«ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ И ДЕТОКСИЦИРУЮЩИХ СВОЙСТВ ГУМУСОВЫХ КИСЛОТ ПО ОТНОШЕНИЮ К СОЕДИНЕНИЯМ РТУТИ (II) ...»

8-12% от Рис. 1.2. Распределение серы в ГФК по данным [23].

К сожалению, авторы работы [23] не исследовали распределение серы между тиолами, S-гетероциклами и сульфонатами, а также не учитывали возможность наличия дисульфидов и негидролизуемых сульфидов. Между тем, эти группы заметно различаются по способности связывать Hg(II).

Описаны попытки напрямую определять серу, связанную с углеродом ГФК, восстановлением никелем Ренея [24]. Однако такой способ имел ряд существенных недостатков и от него отказались. Кроме того, в настоящее время для установления природы серы в ГФК начали использовать поглощение рентгеновских лучей на К-электронах, однако эти работы пока носят предварительный характер [25].

Таким образом, что имеющиеся литературные данные не позволяют ответить на вопрос о доле серусодержащих групп в ГФК, способных связывать Hg(II) наиболее сильно, - тиольных, сульфидных и сульфонатных.

функциональных групп следует отметить хинонные и семихинонные. Методом ЭПР показано, что ГФК содержание неспаренных электронов в ГФК составляет, по разным данным, (0.1-40).1016 спин/г [26]. Присутствие данных групп обуславливает возможность протекания реакций с участием ГФК по свободнорадикальному механизму, в частности, восстановления ионов металлов в присутствии ГФК и декарбоксилирование отдельных фрагментов ГФК.

Таким образом, ГФК характеризуется наличием разнообразных функциональных групп, многие из которых способны связывать тяжелые металлы в комплексы. Кроме того, многие функциональные группы ГФК, в первую очередь карбоксильные, являются ионогенными. В сочетании с полимерной природой ГФК последний факт приводит к тому, что ГФК, особенно в нейтральной и щелочной среде являются полиэлектролитом. Из этого следует ряд специфических особенностей ГФК, таких как зависимость эффективного радиуса молекул от рН и ионной силы раствора; зависимость протолитических и комплексообразующих свойств ГФК от степени ионизации ГФК; увеличение протон- и металлсвязыывающих способностей ГФК по сравнению с соответствующими мономерами за счет энтропийных факторов [19].

Для более наглядной характеристики структуры ГФК часто прибегают к следующему приему: объединяя структурные фрагменты ГФК между собой умозрительно связывают их в среднюю молекулу - молекулу, свойства которой определяются соотношением структурных фрагментов [27]. Существует целый ряд структурных формул средних молекул ГФК [2], при построении которых авторы прибегали к различным процедурам. Ниже (Рис. 1.3) приведена одна из них [14], которая, на наш взгляд, наиболее полно удовлетворяет современным представлениям о структуре ГФК.

HOOC COOH

COOH HO COOH OH

HOOC COOH HO OH

OH COOH

O O O OH O

OH NO OH

Представление структуры ГФК средней молекулой является наиболее близким к классическому описанию органических веществ посредством структурных формул. Оно позволяет продемонстрировать основные химические полиэлектролитную природу ГФК. Однако такое представление не лишено недостатков. Во-первых, оно сводит все многообразие молекулярных структур ГФК к единственной - средней. Во-вторых, корректность формулы во многом придерживался ее автор.

Имеющиеся литературные данные по составу и строению ГФК показывают, что последние обладают рядом свойств, которые должны способствовать их связыванию с тяжелыми металлами, в частности, с Hg(II). Эти свойства перечислены ниже:

- ГФК содержат структурные фрагменты (карбоксилы, фенольные гидроксилы, различные серу- и азотсодержащие группы), которые способны связывать тяжелые металлы - ГФК представляют собой полиэлектролит, что облегчает их связывание с тяжелыми металлами за счет энтропийных факторов 1.2. Особенности химических свойств Hg(II) Как показано в предыдущем разделе, структура ГФК предопределяет ее комплексообразующие свойства по отношению к тяжелым металлам, в частности Hg(II). При этом для понимания закономерностей взаимодействия ГФК с Hg(II) весьма важной является специфика химических свойств Hg(II).

Этой теме посвящен настоящий раздел.

1.2.1. Общая характеристика химических свойств ртути(II).

Ртуть - металл, обладающий особыми химическими свойствами.

В первую очередь следует отметить, что соединения Hg(II) легко восстанавливаются, причем восстановление может протекать как до элементарной ртути, так и до иона Hg22+ [28]:

Высокая окислительная способность Hg(II) позволяет ей окислять многие органические соединения. В частности, наблюдалось окисление гидрохинона и пирокатехина [29], причем Hg(II) восстанавливалась до элементарной. Однако окислительные свойства Hg(II) могут быть снижены, согласно принципу ЛеШателье, при связывании ее в комплексные соединения.

образованию ковалентных связей. Так, раствор HgCl2 не проводит электрический ток, а сам HgCl2 легко возгоняется [30] и имеет относительно высокий коэффициент распределения октанол-вода (Kow=3.3) [31], что говорит о ковалентном характере связей в нем. Особо следует отметить, что Hg(II) обладает уникально высокой тиофильностью. Так, HgS - соединение с наименьшим произведением растворимости из всех сульфидов состава 1:1 [28].

лигандами. Это продемонстрировано в Табл. 1.3, где приведены константы устойчивости по первой ступени комплексов Hg(II) в сравнении с таковыми для Cu(II), Zn(II) и Pb(II).

Константы устойчивости комплексов Hg(II), Cu(II), Zn(II) и Pb(II) по первой ступени с различными лигандами [28].

* - приведены значения lg2 соответствующих комплексов.

“н.д.” - нет данных Необходимо отметить, что Hg(II) образует очень прочные комплексы как с жесткими основаниями по классификации Пирсона - (OH-, NH3), так и с промежуточными (Py, Br-) и с мягкими (-SH, CN-, SCN-). Это говорит о том, что отнесение катиона Hg2+ к группе мягких [32] в значительной мере условно.

Как следствие исключительной устойчивости гидроксокомплексов, ион Hg2+ сильно подвержен гидролизу. На Рис. 1.4 показано распределение Hg(II) между гидроксокомплексами различного состава в зависимости от рН. Для сравнения дано такое же распределение для Cu(II) (Рис. 1.5).

Рис. 1.4. Распределение Hg(II) между гидроксокомплексами различного состава в зависимости от рН (рассчитано на Рис. 1.5. Распределение Cu(II) между гидроксокомплексами различного состава в зависимости от рН (рассчитано на Как видно из Рис. 1.4 и Рис. 1.5, ион Hg2+ гидролизуется в гораздо более кислой среде, чем ион Cu2+. Следовательно, в нейтральных средах в растворах солей Hg(II) свободный ион Hg2+ практически отсутствует. Как следствие, при растворении ионных солей Hg(II) в воде они обычно превращаются в нерастворимые основные соли, имеющие желтую или оранжевую окраску [30].

Столь сильный гидролиз иона Hg2+ затрудняет определение констант устойчивости его комплексов в нейтральных средах. Кроме того, из-за сильного гидролиза невозможно приготовить растворы ионных солей Hg(II), имеющие нейтральную реакцию. Возможно, гидролизом обусловлена также способность Hg(II) сорбироваться на различных поверхностях, в частности, кварце [33] и полиэтилене [34].

Еще одной особенностью Hg(II) является характерная для нее линейная координация в соединениях. Соединения с координационным числом существуют, но при этом они гораздо менее устойчивы. Вследствие этого механизм лигандного обмена в координационной сфере Hg(II) принципиально отличается от других металлов. Если в случае большинства металлов первой ступенью лигандного обмена является диссоциация комплекса (механизм отщепления-присоединения), то для Hg(II) - присоединение третьего лиганда [35]:

Это приводит к очень быстрому лигандному обмену. Так, скорость оказывается в 108 раз больше, чем можно было бы ожидать, исходя из механизма отщепления-присоединения [36]. Сходный механизм обмена заместителей наблюдается для ртутьорганических соединений [29]:

Быстрый обмен лигандами в координационной сфере Hg(II) облегчает задачу исследования комплекообразования.

Поскольку Hg(II) склонна к образованию ковалентных соединений, ион Hg2+ легко обменивается на H+ в аммиаке и аминах, причем реакция происходит в водном растворе [30]:

Связь Hg-N устойчива даже в воде, что отличает ртуть от других металлов.

концентрированного раствора солей аммония [37], хотя для многих других металлов (в частности, меди) они получаются при простом смешении компонентов.

