Dr inż. Beata Smolińska, mgr inż. Joanna Jabłońska

PROBLEMATYKA:
Przygotowanie próbek środowiskowych do analizy

TEMAT ĆWICZENIA:

Mineralizacja próbek gleby

METODA:
Mineralizacja mikrofalowa „na mokro” w systemie zamkniętym.


WPROWADZENIE

W analizie chemicznej bardzo istotnym problemem jest przygotowanie próbek do analizy. Operacje

związane z tym etapem mogą w sposób znaczący wpłynąć na wynik końcowy oznaczenia, dlatego też jest to

zagadnienie, na które należy zwrócić szczególną uwagę. Próbki środowiskowe obejmują szeroki zakres

materiałów o czasami znacznie zróżnicowanym składzie zarówno pod względem jakościowym jak i zakresów

stężeń potencjalnych analitów. Dobór metody i techniki przygotowania próbki stanowi podstawową trudność w

tej mierze i na ogół musi być indywidualnie realizowany w odniesieniu do poszczególnych typów materiałów

(próbek).

Większość metod analitycznych np.:

•

spektrofluorymetria,

•

spektrofotometria UV-Vis,

•

absorpcyjna spektrometria atomowa,

•

potencjometria,

•

kulometria,

•

konduktometria,

•

polarografia

i inne, wymaga przeprowadzenia próbek do roztworu, a także czasami wydzielania, rozdzielania i zatężania

analitu oraz maskowania czynników zakłócających oznaczenie. Przeprowadzenie analizowanych próbek do

roztworu może się odbywać poprzez rozpuszczanie lub roztwarzanie w całości lub w odniesieniu do wybranych

składników.

Zjawisko rozpuszczania zachodzi wówczas, gdy energia solwatacji przewyższa energię sieci krystalicznej.

Podstawowym wymogiem jest, aby rozpuszczalnik charakteryzowała się dużą czystością i aby nie zawierała

analitu. Rozpuszczanie w przypadku próbek środowiskowych ma jednak ograniczone zastosowanie. Substancje

takie jak: metale, materiały biologiczne, gleba, a także wiele substancji w nich występujących, bądź to nie

rozpuszcza się w wodzie (a także w rozpuszczalnikach organicznych), bądź to rozpuszczają się tylko w sposób

ograniczony lub wybiórczy. Rozpuszczanie wykonuje się np. w analizie ekstraktów glebowych w celu

oznaczenia tzw. przyswajalnych zawartości różnych pierwiastków. W ogólnym przypadku przeprowadzenia

całej próbki do roztworu stosuje się roztwarzanie (mineralizację), tj. proces z udziałem reakcji chemicznych.

Mineralizacja polega na reakcji rozkładu oraz reakcji utlenienia substancji organicznych wchodzących w

skład analizowanej próbki i przeprowadzenia ich do roztworu, lub czasem tylko przeprowadzeniu próbek do

roztworu i utrzymaniem w nim pierwiastków bez strat. Głównie sposoby mineralizacji to mineralizacja na sucho

i mineralizacja na mokro.

Mineralizacja “na sucho” polega na zniszczeniu struktury organicznej przez spopielenie próbki w

wysokiej temperaturze (najczęściej około 500°C). W tych warunkach substancja organiczna ulega całkowitemu

rozkładowi, następuje jej zwęglenie i utlenienie tlenem atmosferycznym do CO

2

i H

2

O. Azot zawarty w

połączeniach organicznych przechodzi w lotne tlenki lub NH

3

. Częściowemu ulotnieniu w czasie spalania ulega

również siarka. Pozostałe składniki mineralne substancji pochodzenia roślinnego, takie jak: P, K, Ca, Mg, Fe, Si,

Mn, B, Zn, Cu, Mo i inne przechodzą w formę nielotnych tlenków lub soli, takich jak: węglany, fosforany itp.

