Агрохимия, 2020, № 1, стр. 81-93

1.2. Подготовка растворов и реактивов

1.2.1. Приготовление экстрагирующего раствора углекислого аммония массовой концентрацией С = = 10 г/дм³ рН 9.0. На приготовление 1 дм³ раствора требуется 10.0 ± 0.1 г измельченной, хорошо перемешанной соли углекислого аммония, которую переносят в мерную колбу, растворяют в дистиллированной воде и доводят объем до метки. При большом объеме работ используют выверенные стеклянные бутыли на 10 или 20 л или пластиковые, химически стойкие к щелочам и кислотам канистры.

В связи с нестойкостью используемого химического соединения его концентрацию и рН в приготовленном экстрагирующем растворе необходимо предварительно проверить и, если необходимо, довести концентрацию и рН до нужных величин. Вначале измеряют рН исходного раствора экстрагента, а потом определяют концентрацию приготовленного раствора (NН₄)₂СО₃.

Для этого в 3 конические колбы отбирают по 5 см³ приготовленного раствора, прибавляют по 50 см³ воды, 2 капли метилового оранжевого и титруют раствором соляной кислоты концентрации 0.1 моль/дм³ до перехода желтой окраски в оранжевую. Для вычисления используют среднее арифметическое результатов 3-х титрований. Точную концентрацию раствора углекислого аммония [1/2(NH₄)₂CO₃] моль/дм³ вычисляют по уравнению:

где С₂ – концентрация углекислого аммония, моль/дм³; C₁ – концентрация раствора соляной кислоты, моль/дм³; V₁ – объем раствора соляной кислоты, израсходованный на титрование, см³; V₂ – объем раствора углекислого аммония, отобранный на титрование, см³.

Алгоритм приготовления раствора углекислого аммония с необходимыми параметрами (требованиями) дан в ссылке [1, стр. 147–148]. В указанной ссылке расчет концентрации растворов (NH₄)₂CO₃ дан в нормальной массе. В настоящей статье, а также в ГОСТ 25-6205-91 данный расчет представлен в молярной массе, т.е. берется 1/2 молярной массы углекислого аммония.

Допустим, было установлено, что исходный раствор (NH₄)₂СО₃ имеет рН 8.0, а концентрацию ${{C}_{{{\text{[1/2(N}}{{{\text{H}}}_{{\text{4}}}}{{{\text{)}}}_{{\text{2}}}}{\text{C}}{{{\text{O}}}_{{\text{3}}}}{\text{]}}}}}$ = 0.121 моль/дм³ при необходимых рН (9.0 ± 0.2) и ${{C}_{{{\text{[1/2(N}}{{{\text{H}}}_{{\text{4}}}}{{{\text{)}}}_{{\text{2}}}}{\text{C}}{{{\text{O}}}_{{\text{3}}}}{\text{]}}}}}$ = (0.208 ± 0.010) моль/дм³. Тогда поступают следующим образом. В начале доводят раствор крепким аммиаком до рН 9.0 ± 0.2. Затем титрованием повторно определяют концентрацию полученного раствора (NH₄)₂СО₃ рН 9.0.

Предположим, что после корректировки рН концентрация экстрагента оказалась ${{C}_{{{\text{[1/2(N}}{{{\text{H}}}_{{\text{4}}}}{{{\text{)}}}_{{\text{2}}}}{\text{C}}{{{\text{O}}}_{{\text{3}}}}{\text{]}}}}}$ = = 0.178 моль/дм³. Ее необходимо довести до концентрации ${{C}_{{{\text{[1/2(N}}{{{\text{H}}}_{{\text{4}}}}{{{\text{)}}}_{{\text{2}}}}{\text{C}}{{{\text{O}}}_{{\text{3}}}}{\text{]}}}}}$ = 0.208 моль/дм³, т.е. увеличить на 0.030 моль/дм³. Необходимое количество добавляемого углекислого аммония на каждый 1 дм³ раствора в данном случае рассчитывают по формуле:

где K – масса добавляемого (NH₄)₂CО₃ на каждый 1 дм³ раствора, 10 – масса в г/дм³ с исходной концентрацией (NH₄)₂СО₃ в моль/дм³, 0.030 – разница между требуемой и исходной концентрацией (NH₄)₂СО₃ в моль/дм³, 0.121 – исходная концентрация (NH₄)₂СО₃ в моль/дм³.