Кроме того, Hg(II) относительно легко образует ковалентную связь Hg-C, причем данная связь весьма прочна [29]. Такое свойство Hg(II) имеет далеко идущие экологические последствия. Так, в окружающей среде неорганические соединения Hg(II) легко превращаются в метил- и диметилртуть, причем имеют место процессы как биологического, так и, возможно, абиотического метилирования неорганических соединений ртути. Кроме того, ртутьорганические соединения нередко образуются при непосредственном взаимодействии неорганических соединений Hg(II) с органическими веществами [29].

Способность Hg(II) взаимодействовать с органическими веществами вполне может повлиять на процессы ее взаимодействия с ГФК. В первую очередь возникает вопрос, могут ли ГФК в природной среде взаимодействовать с Hg(II) с образованием связи Hg-C. При этом необходимо учитывать, что в природных условиях и ГФК и Hg(II) находятся в очень разбавленном состоянии, и многие свойства, проявляющиеся в концентрированных растворах, могут не проявляться в разбавленных из-за кинетических факторов Поэтому взаимодействие Hg(II) с органическими веществами заслуживает пристального внимания. Этому вопросу и посвящен следующий раздел.

1.2.2. Взаимодействие органических веществ с Hg(II) Как указывалось выше (разд. 1.1), в структуру ГФК входят ароматические фрагменты, а также карбоксильные и спиртовые группы. Поэтому в первую очередь будут рассмотрены реакции ароматических соединений, кислот и спиртов с Hg(II).

образованием ртутьорганических соединений. При этом возможны следующие типы взаимодействий [29].

Меркурирование алифатических соединений [29]:

Во многих случаях эта реакция идет очень легко, причем часто она не заканчивается замещением на ртуть одного водородного атома, а может привести к полной замене водорода на Hg(II). Быстро и на холоду меркурируются соединения с подвижным протоном: малоновая кислота, ацетоуксусный эфир и т.д. Для меркурирования большинства других субстратов, необходимо их нагревание с оксидом ртути в щелочной среде. При этом, как правило, образуются полимеркурированные продукты.

Меркурирование ароматических соединений [29] (протекает по механизму электрофильного замещения):

С большинством субстратов эта реакция идет при нагревании в течение длительного времени. Однако ряд субстратов с электронодонорными заместителями (в частности, резорцин и флуороглюцин) легко меркурируются при комнатной температуре. Более того, наблюдалось медленное образование оксифенилдимеркурацетата при стоянии на холоду смеси концентрированных растворов фенола и ацетата ртути. Однако в работе [38], где исследовалось взаимодействие фенола с Hg(II) в разбавленных водных растворах, авторам удалось определить константу устойчивости фенолятных комплексов ртути (II).

Это заставляет предположить, что меркурирование фенола в разбавленных растворах затруднено, хотя авторы [38] не исследовали структуру образующегося комплекса и даже не изучали условий установления равновесия между Hg(II) связанной и несвязанной с фенолом. Таким образом, прямых подтверждений отсутствия связи Hg-C в работе [38] нет.

Введение в ароматическое ядро карбоксильных групп резко замедляет меркурирование. В частности для меркурирования салициловой кислоты требуется длительное нагревание на водяной бане.

Важным вопросом является обратимость процесса меркурирования. Если данный процесс обратим, для него можно определить константу равновесия, и тогда процессы с образованием связи Hg-C будут описываться точно так же, как и процессы комплексообразования. В этом случае отличить образование ртутьорганических соединений от комплексных соединений без структурных исследований невозможно.

В литературе имеется большое количество работ, посвященных реакциям демеркурирования органических соединений [39, 40, 41 и др.]. Как правило, процессы демеркурирования протекают под действием минеральных кислот, что согласуется с принципом Ле-Шателье (см. (1.4) и (1.5)). К сожалению, все имеющиеся работы по реакциям демеркурирования касаются исследования кинетики и механизма этого процесса. Данных по константам его равновесия нам найти не удалось. Таким образом, из литературных данных нельзя сделать вывод о принципиальной возможности определения констант равновесия реакции меркурирования.

Меркуро-де-карбоксилирование алифатических или ароматических кислот [29]:

Реакция протекает как при взаимодействии органических кислот с солями Hg(II), так и при разложении ртутных солей органических кислот. Наиболее легко такая реакция идет с кислотами, которые сами по себе склонны к декарбоксилированию, в первую очередь, с -кетокислотами. Однако даже для этих реагентов требуется нагревание либо УФ-облучение ртутных солей органических кислот. Реакция также может быть инициирована свободными радикалами. Исходя из того, что фрагменты, склонные к декарбоксилированию малоустойчивы в окружающей среде, а свободных радикалов в ГФК крайне мало, вероятность меркуро-де-карбоксилирования ГФК незначительна.

Таким образом, литературные данные показывают, что некоторые структурные фрагменты ГФК вполне могут подвергаться меркурированию.

Однако, следует отметить, что все описанные реакции меркурирования протекают в концентрированных растворах. Работ, в которых изучалось бы меркурирование органических веществ в разбавленных растворах (что имеет место при взаимодействии Hg(II) и ГФК в окружающей среде) нам найти не удалось.

1.2.2.2. Реакции без образования связи Hg-C Кроме образования ртутьорганических соединений, взаимодействие органических веществ (в первую очередь, кислот и фенолов) с Hg(II) может приводить к образованию солеобразных продуктов. Так, многократно описаны ацетат ртути [42] и другие соли и комплексы с алифатическими карбоновыми кислотами [43], а также с щавелевой, винной [44] и бензойной [45] кислотой.

Получен 2,4-дигидроксибензоат ртути (II) [44] и различные антрахинондикарбоксилаты ртути (II) [46]. Кроме того, описано образование нерастворимых солей ртути при смешении различных кетокислот с Hg(NO3) или Hg(CH3COOH)2 [29]. Однако, как правило, эти соли использовали для дальнейших синтезов ртутьорганических соединений и детально не исследовали.

Работы, посвященные взаимодействию органических веществ с соединениями Hg(II) в водных растворах, как правило, ставят своей целью определению констант устойчивости соответствующих комплексных соединений. При этом возможность протекания процессов меркурирования не учитывается. В большинстве случаев для определения используются различные модификации потенциометрического метода [47], который не позволяет судить о структуре образующихся соединений. Так, данным методом определены константы устойчивости фенолятов ртути в разбавленных растворах [38] (350мкМ Hg(II) и 300-500 мМ фенола), хотя в [29] есть указания, что феноляты ртути легко перегруппировываются в ртутьорганические соединения. В работе [48] были определены константы устойчивости комплексов Hg(II) с салициловой кислотой и ее производными в водно-спиртовых растворах. К сожалению, ни в одной работе не исследовали динамику изменения констант устойчивости во времени, что могло бы оценить возможность меркурирования ароматических ядер.

Из вышеизложенного следует, что органические соединения способны реагировать с Hg(II) как с образованием, так и без образования связи Hg-C. При этом предсказать направление реакции растворах весьма сложно. В первую очередь это касается фенолов и полифенолов, для которых вероятность меркурирования довольно велика.

Меркурирование других фрагментов ГФК, в первую очередь кислотных, маловероятно, так как они более склонны к образованию комплексных соединений с Hg(II). Следовательно, можно предположить, что ГФК, будут образовывать с Hg(II) комплексные соединения.

Для выявления взаимосвязи между структурой органических соединений и константами устойчивости их комплексов с соединений Hg(II), необходимо иметь большой массив соответствующих данных. Для получения такой информации мы воспользовались компьютерной базой данных SCDB, составленной ИЮПАК [47]. Эта база данных содержит значения констант устойчивости комплексных соединений, определенные в оригинальных работах с указанием ссылки на работу и условий определения и в настоящее время является наиболее полным собранием данных по константам устойчивости.

Для сопоставления данных, относящихся к разным лигандам, значения констант устойчивости, полученные из базы данных, обрабатывали следующим образом.

1. Все константы приводили к нулевой ионной силе по уравнению Дэвиса [49]. Для константы равновесия реакции уравнение Дэвиса имеет вид где Здесь I - ионная сила, K - константа устойчивости AB при I=0, KI - константа устойчивости AB при данной ионной силе, ZA - заряд иона, к которому присоединяется лиганд на i-й ступени комплексообразования, ZB - заряд лиганда.

2. Полученные значения логарифмов констант устойчивости для одного и того же комплекса усредняли.

В дальнейшем символом Ki будем обозначать константу устойчивости комплекса по i-й ступени, а символом i - общую константу устойчивости комплекса MLi.

Работа с SCDB выявила крайнюю недостаточность имеющихся данных по константам устойчивости комплексов органических соединений с Hg(II). Так, количество органических O-доноров, для которых были обнаружены сведения по константам устойчивости составило всего 21 (Табл. 1.4).

