Д.С. Орлов - Химия почв (1114534), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Электронная микроскопия — единственный метод, который дает возможность непосредственно наблюдать форму и размер молекул.В электронном микроскопе видны округлой формы частицы гуминовых кислот диаметром 80—1000 А и более. Размеры частиц и ихвзаимное расположение в поле зрения меняются в зависимости от условий подготовки образца к просмотру в электронном микроскопе.Диаметр частиц сферической формы, наблюдаемых в электронноммикроскопе, значительно больше, чем можно было ожидать, исходяиз средневесовых молекулярных масс, найденных методами светорассеивания и гель-фильтрации. Учитывая большие размеры и своеобразную форму таких частиц, их приходится относить не к молекулам, а кассоциатам (или агрегатам).
При подготовке к электронно-микроскопическим наблюдениям каплю раствора гумусовых кислот высушиваютна специальной подложке. В процессе высыхания капли раствора содержащиеся в ней молекулы гуминовых кислот образуют сначала димеры, а потом и сложные ассоциаты. Частицы, осевшие на подложкупервыми, становятся центрами адсорбции молекул из раствора; в результате формируются полусферические скопления. Таким образом^при обычном способе приготовления препаратов в электронном микроскопе удается наблюдать преимущественно не молекулы гуминовых230кислот, а надмолекулярные структуры.
Наблюдение молекул требуетспециальных методов (например, быстрое замораживание).Г Л А В А 11ГИПОТЕЗЫ ГУМИФИКАЦИИИ СТРОЕНИЕ ГУМУСОВЫХ КИСЛОТДо настоящего времени известны только гипотетические или вероятностные формулы гуминовых кислот и фульвокислот, и решение этойзадачи тесно связано с задачей распознавания гумусовых кислот, ихидентификации. Чтобы получить полное и точное представление о всехсвойствах гуминовой кислоты, достаточное для составления ее структурной формулы, необходимо исследовать чистый препарат, не содержащий посторонних примесей.
Надо быть уверенным, что исследуемыйпрепарат действительно гуминовая кислота. Иными словами, исследуемое вещество мы должны идентифицировать как гуминовую кислоту.Не разработана в полной мере теория процесса гумификации итеория гумусообразования. Для объяснения этих процессов предложены достаточно стройные гипотезы, в соответствии с которыми под гумусообразованием понимают совокупность процессов формированиягумусного состояния почв, а под гумификацией — трансформацию органических остатков в специфические гумусовые вещества.Идентификация гумусовых кислотВ почвах содержатся органические вещества разных классов, которые при извлечении гумусовых кислот соосаждаются с гуминовымикислотами или выделяются вместе с фульвокислотами. Таковы различные пигменты, меланоидины, продукты частичного разложения белков и др.
Поэтому необходимы объективные методы диагностики иидентификации гумусовых кислот, позволяющие отличить их от другихсоединений и убедиться в чистоте получаемых препаратов ГК и ФК.Для идентификации гумусовых кислот не пригодны многие классические приемы; нельзя использовать температуры плавления, ибогумусовые кислоты разлагаются не плавясь. Мало пригодно определение молекулярных масс, поскольку гумусовые кислоты полидисперсныи высокомолекулярны. Нельзя практически воспользоваться показателями преломления, которые недостаточно стабильны и трудно измеримы из-за сильной окраски гумусовых кислот.Для идентификации гумусовых кислот используют одновременноеопределение нескольких химических и физических показателей. К наиболее существенным и устойчивым показателям относятся элементныйсостав, формы соединений азота, степень конденсированное™ и оптические свойства гумусовых кислот.
Для эталонирования признаков берут за основу гуминовые кислоты черноземов (черные гуминовые кислоты); они обладают четкими специфическими признаками, присущими всему классу гумусовых кислот, и эти признаки выражены у нихнаиболее сильно.Важнейшие диагностические показатели гумусовых кислот трехтипов почв колеблются в довольно широких пределах (табл. 58). Посравнению с гуминовыми кислотами черноземов, гуминовые кислотысероземов и дерново-подзолистых почв, а особенно фульвокислоты, характеризуются пониженным содержанием углерода, бензолполикарбо231Т а б л и ц а 58Вероятные границы колебаний состава и свойств гумусовых кислот (Р=0,95)Гуминовые кислотыПоказателичерноземсероземс, %55—6149—583,9—5,73,6—4,50,097—0,119 0,058—0,12Выход бензолполикарбоновых кис8—157—26лот, %Негидролизуемый | всего43-6331—47азот, %\ гетероциклиот общегоJ ческий10—357—12N, %р0,001 %с1 см, 465 нмвсего, аминныйГидролизуемый циклическихаминокислотазот, %аммонийныйот общего.
аминосахаровдерновоподзолистаяпочваФульвокислоты трехтипов почв46—533,3—6,00,041—0,0576—736—443,0-4,40,007—0,0153—626—4422—300—110-537—5719—2753—6920—4256—7426—3270—7826—351,1—2,45—263,3—3,92,4—2,819—281,6—3,00—9•17—321,8—4,70,9-1,025—404,3—11,5новых кислот, доли негидролизуемогО' и гетероциклического азота; уних ниже оптическая плотность и нарастает количество аммонийногоазота.Для уверенного отнесения органических соединений к классу гумусовых веществ необходимо и достаточно сочетание пяти важнейшихпризнаков:1.