В конкретном случае эта величина равна 2.48 г. Таким образом, на каждый литр приготовленного раствора необходимо добавить дополнительно 2.48 г соли (NH₄)₂СО₃. Полученную при этом концентрацию проверяют повторным титрованием. Если концентрация приготовленного раствора выше заданной, добавляют дистиллированную воду. Если концентрация ниже заданной, добавляют углекислый аммоний.

Допустимо применять раствор (NH₄)₂СО₃ концентрацией ${{C}_{{{\text{[1/2(N}}{{{\text{H}}}_{{\text{4}}}}{{{\text{)}}}_{{\text{2}}}}{\text{C}}{{{\text{O}}}_{{\text{3}}}}{\text{]}}}}}$ = (0.208 ± 0.010) моль/дм³ и рН = 9.0 ± 0.2.

1.2.2. Приготовление компонентов для окрашивающего раствора. Приготовление реактива А.

Готовят разведенную в воде серную кислоту концентрацией ${{C}_{{{\text{[1/2}}{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{S}}{{{\text{O}}}_{4}}{\text{]}}}}}$ = 5 моль/дм³ из исходной концентрированной H₂SO₄.

Пример приготовления. Предварительно измеряют плотность исходной серной кислоты ареометром или иным плотномером. Предположим, что измеренная плотность исходной концентрированной H₂SO₄ составляет 1.84 г/см³. В 1 дм³ разведенной серной кислоты концентрацией ${{C}_{{{\text{[1/2}}{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{S}}{{{\text{O}}}_{4}}{\text{]}}}}}$ = 5 моль/дм³ содержится 245.2 г H₂SO₄. Такое количество содержится в 133.2 см³ исходной концентрированной кислоты, указанной плотности. Мерным цилиндром, вместимостью 200 или 250 см³, отмеривают 133 см³ концентрированной кислоты, осторожно приливают ее с перемешиванием в мерную колбу вместимостью 1 дм³, заполненную до половины объема дистиллированной водой, и после охлаждения доводят дистиллированной водой до метки. Перемешивают содержимое. Такой же алгоритм и для другой плотности исходной концентрированной H₂SO₄.

Навески молибденовокислого аммония (6.0 ± ± 0.1) г и сурьмяновиннокислого калия (0.15 ± ± 0.01) г растворяют, соответственно, в 200 и 100 см³ воды при слабом нагревании. Охлажденные растворы приливают к 500 см³ раствора серной кислоты концентрации ${{C}_{{{\text{[1/2}}{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{S}}{{{\text{O}}}_{4}}{\text{]}}}}}$ = 5 моль/дм³ и доводят объем водой до 1 дм³. Раствор А тщательно перемешивают и хранят в склянке из темного стекла.

Приготовление окрашивающего реактива Б.

Навеску аскорбиновой кислоты (1.20 ± 0.01) г растворяют в 220 см³ реактива А, доводят объем раствора дистиллированной водой до 1 дм³ и тщательно перемешивают. Раствор может храниться в стеклянной посуде из темного стекла несколько дней в холодильнике. Качество реактива определяют тестовыми пробами при окраске градуировочной шкалы.

1.2.3. Приготовление реактивов без окрашивающего реагента молибдата аммония. Навеску (0.15 ± ± 0.01) г сурьмяновиннокислого калия растворяют в 300 см³ воды при слабом нагревании. Охлажденный раствор приливают к 500 см³ раствора серной кислоты концентрации ${{C}_{{{\text{[1/2}}{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{S}}{{{\text{O}}}_{4}}{\text{]}}}}}$ = 5 моль/дм³ и доводят объем водой до 1 дм³. Раствор тщательно перемешивают и хранят в склянке с плотно закрытой пробкой.

Приготовление конечного раствора для холостой пробы на канале без молибдата аммония. Навеску аскорбиновой кислоты (1.20 ± 0.01) г растворяют в 220 см³ реактива, без молибдата аммония переносят в мерную колбу вместимостью 1 дм³, доводят дистиллированной водой до метки и тщательно перемешивают. Раствор хранят в герметично закрытых емкостях.