Tworzą one pozostałość po spaleniu substancji roślinnej, tzw. popiół surowy. Z popiołu surowego po rozłożeniu

węglanów kwasem solnym lub kwasem azotowym (V) i oddzieleniu krzemionki otrzymuje się popiół czysty,

który poddaje się analizie ilościowej.

Mineralizacja “na sucho” nie może być prowadzona w zbyt wysokiej temperaturze, następują bowiem

straty niektórych składników spopielanych. Powodowane są one powstaniem nierozpuszczalnych związków

krzemianowych w reakcji składników mineralnych próbki z cząstkami popiołu oraz sprzętu w którym prowadzi

się mineralizację. Straty mogą być również spowodowane wyparowaniem niektórych pierwiastków w temp.

Powyżej 600°C. Stosowanie niższych temperatur przedłuża czas mineralizacji. Trwa ona wtedy, w zależności od

wielkości naważki i rodzaju materiału kilka lub kilkanaście godzin, stąd też przed właściwą mineralizacją zadaje

się niekiedy materiał substancjami denaturującymi białko lub (po mineralizacji “na sucho”) popiół zadaje się

substancjami silnie utleniającymi.

Zaletą tej metody jest możliwość mineralizacji dużej naważki, co umożliwia oznaczenie wielu

pierwiastków występujących w roślinach w ilościach śladowych (niektóre mikroelementy).

Do grupy technik rozkładu próbek na sucho należy:

spopielanie

mineralizacja niskotemperaturowa w plazmie tlenowej

mineralizacja w tlenie

stapianie

Spopielanie

Technika ta polega na powolnym rozkładzie materii organicznej w piecu w temperaturze pomiędzy 400-

600°C. W trakcie rozkładu powstaje popiół, złożony głównie z węglanów i tlenków, który następnie roztwarza

się w odpowiednim kwasie lub mieszaninie kwasów.

Mineralizacja niskotemperaturowa w plazmie tlenowej

Metoda polega na kierowaniu strumienia bardzo czystego tlenu wzbudzonego w polu generatora wysokiej

częstotliwości (ponad 27 MHz), czyli plazmy tlenowej o temperaturze 80-200°C na analizowaną próbkę.

Wzbudzony tlen spala (utlenia) próbkę. Zamknięty układ i brak konieczności stosowania dodatkowych

odczynników ogranicza możliwość zanieczyszczenia próbki. Wadą jest stosunkowo długi czas przebiegu

procesu od kilku do kilkunastu godzin.

Stapianie

Znajduje zastosowanie dla próbek zawierających składniki trudne do rozkładu w bezpośredniej reakcji z

kwasami. Metoda polega na stapianiu sproszkowanej próbki z topnikami takimi jak: węglany alkaliczne, boraks,

w tyglu grafitowym umieszczonym w piecu. Po ochłodzeniu otrzymany stop rozpuszcza się w kwasach. W

analityce środowiska tę technikę wykorzystuje się rzadko z następujących powodów:

wzrostu poziomu tła ze względu na stosowanie dużych ilości topnika i kontakt w podwyższonej

temperaturze z materiałem naczynia,

strat lotnych składników próbki z powodu wysokiej temperatury stapiania,

zużycia znacznych ilości odczynników o dużej czystości, stosowanie tygli wykonanych ze specjalnych

materiałów i związane z tym wysokie koszty.

W przypadku mineralizacji „na mokro” zniszczenie struktury substancji organicznej następuje w wyniku

jej utlenienia w płynnym środowisku stężonych kwasów. Do spalenia „na mokro” stosuje się najczęściej mocne,

tlenowe kwasy: siarkowy, azotowy i nadchlorowy. Kwasy te rozkładają się z wydzieleniem tlenu.