Содержание углерода в пределах 46—61% для гуминовых кислот и от 36—44% для фульвокислот при обязательном содержанииазота от 3 до 6%. Это обязательный признак, хотя только элементный состав не может быть достаточным для отнесения получаемыхпрепаратов к гумусовым веществам.2. Обязательное присутствие не окисляемых щелочным растворомперманганата калия бензол(пиридин) -карбоновых кислот; характерная особенность этих продуктов — наличие в них 3—6% азота, условно называемого гетероциклическим.3.
Наличие «негидролизуемого», или гуминового, азота в количестве 25—55% от общего, часть которого представлена упомянутымвыше гетероциклическим азотом.4. Характер электронных спектров поглощения при значениях£?с°„%5нМ порядка 0,01-0,1.5. Характер инфракрасных спектров поглощения. В хорошо изученном интервале от 2 до 10 мкм ИК-спектры могут служить подтверждением принадлежности вещества к гумусовым кислотам.Встречаются случаи, когда этих признаков недостаточно для уверенной идентификации соединений, но при изучении веществ почвенного происхождения их можно считать вполне надежными.
Более того,при исследовании почвенных органических веществ часто можно ограничиться сочетанием 1-, 3- и 4-го признаков. Совершенно непригодныдля диагностики гумусовых веществ их окраска (по визуальной оценке), содержание отдельных групп легкогидролизуемых соединений, число функциональных групп, а также растворимость, которая зависит отзольности препаратов, их окисленности, рН и ионной силы раствора.232Строение гумусовых кислотПредложено несколько формул строения гуминовых кислот, новсе они имеют гипотетический характер, отражая, в той или иной мереподробно, накопленные экспериментальные данные. Решение вопросао структуре ГК и ФК оказалось очень трудным вследствие полидисперсности гумусовых кислот и их переменного состава.
Методическиетрудности связаны также с тем, что гумусовые кислоты до сих пор неудалось получить в кристаллическом виде и остается не ясным, могутли они вообще образовывать кристаллы даже при наиболее полномфракционировании.Все предложенные схемы строения гуминовых кислот можно разделить на две группы: 1) блок-схемы и 2) структурные (условно)формулы.Наиболее полную блок-схему предложили В. Мистерски и В. Логинов в 1959 г. Эта схема (рис. 47) показывает, что в состав гуминоПериферическая частьН н О-iW-г-о--ф-ф-о-0-С6Н906-о-сн,А1Д , Fe203С-О-Р-0-СаО$Ю 2 , Р205с-о-Са-о-р-о-Минеральные компонентыРис.VКомплексы , сорбция47. Блок-схема строения гуминовой кислоты (по Мистерски и Логинову)вой кислоты входит так называемое «ядро», представленное ароматическими шестичленными кольцами, включая хиноны, кислород- и азотсодержащие гетероциклы.
Кольца несут хинонные и карбоксильныегруппы. «Ядро» окружено периферическими алифатическими цепями,в том числе углеводного и полипептидного характера. За счет комплексообразования и сорбции гуминовая кислота содержит также минеральные компоненты, в первую очередь железо, алюминий, кальций,фосфаты. Эта схема удобна для общей характеристики гуминовых кислот, но она не раскрывает характера сочленения слагающих молекулуостатков и, следовательно, не позволяет объяснить способность гуминовых кислот участвовать в химических реакциях или, тем более, прогнозировать роль и функции ГК в почвообразовании. Сходную, но ещеболее формализованную блок-схему ГК позднее предложили М.
Чешир с соавторами в 1967 г.Первая «структурная» формула гуминовой кислоты, выделеннойиз каменного угля, была составлена В. Фуксом. Формула Фукса выве233дена из существовавших представлений о строении угля в виде циклически полимеризованного углерода. Она имеет сейчас только историческое значение, поскольку очень далека от реального строения гумусовых кислот почвы, хотя бы потому, что в ней не отражено участиесильно развитых периферических цепочек, сложенных углеводами иполипептидами.
Этот недостаток был преодолен в формуле В. И. Касаточкина, который сохранил идею циклически полимеризованного углерода для ядра ГК, но ввел боковые радикалы в виде молекулярныхцепей линейно полимеризованного углерода, несущих различные функциональные группы (рис. 48).Рис. 48. Схема строения гуминовых кислот по Фуксу (А) и Касаточкину (Б)Формула Касаточкина, как и предыдущие формулы, схематична,но она сыграла большую роль в развитии химии почвенного гумуса.Используя идею о различном соотношении ядра и боковых цепей (поКасаточкину, плоской атомной сетки циклически полимеризованногоуглерода и молекулярных цепей линейно полимеризованного углерода)удалось объяснить изменения содержания углерода в оптической плотности в гуминовых кислотах зонального ряда почв.
По В. И. Касаточкину, в ГК черноземов преобладает «ядро», и поэтому они содержатбольше углерода и отличаются более интенсивной окраской.Формула Касаточкина имеет ряд существенных недостатков. Так,наличие плоской атомной сетки циклически полимеризованного углерода противоречит гибкости молекул ГК, их способности изменять конфигурацию при образовании гуматов или при дегидратации.
В плоскую непрерывную сетку не вписываются гетероциклические атомы азота и кислорода: такому строению не отвечает и состав продуктов окисления гумусовых кислот.С. С. Драгунов в 1948 г. предложил формулу гуминовой кислоты,согласно которой ароматические ядра расположены линейно (рис. 49).Согласно этой формуле гуминовые кислоты содержат фенольные и хинонные группировки, гетероциклический азот, углеводные остатки; характерна сравнительно высокая степень замещения ароматических колец. Схема С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
