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