2H

2

SO

4

→ 2H

2

O + 2SO

2

+ O

2

4HNO

3

→ 2H

2

O + 4NO

2

+ O

2

4HClO

4

→ 2H

2

O + 2Cl

2

+ 7O

2

Powstający tlen powoduje utlenienie materiału pochodzenia roślinnego, wydzielają się przy tym lotne produkty

rozkładu, takie jak: CO

2

, H

2

O, SO

2

. W kwaśnym roztworze po spaleniu pozostają w formie soli składniki

mineralne (w tym azot). Proces mineralizacji „na mokro” przeprowadza się w podwyższonej temperaturze, co

znacznie zwiększa zdolność reagowania tlenu z substancją organiczną. Ze względu na szkodliwe opary kwasów

powstające w czasie spalania, mineralizację należy prowadzić pod wyciągiem.

Techniki rozkładu próbek “na mokro”:

z zastosowaniem konwencjonalnego ogrzewania,

z wykorzystaniem ultradźwięków,

promieniami UV,

z wykorzystaniem energii mikrofalowej,

w systemach otwartych lub w systemach zamkniętych (ciśnieniowa),

w systemach stacjonarnych, w systemach przepływowych lub w fazie gazowej.

Rozkład matrycy odbywa się za pomocą jednego lub kilku mocnych kwasów mineralnych z dodatkiem lub

bez innych związków o właściwościach utleniających. Utleniaczami są zazwyczaj stężone kwasy HNO

3

, H

2

SO

4

,

HClO

4

lub H

2

O

2

czy K

2

S

2

O

8

. W tabeli nr 1 przedstawiono przykładowe zastosowanie różnych mieszanin

mineralizujących, używanych do mineralizacji na mokro w zależności od badanego materiału i oznaczanego

pierwiastka.

Mineralizacja z wykorzystaniem ultradźwięków

Polega na umieszczeniu próbki wraz z naczyńkiem reakcyjnym, zawierającym kwasy i ewentualne

utleniacze, w łaźni ultradźwiękowej. Technika ta jest stosowana do roztwarzania stałych próbek

środowiskowych.

Tabela 1

Przykładowe reagenty mineralizujące.

Rodzaj materiału

Substancje mineralizujące

Oznaczane pierwiastki

HNO

3

, H

2

SO

4

, HClO

4

, nadsiarczan amonu

Cu, Mn, Fe, Mo, Co

H

2

SO

4

, H

2

O

2

K, P, Ca, Mg, Sn, Zn, Fe, Na

H

2

SO

4

, H

2

O

2

N bez formy azotanowej

Kwas sulfosalicylowy i tiosiarczan(VI) sodu

lub fenolosiarkowy i pył cynkowy

N całkowity

Materiał roślinny

H

2

SO

4

, HClO

4

S

HNO

3

, H

2

SO

4

, HClO

4

Cu

H

2

SO

4

, HClO

4

As, Sn, Pb, Cu, Fe

Materiał spożywczy

HNO

3

, H

2

SO

4

, H

2

O

2

Pb, Cd

Ścieki

W zależności od oznaczanego pierwiastka

np. H

2

SO

4

Pb

Materiał geologiczny,

gleby, skały

HCl, HF

Wszystkie pierwiastki łącznie z Si

HF, HClO

4

Ca, Mg, i in. pierwiastki główne

Skały

HF, HClO

4

Pierwiastki śladowe

Gleby i osady

HNO

3

, H

2

SO

4

, HCl

Pierwiastki główne i śladowe

łącznie z Si

Mineralizacja promieniami UV

Polega na naświetlaniu mineralizowanego roztworu w kwarcowym naczyniu reakcyjnym nisko- lub

wysokociśnieniową lampą ultrafioletową. Technika ta jest stosowana do mineralizacji próbek wód, ścieków,

płynów ustrojowych, napojów.

Mineralizacja ciśnieniowa z wykorzystaniem energii mikrofalowej

Jest to najczęściej połączenie trzech technik mineralizacji: mineralizacji z zastosowaniem kwasu(ów) i

innych substancji mineralizujących, w układzie zamkniętym-ciśnieniowym w tzw. „bombie teflonowej” oraz z

zastosowaniem energii mikrofalowej. Ponieważ ta metoda będzie wykorzystana w niniejszym ćwiczeniu,

przedstawiono jej szerszą charakterystykę.