1.2.4. Приготовление исходного смешанного раствора массовой концентрации Р₂О₅ – 0.1 г/дм³ и К₂О – 0.5 г/дм³. Для приготовления раствора используют либо индивидуальные вещества, либо готовые стандарт-титры (фиксаналы). Стандарт-титры для приготовления градуировочных растворов: Фиксаналы. СТО 66373620-001-2015. Поставляются ООО “КИНЖ-АГРО”.

Приготовление из индивидуальных веществ. Навески 0.192 г однозамещенного фосфорнокислого калия и 0.686 г хлористого калия помещают в мерную колбу вместимостью 1 дм³, растворяют в экстрагирующем растворе 1%-ного углекислого аммония, доводят объем раствором до метки и тщательно перемешивают. Раствор хранят в герметично закрытых емкостях.

Приготовление из стандарт-титров (фиксаналов).

Содержимое пробирок № 1 и № 2 количественно переносят в мерную колбу вместимостью 1 дм³, растворяют в экстрагирующем растворе 1%-ного углекислого аммония, доводят объем раствором до метки и тщательно перемешивают. Раствор хранят в герметично закрытых емкостях.

1.2.5. Приготовление воды, содержащий этиловый спирт для промывки гидравлической системы автоанализатора. Раствор готовят из расчета 200 см³ этилового спирта на 10 дм³ дистиллированной воды.

1.2.6. Приготовление градуировочных растворов. В мерные колбы вместимостью 500 см³ помещают указанные в табл. 1 объемы исходного раствора, приготовленного по 1.2.4. Объемы растворов доводят до метки экстрагирующим раствором – 1%-ным (NН₄)₂СО₃ и перемешивают. Во избежание пузырьков воздуха на внутренних стенках кювет фотометра колориметрического градуировочные растворы следует готовить на прокипяченной воде или на воде непосредственно из-под дистиллятора. Такую же воду используют в автоанализаторах для гидравлического канала фосфора с добавлением этилового спирта из расчета 20 см³ спирта на 1 дм³ воды.

1.2.7. Приготовление градуировочных растворов для анализа почвенных вытяжек. Для градуировки используют 10-ячеечную аналитическую кассету однорядную или двухрядную (в случае укомплектования приборов этими кассетами), заполненную градуировочными растворами в следующем порядке:

Примечания. 1. В ячейках ряда даны номера градуировочных растворов из табл. 1. 2. Указанное заполнение ячеек кассеты градуировочными растворами используют в 3-канальной схеме автоанализатора (рис. 1) при прямом определении подвижных форм фосфора и калия в почвенных вытяжках, сильно окрашенных гуминовыми соединениями. В остальных случаях используют 2‑канальную схему автоанализатора (рис. 2) и ту же схему заполнения ячеек градуировочными растворами. В этом случае используют однорядную кассету или один ряд двухрядной кассеты. 3. В случае использования других типов аналитических кассет (с большим количеством ячеек) их ячейки заполняют в том же порядке, а оставшиеся заполняют раствором № 1.

2.1. Подготовка почвенных проб

Образцы почв после удаления растительных и минеральных включений доводят до воздушно-сухого состояния при температуре не выше 35–40°С в проветриваемом помещении или сушильных шкафах. Затем их измельчают с одновременным просеиванием через сито с круглыми отверстиями диаметром 1–2 мм на мельнице для размола почв, например, ИП-1 производства ООО “Вибротехник”.

Размолотые образцы хранят в пластиковых емкостях вместимостью 300–500 см³, плотно закрытых крышками, которые устанавливают в металлические пеналы (рис. 3) для доступности их при хранении на складе.

2.2 Выполнение технологических операций

В предлагаемой технологии транспортным “челноком” всей аналитической линии являются унифицированные технологические кассеты КБМ, которые содержат 10 емкостей из полиэтилена, емкостью ≈200 см³, крепящиеся в каркасе из нержавеющей стали (рис. 4).

Под эти кассеты конструируют все необходимое технологическое оборудование: тележки для транспортировки кассет, устройство для взвешивания пробы с пропорциональным дозированием экстрагента в зависимости от массы взвешенной пробы, взбалтыватели содержимого кассет, центрифугу для осаждения твердой фракции суспензии в емкостях кассеты, и другое оборудование.

