Для минерализации органических веществ методом мокрого озоления применяют кислоты-окислители (азотную, серную и хлорную кислоты), хлорат калия и пергидроль. При помощи этих окислителей происходит разрушение биологического материала с образованием более простых химических соединений. Применяемые окислители разрушают связи между металлами и белками, пептидами, аминокислотами и некоторыми другими соединениями. При минерализации биологического материала, содержащего металлы, связанные в организме с многими жизненно важными органическими соединениями, образуются соли этих металлов, которые можно обнаружить в минерализатах при помощи соответствующих реакций и методов.
Азотная кислота. Первый метод минерализации (разрушения) биологического материала при химико-токсикологических исследованиях предложил русский ученый А. П. Нелюбин. Он применил концентрированную азотную кислоту. Метод разрушения биологического материала концентрированной азотной кислотой сыграл большую роль в развитии химико-токсикологического анализа. Он был использован для разрушения ряда объектов биологического происхождения и последующего обнаружения ионов металлов в минерализатах.
Однако разрушение биологического материала нагреванием с концентрированной азотной кислотой требует большой затраты времени. В некоторых случаях разрушение органических веществ заканчивается только после повторного нагревания объектов биологического происхождения с азотной кислотой. Концентрированная азотная кислота слабо окисляет жиры, находящиеся в биологическом материале. Поэтому иногда требуется проводить экстракцию жиров петролейным эфиром или другими органическими растворителями и только после этого приступать к разрушению органических веществ нагреванием с концентрированной азотной кислотой. При повторном нагревании биологического материала с концентрированной азотной кислотой теряется некоторое количество кобальта, цинка, марганца и других металлов, содержащихся в исследуемых объектах.
Серная кислота. Кроме азотной кислоты для разрушения органических веществ предложена концентрированная серная кислота, действующая как дегидратирующий агент и окислитель. На использовании этой кислоты базируется метод определения азота в органических соединениях по Кьельдалю, предложенный в 1883 г. Концентрированная серная кислота применялась для разрушения различных органических соединений. Разбавленная серная кислота не проявляет окислительных свойств и не разрушает органических соединений. С повышением температуры и концентрации серной кислоты усиливаются ее окислительные свойства. При окислении органических веществ концентрированная серная кислота может восстанавливаться до оксида серы IV, свободной серы или сероводорода.
Концентрированная серная кислота как окислитель органических веществ имеет и ряд недостатков. Процесс окисления органических веществ этой кислотой является длительным. Кроме этого, могут образовываться неразлагающиеся этой кислотой обуглившиеся остатки. В процессе разрушения органических веществ нагретой концентрированной серной кислотой могут улетучиваться соединения ртути. Для ускорения и более полного разрушения органических веществ концентрированной серной кислотой прибавляют катализаторы (сульфат меди, оксид селена IV и др.). В литературе описан ряд модификаций метода разрушения органических веществ концентрированной серной кислотой. Выбор этих модификаций зависит от количества и природы разрушаемых соединений.
Ввиду медленного протекания процесса окисления биологического материала концентрированной серной кислотой и образования неразлагаемых обугленных остатков, этот метод мало пригоден для минерализации объектов биологического происхождения, исследуемых на наличие «металлических ядов».
Смесь серной и азотной кислот. В 1821 г. М.Ж. Орфила для разрушения органических веществ предложил смесь концентрированных серной и азотной кислот. В 1902 г. Мейллер применил смесь азотной и серной кислот для разрушения биологического материала при исследовании его на наличие фосфора. П. К. Равданикис в 1908 г. модифицировал метод Мейллера и применил его в химико-токсикологическом анализе для разрушения биологического материала, содержащего «металлические яды».
Смесь серной кислоты и нитрата аммония. Метод разрушения органических веществ смесью концентрированной серной кислоты и нитрата аммония предложил А. В. Степанов. Этот метод на протяжении ряда лет широко применялся в практике судебно-химических лабораторий СССР.
После разрушения органических веществ смесью серной и азотной кислот или смесью концентрированной серной кислоты и нитрата аммония в минерализате содержится большое количество оксидов азота, которые мешают обнаружению и количественному определению некоторых «металлических ядов». В связи с этим предложены различные вещества для денитрации (освобождения от азотной, азотистой кислот и оксидов азота) минерализатов. Для этой цели применялись пероксид водорода, мочевина, сульфаминовая кислота и др.