Podczas gdy rozkład próbki przez trawienie w kwasach lub też stapianie z solami metali alkalicznych jest

oparty na zastosowaniu reakcji chemicznej i energii cieplnej, to w przypadku mineralizacji mikrofalowej procesy

rozkładu są dodatkowo wspomagane oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości

2450 MHz. Energia promieniowania mikrofalowego jest bezpośrednio absorbowana przez polarne cząsteczki

(wodę, kwasy nieorganiczne, itd.) co stanowi w tych przypadkach znacznie szybsze i skuteczniejsze źródło

energii niż klasyczne ogrzewanie oparte o konwekcję i przewodnictwo cieplne. Ponadto zlokalizowane,

wewnętrzne ogrzewanie pojedynczych cząsteczek próbki najczęściej powoduje ich rozpad, zwiększając tym

sposobem powierzchnię kontaktu z reagentami i szybkość rozkładu.

Mineralizacja ciśnieniowa polega na reakcji analizowanej próbki z kwasami mineralnymi w podwyższonej

temperaturze w zamkniętym naczyniu z teflonu, zwanym bombą teflonową. Powstające w wyniku wydzielania

gazów ciśnienie umożliwia stosowanie wyższych temperatur niż temperatury wrzenia kwasów w układach

otwartych, a zatem skraca czas reakcji.

Naczynia stosowane w mineralizacji mikrofalowej muszą być wykonane z odpowiedniego materiału

przepuszczalnego dla promieniowania mikrofalowego, który jednocześnie jest odporny chemicznie w stosunku

do stężonych kwasów (teflon, kwarc – nieodporny na działanie kwasu fluorowoorowego).

Mineralizację ciśnieniową z udziałem mikrofal można prowadzić w mineralizatorach jedno- lub

wielostanowiskowych. W przypadku mineralizatora jednostanowiskowego np. firm ERTEC, Plazmotronika lub

Edex, procesy rozkładu przebiegają wewnątrz naczynia teflonowegoo pojemności do 250ml, umieszczonego w

chłodzonym wodą stalowym płaszczu, do wnętrza którego za pośrednictwem specjalnego układu sprzęgającego

wprowadzana jest w sposób ciągły zogniskowana energia mikrofalowa (np. moc 150-600 W). Urządzenia

przeznaczone do prowadzenia procesów mineralizacji posiadają specjalne systemy zabezpieczeń przed wysokim

ciśnieniem, ponadto wskaźnik i miernik temperatury i ciśnienia.

Metodą mineralizacji mikrofalowej można mineralizować różne próbki. W zależności od rodzaju próbki i

stosowanej techniki analitycznej dobiera się odpowiednie warunki prowadzenia procesu, substancje

mineralizujące oraz programy mocy mikrofal i ciśnienia.

Zaletami mineralizacji mikrofalowej są:

dobra powtarzalność,

prostota wykonania,

krótki czas przebiegu procesu,

niewielkie zużycie odczynników,

możliwość oznaczania w mineralizacie wielu pierwiastków w szerokim zakresie stężeń,

ograniczone straty agalitu,

ograniczona kontaminacja próbki,

małe odważki analizowanego materiału (0,1 – 1,5 g),

stosunkowo proste dostosowanie parametrów decydujących o mineralizacji (rodzaju i stężenia kwasów,

mocy generatora, ciśnienia) do rodzaju analizowanych próbek,

skuteczność rozkładu substancji organicznej i nieorganicznej.

Wadami mineralizacji mikrofalowej są przede wszystkim:

cena aparatu,

konieczność stosowania małych odważek próbki.

Poniżej przedstawiono przykładowe urządzenie mineralizacyjne:

Rys. 1 Przekrój poprzeczny mineralizatora mikrofalowego firmy ERTEC.

CEL ĆWICZENIA

Zapoznanie się z metodami mineralizacji próbek środowiskowych a w szczególności z mineralizacją
mikrofalową.

WYKONANIE ĆWICZENIA

1.