Константы устойчивости комплексов Hg(II) с О-донорами.

Цитрат трехзамещенный 13.4±2.4 24.4 11. Цитрат двузамещенный 6. Цитрат монозамещенный 4. мезо-оксидисукцинат 16. SS-оксидисукцинат 15. * Данные приведены для 70%(об.) C2H5OH и I=0.05 [48].

Доверительные интервалы рассчитаны для усредненных констант (Р=0.95). Отсутствие доверительного интервала означает, что в базе данных SCDB присутствует только одна работа по данному комплексу.

В первую очередь, обращает на себя внимание большой разброс значений констант, полученных разными авторами. Это говорит о том, что с достоверностью можно говорить только о порядках величин констант устойчивости комплексов Hg(II) с органическими лигандами. Второй факт, на который следует обратить внимание - практическое отсутствие различий между константами устойчивости комплексов Hg(II) с монодентатными лигандами по первой и второй ступени (K1 и K2), при том, что значение K3 гораздо меньше.

Это говорит о том, что для монодентатных лигандов стабильны комплексы состава ML2, а образование комплексов с большим числом лигандов невыгодно.

Для бидентатных лигандов К1 и К2 также различаются относительно слабо, то есть для бидентатных лигандов комплексы состава ML2 также стабильны. Этот факт позволяет предположить, что либо бидентатные лиганды стабилизируют координационное число 4 у атома Hg(II), либо в соединениях с Hg(II) выступают как монодентатные. Последний вариант можно отвергнуть на основании того факта, что константы устойчивости комплексов с бидентатными лигандами (тартратом, двузамещенным цитратом и т.д.) на несколько порядков выше, чем для аналогичных монодентатных лигандов (ацетата).

азотсодержащими лигандами (аминами и аминокислотами) приведены в Табл. 1.5 [28, 47, 50, 51].

H2N-(CH2)2-NH-(CH2)2-NH-(CH2)2-NH2 25. (Arg) Как и в случае кислородсодержащих лигандов, и моно-, и бидентатные лиганды образуют устойчивые комплексы состава HgL2. Следовательно, азотсодержащие бидентатные лиганды также стабилизируют координационное число 4 у Hg(II).

К сожалению, выборка органических О-доноров, приведенная в Табл. 1. не является представительной. В ней практически отсутствуют данные для ароматических лигандов и многих алифатических полидентатных лигандов (в частности, малоната). Тем не менее, на основании имеющихся данных можно говорить, что многие лиганды, которые могут входить в структуру ГФК образуют с Hg(II) прочные комплексные соединения.

1.3. Реакционная способность ГФК по отношению к тяжелым Как указывалось выше, ГФК содержит функциональные группы, способные образовывать довольно прочные связи с тяжелыми металлами, в частности с Hg(II). Указанная способность ГФК связывать тяжелые металлы, снижая их токсичность, а также повсеместное распространение гумусовых кислот в биосфере обусловливает необходимость изучения взаимосвязи между структурой и реакционной способностью ГФК по отношению к тяжелым металлам, и, в частности, к Hg(II) - одному из опаснейших экотоксикантов.

Отсюда вытекает задача надежного определения реакционной способности ГФК.

1.3.1. Основные типы взаимодействий между ГФК и тяжелыми Как показывает анализ литературных данных, существует два основных подхода к исследованию взаимодействий металлов с ГФК. Один заключается в исследовании взаимодействия металлов с твердыми препаратами ГФК (обычно в данном случае в качестве ГФК используют ГК в силу их крайне медленной растворимости в воде или нативный торф [52]). Другой заключается в исследовании взаимодействия ГФК с металлами в растворах.

Взаимодействие металлов с твердыми препаратами ГФК обычно сводится к сорбции металлов на твердых препаратах. Процессы сорбции описываются либо изотермой Фрейдлиха [53]:

либо изотермой Лэнгмюра [54]:

где Q - сорбция (количество или масса сорбированного металла на единицу массы ГФК), Qmax - максимальная сорбция, KFr - эмпирическая константа Фрейндлиха, n - эмпирический показатель степени, Ksorb - константа сорбции, [M] - концентрация металла в равновесии с сорбентом.

С нашей точки зрения, более предпочтительно описание сорбции изотермой Лэнгмюра. Тому есть следующие причины. Во-первых, изотерма Лэнгмюра, в отличии от изотермы Фрейндлиха, позволяет определить величину максимальной сорбции. Во-вторых, Ksorb в изотерме Лэнгмюра имеет определенную размерность, в то время как размерность KFr будет различаться для разных препаратов ГФК и даже для разных экспериментов с одним и тем же препаратом из-за эмпирического подбора показателя степени у размерной величины в изотерме Фрейндлиха. Это делает значения KFr несопоставимыми для разных препаратов. И, наконец, последнее: изотерма Лэнгмюра следует из определенной модели сорбции и в рамках этой модели Ksorb имеет строгий термодинамический смысл, в то время, как KFr имеет сугубо описательный характер.

В ряде работ определяли максимальную сорбцию металлов ГФК в соответствии с изотермой Лэнгмюра. Так, по данным [54], при рН 3-5 и времени экспозиции 4 сут., максимальная сорбция металлов на ГК различного происхождения составляла 0.17-0.22 ммоль/г для Cu2+; 0.09-0.18 ммоль/г для Zn2+; 0.10-0.18 ммоль/г для Pb2+. По другим данным [55], для почвенных ГК при рН 3 она составляла 0.23 ммоль/г для Cu2+, 0.29 ммоль/г для Pb2+ и 0.26 ммоль/г для Hg2+. Указанные значения говорят о хорошей способности твердых препаратов ГК сорбировать тяжелые металлы. Однако изучение сорбции металлов на твердых ГФК имеет ряд недостатков. Во-первых, подобные исследования можно проводить только в достаточно кислой среде, иначе ГФК начинают растворяться. Во-вторых, максимальная сорбция может сильно зависеть от степени измельчения ГФК и поэтому не являться характеристикой собственно ГФК. Поэтому чаще изучают взаимодействие металлов с ГФК в растворах.

При взаимодействии ГФК с солями металлов в растворах возможно два пути реакции: образование растворимых и нерастворимых гуматов [13], причем последнее протекает при больших соотношениях металл:ГФК [56-59]. Так, согласно работе [57], в которой изучалось образование нерастворимых гуматов железа (III) и меди (II), осадки начинали выпадать при добавлении 1 мг-экв Fe и 1.9 мг-экв Cu на 1 г ГК почв с одновременным понижением рН раствора. В [59] показано, что образование осадка наблюдается при соотношении металл:ГФК, составлявшем 12 ммоль/г для Ni2+, 9 ммоль/г для Co2+ и 1.5 ммоль/г для Cu2+.

Образование нерастворимых гуматов металлов при различных рН подробно изучено в [58]. Показано, что гуматы начинают выпадать при рН меньших, чем рН выпадения соответствующих гидроксидов. В работе [56] взаимодействием ГК с солями металлов получены нерастворимые гуматы, содержавшие (в ммоль/г) 1.0-3.0 Co2+, 1.5-2.8 Cu2+, 1.2-3.6 Mn2+, 0.7-3.5 Ni2+ и 0.8-2.0 Zn2+.

Сопоставление указанных данных с результатами экспериментов по адсорбции металлов на твердых ГФК показывают, что твердые ГФК сорбируют на порядок меньше металлов, чем может быть связано ГФК при выпадении гуматов и растворов. Однако литературных данных по количественному описанию процессов образования нерастворимых гуматов из растворов ГФК и солей металлов найти не удалось.

соотношениях (более 1 ммоль/г) металл:ГФК. При меньших соотношениях характерны малые соотношения металл:ГФК, образование комплексов наиболее вероятный путь взаимодействия между металлами и ГФК в окружающей среде. Поэтому в качестве основной характеристики реакционной устойчивости осложняется рядом особенностей ГФК, которые могут быть кратко сформулированы следующим образом.

установления стехиометрии взаимодействия ГФК-металл, к зависимости кон связавшегося с ГФК, а также к тому, что процессы комплексообразования осложняются кислотной диссоциацией ГФК.

Полидисперсность ГФК приводит к невозможности корректного расчета термодинамической константы равновесия процессов с участием ГФК.

установления стехиометрии взаимодействия металл-ГФК, в связи с наличием в одной молекуле ГФК различающихся по силе центров связывания металла.

Вышеуказанные особенности делают практически невозможным прямое определение термодинамической константы комплексообразования ГФК с металлами и требуют разработки подходов, которые позволили бы получить константу, с одной стороны, имеющую термодинамический смысл, а с другой позволяющую ее практическое использование для расчетов распределения используемых в литературе подходов к решению указанных проблем посвящен следующий раздел.

