Система размерностей в прикладной геохимии и геоэкологии

Здесь уместно напомнить учащимся сведения о размерностях и масштабах определений, условно принятых в прикладной геохимии и аналитической химии (макро-, микрои т. д.), а также об основных параметрах обсуждаемых методов: специфичности, чувствительности, производительности, точности, автоматизируемсти, доступности и других характеристиках.

В геохимии и аналитической химии сложилась система размерностей определений, буквально одним словом характеризующая область количества вещества и объемов их проб, с которыми приходится иметь дело аналитику. Речь идет о терминах: «макроанализ» (макроопределения), «микроанализ» (микроопределения), «ультрамикроанализ», «субмикроанализ», «ультрасубмикроанализ» и т. д. В соответствии с этими размерностями аналитических операций иногда принято говорить и о макро- компонентах, лшк/w компонентах, ультрамикро-, субмикро- и других компонентах окружающей среды, характеризуя их концентрации в анализируемой среде. Дадим краткую сводку этих характеристик.

Макроанализ (макроопределения, дециграммовый метод) — аналитические операции с относительно большими количествами анализируемых веществ (0,1 г и более) и с большими объемами проб анализируемых растворов (10 мл и более). Пробы взвешивают на обычных технических или аналитических весах, а при приготовлении растворов и титровании пользуются обычной мерной посудой и бюретками на 25 или 50 мл.

Микроанализ (микроопределения, миллиграммовый метод) — выполнение аналитических операций со средними навесками проб (10^-3— 10^-2 г) и со средними объемами анализируемых растворов (около 1 мл). Для взвешивания проб пользуются аналитическими весами, более точной микропосудой, а для титрования — микробюретками вместимостью 1−5 мл, с ценой деления соответствующей КГ² мл.

Ультрамикроанализ (микрограммовый метод) — совокупность приемов и методов анализа весьма малых образцов вещества (10^-10″ ³ г) в растворах обычных или малых концентраций, но малых объемов проб (КГ³-КГ⁶ мл).

Анализируемую пробу обычно взвешивают на ультрамикроаналитических весах. Операции с ультрамикрообъемами и титрование таких объемов (порядка КГ³ мл и менее) осуществляются капиллярными пипетками (микрошприцами) и капиллярными бюретками с внутренним диаметром 0,05−0,01 см и менее. Некоторые операции выполняют под микроскопом и с применением микроманипуляторов.

Субмикроанализ (нанограммовый метод) — метод анализа сверхмалых навесок проб с количествами порядка 10″⁹— 10^-6 г или в растворах с микроконцентрациями, но в ультрамикрообъемах.

Следовый анализ — определение «следов» примесей в особо низких концентрациях. Следовые концентрации начинаются с млн" ¹ (ppm) — миллионной доли (1 часть следового компонента в 1 миллионе частей матрицы), что соответствует 10″ ⁴%, или 1 мкг/мл (10″ ²мг/мл).

В аналитической химии следовых количеств наиболее часто применяются следующим образом связанные между собой обозначения и единицы измерения концентраций веществ:

1:10^б = 10⁴% (мкг/мл) 1:10* = 10″ ⁷ % (нг/мл) 1:10^|2= Ю" ¹⁰ % (пг/мл) 1:10^{, 5}-10'¹³ % (фг/мл) млн" ¹ (ppm) (частей на миллион) млрд'¹ (ppb) (частей на миллиард) трлн" ¹ (ppt) (частей на триллион) квдрл" ¹ (ppquad) (частей на квадриллион).

• 1мгмиллиграмм 1 мкг — микрограмм 1 нг-нанограмм 1 пг — пикограмм 1 фг-фемтограмм 1 аг — аттограмм
• (10″ ³г)
• (КГ⁶ г = 10'³ мг)
• (10~⁹г = 10'⁶мг= 10″ ³мкг)
• (КГ¹² г= КГ⁹ мг = 10″ ⁶ мкг = КГ³ нг)
• (10¹⁵ г = 10″ ¹² мг = 10'⁹ мкг = КГ⁶ нг =10″ ³ пг) (К)" ¹⁸ г = 10'¹⁵ мг = 10~¹² мкг = 10'⁹ нг = 10″ ⁶ пг)

Методы определения следовых количеств веществ не следует путать с микро-, ультрамикрои субмикрометодами. В следовом анализе принципиально речь идет о сверхмалых концентрациях, а в указанных микрои т. д. методах — о малых и сверхмалых количествах (объемах или массах) проб. В последнем случае концентрации веществ в этих микропробах могут быть достаточно большими — порядка 10'²—10 мг/мл, или 10~³-1,0%.

В процессе геоэкологических исследований предусмотрено выполнение необходимого объема лабораторных анализов собранных проб горных пород, почв, пылеаэрозольных выпадений, биомассы, поверхностных и подземных вод, воздушной атмосферы на широкий комплекс химических элементов. В результате получается всесторонняя характеристика их природного состава, а также степени загрязнения токсичными, радиоактивными элементами и другими веществами.

По существующим нормативам (ГОСТ 17.4.3.04−85) в группу анализов для характеристики природного состава и физикохимических свойств отдельных компонентов геологической среды входят:

• 1) гранулометрический состав по 4 фракциям (0,05 ммпесчаная фракция; 0,05−0,01 мм — крупная пыль; 0,01−0,001 мм — мелкая и средняя пыль; < 0,001 мм — илистая фракция);
• 2) определение или расчет удельной поверхности;
• 3) определение емкости поглощения;
• 4) определение содержания органического вещества;
• 5) кислотность;
• 6) сумма поглощенных оснований;
• 7) количество валовых и подвижных концентраций азота, фосфора, калия, фтора, кремнезема, алюминия, железа;
• 8) состав поверхностных, грунтовых и подземных вод;
• 9) состав основных и специфических загрязнителей в выбросах стационарных и передвижных источников и т. д.

В группу анализов для характеристики степени загрязнения отдельных компонентов геологической среды входят: определение тяжелых металлов различных классов опасности, определение содержаний естественных (уран, торий, калий) радиоактивных элементов, дочерних продуктов распада урана-238 и тория-232 (ГОСТ 17.4.3.04−85) и других веществ (серы, нефтепродуктов), а также редких и редкоземельных элементов.

Научным советом по аналитическим методам (НСАМ) составлен перечень существующих ГОСТов, ОСТов, отраслевых методик и методик предприятий, пригодных для определения компонентов при геоэкологических и геохимических исследованиях.

Аналитические исследования содержаний микрои макрокомпонентов выполняются по отраслевым методикам и ГОСТам. Возможен выбор аналитических методов. Он осуществляется в соответствии с уровнем развития аналитической базы и требованиями экологии к значениям нижних границ количественных определений. Предпочтение отдается методам, позволяющим анализировать комплекс элементов по возможности с минимумом финансовых и временных затрат.