Na wadze analitycznej odważyć z dokładnością 0,0001 g trzy rodzaje gleby (patrz: tabela 1).

2.

Osadzić pierścień stalowy we wnęce korpusu dolnego.

3.

Próbkę umieścić w naczyniu teflonowym i zalać odpowiednią ilością kwasu lub mieszaniny kwasów.
Jeśli po wprowadzeniu nastąpi gwałtowna reakcja, odczekać aż do jej ustania.

4.

Naczynko teflonowe przykryć pokrywką teflonową z umieszczoną na jej wierzchu metalową
membraną bezpiecznika ciśnieniowego.

5.

Zamknięte naczynko ostrożnie umieścić we wnęce korpusu dolnego głowicy reaktora.

6.

Na korpus dolny nałożyć korpus górny głowicy i przekręcić w prawo aż do oporu (zamknięcie
bagnetowe).

7.

Ręcznie, a następnie za pomocą klucza nasadowego dokręcić nakrętkę dociskową zaworu
ciśnieniowego korpusu głowicy.

8.

Na głowicę nałożyć osłonę z tworzywa.

9.

Odkręcić zawór wodny.

10.

Włączyć zasilanie włącznikiem na przedniej ścianie reaktora.

11.

Ustawić wymaganą liczbę cykli i odpowiednie czasy za pomocą programu komputerowego i
uruchomić procedurę.

12.

Po zakończeniu procesu chłodzenia można otworzyć głowicę reakcyjną. Nie ściągając osłony z
tworzywa, przytrzymać kluczem głowicę ręką, a drugą ręką przy pomocy klucza nasadowego odkręcić
nakrętkę dociskową.

13.

Powoli przekręcić osłonę w lewo do oporu i odczekać, aż zostaną usunięte opary. Zdjąć osłonkę i
korpus górny głowicy.

14.

Wyjąć naczynko teflonowe podważając kluczem metalowy pierścień pod kołnierzem naczynia.
Odłożyć pierścień metalowy. Oczyścić wnękę korpusu dolnego.

15.

Otworzyć naczynie teflonowe, przesączyć próbkę do kolby miarowej i dopełnić wodą.

Tabela 2

Parametry procesu mineralizacji podczas wykonywania ćwiczenia.

Próbka

Gleba

Wielkość próbki

1g

Parametry procesu

2 cykle:

1)

5 min./80%, 45-42 at., 30

sec./0%

2)

15 min./65%, 45-42 at.

Chłodzenie

20 min.

Rozpuszczalniki

10 ml HNO

3

PYTANIA KONTROLNE:

1.

Co to jest mineralizacja?

2.

Jakie są dwa główne sposoby mineralizacji?

3.

W jaki sposób prowadzi się mineralizację „na mokro”?

4.

Podaj kilka sposobów mineralizacji „na sucho”.

5.

W jakich metodach analitycznych korzystne jest przeprowadzenie próbki do roztworu za pomocą
mineralizacji?

6.

Jaki jest mechanizm działania mineralizacji mikrofalowej w systemie zamkniętym?

7.

Podaj wady i zalety mineralizacji mikrofalowej.

8.

Podaj przykłady kilku substancji używanych jako reagenty mineralizujące podczas mineralizacji
„na mokro”.

LITERATURA:

1. Szczepaniak Walenty, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, PWN 1996
2. Jarosz Maciej, Malinowska Elżbieta, Pracownia chemiczna – analiza instrumentalna, Wyd. Szkolne i
Pedagogiczne 1994
3. Masłowska Joanna (pod red.), Instrumentalne metody identyfikacji i oznaczania składników żywności –
Ćwiczenia laboratoryjne, część 2, Wyd. Politechniki Łódzkiej 1998
4. W. Kubiak, J. Gołaś Eds, Instrumentalne metody analizy chemicznej, WN AKAPIT, Kraków 2005
5. J. Namieśnik, Przygotowanie próbek środowiskowych do analizy, PWN, Warszawa 1995