1.3.2. Подходы к описанию констант устойчивости комплексов В общем случае реакция комплексообразования металла М с лигандом L описывается следующим уравнением (без учета зарядов):

где М - металл, L - лиганд, а m и n - стехиометрические коэффициенты.

Термодинамическая константа этого равновесия при условии, что концентрации равны активностям, имеет вид:

где в квадратных скобках приведены равновесные молярные концентрации соответствующих компонентов.

Для определения константы (1.13) необходимо определить m, n, [M], [L], [MmLn]. При этом определение n и m является принципиальным, поскольку от них зависит размерность константы устойчивости. Для простых лигандов m и n, как правило, легко определяется, поэтому для вычисления константы достаточно определить соответствующие равновесные молярные концентрации. Однако, если в качестве лиганда выступает ГФК (L=ГФК), то, как указывалось выше, ни стехиометрию взаимодействия, ни молярную концентрацию ГФК корректно определить невозможно. Следует отметить, что некорректно определенная стехиометрия взаимодействия может привести к тому, что полученные значения констант будут несопоставимы друг с другом и с константами, полученными другими авторами в силу их разных размерностей.

Кроме того, при сложной стехиометрии взаимодействия в растворе могут сосуществовать несколько различных комплексов, поэтому определение равновесных концентраций, необходимых для расчета константы (1.13) нередко представляет дополнительные трудности.

Таким образом, для определения констант устойчивости комплексов концентрацию ГФК и определить стехиометрию взаимодействия ГФК с металлом. Также необходимо учесть влияние кислотной диссоциации ГФК на константы устойчивости и учесть неравноценность металлсвязывающих центров ГФК. Подходы к решению указанных задач представлены ниже.

1.3.2.1. Определение молярной концентрации ГФК В качестве концентрации ГФК используют:

• массовую концентрацию ГФК (г/л) [60, 61] • молярную концентрацию ГФК, определенную исходя из ее средней молекулярной массы [62-65] • молярную концентрацию тех функциональных групп в ГФК, которые, по мнению автора, ответственны за связывание металла [66, 67 ] • молярную концентрацию металлсвязывающих центров (МСЦ) (она же эквивалентная концентрация ГФК) [5, 68-71] Замена молярной концентрации ГФК массовой, хотя и позволяет рассчитывать влияние ГФК на распределение металла по формам, не имеет термодинамического смысла. Эту трудность обычно обходят, рассуждая о взаимодействии металлов с ГФК в терминах адсорбции [60, 61]. К сожалению, полученные таким образом константы несопоставимы с рассчитанными другими авторами в силу разных размерностей.

Расчет молярной концентрации ГФК с использованием ее молярной массы может привести к значительным ошибкам. Дело в том, что из-за нерегулярности строения ГФК можно говорить только о среднечисловой или средневесовой молекулярных массах. Определение и той, и другой неточно. Для одного и того же препарата молярные массы, определенные различными методами различаются в десятки раз [72]. Более того, даже если определить молярную массу точно, или, как это сделано в [62] разделить ГФК на фракции, близкие по молекулярным массам, это не облегчит определение константы, поскольку стехиометрия взаимодействия металл-ГФК в этом случае останется неопределенной (разд. 1.3.2.2).

Из этих соображений представляется более оправданным использование в указанных целях молярной концентрации функциональных групп ГФК, ответственных за связывание металла, или концентрацию металлсвязывающих центров. Этот прием позволяет упростить стехиометрию взаимодействия металл-ГФК.

При использовании в качестве молярной концентрации ГФК молярной концентрации функциональных групп, ответственных за связывание металла, адекватность полученных значений констант реально протекающим процессам определяется правильностью выбора соответствующих функциональных групп.

Поэтому правильность такого выбора необходимо проверять, как, например, это было сделано в работе [66]. Ее авторы предположили, что в качестве медьсвязывающих центров выступают салицилатные фрагменты, потенциометрически определили их концентрацию в растворах ГФК, и методом изомолярных серий подтвердили, что они образуют с медью комплекс состава 1:1. Однако при этом возможность дополнительного координирования иона Cu2+ другими лигандами не учитывалась. В других работах [67, 80] в качестве металлсвязывающих групп рассматривали все заряженные группы, однако правильность такого выбора не проверялась.

Поскольку правильность выбора тех ли иных функциональных групп в качестве металлсвязывающих требует проверки, более разумным кажется использование непосредственно концентраций металлсвязывающих центров.

Они используются довольно часто. При этом есть три принципиально разных способа их расчета. Первый заключается в определении максимальной комплексообразующей способности (МКС) растворов ГФК той или иной концентрации [73]. Для определения МКС тем или иным способом определяют концентрацию связанного металла при больших отношениях металл:ГФК.

Второй способ заключается в моделировании зависимости концентраций тех или иных компонентов в системе металл-ГФК друг от друга и подборе таких значений констант и концентраций металлсвязывающих центров, чтобы модель наиболее близко описывала экспериментальную зависимость соответствующих концентраций. Третий способ был применен для установления эквивалентной концентрации ГФК при ее реакции с Fe(III) авторами [74]. Для этого было проведено титрование ГФК хлоридом железа (III) с турбидиметрической индикацией конечной точки. В работе [75] с целью определения концентрации МСЦ точно так же титровали раствор ГФК солью алюминия. Данный способ нельзя признать удачным, так как флокуляция гуматов трехвалентных металлов может наступить гораздо раньше, чем будут заняты все центры связывания.

Кроме того, ГФК могут содержать разное количество центров связывания для различных металлов.

Ниже приведены литературные данные по содержанию МСЦ в ГФК, определенных различными методами.

Содержание МСЦ в различных препаратах ГФК Природные воды (6 образцов) 6-8 0.5-1.8 ммоль/г С Моделирование [76] Из Табл. 1.6 видно, что содержание медьсвязывающих центров в различных препаратах ГФК различается не более, чем в 4 раза, при том, что оно определялось принципиально разными методами, для разных препаратов и при разных рН. Следует заметить, что содержание медьсвязывающих центров в ГФК близко к максимальному содержанию меди в нерастворимых гуматах (1.5-2. ммоль/г [56]). Содержание ртутьсвязывающих центров лежит в том же диапазоне, что и медьсвязывающих центров.

Следует заметить, что в части работ проблема выражения концентрации ГФК не является предметом специального обсуждения. Между тем, константы, рассчитанные на основании концентраций ГФК, выраженных разными способами, часто бывают несопоставимы. Так, если константу, рассчитанную через массовую концентрацию ГФК (г/л) принять за 1, то для того же препарата ГФК константа, определенная через молярную массу будет в 103-106 раз больше, через молярную концентрацию карбоксильных групп - в 102-104 раз больше.

В связи с вышеизложенным нам представляется наиболее разумным в качестве молярной концентрации ГФК использовать концентрацию металлсвязывающих центров в растворе ГФК. С одной стороны, при этом однозначно задается стехиометрия 1:1, с другой - достаточно адекватно выражается концентрация реальных лигандов.

1.3.2.2. Определение стехиометрии взаимодействия ГФК с металлами Как уже указывалось в предыдущем разделе, достоинством использования эквивалентной концентрации ГФК является однозначность описания стехиометрии взаимодействия ГФК с металлами. Основная проблема при этом корректное определение эквивалентной концентрации ГФК. В дальнейшем, во избежание терминологической путаницы, мы будем называть эквивалентную концентрацию ГФК молярной концентрацией металлсвязывающих центров и обозначать [МСЦ] в отличие от [ГФК] молярной концентрации ГФК, рассчитанной из ее молярной массы.

Если концентрация ГФК выражается как [МСЦ], это означает, что задается априори стехиометрия 1:1. Как говорилось выше, [МСЦ] определяют либо из величины максимальной комплексообразующей способности ГФК, либо в ходе приближения экспериментальной и модельной зависимости концентрации каких-либо двух компонентов системы ГФК-металл.

Чтобы пояснить последний способ, запишем выражение для константы устойчивости гумата металла, выраженного через [МСЦ] материального баланса:

аналитические концентрации МСЦ и М известны, система содержит четыре неизвестных (три равновесные концентрации и константу). Поэтому чтобы рассчитать константы достаточно экспериментально определить одну из равновесных концентраций, сократив таким образом число неизвестных до трех и решив полученную систему. Однако, как указывалось выше, С(МСЦ) часто бывает неизвестна. Тогда из системы (1.14)-(1.16) какую-либо из концентраций аналитически выражают через другие концентрации и константу. После этого рассчитанную зависимость определяют экспериментально. Далее минимизируя отклонения экспериментальной и аналитической зависимости подбирают K и С(МСЦ). Использованные при этом зависимости и аналитические выражения для них приведены в Приложении А.