Технологический поток анализа начинается с взвешивания размолотой воздушно-сухой почвы, переноса навески в емкость технологической кассеты КБМ, и добавления в нее экстрагента. Эта операция осуществляется на первой позиции автоматизированным весовым комплексом ВКПД-ЕТ (комплекс разработан специалистами ООО “СКБ “Пробанаучприбор”) (рис. 5). Тележку ТТП с кассетами КБМ (рис. 6) и тележку с почвенными образцами (рис. 7) подвозят к весовому комплексу. Оператор устанавливает кассету на транспортер устройства и специальной выверенной меркой, вмещающей 5 г воздушно-сухой почвы, отбирает почвенную пробу и загружает ее в стакан для взвешивания. Почву предварительно перемешивают ложкой или шпателем на всю глубину коробки.

После автоматического взвешивания и переноса навески в бункер устройства она ссыпается в емкость кассеты, в которую добавляется экстрагент в объеме, пропорциональном массе навески при соотношении 1 : 20. Эта операция осуществляется с помощью перистальтического насоса с шаговым двигателем. После автоматического перемещения кассеты на один шаг процедура повторяется для следующего почвенного образца. Загруженная кассета закрывается крышкой и устанавливается на свое место в тележке.

Далее тележка с загруженными кассетами транспортируется на позицию 2, где происходит 5-минутное возвратно-поступательное взбалтывание содержимого кассет для извлечения фосфора и калия с частотой колебаний ≈200/мин (рис. 8). При указанной частоте взбалтывания кассеты устанавливаются в вертикальном положении.

На позиции 3 кассеты в тележках отстаиваются в течение 18 ч при температуре 24°С в помещении или в термостате.

На позиции 4, после предварительного встряхивания содержимого технологической кассеты КБМ, производится разделение суспензии на жидкую и твердую фракцию с помощью центрифуги Ц-2000 (рис. 9). Скорость вращения ротора центрифуги ≈1000 об./мин, экспозиция – 4 мин, экспозиция с полным циклом до остановки ротора – 7 мин. В центрифугу помещают 4 кассеты с содержимым без крышки в 2 противоположные люльки. Перед установкой парные кассеты должны быть уравновешены грузиками-балансами с точностью ± 5 г (используются торговые или иные подходящие весы).

На позиции 5 с помощью 10-канального переливного устройства ДП-02 (рис. 10) производится одновременный перенос жидкой фракции из десяти емкостей технологической кассеты КБМ в 10 ячеек аналитической кассеты КА (рис. 11). Эту операцию обеспечивает многоканальный перистальтический насос неприжимного действия указанного устройства. Для этого 10 заборных трубок устройства погружают в чистую зону жидкой фракции в емкостях кассеты КБМ (ниже зоны растительных остатков и выше зоны твердой фракции суспензии). Включают перистальтический насос, и первыми порциями почвенной вытяжки промывают силиконовые трубки одновременно всех каналов, сливая в ванночку для удаления в канализацию. Затем устанавливают гребенку со сливными трубками над ячейками аналитической кассеты КА и заполняют их анализируемыми пробами.

На последней позиции 6 выполняют определение фосфора и калия в полученных вытяжках на отечественном автоанализаторе проточного типа ЦИАК-П (рис. 12).

Принцип работы многоканальных автоанализаторов проточного типа в случае спектрофотометрических измерений заключается в непрерывном измерении и регистрации поглощения светового потока протекающей жидкостью через проточную кювету при требуемой спектральной длине волны. В случае пламенно-фотометрических измерений работа указанных автоанализаторов заключается в непрерывном измерении и регистрации эмиссии пламени на выбранной спектральной длине волны при постоянном поступлении жидкости в распылитель горелки. Часто эти 2 принципа работы автоанализаторов объединены, как и в нашем случае, в одном приборе (спектрально-аналитический комплекс описываемого анализатора разработан В.В. Кузнецовым).

Многоканальный перистальтический насос прижимного действия, непрерывно сдавливая эластичные трубки вращающимися валиками, одновременно прокачивает жидкость по нескольким каналам (рис. 1, 2). Это позволяет вводить в гидравлический поток зоны анализируемых проб, которые отделяются друг от друга зонами дистиллированной воды.

