АГРОХИМИЯ, 2007, № 11, с. 71-84
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ =
УДК 631.417.2:543.422
ЭЛЕКТРОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КАК МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ ВЛИЯНИЯ АНИОНОВ МИНЕРАЛЬНЫХ КИСЛОТ И УДОБРЕНИЙ НА СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГУМУСОВЫХ КИСЛОТ
© 2007 г. А. Ю. Кудеярова
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН 142290 Пущино, Институтская ул., 2, Россия Поступила в редакцию 07.03.2007 г.
Обсуждаются теоретические и методические аспекты повышения информативности электронных спектров гумусовых кислот. С помощью электронной спектроскопии выявлено различие структуры гуминовых и фульвокислот целинной и пахотной серой лесной почвы. Показана целесообразность записи разностных спектров для выявления тонких различий в структуре хромофорных группировок, содержащих С=С- и С=О-связи. Изучена роль анионов минеральных кислот и удобрений в трансформации почвенных гумусовых веществ.
ВВЕДЕНИЕ
Метод электронной спектроскопии достаточно давно и широко используется при изучении почвенных гумусовых веществ (ГВ) [1-7]. Наиболее широкое применение получили показатели оптической плотности (Д) растворов ГВ в видимой области спектра (350-800 нм) [8-13]. Изучению же спектральных свойств ГВ в ближней УФ-области (195-350 нм) уделяется значительно меньшее внимание, несмотря на то что эта область спектра является наиболее информативной при изучении структуры органических молекул [14-18].
Публикуемые в специальной литературе электронные спектры (ЭС) экстрактов почвенных ГВ, а также растворов гумусовых кислот (гуминовых и фульвокислот), характеризуются, как правило, отсутствием полос поглощения [6, 10, 19-21]. Спектры в основном представляют собой пологие кривые, монотонно снижающиеся с увеличением длины волны. Тем не менее, даже такие спектры выявляют различие спектральных свойств ГВ не только почв разного типа, но и одной и той же почвы при разных обработках [5, 11-13].
Монотонность спектральной кривой может обусловливаться многими причинами, среди которых отметим следующие. 1. Полосы поглощения располагаются в далекой (вакуумной) УФ-области (менее 190 нм) и поэтому в ближней УФ-области (195-350 нм) наблюдается лишь их спад. Такие спектральные кривые типичны для насыщенных (предельных) органических молекул, имеющих только простые связи, и ненасыщенных (непредельных) многоатомных молекул с преобладанием простых связей над изолированными кратными углерод-углеродными связями [15, 17, 22].
2. Причина монотонности спектров ГВ может заключаться в использовании кювет с относительно большой толщиной поглощающего слоя (как правило, 10 мм) и несовершенных спектрофотометров (СФ), не позволяющих выбирать оптимальную шкалу оптической плотности в соответствии с концентрацией в растворе молекул с сопряженными связями [2, 4, 20]. 3. Полоса поглощения сопряженных С=С-связей, имеющая максимум в коротковолновой области УФ-спектра [14, 15, 17], может перекрываться полосой поглощения растворителя, как правило, раствора №ОН (0.1 н.), наиболее широко используемого для извлечения из почвы ГВ и растворения ГК. Поэтому обязательно следует использовать в качестве эталона сравнения раствор №ОН. Спектры ГВ обычно приводятся без указания эталона сравнения. Монотонность их не согласуется с наличием в гумусовых молекулах систем сопряженных связей. Выявлению полосы поглощения сопряженных С=С-связей в спектрах гумусовых молекул способствует автоматическое вычитание спектра растворителя при использовании его в качестве эталона сравнения [23]. В результате информативность спектра ГВ значительно повышается.
Основными, ответственными за поглощение электромагнитного излучения (ЭМИ) группировками (хромофорами), которые выявляются с помощью ЭС, являются сравнительно небольшие структурные фрагменты многоатомных молекул, содержащие сопряженные С=С-связи, которые могут принадлежать соединениям как ароматического, так и алифатического рядов [14, 17, 24]. Наличие алифатических соединений с С=С-связя-ми установлено, в частности, в молекулах почвен-
Таблица 1. Химические показатели использованных почв
Показатели
рНка
Кислотность, мг-экв/100 г почвы
гидролитическая
обменная
Емкость поглощения, мг-экв/100 г почвы
Степень насыщенности основаниями, %
Общий углерод, %
Fe ^е3+ + Fe2+) в вытяжке 0.1 н. Н2Б04, мг/100 г почвы
А1 в вытяжке 1 н. КС1, мг/100 г почвы
Р (мг/100 г почвы) в вытяжке
0.2 н. НС1
0.1 н. №0Н (общее содержание)
т. ч. Р
орг
ных ГК и ФК [25, 26]. Кроме хромофоров, имеющих С=С-связи, полосу поглощения в УФ-области спектра имеют также хромофорные группировки, содержащие кратные связи с участием гетеро-атомов (О, К, Б, Р) [17, 22, 24, 27]. Такие хромофоры в основном сосредоточены в боковых цепях гумусовых макромолекул. Связи С=О, С=К К=К N=0, Б=0, Р=0 и т. п. могут увеличивать поглощение ЭМИ, приписываемое сопряженным С=С-связям основной С-содержащей цепи (ядра) молекулы [15, 17, 28].
