.22 (0.05)	1.19 (0.06)	1.21 (0.05)

 

Показано, что увеличение объема добавки NaCl c 0.5 до 2.0 мл не ло на результат определения Fe. Поэтому в дальнейшем мы использовали минимальный объем добавки 0.5 мл.

В методике [7] рекомендуется добавлять раствор NaCl к каждой порции перед отделением экстракта от осадка, а в [13] – промывать порцией раствора NaCl осадок после 2-го центрифугирования. Виспользованных для предварительной отработки методики образцах почвы наблюдали пептизацию коллоидов при отделении раствора от осадка после центрифугирования уже первой порции экстракта. В связи с этим мы рекомендуем добавлять раствор NaCl к каждой порции экстракта перед центрифугированием. Количество извлекаемого в таком варианте Fe по сравнению с однократной добавкой NaCl для использованной дерново-подзолистой почвы увеличилось с 0.98 ± 0.03 до 1.22 ± 0.06%.

Подбор условий СФ-определения Fe. Проверка на отсутствие мешающего влияния почвенного ОВ. Мы предположили, что присутствие почвенного органического вещества (ОВ) не должно мешать определению Fe с фенантролином, т. к. максимум поглощения ферроина лежит в длинноволновой области >500 нм, где природное ОВ поглощает очень слабо. Чтобы подтвердить данное предположение, провели параллельное определение Fe в том же образце почвы, предварительно обработанном пероксидом водорода при нагревании. Результат определения значимо не отличался от полученного без обработки Н₂О₂: 1.18 ± 0.05%. Следовательно, присутствие почвенного ОВ не мешает определению Fe предлагаемым методом.

Исследование влияния времени экспозиции с реактивами на оптическую плотность калибровочных растворов. В ГОСТ 27395–87 рекомендуется фотометрировать растворы уже через 10 мин после добавления раствора фенантролина и восстановителя, однако авторами работы [20] было показано, что окраска ферроина развивается не мгновенно после добавления реактивов к раствору, содержащему Fe(III), а требует порядка 2 ч, особенно для концентраций >1.0 мг/л. Соблюдение закона Бугера–Ламберта–Бера (линейность зависимости оптической плотности от концентрации раствора) наблюдается только после этого времени. В связи с этим мы исследовали скорость развития окраски ферроина в калибровочных растворах, содержащих реактивы дитионитной вытяжки (рис. 2).

 

Рис. 2. Зависимость оптической плотности А от времени экспозиции с фенантролином для калибровочных растворов с разной концентрацией Fe.

 

Показано, в изученной системе устойчивая окраска развивалась в течение 1.5 ч. Дальнейшее увеличение времени экспозиции не приводило к росту оптической плотности растворов в исследованном диапазоне концентраций Fe.

В экспериментальных ЦБД-вытяжках окраска развивалась почти моментально после добавления фенантролина, это было связано с тем, что железо в этих образцах уже переведено в двухвалентную форму и не требуется времени на реакции восстановления.

Исследование диапазона линейности градуировочной кривой. Показано (рис. 3), что зависимость оптической плотности от концентрации носила линейный характер в достаточно узком диапазоне: от 0 до 1.5 мг/л. Для повышения надежности получаемых результатов в дальнейшем для калибровки и измерений использовали только этот диапазон.

 

Рис. 3. Градуировочная зависимость оптической плотности (А) раствора фенантролината железа от концентрации Fe(II) в стандартном растворе в присутствии реактивов ЦБД-вытяжки.

 

В качестве достоинства данной методики следует отметить высокую временную стабильность калибровочных растворов: при хранении между измерениями в холодильнике (4°C) их оптическая плотность оставалась постоянной в течение 2 мес.

Оценка воспроизводимости результатов определения Fe по предложенной методике. Для оценки прецизионности методики проводили определение Fe в 2-х стандартных образцах почвы СП1 и СП2 в 3 разных дня в течение 1-го мес. двумя операторами, каждый раз в 3-х аналитических повторностях, что обеспечило условия повторяемости и воспроизводимости в соответствие с МИ 2336–2002 [21]. Результаты этой оценки отражены в табл. 2.

 

Таблица 2. Оценка повторяемости и воспроизводимости результатов определения дитионитного Fe в стандартных образцах почвы по предложенной методике

Образец	День анализа	Результаты единичных определений содержания Fe в образце, %			Среднее	СКО*
		I	II	III		sr**	sR***
СП1	1	1.025	1.033	1.016	1.025	0.008	0.05
	2	0.923	0.965	0.98	0.956	0.030
	3	1.022	0.947	0.963	0.977	0.039
СП2	1	0.853	0.784	0.88	0.839	0.05	0.05
	2	0.867	0.824	0.846	0.846	0.02
	3	0.822	0.853	0.815	0.83	0.02

* Среднеквадратичное отклонение.

** В условиях повторяемости.

*** В условиях воспроизводимости.

 

Показано, что среднеквадратичное отклонение как в условиях повторяемости (параллельные измерения), так и в условиях воспроизводимости, не превысило 4% от измеряемой величины.

Верификация методики сравнением со стандартной методикой. Для верификации методики провели определение дитионитного Fe в стандартных образцах почв СП1, СП2 и СП3 по предложенной методике и по стандартной методике с атомно-абсорбционным окончанием [12] c навесками порядка 1.0 г (табл. 3).

 

Таблица 3. Сравнение результатов определения дитионитного Fe в стандартных образцах почвы по предложенной и стандартной методикам [12]

Образец	Средняя величина содержания Fe, % ± СКО*
	предложенная методика	стандартная методика
СП1	1.02 ± 0.02	1.02 ± 0.01
СП2	0.82 ± 0.03	0.85 ± 0.03
СП3	0.81 ± 0.04	0.80 ± 0.04

* Для 3-х аналитических повторностей.

 

Сравнение показало хорошую сходимость результатов, полученных согласно предложенной методике со спектрофотометрическим окончанием и полученных по стандартной методике с атомно-абсорбционным окончанием.

Заключение

Таким образом, предложенная методика может быть использована для определения дитионитного железа при недоступности атомно-абсорбционного метода, для удешевления массовых анализов и для малых навесок почв и почвенных фракций.

About the authors

N. N. Danchenko

Federal Research Center “V. V. Dokuchaev Soil Science Institute”

Author for correspondence.
Email: nataly_danch@mail.ru
Russian Federation, 119017, Moscow, Pyzhyovskiy per. 7, bld. 2.

E. V. Tsomaeva

Federal Research Center “V. V. Dokuchaev Soil Science Institute”

Email: nataly_danch@mail.ru
Russian Federation, 119017, Moscow, Pyzhyovskiy per. 7, bld. 2.

D. A. Zhulidova

Lomonosov Moscow State University

Email: nataly_danch@mail.ru

Soil Science Faculty

Russian Federation, 119991, Moscow, Leninskie gory 1, bld. 12

S. А. Khamatnurov

Federal Research Center “V. V. Dokuchaev Soil Science Institute”

Email: nataly_danch@mail.ru
Russian Federation, 119017, Moscow, Pyzhyovskiy per. 7, bld. 2.

Z. S. Artemyeva

Federal Research Center “V. V. Dokuchaev Soil Science Institute”

Email: nataly_danch@mail.ru
Russian Federation, 119017, Moscow, Pyzhyovskiy per. 7, bld. 2.

References

Supplementary files