Микрохимический анализ золы растений

Живые организмы получают все необходимые элементы из окружающей их среды. В составе живой природы обнаружено более 80 химических элементов, 27 из них выполняют определенные функции. В зависимости от содержания в организмах элементы делят на три группы.

В первую группу – органогенов – входят кислород ( 65-75% ), углерод ( 15-18% ), водород ( 8-10% ), азот ( 1,5-3% ). Вторую группу – макроэлементов - составляют калий, натрий, кальций, магний, железо, хлор, сера и фосфор. Основной вклад в построение молекул жизненно важных соединений вносят кислород, углерод, водород, азот, сера и фосфор, поэтому их называют биогенными элементами. Эти элементы входят в состав белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Общее содержание органогенов и макроэлементов в клетках организма составляет более 99%.

В третью группу – микроэлементов – входят цинк, медь, фтор, йод, марганец и бор. На их долю приходится не более 0,001% вещества клетки. Из группы микроэлементов иногда выделяют ультрамикроэлементы, встречающиеся в живых организмах в так называемых следовых концентрациях ( 0,001-0,000001% ), к ним относятся молибден, кобальт, а также уран, золото, ртуть, селен, цезий, радий и некоторые другие.

Каждый из химических элементов выполняет важные функции в клетке.

Рассмотрим роль некоторых химических элементов в растительном организме:

• магний – входит в состав молекулы хлорофилла;

• кальций – придает твёрдость межклеточному веществу, соединяющему растительные клетки;

• натрий – обеспечивает поглощение воды из почвы;

• железо – входит в состав ферментов, участвующих в фотосинтезе, участвует в синтезе хлорофилла;

• калий – участвует в регуляции водного режима, входит в состав ферментов, участвующих в фотосинтезе, является обычным компонентом клеточного сока в вакуолях растительных клеток;

• сера – входит в состав белков, участвует в формировании структуры белковых молекул;

• фосфор – входит в состав молекул АТФ, нуклеиновых кислот ( ДНК и РНК ), в составе жиров входит во все мембранные структуры клетки;

• хлор – участвует в регуляции водного режима и обеспечении упругости клетки ( тургора клетки );

• бор – влияет на ростовые процессы: его недостаток приводит к отмиранию верхушечных почек, цветков, завязей и проводящих тканей;

• молибден – входит в состав ферментов, регулирующих работу устьичного аппарата.

Живые существа обладают способностью избирательно накапливать в себе вещества, поглощаемые из окружающей среды. Это свойство живых организмов было отмечено ещё В. И. Вернадским. В своём труде « Очерки геохимии » он писал: « нам известны по крайней мере от 17 до 19 химических элементов, концентрирующихся в живом веществе. Эта концентрация приобретает ещё большее значение в силу того факта, что эти организмы, концентраторы химических элементов, не являются какими-нибудь редкими телами в природе. Наоборот, организмы – концентраторы встречаются в больших количествах, дают значительные массы вещества и тем самым играют видную роль в биосфере. »

Так кислорода в почве содержится около 50%, а в растениях – 70%; кремния в почве – 33%, а в растениях – 0,15%. Существуют растения, способные к избирательному накоплению определенных химических элементов. Так, например, бурая водоросль ламинария ( морская капуста ) накапливает йод, хвощи – кремний.

Изучение химического состава растений, особенно их золы, - один из приёмов биогеохимического метода поиска полезных ископаемых. Теоретической основой этого метода служит учение В. И. Вернадского и А. П. Виноградова об ореолах рассеяния. Согласно этому учению, на месторождении какого-либо минерала наблюдается зона повышенной концентрации входящего в его состав элемента, или ореол рассеяния. Обитающие на этом участке растения по-разному реагируют на этот элемент: одни накапливают ( концентрируют ) его в своих тканях, другие – нет. В качестве индикатора полезных ископаемых могут служить только те растения, которые беспрепятственно накапливают химические элементы в случае их избыточного содержания в почве. Примеры некоторых подобных растений – индикаторов приведены в следующей таблице:

накапливаемый элемент растения – индикаторы молибден астрагал, донник лекарственный: содержание молибдена в растениях до 300 раз! превышает его содержание в почвах радий ряска марганец хвоя лиственницы, листья багульника и брусники, плоды черники стронций и барий листва ивы и берёзы: концентрация элементов в 30-40 раз больше, чем в почве бериллий кора сосны золото берёза, дуб, хвощ полевой никель и кобальт европейский бурачок

Подобная способность растений накапливать определённые химические элементы может быть использована не только при поиске полезных ископаемых, но и в медицине для профилактики и лечения заболеваний, связанных с нарушениями в организме человека микроэлементного равновесия. Растения, являющиеся природными концентраторами разнообразных элементов, необходимо включать в рацион питания. Не исключено, что растения, концентрирующие тяжелые металлы, можно использовать как естественные очистители почв и воды, если выращивать их на загрязнённых участках. В целом же, подобная способность живых организмов к накоплению веществ из окружающей среды становится ( особенно в последнее время ) всё более актуальной в связи с многочисленными экологическими проблемами, так как по пищевым цепям передаются не только полезные, но и вредные для жизнедеятельности организмов элементы. А растения в пищевых цепях являются первоначальным звеном.

При сжигании растительных тканей всегда остаётся несгораемая часть, которую называют золой. Химический состав золы весьма разнообразен, он зависит от особенностей самого растения и от состава почвы, на которой растёт исследуемое растение.

Среднее количество золы в растении составляет приблизительно 5%. Однако отдельные органы растений сильно различаются по содержанию золы: её больше в тех органах, которые состоят преимущественно из живых клеток. Так, в среднем в древесине содержится около 1% золы, в семенах – около 3%, в стеблях и корнях – 5%, а в листьях – до 15 – 30%. Это объясняется неодинаковой физиологической ( фотосинтезирующей, запасающей ) активностью разных органов растения.

Среди методов, с помощью которых можно определить качественный состав золы, наиболее прост и удобен микрохимический анализ золы. Этот метод не требует для исследования большого количества вещества и несложен при выполнении. В основе микрохимического анализа лежит свойство некоторых солей образовывать характерной формы кристаллы, по которым можно судить о наличии в составе золы того или иного химического элемента.

Цель: исследование состава золы растительных тканей.

Основные задачи: количественный и качественный анализ минеральной части растения.

Материалы и оборудование:

Растительные объекты: воздушно-сухие листья петрушки обыкновенной листовой

Реактивы: дистиллированная вода; 10%-ный раствор соляной кислоты ( HCL ), 1%-ные растворы серной ( H2SO4 ), азотной ( HNO3 ) и щавелевой кислот; 1%-ные растворы солей гидротартрата натрия, гексоцианоферрата калия ( K4[ Fe(CN)6]), молибдата аммония ((NH4)2MoO4), ацетата свинца ( Pb(CH3COO)2), нитрата серебра ( AgNO3); смесь следующего состава: 1 г гидрофосфота натрия ( Na2HPO4), 4 г хлорида аммония ( NH4CL ), 6 г гидроксида аммония ( NH4OH ), 2 г лимонной кислоты в 250 мл воды; этиловый спирт.

Оборудование: тигель, тигельные щипцы, асбестовая сетка, сухое горючее, аптекарские весы с разновесами, стеклянные палочки, предметные стёкла, воронки, фильтровальная бумага, пробирки, микроскоп

Ход работы:

А. Количественное определение золы

1) на аптекарских весах взвесили пустой сухой тигель: m ( пустой тигель ) = 101,51 г

2) положили в тигель 2 - 3 г измельченного растительного материала (воздушно - сухих листьев петрушки );

3) взвесили тигель с навеской - пробой растительного материала: m ( тигель + навеска ) = 103,55 г

4) вычислили массу взятой пробы: m ( пробы ) = m ( тигель + навеска ) - m ( пустой тигель ) m ( пробы ) = 103,55 г – 101,51 г = 2,04 г

5) добавили в тигель с навеской около 1 мл спирта ( для ускорения сжигания ), поджгли его спичкой и провели обугливание растительного материала в вытяжном шкафу;