Для использования вышеописанного способа необходимо получить соответствующую зависимость для большого диапазона соотношений металллиганд. Это является недостатком данного способа, поскольку в этом случае, как правило, проявляется неравноценность металлсвязывающих центров в ГФК.

Результатом являются отклонения экспериментальной зависимости от аналитической, которые трудно интерпретировать. В работе [78] по этому поводу говорится, что получаемые таким образом константы можно считать скорее описательными параметрами, чем реальными характеристиками центров связывания. Кроме того описанный способ нахождения К(МСЦ) и С(МСЦ) требует весьма точных методов определения соответствующих компонентов равновесных смесей.

При использовании в качестве концентрации ГФК ее молярную концентрацию ГФК, определенную из молярной массы, для установления стехиометрии взаимодействия можно применять метод изомолярных серий [79].

Метод заключается в приготовлении серии растворов, содержащих металл и ГФК в таких концентрациях, чтобы их сумма была постоянной. При этом следят за изменением значения какого-либо физико-химического параметра в серии.

Точка перегиба зависимости параметра от молярного соотношения компонентов соответствует составу комплекса [51]. В качестве соответствующих физическохимических параметров описано использование оптической плотности растворов [63], электрохимического потенциала [66].

Метод изомолярных серий не лишен недостатков. Так, неточное определение молярной массы ГФК может привести к неверному определению стехиометрии взаимодействия. Метод также не позволяет отличать комплексы состава 1:1 от 2:2 и т.п. Кроме того, ГФК с большой молярной массой (что особенно важно для гуминовых кислот) будет присоединять несколько ионов металла и в этом случае определение будет неточным. Из-за химической гетерогенности ГФК контролируемые физико-химические свойства могут различаться для разных фракций, что также способствует снижению правильности метода. Кроме того, метод изомолярных серий можно применять только в том случае, если металл и ГФК сосуществуют в растворе во всем диапазоне соотношений металл:ГФК. Между тем, как указывалось выше, ГФК способны образовывать с металлами нерастворимые осадки, что ограничивает применение метода изомолярных серий.

Во избежание указанных выше трудностей экспериментального определения стехиометрии взаимодействия ГФК с металлом, ее часто соответствующую стехиометрию постулируют. Как правило, считают, что ГФК образуют моноядерные комплексы, то есть принимают m=1. В литературе имеются противоречивые сведения относительно обоснованности такого подхода. С одной стороны, методами ультрафильтрации, показано, что металлы способствуют агрегированию фульвокислот с M6 (Рис. 1.4). Кроме того, показано увеличение содержания медьсвязывающих центров в ГФК с ростом рН [64] и увеличение констант устойчивости гуматов меди [64].

Кислотно-основные равновесия с участием ГФК выражаются уравнением:

где L - ГФК или МСЦ. Этот процесс описывается соответствующей константой кислотности:

Его влияние начинает проявляться при рН, когда степень диссоциации HL становится значительно отличной от 1. В качестве условной границы можно принять значение рН=рКа+1. При этом значении рН степень диссоциации кислоты составляет 90% и уменьшается с уменьшением рН, что приводит к заметному уменьшению [L]. В этом случае нужно либо учитывать это уменьшение, либо рассчитывать условную константу комплексообразования для данного значения рН (далее - рН-условную константу). Она по определению представляет собой следующее:

где Сf(L) - концентрация всех форм L, не связанных с металлом. Если L (1.24) представляет собой h-основную кислоту, то рН-условная константа связана с реальной следующим выражением:

где (Ka)j - константа диссоциации кислоты по j-й ступени.

В некоторых работах [65] для пересчета рН-условной константы устойчивости фульвата меди в реальную использовали данные по константам потенциометрически. Однако определение констант диссоциации ГФК не всегда удается провести корректно [86], поэтому в большинстве работ ограничиваются определением рН-условной константы.

Зависимость констант комплексообразования ГФК с металлами от ионной силы раствора [87, 88] может быть обусловлена двумя эффектами. Во-первых, изменением коэффициентов активности электролитов в зависимости от ионной силы [49]. Во-вторых, изменением заряда полианиона ГФК в процессе комплексообразования.

Как правило, при определении констант устойчивости гуматов металлов ограничиваются определением условной константы при постоянной ионной силе или константы, экстраполированной на I=0. Последняя константа имеет гораздо экспериментального материала при разных значениях ионной силы. Для учета полиэлектролитого эффекта предложен ряд моделей [19, 60, 89, 90], однако указанные модели весьма громоздки. Кроме того, они нередко рассматривают ГФК как отдельную фазу, что приводит к, а потому константы, получаемые в рамках соответствующей модели несопоставимы с константами гомофазного комплексообразования.

С другой стороны, если количество связанного металла составляет менее 5% от количества ионизированных групп, вклад полиэлектролитного эффекта незначителен [91]. В этом случае значения констант, полученные при определенной ионной силе можно пересчитывать на I=0 по уравнению Дэвиса (разд. 1.2.2.2).

1.3.2.4. Учет неравноценности металлсвязывающих центров в ГФК и неравномерности их распределения по силе связывания Для описания распределения металлсвязывающих центров по силе применяют ряд моделей, которые приведены ниже.

Одноцентровая модель (модель А). В простейшем случае предполагают, что все центры связывания в молекулах ГФК равноценны. Тогда для стехиометрии 1:1 константа устойчивости гумата металла находится по формуле где L - молекула ГФК или МСЦ. Для стехиометрии 1:n форма записи соответствующей константы несколько усложняется:

Очевидно, что константы (1.26) и (1.27) являются некими средними величинами. При этом особого внимания заслуживает вопрос о процедуре усреднения, который рассмотрен на С. Ошибка! Закладка не определена.. В дальнейшем мы будем называть подобные константы кажущимися.

Кажущаяся константа, определенная в соответствии с одноцентровой моделью, описывает связывание ГФК с металлом при фиксированных значениях рН, ионной силы и соотношения С(L)/С(М) [92], то есть является условной.

Расчеты на основании таких констант достаточно просты, однако их можно применять только для условий, близких к тем, в которых они были получены.

Сравнивать константы для разных образцов также можно только в том случае, когда они получены в близких условиях. Кроме того, учитывая, что реально металлсвязывающие центры ГФК неравноценны, термодинамический смысл кажущейся константы неочевиден.

Двухцентровая модель (Модель Б). Модель допускает наличие в ГФК двух типов центров связывания с металлами [93]. Как правило, для расчета констант в соответствии с этой моделью используют концентрацию ГФК, рассчитанную через молярную массу. Экспериментально находят тем или иным способом [M] и отношение [M.ГФК]/[ГФК] и линеаризуют зависимость этого параметра от [L] следующим образом (метод Скетчарда [94]):

где = константа устойчивости соответствующего комплекса. Определяя экспериментально, строят зависимость от и графически определяют искомые величины [95] (Рис. 1.6).

Рис. 1.6. График Скетчарда для связывания ионов металла двумя типами центров гумусовых кислот при наличии в ГФК двух типов МСЦ [95]. 1 и m1 относятся к “сильным” центрам, 2 и Расчеты по моделям такого типа достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными [96, 97] и часто используются.

Кроме метода Скетчарда в рамках двухцентровой модели применялся экспериментальной зависимости [M] от С(M) [98]. При этом находили как K(МСЦ), так и содержание МСЦ обоих типов в речных ФК. Последнее колебалось в диапазоне 0.56-1.9 ммоль/г С для более слабого центра и 0.1-0. ммоль/г С для более сильного.

распределение МСЦ и описывает комплексообразование набором констант и долей групп, характеризуемых данной константой [78,99-101]. Из этих моделей представляет интерес модель фиксированных констант [78], на основании которой строится дискретное (в работе [78] - с шагом в 1 единицу lgK) распределение лигандов по значениям lgК (lgК-спектр). В других случаях [99] моделируют ГФК смесью лигандов с определенными рК. Соответствующая потенциометрического титрования ГФК металлами неплохо совпадают с рассчитанными кривыми титрования смеси лигандов.

непрерывное распределение МСЦ [67,70,93,99,103-108]. При этом функция распределения может как задаваться априорно, так и определяться.

В качестве априорно задаваемой чаще всего выступает функция Гаусса [68, 70, 107]. При гауссовом распределении МСЦ зависимость [MМСЦ] (концентрация связанного металла) от [M] (концентрация свободного иона металла) выражается следующим уравнением:

где K(M) - константа связывания данного центра с металлом, C(МСЦ) - общая концентрация всех МСЦ, s - стандартное отклонение для значений lgK(M), C(МСЦ), µ - среднее значение lgK(M) (рассчитываются при минимизации отклонений экспериментальных зависимостей от уравнения (1.29).