Увеличению интенсивности поглощения двух типов хромофорных группировок способствуют свободные электронные пары гетероатомов, связанных простыми связями в таких группировках, как например, СОН, ОСН3, КН2, NR2 и др., не имеющих собственных полос поглощения в УФ- и видимой областях спектра [15, 17]. Согласно современным представлениям, такие группировки (аук-сохромы) рассматриваются как заместители при кратных связях, вносящие существенный вклад в общую систему сопряжения связей [16, 22, 24, 28]. При наличии в органической молекуле заместителей при кратных связях именно они в основном определяют характер ЭС [17, 18]. Следует отметить, что роль боковых цепей, по существу представляющих собой не что иное, как систему заместителей при атомах углерода ядра молекулы, сильно недооценивается при интерпретации ЭС почвенных ГВ.
Поглощающая способность (или оптическая активность) конкретной органической молекулы определяется поляризуемостью электронов, т.е. физическими процессами, происходящими при взаимодействии молекулы с ЭМИ [14, 16, 24, 29]. При обычных условиях молекула представляет собой систему электронов, находящихся в постоянном поле положительных зарядов ядер [15-17, 22]. Электроны в молекуле находятся на строго определенных уровнях энергии (молекулярных орби-талях), преимущественно в низких (основных) энергетических состояниях. Под влиянием ЭМИ электронная система молекулы переходит на энергетически более высокий уровень (возбужденное состояние). Возбужденному состоянию соответствует некоторое смещение электронной плотности (зарядов) в системе связей молекулы. Смещение электронной плотности в первую очередь происходит в хромофорных группировках. Разность энергий основного и возбужденного электронных состояний определяет положение и интенсивность полос поглощения в спектре.
Существуют определенные закономерности в спектрах, отвечающие изменениям в состоянии химических связей и соответственно в электронном состоянии органических молекул. Принято подразделять электронные переходы в соответствии со свойствами участвующих в них а-, п- и п-электронов разных типов связей. Переходы обозначаются орбиталями основного и возбужденного (*) состояний электронов: а —► а*, п —► п*, п —а*, п —► п* [15, 17, 18]. Переходы, обусловленные возбуждением наиболее прочно связанных а-электронов простых связей, требуют для возбуждения относительно высоких энергий. К соединениям, в которых возможны переходы лишь а-электронов, принадлежат, например, насыщенные углеводороды. Такие переходы лежат в далекой (вакуумной) УФ-области (менее 190 нм).
При наличии в молекуле сопряженных С=С-связей в коротковолновой части ближней УФ-области спектра появляются интенсивные полосы поглощения, обусловленные п —► ^-переходами. п-Электроны С=С-связей молекул ненасыщенных соединений возбуждаются наиболее легко. В длинноволновой части УФ-области могут также проявляться значительно менее интенсивные по сравнению с С=С-связями полосы поглощения, обусловленные п —► п*-переходами электронов неподеленных пар (п-электронов) гетероатомов, связанных кратной связью с другим атомом (например, связи С=О, С=К К=К N=0, Б=0, Р=0 и др.) [15, 27].
Отождествляя полосы поглощения в ЭС органических молекул с двумя типами кратных связей, различия в УФ-спектрах молекул ГВ можно связывать с влиянием заместителей (их наличием,
видом, положением относительно связи) на оптические свойства соответствующих хромофорных группировок [17, 24]. Оптическая активность двух типов хромофорных группировок в УФ- и видимой частях спектра прямо связана с легкостью смещения их электронов под влиянием ЭМИ, т.е. с электронной поляризуемостью. Наибольшая легкость смещения электронов характерна для С=С-связей [22, 30]. Чем больше в молекуле таких связей, тем больше поляризуемость ее электронной системы и, соответственно, оптическая активность. Такая же зависимость сохраняется и для кратных связей с гетероатомами, например, С=О-связей. Изменение поляризуемости молекулы вследствие появления или смены заместителей при двух типах кратных связей проявляется в характере ЭС. Поэтому ЭС могут дать ценную информацию о влиянии вносимых в почву соединений на структуру гумусовых молекул [31, 32].
При поступлении в почву различных веществ, а также при извлечении ГВ из почвы и их очистке с использованием разных химических реагентов характер заместителей может изменяться. Заместители могут иметь как органическую, так и неорганическую природу [22, 33, 34]. Смена заместителей связана с перераспределением электронной плотности в органической молекуле и, как правило, с отщеплением от нее части фрагментов [6, 22]. Известно, что при использовании неорганических соединений для выделения из почвы гумусовых веществ периферические цепи их молекул подвергаются деструкции [35-38]. Деструкция цепей может происходить и в почве под влиянием минеральных удобрений [39-41]. Так, под влиянием фосфатов водорастворимых удобрений от гумусовых молекул отщепляется и переходит в раствор часть фрагментов, содержащих углерод и ге-тероатомы (азот, фосфор, металлы) [42-44]. Увеличение количеств указанных элементов в жидкой фазе почвенных систем согласуется с фактом их миграции, приводящей к повышению ур
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.