6) охладили тигель и снова взвесили его: m ( тигель + зола ) = 102,1 г

7) вычислили массу золы и рассчитали процентное содержание золы в исследуемом материале: m ( золы ) = m ( тигель + зола ) - m ( пустой тигель ) m ( золы ) = 102,1 г - 101,51 г = 0,59 г

W ( % ) золы = [ m ( золы ) : m ( навески ) ] · 100 %

W ( % ) золы = [ 0,59 : 2,04 ] · 100% = 28,9 %

m ( пустой m ( тигель + m ( пробы ), г m ( тигель + m ( золы ), г W ( % ) золы навеска ), г зола ), г тигель ), г

101,51 103,55 2,04 102,1 0,59 28,9

Б. Качественный анализ золы

1. Провёли контрольные реакции на обнаружение ионов химических элементов кальция, железа, фосфора, серы ( в составе сульфат – ионов ), калия, магния и хлора. В качестве контроля использовали готовые растворы солей, содержащих эти элементы:

1) на предметное стекло стеклянной палочкой помещали рядом две капли – исследуемого раствора и необходимого реактива;

2) при помощи чистой стеклянной палочки с заострённым концом соединяли обе капли перемычкой ( в результате взаимодействия растворов образуются продукты реакции );

3) медленно подсушивали препараты над огнём ( в результате продукты реакции выпадают в осадок с образованием кристаллов характерной формы );

Внимание! В ходе проведения контрольных реакций оказалось, что:

1) следует избегать полного перемешивания капель растворов: самые крупные и правильные кристаллы образуются в тонких перемычках между каплями;

2) очень важно правильно подсушивать препарат: высоко над пламенем до полного испарения воды, слегка передвигая из стороны в сторону.

4) образовавшиеся после выпаривания кристаллы рассмотрели под микроскопом ( увеличение 80х – 200х ) на сухом препарате без покровного стекла и зарисовали.

2. Ознакомившись с характерным видом кристаллов, приступили к анализу золы:

1) из золы приготовили два раствора: а) водный ( для обнаружения ионов хлора ): небольшое количество золы отсыпали в пробирку, прилили 3 мл дистиллированной воды, перемешали стеклянной палочкой и отфильтровали через воронку, с помещённым в неё фильтром, в чистую пробирку; б) солянокислый ( для обнаружения остальных элементов ): к оставшейся золе прибавили 3 мл 10%-ной соляной кислоты, перемешали и отфильтровали в чистую пробирку.

2) с получившимися растворами проделали все качественные реакции ( появление характерных кристаллов показывало наличие соответствующих химических элементов в исследуемой золе ).

Обнаружение кальция.

1) на предметном стекле каплю испытуемого раствора соединили с каплей 10%-ной серной кислоты, при медленном нагревании выпали кристаллы игольчатой формы ( одиночные и групповые, напоминающие снежинки ). Это кристаллы гипса.

2) другим реактивом на кальций является органическая щавелевая кислота: при той же технике выполнения выпали кристаллы в виде октаэдров, кубов и крестов. Это кристаллы оксалата кальция ( соли щавелевой кислоты - оксалаты ).

Обнаружение железа

Так как железа в золе, как правило, очень мало, часть исходного солянокислого раствора золы упарили в пробирке, которую затем охладили и прибавили каплю реактива ( гексацианоферрата калия ). В результате образовался синий осадок вещества, называемого берлинская лазурь. Это качественная реакция на присутствие ионов железа в растворе.

Обнаружение фосфора

1) на предметном стекле каплю испытуемого раствора соединили с каплей раствора молибдата аммония, при медленном нагревании выпадают зеленовато-желтые мелкие кристаллы.

2)* растворы солей фосфорной кислоты можно обнаружить при взаимодействии их с раствором нитрата ртути ( I ). В результате выпадают кристаллы в виде пучков игл и розеток игл.

Обнаружение серы

1) на предметном стекле каплю испытуемого раствора соединили с каплей нитрата серебра, при медленном нагревании выпали кристаллы в форме вытянутых шестиугольников и ромбов. Это кристаллы сульфата серебра.