возможность определения общей молярной концентрации МСЦ. К недостаткам априорное задание функции распределения, которая может не соответствовать реальной.

определении функции распределения МСЦ по силе. С этой целью была предложена и термодинамически обоснована [109, 110] дифференциальная константа связывания, выражаемая как где K(МСЦi) - константа связывания МСЦ i-го типа, i - степень заполнения МСЦ i-го типа, i - доля центров связывания i-го типа в общем числе центров экспериментальных данных по формуле, приведенной в [110]:

где Для проведения расчетов по модели (1.31) необходимо предварительное определение C(МСЦ). Следует заметить, что определение Kdif (1.30) записано в соответствии с моделью дискретного распределения. Тем не менее, при расчете этой константы по уравнению (1.31) получается непрерывная зависимость Kdif от. Более того, на основе экспериментальных данных авторы [67] построили непрерывную зависимость lgKdif от lg(и показали, что она линейно уменьшается.

Это говорит о том, что граница между многоцентровой моделью и моделью непрерывного распределения весьма условна.

Модель непрерывного распределения МСЦ в терминах адсорбции металла [MМСЦ]/C(МСЦ)=f([M]) подробно разработана в [60].

Несмотря на ряд достоинств (в первую очередь, учет неравномерности распределения МСЦ по силе связывания), модель непрерывного распределения обладает рядом недостатков. Для ее использования требуется большой массив экспериментальных данных в широком диапазоне соотношений ГФК/металл.

При этом точность измерений концентрации свободных ионов металла должна быть сопоставима с точностью измерения рН стеклянным электродом [68, 111].

К сожалению, лишь немногие методы удовлетворяют данным требованиям.

Вдобавок, расчеты распределений металлов по формам на основании этих моделей очень трудоемки. Поэтому иногда из полученного распределения вычисляют средневзвешенную константу (особенно это удобно делать, если распределение Гауссово), сводя таким образом модель Г к модели А [70].

Таким образом, получается дилемма: часть моделей распределения МСЦ по силе связывания требует получения большого объема экспериментального материала и громоздких расчетов, но при этом вполне адекватно характеризует металлсвязывающие центры; другая часть не требует большого объема экспериментальных данных и громоздких расчетов, но при этом неясно, насколько адекватно они характеризуют МСЦ. Последний вопрос обсуждается ниже.

Взаимосвязь многоцентровой и одноцентровой модели. Фактически, переход от многоцентровой модели к одноцентровой осуществляется через следующие уравнения связи:

где N - общее число типов центров связывания, Li - молекула ГФК или МСЦ i-го типа. Большинство аналитических методов позволяют определить либо [ML] либо [L], но не позволяют определить [MLi] и [Li] (Приложение Б).

Следовательно, как было указано в [76], в рамках многоцентровой модели кажущаяся константа (1.26) выражается следующим образом:

С другой стороны, средневзвешенная константа, по определению, выражается как где K(МСЦi) - константа устойчивости комплекса металла с центром связывания i-го типа, а i- доля этого типа в общем числе центров связывания.

Проверим, совпадают ли кажущаяся константа (1.35) и средневзвешенная (1.36). Для этого в уравнении (1.36) выразим K(i) и i согласно их определению и вынесем 1/[M] из-под знака суммы. Тогда средневзвешенную константу можно записать более подробно:

Выражение (1.37) можно свести к выражению (1.35) в одном и только одном случае: если для всех центров связывания C(Li)=[Li], то есть если степень заполнения всех центров связывания, выражаемая как [67] мала. Иначе кажущаяся константа, определяемая большинством методов (1.35) не совпадает со средневзвешенной.

Необходимо также заметить, что ни кажущаяся, ни средневзвешенная константы в общем случае не характеризуют энергетику связывания металла с МСЦ, поскольку из формулы следует, что для получения усредненной энергии связывания необходимо усреднять логарифмы констант, а не сами константы.

Таким образом, рассматривая и сопоставляя вышеописанные модели непрерывного распределения позволяют рассчитывать константы устойчивости гуматов металлов, способные термодинамически характеризовать металлсвязывающие центры. Однако, расчеты по этим моделям требуют большого массива экспериментальных данных, полученных с большой точностью. Одноцентровая модель, наоборот, не требует большого массива экспериментальных данных, однако в общем случае для термодинамической характеристики металлсвязывающих центров она неприменима.

1.3.3. Химическая природа металлсвязывающих центров в ГФК и Химическая гетерогенность ГФК предполагает большое структурных фрагментов, ответственных за связывание металлов, которое обусловлено как различием функциональных групп, участвующих в связывании металла, так и разнообразием их возможных сочетаний при образовании МСЦ. Универсального метода, который позволил бы оценить вклад всех возможных функциональных группировок ГФК в связывании металлов не существует. Методы и подходы, которые использовались для установления природы МСЦ, и результаты, полученные в рамках описываемых методов и подходов, приведены ниже.

ИК-спектроскопия. В ИК-спектрах гуматов металлов (Cd2+, Mn2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+, Co2+) наблюдаются полосы поглощения при 1400 и 1570-1610 см-1, характерные для симметричного и асимметричного колебания карбоксилат-иона.

При этом полосы ок. 1700 см-1, характерной для свободной COOH-группы не наблюдали [19]. На основании этого был сделан вывод о том, что существенную роль в связывании металлов с ГФК играют карбоксильные группы.

ЭПР-спектроскопия. Данный метод применим только для исследования взаимодействия ГФК с ионами, имеющими неспаренные электроны, к которым предмет нашего рассмотрения (ион Hg2+) не относится. Этим методом была показана роль салицилатных группировок в связывании Cu(II) [64].

,-корреляционная спектроскопия (TDPAC). Этот метод является достаточно новым. Он был применен [112] для исследования природы центров связывания Cd2+ и Hg2+ с ГФК. Исследование показало, что основную роль в связывании этих металлов играют амино- и тиольные группы.

Стехиометрия взаимодействия ГФК с металлами. Сопоставляя стехиометрию взаимодействия морских ГФК с металлами, определяемую полярографически, с их функциональным составом, авторы [113] пришли к выводу, что ГФК связывают металлы (Cd2+, Cu2+, Zn2+) за счет взаимоудаленных карбоксильных, карбонильных и гидроксильных групп. При этом возможность связывания металлов карбонильными группами, на которую указано в данной работе, вызывает сомнение вследствие крайне малого сродства карбонильных групп к металлам.

В другой работе [66], основываясь на результатах потенциометрического определения содержания фрагментов салицилатного типа в ГФК с одной стороны, и стехиометрией взаимодействия медь:ГФК с другой стороны, авторы установили, что основную роль в связывании меди играют салицилатные группировки. Это было подтверждено константами устойчивости гуматов (см.

ниже). На схожем основании в работе [18] было указано на роль салицилатных и фталатных группировок в связывании Cu(II).

Константы устойчивости комплексов ГФК с металлами. Для установления химической природы МСЦ в ГФК обычно используют подход, представляющий ГФК как смесь лигандов с разными константами устойчивости соответствующих комплексов, что теоретически обосновано в [101]. Так, в работе [114] ГФК моделировали смесью лигандов, в которую входят цитраты, малонаты и аминокислоты. В [115] в состав модельной смеси входили лиганды, содержащие аминокислотные, салицилатные, дигидроксильные и кето-енольные фрагменты. Однако все способы установления природы МСЦ, основанные на координирования ГФК отдаленными структурными фрагментами. Наличие такого координирования не позволит напрямую соотносить константы устойчивости гуматов металлов с константами устойчивости их комплексов с модельными соединениями, поэтому к их результатам нужно подходить осторожно.

Таким образом, можно говорить, что результаты различных исследований связывании ГФК с металлами. Роль других функциональных групп не столь очевидна. По всей видимости, для установления природы центров связывания ГФК с металлами необходим комплексный подход, сочетающий различные методы.

1.4. Реакционная способность ГФК по отношению к Hg(II) Как и для других металлов, при взаимодействии ГФК с Hg2+ наблюдали нерастворимых гуматов [58, 116] и комплексообразование. Кроме того, в связи с рядом особенностей Hg(II) по сравнению с другими тяжелыми металлами (Разд.

1.2) наряду с описанными процессами для нее возможно протекание таких специфических процессов, как восстановление и метилирование. При этом, как показывают многочисленные исследования, абиотическое метилирование Hg(II) гумусовыми кислотами не играет принципиальной роли по сравнению с биотическим [117]. Поэтому ниже будут подробно рассмотрены только процессы комплексообразования и восстановления.

Комплексообразование - основной путь взаимодействия ГФК с металлами (разд. 1.3). Этот процесс также описан для Hg(II) (Табл. 1.7).

Константам устойчивости гуматов ртути (литературные данные).