При количественном определении 2-х показателей – содержания фосфора и калия – отбираемая проба делится на 2 части с помощью тройника и отдельных гидравлических каналов.

В случае спектрофотометрических измерений фосфора при поступлении зоны пробы в смеситель она смешивается с реактивом Б, который туда непрерывно поступает. Далее зона пробы с реактивом Б поступает в спираль термостата и после нагревания в нем окрашивается в синий цвет. Затем она охлаждается в холодильнике и поступает в проточную кювету колориметра с предварительным удаления пузырьков воздуха через пузырькоотделитель.

Поглощение светового потока при прохождении зоны пробы через проточную кювету спектрофотометра регистрируется и обрабатывается для получения требуемых результатов программой компьютера, которая задает циклы работы узлов автоанализатора (программа для работы автоанализатора ЦИАК-П разработана Я.Г. Мат-веевым).

В случае пламенно-фотометрических измерений калия при поступлении зоны пробы в смеситель она смешивается с дистиллированной водой и после прохождения через стеклянную спираль поступает в распылитель пламенного фотометра для количественного измерения калия.

На монитор выводятся градуировочные графики, регистрограммы (рис. 13) и табличные результаты измерений содержания фосфора и калия. Последние распечатываются на принтере.

В случае необходимости количественного определения фосфора в вытяжках из почв, сильно окрашенных гуминовыми соединениями, используют 3-канальную схему автоанализатора (рис. 1).

В этом случае корректирующий канал фосфора без использования окрашивающих реактивов вначале градуируют с использованием градуировочной шкалы по 1.2.7 с окрашивающими реактивами по 1.2.2. Затем окрашивающий реактив заменяют на конечный раствор без окрашивающего компонента по 1.2.3, предварительно промыв канал дистиллированной водой. При измерении гуминовой составляющей необходимо контролировать величину показателя холостой пробы экстрагирующего раствора на канале без молибдата аммония по п. 1.2.3. Для этого в процессе измерения анализа почвенных вытяжек в одну из ячеек кассеты заливают холостую пробу. Если полученный результат будет превышать величину сигнала базовой линии, то его надо вычитать из данных, полученных при измерении гуминовой составляющей.

При использовании автоанализаторов проточного типа для определения фосфорных соединений по реакции фосфорномолибденовой сини необходимо соблюдать определенные соотношения между количеством анализируемого фосфора, извлеченного из почвы, и количеством реактивов: молибденовокислого аммония, серной кислоты, аскорбиновой кислоты (эту зависимость подробно рассматривает К.Е. Гинзбург в [1], С. 110. Там же даны ссылки на первоисточники). В противном случае можно получить хороший градуировочный график, который не будет соответствовать реальному содержанию фосфора в почвенной вытяжке.

Показанный на рис. 12 автоанализатор проточного типа включает автомат подачи проб, в который загружают аналитические кассеты (рис. 11) с градуировочными растворами и с анализируемыми вытяжками из почв. Кинематика иглы (канюли) с механизмом поворота на 180° обеспечивает автоматический отбор пробы из ячейки кюветы и последующую промывку канала дистиллированной водой.

Перистальтический насос прижимного действия обеспечивает непрерывную подачу в гидравлическую систему всех требуемых растворов: дистиллированной воды, окрашивающего экстрагента и пробы. Тройник, крепящийся на корпусе автомата подачи проб, разделяет отобранную пробу на 2 гидравлических канала для определения фосфора и калия. На верхней панели водяной бани крепятся смесители, обеспечивающие смешивание реактивов для определения фосфора и калия. Водяной термостат со стеклянной спиралью обеспечивает быстрое развитие окраски фосфорномолибденовой сини. Холодильник охлаждает поток жидкости после термостата. Окрашенная жидкость поступает в проточную кювету спектрофотометра (колориметра), который связан с компьютером для обработки полученных результатов в анализа содержания фосфора. В канале калия после спирали для смешивания жидкость поступает в распылитель пламенного фотометра для определения калия. Пламенный фотометр также связан с компьютером, обрабатывающим полученную информацию.

Производительность автоанализатора составляет 120 проб/ч одновременно для 2-х показателей.

Описываемая методика и представленное оборудование внедрены и используются в лабораториях агрохимслужбы России, Казахстана, Украины, аналитической лаборатории Приднестровья.