Ф. В. Зайковский для денитрации минерализатов предложил формальдегид. Метод, основанный на разрушении органических веществ смесью серной и азотной кислот и на денитрации минерализатов формальдегидом, широко применяется в химико-токсикологических лабораториях нашей страны. Однако этот метод непригоден для химико-токсикологического анализа биологического материала на наличие ртути, значительные количества которой улетучиваются в процессе минерализации.
Смесь хлората калия и соляной кислоты. В химико-токсикологическом анализе для разрушения биологического материала долгое время применялся метод Фрезениуса и Бабо, предложенный в 1844 г. Этот метод основан на разрушении органических веществ хлоратом калия КСЮз и соляной кислотой. При взаимодействии хлората калия с соляной кислотой выделяется хлор, обладающий окислительными свойствами. Выделившийся при этой реакции хлор разрушает биологический материал.
Учитывая, что при использовании хлората калия и соляной кислоты для разрушения органических веществ процесс минерализации происходит медленно, а в ряде случаев минерализация
Хлорная кислота. В химико-токсикологическом анализе для разрушения органических веществ применяется хлорная кислота (НClО 4 ) и ее смеси с другими кислотами. Хлорную кислоту как окислитель в аналитической химии впервые применил А. Щербак в 1893 г. Метод минерализации органических веществ смесью хлорной, азотной и серной кислот в 1934 г. предложил Каан. Метод разрушения органических веществ с помощью хлорной кислоты НСlО 4 характеризуется высокой скоростью минерализации, а также способностью этой кислоты разрушать вещества, стойкие или медленноразлагающиеся другими окислителями.
Учитывая возможность взрыва при разрушении органических веществ хлорной кислотой и ее смесями, необходимо строго придерживаться правил обращения с этой кислотой. Свойства хлорной кислоты и правила обращения с ней приводятся ниже.
Безводная хлорная кислота НС1О 4 представляет собой сильно дымящую жидкость (мол. масса 100,47, плотность 1,768, т. пл. — 112°С, т. кип. 16 °С, 2,39 кПа). Эта кислота гигроскопична, нестойкая и может взрываться при хранении. При нагревании безводной хлорной кислоты до температуры выше 90 °С она разлагается со взрывом. Эта кислота также взрывается при соприкосновении с некоторыми органическими соединениями. Поэтому, работая с безводной хлорной кислотой, следует соблюдать меры предосторожности.
При нагревании разбавленных растворов хлорной кислоты вначале отгоняется вода, а при 203 °С — азеотропная смесь, содержащая 72,4 % (мас.) указанной кислоты. Эта смесь известна как концентрированная хлорная кислота. Ее можно хранить не опасаясь взрыва. Растворы хлорной кислоты, концентрация которых выше 72 °/о, при нагревании разлагаются на хлор, кислород и воду:
4НС1О 4 ---> 2С1 2 + 7О 2 + 2Н 2 О
При нагревании безводной хлорной кислоты может образовываться взрывоопасный Cl 2 O 7.
Хлорная кислота относится к сильным кислотам. Ее окислительные свойства зависят от концентрации и температуры. Сильным окислителем является только нагретая концентрированная хлорная кислота. Холодная концентрированная (70 %-я) хлорная кислота не окисляет даже иодиды до свободного иода и железо (II) до железа (III). Для аналитических целей применяется 30—70% -я хлорная кислота. Разбавленная хлорная кислота не проявляет окислительных свойств ни на холоде, ни при нагревании.
Безводная хлорная кислота является взрывоопасной. Взрыв может произойти и в тех случаях, когда к растворам хлорной кислоты прибавляют водоотнимающие вещества (концентрированную серную кислоту, уксусный ангидрид и др.), гидразин, гид-роксиламин, гипофосфиты и др. При нагревании хлорной кислоты с жирами, целлюлозой, сахаром, многоатомными спиртами, азотсодержащими гетероциклическими соединениями и некоторыми другими веществами тоже может произойти взрыв.
Очень опасны твердые перхлораты (соли хлорной кислоты) некоторых органических соединений (пиридина, анилина, диазосоединеннй и Др.). Они детонируют даже при легком прикосновении к ним или же при их перемешивании. Перхлораты диазосоединений опасны даже во влажном состоянии. Смеси хлорной кислоты с желатином и уксусным ангидридом чувствительны к удару.
Во избежание возможного воспламенения и взрыва не следует обрабатывать хлорной кислотой неразложившиеся органические вещества. Для разложения таких веществ сначала их обрабатывают азотной кислотой, которая разлагает легкоокисляющиеся органические соединения, а затем прибавляют хлорную кислоту.
