Металлические яды

Р.У.Хабриева и Проф. Н.И. Калетиной. ГЭОТАР-Медиа, 2010, 752 с. Коллектив

авторов: С.А.Еремин, С.К.Еремин, Г.И.Калетин, Н.И.Калетина, А.Е.Коваленко, Е.А.Симонов, А.В.Скальный, Р.У.Хабриев.

Токсикологическая химия. Учебник. Т.Х.Вергейчик, под ред. проф. Е.Н.Вергейчика. Москва, «МЕДпресс-информ», 2009, 400 с.

Химико-токсикологический анализ веществ, изолируемых минерализацией. «Металлические» яды. Учебное пособие для аудиторной и самостоятельной работы студентов. Под ред. Арзамасцева А.П. и Раменской Г.В. Москва, 2008, 59 с.

Швайкова М.Д. Токсикологическая химия. М.:Медицина, 1975

человека
Микро- и макроэлементы
Макроэлементы:
Органообразующие C,O,H,N,P,S – 97,4%
ионы Са2+, Мg2+,Na+,CӀ-

более 0,01 %
Микроэлементы : на уровне 0,00005-0,02%
Эссенциальные: Сu,Zn,Со,Мо,Fe,Mn
Условно необходимые: Cr,Ni,V
Примесные: Аs, Hg,Pb,и др.
см. л 15, 16.

должны быть обнаружены, и предполагаемого в дальнейшем метода исследования.
1.2. Ртуть,

мышьяк, таллий, кадмий, свинец, барий, медь, марганец, хром, цинк, сурьма, серебро, висмут.
2.2. Селен, теллур, олово, железо, молибден, никель, бериллий, кобальт, ванадий, литий. (Приказ МЗ СССР №1021 от 25.12.1973)
Объекты исследования – кровь, моча, органы и ткани организма, ногти, волосы, «вещдоки», объекты окружающей среды.
Методы анализа: «Дробный» химический анализ
Физико-химические методы (ААС, АЭС, МС, НАА, РФА, др)
Иммуно-химические методы

происхождения проводится методом минерализации.
Для изолирования «металлических» ядов из объектов

биологического происхождения необходимо разрушить органические вещества, с которыми связаны металлы, и перевести их в ионное состояние, а затем в минерализате идентифицировать и определить количественно.

окислителями (серной, азотной, хлорной кислотами, их смесями в присутствие перекиси

водорода, хлората калия, нитрата аммония, или др. окислителей), находящимися в жидкой фазе, при нагревании до Т кипения
Частный вариант для ртути – деструкция – разрушений смесью кислот в присутствии этанола
«Сухая минерализация (озоление)» - сжигание, термическое разложение или пиролиз, сплавление с солями щелочных металлов

под действием серной и азотной кислот
2) глубокое окисление органических веществ

(находящихся в жидкой фазе) под действием концентрированной азотной кислоты
3) денитрация (удаление) соединений азота из минерализатов

100 г объекта + H2SO4+HNO3 +Н20
1 стадия = Деструкция –

разрушение материала клетки и форменные элементы, но не липидов. Окисление азотной кислотой. 15 – 20 минут
HNO3+ С(органический)  NO2 + СО2 + Н2О (желто-бурый р-р)
2 стадия = глубокое окисление , в т.ч. жиров
По каплям добавляется разбавленная HNO3, температура повышается. Окисление за счет HNO3 и Н2SO4. Длится 3-4 часа
H2SO4+ С(органический)  SO2 + СО2 + Н2О (бесцветный р-р, или слабоокрашеный в присутствии хрома или меди)
Денитрация удаление избытка окислов азота, азотной и азотистой кислот – добавление формалина для окисления их в летучие окислы NO, NO2, N2. Полноту денитрации проверяют добавлением дифениламина к аликвоте раствора по отсутствию синего окрашивания .