“Aldrich” вающие центры, полиэтилене * Константа устойчивости рассчитана нами по данным о влиянии ГФК адсорбцию Hg(II) на полиэтилене в дистиллированной воде, приведенным в [34]. Содержание ртутьсвязывающих центров в ГФК фирмы “Aldrich” было определено на основе наших экспериментов (разд.2.2). рН системы, содержащей ГФК и Hg(II) авторы не определяли, поэтому системе был приписан рН дистиллированной воды. Мы считали, что на полиэтилене сорбируется Hg(OH)2 и рассчитывали [Hg.РСЦ]/[Hg(OH)2], где РСЦ - ртутьсвязывающий центр (аналогично разд.2.2). На основании данных по рН и C(РСЦ) рассчитывали константу устойчивости гумата ртути. Константа уменьшалась по мере увеличения соотношения ГФК:Hg(II), что могло быть обусловлено как неравноценностью центров связывания, так и закислением раствора за счет введения ГФК, сопровождающимся увеличением [Hg2+]/[Hg(OH)2].

Проведенные нами модельные расчеты показали, что за счет этого эффекта при снижении рН с 7 до 5.5, кажущаяся константа устойчивости гумата ртути должна была упасть на 3 порядка.

Как видно из таблицы, имеющиеся литературные данные различаются на 15 порядков. Этот факт требует подробного анализа всех работ с тем, оценить адекватность полученных констант процессам комплексообразования ГФК с Hg(II).

В первую очередь обращают на себя внимание низкие значения констант в работах [70 и 118]. Авторы работы [118] проводили эксперименты с твердыми препаратами ГФК, что заставляет сомневаться в адекватности полученных значений констант процессам, протекающим в растворах. Более того, авторы указывают, что к моменту измерения распределения ртути равновесие достигнуто не было. Следует также отметить, что использованные препараты ГФК имели “интенсивно-зеленый цвет”, что крайне нетипично для ГФК и указывает на загрязненность препарата.

В работе [70], также приводятся весьма низкие значения константы устойчивости. С нашей точки зрения, результаты данной работы противоречивы.

Это связано с тем, что авторы определяли константы устойчивости гуматов ртути исходя из измерений концентрации свободного иона Hg2+. Однако при условии lgK(HgРСЦ)=4.7, ГФК практически не будет влиять на [Hg2+]. Чтобы это продемонстрировать, рассчитаем, насколько изменится [Hg2+] за счет ее связывания с ГФК в условиях этой работы.

Одну из серий экспериментов авторы [70] проводили при рН 6.

Концентрация ГФК при этом составляла 28 мг С/л, что соответствует ~1 мкМ РСЦ. Hg(II) находилось в заведомом недостатке. Для расчета распределения Hg(II) по формам использовали формулу:

lg2(Hg(OH)2)=21.83 [28]. Тогда в отсутствие ГФК [Hg2+]/C(Hg)=1.4791062.10-6, а в присутствии - 1.4791061.10-6. То есть введение ГФК вызывает изменение доли свободного иона Hg2+ на 10-5%. Эта величина гораздо меньше ошибки потенциометрического метода, составляющего не менее 1% [120].

По всей видимости, указанное противоречие связано с использованием электрода на основе HgI2. HgI2 довольно хорошо растворим (0.004 г/100г воды, что соответствует 9.10-6М [121]), что может вызвать различные артефакты.

На основании вышеизложенных соображений, значения lg2(HgГФК)=5. и lgK(HgРСЦ)=4.6 не следует рассматривать как адекватные оценки реакционной способности ГФК по отношению к Hg(II).

Анализ остальных работ не выявил факторов, которые могли бы существенно исказить значения констант устойчивости, приводимые авторами.

Таким образом, можно говорить, что гуматы ртути - весьма устойчивые комплексы и значение их константы устойчивости не меньше, чем 1011.

1.4.2. Восстановление Hg(II) гумусовыми кислотами Вследствие большого окислительно-восстановительного потенциала пары Hg2+/Hg0 (Ео=0.850 В) ртуть способна легко восстанавливаться даже в присутствии слабых восстановителей. Наличие в ГФК гидрохинонных групп, а также других фрагментов, несущих неспаренные электроны, позволяет предположить возможность восстановления Hg(II) до элементарной под действием ГФК. С другой стороны, связывание Hg(II) в комплексные соединения с ГФК должно понижать потенциал восстановления ртути, и, как следствие, препятствовать восстановлению. Поэтому зависимость скорости восстановления Hg(II) от концентрации ГФК может иметь весьма сложный вид.

Кроме того, процесс абиотического восстановления Hg(II) конкурирует с биотическим, причем последний доминирует в почвах и донных отложениях [122]. Таким образом, возможность абиотического восстановления Hg(II) ГФК труднопредсказуема, и зависит от различных факторов (концентрация ГФК и других лигандов, содержание кислорода, наличие света).

Так, в работе [123] показано наличие абиотического восстановления Hg(II) ГФК до элементарной, которое, однако, протекает очень медленно (при 2.10-6М ртути (II) и 10 мг/л ГФК в течение 50 ч восстанавливается не более 25% введенной ртути), причем хлориды подавляют этот процесс.

В отличие от предыдущей работы данные [122, 124] указывают на очень быстрое восстановление Hg(II). Так, согласно [122], при рН3, 5.10-6М Hg(NO3) и 5.10-4 М ФК вся введенная ртуть практически полностью восстанавливается до элементарной в течение 15 секунд, причем после введения Hg(NO3)2 выделение ртути начинается моментально. При рН>6 за то же время восстанавливается 20% введенной ртути. В работе [124] получены схожие результаты для синтетических ГФК, однако здесь выделение ртути длилось в течение ~5 мин после введения Hg(II) в раствор ГФК. Из данных работы неясно, происходит ли восстановление полностью.

Следует отметить, что данные о высокой скорости восстановления Hg(II) ГФК [122, 124] противоречат работе [34], авторы которой наблюдали практическое отсутствие потерь Hg(II) из раствора, содержащего 50 мг/л ГФК, в течение 15 дней. Более того, результаты [122, 124] противоречит результатам по комплексообразованию Hg(II) с ГФК, приведенным в предыдущем разделе. Во всех работах, посвященных комплексообразованию, указания на потери Hg(II) отсутствуют. Кроме того, представляется маловероятным, что окислительновосстановительная реакция в очень разбавленных растворах с участием весьма слабого восстановителя способна полностью пройти менее, чем за 15 секунд.

Таким образом, несмотря на наличие данных о быстром восстановлении Hg(II) гумусовыми кислотами, наличие такого процесса представляется маловероятным.

Таким образом, литературные данные подтверждают наличие разных типов взаимодействия ГФК с Hg(II). Анализ имеющихся данных показывает, что основное направление взаимодействия ГФК с Hg(II) - комплексообразование. Из этого следует, что ГФК способны влиять на токсичность Hg(II).

1.5. Токсикологические аспекты взаимодействия 1.5.1. Формы существования Hg(II) в природной среде Свойства Hg(II), описанные в разд. 1.2.1 предопределяют ее сложное поведение в природной среде. Этому вопросу посвящено большое количество публикаций. Многочисленные литературные данные [125, 126, 127, 128, 129] по формам существования Hg(II) в водных экосистемах и равновесиям между ними обобщены на Рис. 1.7.

Из Рис. 1.7 видно, что формы существования Hg(II) в водной среде, в том числе неорганические, весьма разнообразны. Поэтому необходимо рассмотреть данные о токсичности ее различных форм.

1.5.2. Биологическое действие различных форм Hg (II) на живые 1.5.2.1. Общие механизмы токсического действия Hg(II) Токсическое действие соединений Hg(II) основано на их взаимодействии с функциональными группами ферментных и мембранных белков, прежде всего сульфогидрильными:

а также аминными и карбоксильными [130, 131, 132, 133]. Указанные взаимодействия изменяют конформацию белковых молекул, что приводит к нарушению их ферментной и транспортной активности. Высокое сродство Hg2+ к указанным функциональным группам способствует ее накоплению в живых организмах.

Известно, что соединения, способные связывать Hg(II) в прочные комплексы снижают ее токсичность. Так, введение аминокислот способствует снижению токсического действия Hg(II) на водоросли [134]. Следует отметить, что в качестве противоядий при отравлениях Hg2+ используют такие меркурофильные лиганды, как 2,3-димеркаптопропанол (БАЛ), 2,3-димеркаптосульфонат натрия (унитол) и т.п. [131]. Это говорит о том, что токсическое действие можно снизить, тем или иным способом сместив равновесие реакции (1.41) влево. При этом комплексные соединения Hg(II) различной прочности скорее всего, будут оказывать различное токсическое действие. Однако указанное положение необходимо проверить по литературным данным.