Учитывая взрывоопасность хлорной кислоты и способность ее вступать в реакции со многими органическими веществами, нельзя хранить эту кислоту в склянках, закрытых корковыми или резиновыми пробками. Сосуды, в которых сохраняют хлорную кислоту, должны быть закрыты притертыми стеклянными пробками.
При использовании хлорной кислоты для минерализации органических веществ нагревание исследуемого материала с этой кислотой необходимо проводить в колбах, снабженных обратными холодильниками. При нагревании содержимого колб с обратными холодильниками вода не улетучивается, а следовательно, и не повышается концентрация хлорной кислоты. Холодильники к колбам нельзя присоединять с помощью корковых или резиновых пробок. Для этой цели применяют холодильники и колбы со шлифами.
В ходе минерализации органических веществ смесью кислот, в состав которых входит хлорная кислота, может происходить обугливание исследуемого материала. В таких случаях содержимое колб необходимо немедленно разбавить водой, а затем производить минерализацию смесью кислот (без хлорной кислоты). Это связано с тем, что обуглившиеся частицы органических веществ могут активно взаимодействовать с хлорной кислотой и давать взрыв.
Не допускается полное испарение жидкостей, содержащих хлорную кислоту. При выпаривании таких жидкостей происходит удаление воды и повышается концентрация хлорной кислоты. В результате этого может произойти взрыв. Если трудно проконтролировать содержание хлорной кислоты в испаряемой жидкости, то в кипящую жидкость прибавляют концентрированную серную кислоту, имеющую более высокую температуру кипения (338 °С), чем хлорная кислота. Поэтому серная кислота останется даже посте полного испарения хлорной кислоты из раствора.
Разлитую хлорную кислоту необходимо сразу же разбавить водой, а затем пол или стол вытереть шерстяной (но не хлопчатобумажной) тряпкой. Если не сделать этого, то вода, содержащаяся в разлитой хлорной кислоте, будет испаряться, а концентрация указанной кислоты—увеличиваться. При определенной концентрации оставшейся хлорной кислоты может произойти загорание или взрыв.
Фильтровальную бумагу, через которую фильтровалась хлорная кислота или ее растворы, необходимо тщательно промывать водой. При несоблюдении этого правила жидкость из непромытых фильтров будет испаряться, а концентрация хлорной кислоты на фильтрах будет возрастать. После высыхания непромытых водой фильтров может произойти их загорание.
Деревянные части вытяжных шкафов, в которых производилась работа с любыми количествами хлорной кислоты, необходимо регулярно хорошо промывать водой.
Пергидроль. Для разрушения органических веществ в химико-токсикологическом анализе иногда применяют пергидроль и серную кислоту. Пергидроль представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, содержащую 27,5—31 % пероксида водорода Н 2 О 2. Окислительные свойства пероксида водорода усиливаются в присутствии серной кислоты. Это объясняется взаимодействием пероксида водорода с серной кислотой с образованием надсерной (пероксомоносерной) кислоты H 2 SO 5, обладающей большой окислительной способностью.
При взаимодействии пероксида водорода с некоторыми органическими веществами может произойти взрыв. Поэтому вначале необходимо частично окислить органические вещества концентрированной серной кислотой, а затем для полного окисления этих веществ в горячий раствор по каплям прибавлять пергидроль.
Иногда для минерализации органических веществ применяют трехкомпонентную смесь (пергидроль, концентрированные серная и азотная кислоты). В этих случаях исследуемый объект вначале обрабатывают смесью концентрированных серной и азотной кислот. После частичного окисления органических веществ этой смесью прибавляют пергидроль, полностью разрушающий органические вещества.
Предложены методики разрушения органических веществ смесью серной, хлорной кислот и пергидроля. Учитывая взрыво-опасность хлорной кислоты, минерализацию органических веществ по этим методикам необходимо проводить, соблюдая меры предосторожности.
При использовании метода разрушения органических веществ пергидролем в присутствии указанных выше кислот возможны потери значительных количеств мышьяка, ртути и других металлов. Эти потери увеличиваются при содержании в исследуемом биологическом материале больших количеств хлоридов.
Предпринята попытка проводить разрушение органических веществ пергидролем в щелочной среде. Окислительная способность пероксида водорода в щелочных растворах ниже, чем в кислых, однако скорость окисления органических веществ перокси-дом водорода в щелочных средах выше, чем в кислых.