2) в качестве реактива на растворы солей серной кислоты используют также раствор ацетата свинца ( ацетаты -соли уксусной кислоты ). Выпадают очень мелкие кристаллы сульфата свинца в виде длинных игл, звёзд и ромбов.

Обнаружение калия

1) на предметном стекле каплю испытуемого раствора соединили с каплей раствора гидротартрата натрия ( натриевая соль винной кислоты ), при медленном выпаривании выпали кристаллы в виде крупных призм и пластинок;

2)* реактивом на растворы солей калия может быть также раствор хлорида платины ( IV). В этом случае выпадают кристаллы в виде октаэдров и кубов желтовато-зеленоватого цвета.

Обнаружение магния

Реактивом на растворы солей магния является раствор, состоящий из гидрофосфата натрия, хлорида аммония, гидроксида аммония и лимонной кислоты. При медленной кристаллизации выпадают кристаллы в виде трапеций и призм.

Обнаружение хлора*

Реактивом на растворы хлоридов ( хлориды – соли соляной кислоты, содержащей хлор) является нитрат таллия. При взаимодействии хлора с этим реактивом в осадок выпадает хлорид таллия ( I ) в виде черных крестообразных мечевидных кристаллов.

Таблица сводных результатов качественного анализа золы химический реактив химическая реакция описание рисунок элемент кристаллов кристаллов

1. Кальций ( Ca ) 1) 10% серная кислота, H2SO4 CaCL2 + H2SO4 = CaSO4↓ + 2HCL игольчатые: одиночные и групповые, сульфат напоминающие снежинки кальция

форма октаэдров, кубов, иногда крестов

2) щавелевая кислота, H2C2O4 + CaCL2 = CaC2O4↓ + 2HCL

H2C2O4 оксалат кальция

2. Железо ( Fe ) гексацианоферрат 4FeCL3 + 3K4[ Fe(CN)6 ] = темно - синий осадок берлинской лазури

( II ) калия = Fe4[ Fe(CN)6 ]3 ↓ + 12KCL

K4[ Fe(CN)6 ] - берлинская лазурь жёлтая кровяная соль ( гексацианоферрат ( II )

железа ( III ) )

3. Фосфор ( P ) 1) молибдат _ мелкие зеленовато - жёлтые аммония,

(NH4)2MoO4

пучки и розетки игл

2)* нитрат 2K3PO4 + 3Hg2(NO3)2 = 2Hg3PO4↓ + 6KNO3

ртути ( I ), фосфат ртути ( I )

Hg2(NO3)2

4. Сера ( S ) 1) нитрат серебра, K2SO4 + 2AgNO3 = Ag2SO4↓ + 2KNO3 вытянутые шестиугольники и ромбы

AgNO3 сульфат серебра

мелкие кристаллы в виде длинных игл, звёзд

2) ацетат свинца, K2SO4 + Pb(CH3COO)2 = и ромбов

Pb(CH3COO)2 = PbSO4↓ + 2CH3COOK

сульфат свинца

5. Калий ( K ) 1) гидротартрат 2NaHC4H4O6 + K2SO4 = крупные призмы и пластинки натрия – = 2KHC4H4O6↓ + Na2SO4

натриевая соль винной кислоты, гидротартрат

NaHC4H4O6 калия

2)* хлорид 2KCL + PtCL4 = K2PtCL6↓ желтовато – зеленоватые октаэдры и кубы платины (IV), хлороплатинат калия

6. Магний ( Mg ) реактив из смеси _ форма трапеций и призм гидрофосфата натрия, хлорида аммония, гидроксида аммония и лимонной кислоты

7. Хлор * ( CL ) нитрат таллия, KCL + TLNO3 = TLCL↓ + KNO3 чёрные крестообразные мечевидные

TLNO3 хлорид таллия ( I )

* - не проводившиеся реакции ( по причине ядовитости реактивов )

Выводы: 1) в золе листьев исследованного растения обнаружены следующие химические элементы: кальций, железо, калий, магний, сера и фосфор. Эти элементы относятся к группе макроэлементов и находятся в клетках растения в количестве, достаточном для обнаружения их данным методом анализа;

2) количество золы – 28,9 %, что находится в пределах нормы среднего содержания неорганических веществ в листьях растений.