АТМОСФЕРА

ВЕЩЕСТВО

ТОЛЩА ВОДЫ

Результаты лабораторных исследований, направленных на изучение влияния ГФК на токсичность и бионакопление Hg(II), говорят о снижении обоих эффектов. Так, ГФК снижали токсичность Hg(II) по отношению к Daphnia magna [158]. В экспериментах с рыбами было показано падение коэффициента биоаккумуляции Hg в рыбах Oryzias latipes в 20 раз за счет введения 20 мг/л ГФК (0.5 мг/л Hg(II); 40 ч экспозиция) [159]. Сходные результаты получили авторы [160] для рыб Salmo gairdneri.

Таким образом, имеющиеся данные позволяют утверждать о наличии у ГФК детоксицирующих свойств по отношению к Hg(II), однако эти свойства были проверены на весьма ограниченном круге биообъектов. Кроме того, в литературе отсутствует информация о подходах, которые позволили бы предсказывать детоксицирующее действие ГФК на основании их структурных параметров или количественных характеристик их реакционной способности.

Рассмотренный литературный материал позволяет сделать следующие выводы:

экспериментальных данных, полученных с малыми погрешностями, либо не позволяют получить характеристики, имеющие явный термодинамический смысл.

Гумусовые кислоты способны образовывать как нерастворимые, так и растворимые соединения с Hg(II), причем в природных условиях образуются преимущественно последние. Указанные процессы осложняются гидролизом иона Hg2+. Данные по константам устойчивости растворимых гуматов противоречивы, однако можно сделать вывод, что эти комплексы весьма прочны.

Количественная взаимосвязь между структурой ГФК и их реакционной способностью не описана, однако исходя из соответствующих закономерностей для низкомолекулярных органических лигандов можно сделать вывод, что величины констант устойчивости гуматов Hg(II) будут в первую очередь определяться природой группировок, непосредственно отвечающих за связывание Hg(II), а затем - влиянием химического окружения на электронную плотность на указанных группировках.

Данные о природе структурных фрагментов ГФК, непосредственно ответственных за связывание Hg(II) отрывочны.

ГФК могут снижать токсичность и бионакопление Hg(II) различными организмами, однако количественная взаимосвязь между реакционной способностью ГФК и указанными эффектами не описана. При исследовании этих эффектов особое внимание нужно уделять форме существования Hg(II).

2.1. Выделение и характеристика препаратов ГФК Объектами настоящего исследования являются нефракционированные препараты гумусовых кислот различного происхождения. Выбор данных объектов был обусловлен тем фактом, что любое фракционирование веществ с непрерывным распределением свойств весьма условно. Характеризуя гумусовые кислоты в целом, а не фракции гуминовых или фульвокислот, можно судить о свойствах, присущих всему веществу, а не его отдельным компонентам. Данный подход облегчает перенесение закономерностей, полученных в лабораторных условиях, на уровень реальных систем. Для того, чтобы результаты настоящей работы можно было соотносить с результатами работ, в которых раздельно изучаются свойства гуминовых и фульвокислот, в список изучаемых объектов были внесены препараты гуминовых кислот (ГК) почв.

Нефракционированные препараты ГФК выделяли из основных типов природных источников этих веществ - торфа, донных отложений, почв и вод.

Использовали также препараты ГК почв и угля.

2.1.1. Выделение препаратов и их физические свойства Для проведения исследований по стандартным методикам были выделены в препаративных количествах и охарактеризованы 10 образцов ГФК и 2 образца растворенного органического вещества (РОВ) природных вод, которое на 80% состоит из ГФК [161]. Выборка образцов охватывала основные источники происхождения ГФК - торф, донные отложения, почвы и природные воды.

Кроме того, для повышения представительности исследуемой выборки использовалось 13 образцов гумусовых кислот, предоставленных лабораторией ФОХ и факультетом почвоведения МГУ.

Твердые препараты гумусовых кислот представляли собой аморфные порошки от темно-желтого до коричневого цвета, причем более светлая окраска была характерна для образцов водного происхождения.

Исследование растворимости препаратов показало, что они практически нерастворимы в бензоле, хлороформе, хлористом метилене, пиридине, ТГФ, эфире, ограниченно растворимы в полярных апротонных растворителях (ДМСО и ДМФА) и дистиллированной воде, но обладают значительной растворимостью в растворах щелочей (до 20 г/л). Препараты не имели фиксированных точек плавления и разлагались при нагревании свыше 1500С.

2.1.2. Характеристика состава препаратов гумусовых кислот Для характеристики элементного состава препаратов ГФК необходимо было найти содержание С, H, N, S. Содержание С, H, N и S в препаратах определяли методами количественного полумикроанализа. Этими же методами определяли содержание золы. Первичные данные элементного анализа пересчитывали на органическое вещество (ОВ), то есть на беззольную часть препарата. Содержание кислорода рассчитывали по разности между общей массой ОВ в препарате и массой вышеперечисленных элементов. Результаты приведены в Табл. 2.1. При этом жирным курсивом отмечены препараты, выделенные в ходе настоящей работы.

В первую очередь обращает на себя внимание высокая зольность многих выделенных препаратов. Она создает некоторые трудности при определении их элементного состава. Так, определенное методами автоматического полумикроанализа содержание углерода в ОВ высокозольных препаратов значительно меньше, чем в ОВ низкозольных. При этом для всех препаратов, кроме коммерческих, между содержанием углерода и зольностью наблюдается хорошая обратная корреляция (Рис. 2.1). Это может быть обусловлено связыванием углерода со щелочноземельными металлами с образованием карбонатов, которые не разлагаются в условиях элементного анализа, либо неполным сгоранием углерода в условиях микроанализа.

Рис. 2.1. Зависимость содержания углерода в ОВ ГФК от зольности Как следствие, искажаются такие важные характеристики ГФК, как ненасыщенности и окисленности ГФК (Рис. 2.2, Рис. 2.3) Рис. 2.2. Зависимость отношения Н/С от зольности препаратов ГФК Рис. 2.3. Зависимость отношения О/С от зольности препаратов ГФК Вышеизложенные результаты ставят проблему влияния зольных компонентов на данные элементного анализа ГФК. Первым шагом к ее решению должно быо стать определение состава минеральной компоненты ГФК. При этом следовало учитывать, что высокая зольность могла быть обусловлена двумя причинами. Во-первых, некачественным обессоливанием (тогда зольность должна быть обусловлена в первую очередь натрием). Во-вторых, природными минеральными компонентами, неотделимыми от ГФК в ходе использованных нами процедур выделения.

Для определения состава минеральной компоненты растворы всех ГФК, кроме ПДл(Н), ПДл и СЛл, были проанализированы методами АЭС и АЭС-ИСП.

Анализ трех указанных растворов не проводили, поскольку они были получены растворением твердых препаратов в щелочи и содержали поэтому заведомый избыток минеральных компонентов по сравнению с чистыми препаратами.

рассчитывали молярное содержание соответствующего элемента в ГФК. Далее, на основании химических свойств данного элемента делали предположение о форме, в которой он присутствует в золе и вычисляли ее молярное содержание.

На основании полученных значений для каждого элемента рассчитывали массу зольной формы, приходящейся на единицу массы ГФК. Также рассчитывали суммарную массу золы по данным АЭС-ИСП и соотносили ее с результатами прямого определения зольности (Табл. 2.2).

Учитывая трудность разложения соответствующих карбонатов, считали, что все щелочные металлы, кальций и магний в условиях определения превращаются в карбонаты, а остальные элементы - в оксиды. Однако ситуация осложнялась наличием в золе кислотных оксидов (SiO2, TiO2, B2O3, Al2O3), которые могут реагировать с карбонатами с выделением углекислого газа:

Поэтому содержание золы в ГФК из данных ИСП рассчитывали для двух крайних случаев: реакция кислотных оксидов с карбонатами отсутствует (max) и кислотные оксиды реагируют с карбонатами в соотношении 1:1 (min).

Содержание зольной формы минерального элемента в ГФК, мг/г Форма Na2CO3 CuO K2CO3 CaCO3 MgCO3 Al2O3 SiO2 Fe2O3 ZnO MnO2 B2O3 TiO В первую очередь обращает на себя внимание, что для большинства препаратов, особенно низкозольных, даже минимальная зольность, рассчитанная из данных ИСП значительно превышает величину, определенную методами органического полумикроанализа. Экстремальная ситуация была зафиксирована для препарата МХ14, зольность которого превышала 100%. Это говорит о том, что данные ИСП, особенно в случае малого содержания минеральных элементов, заметно искажаются, что обусловлено, по-видимому, влиянием органической матрицы. Однако они весьма полезны для для анализа качественного состава зольных компонентов ГФК.