5 HCHO → 2 N2 ↑+ 5 CO2 ↑+ 7

H2O

4 HNO2 + 2 HCHO → N2 ↑+ 2 NO↑ + 2CO2 ↑+ 4H2O

NO + [O] → NO2 ↑

2 NO2 + H2O → HNO2 + HNO3

реакции с дифениламином в среде конц. H2SO4 переводит его в

продукт окисления – синий дифенилдифенохинондиимин

2 C6H5NHC6H5  C6H5-NH-C6H4-C6H4-NH-C6H5 + 2 H+ + 2e-
Дифениламин дифенилбензидин (бесцветный)
C6H5-NH=C6H4=C6H4=NH-C6H5 + 2 H + + 2e дифенилдифенохинондиимин синий

Окончание стадии денитрации - отсутствие синего окрашивания с раствором дифениламина в серной кислоте

большинства металлов – универсальность
Небольшие объемы получаемого минерализата
Большая чувствительность дальнейшего анализа

к ряду катионов
Недостатки:
Не пригоден при анализе на ртуть
Используются относительно большие объему агрессивных реагентов - кислот, окислителей
Выход токсичных паров и газов (окислы азота, серы и т.п.) в окружающую среду

материала под действием кислот , без полного разрушения органических веществ.

Разрушение форменных элементов, связи ртути с белком.
В колбе Кьельдаля медленное нагревание 20 г объекта + 5 мл воды + 1 мл этанола + 10 мл концентрированной HNO3;
По каплям добавляют конц. H2SO4 с нагреванием, чтобы поддерживалась реакция разложения азотной кислоты с выделением тепла, но окислы не выделядись из реакционной колбы.
Этанол выступает катализатором
С2Н5ОН + НОNO2<=>C2H5ONO + H2O

C2H5ONO + H2O <=> C2H5OH + HNO2

азота, затем нагревают на водяной бане 10–15 минут.
HNO2+

С(органический)  NO2 + СО2 + Н2О (желто-бурый р-р)

Денитрацию проводят добавлением насыщ. р-ра мочевины
HNO3+ (H2N)2CO  N2 + NO + СО2 + Н2О
HNO2+ (H2N)2CO  N2 + СО2 + Н2О
N2O3+ (H2N)2CO  N2 + СО2 + Н2О
Избыток мочевины удаляют нагреванием в присутствии H2SO4 Полноту денитрации проверяют добавлением дифениламина к аликвоте раствора по отсутствию синего окрашивания .

— часы заменяются минутами
нет потерь легколетучих элементов — полное извлечение

Hg, Se, As
нет кислотных паров — улучшение условий работы персонала
снижение вероятности загрязнения пробы уникальный дизайн сосудов и уменьшение объемов реагентов

обычно – волос, ногтей, остатков мочи и т.п.
Метод сухого озоления

основан на нагревании органических веществ (1-10 г) до высокой температуры (300-400оС) при доступе воздуха.
Сжигание для определения меди, марганца, висмута, цинка. Объект измельчают, высушивают на песчаной бане, нагревают при 300-400ºС. Обугленный остаток смачивают нитратом аммония, нагревают до белой золы. Обрабатывают НСl или НNО3
Один из главных недостатков данного метода связан с частичным или полным улетучиванием «металлических» ядов при сжигании. Метод применяется при исследовании объектов на наличие ионов марганца Mn2+, меди Cu2+, цинка Zn2+, висмута Вi3+.

Объект подщелачивают избытком NаOH, смачивают р-ром нитрата аммония или конц.

НNО3. нагрев при 500ºС до полного сжигания. Золу анализируют.

смесью карбоната и нитрата натрия (2:1). В тигле расплавляют NаNО3,

порциями вносят смесь с образцом, нагревают до получения белой массы. Остужают, обрабатывают горячей водой

Метод сплавления применяется при исследовании на наличие ионов мышьяка As3+, серебра Ag+ и некоторых других металлов.

на постадийном обнаружении каждого из ионов.
Для исключения мешающего влияния

других ионов используют комплексообразование, экстракцию в органический растворитель и т.п.
Для исключения обнаружения естественного уровня элементов используют разведение и реакции разной чувствительности.
Заключение об отравлении выносят на основание использования нескольких реакций разной чувствительности и специфичности
Количественное определение титрование и фотометрия с использованием реакций окрашивания и комплексообразования
Физико-химические спектральные методы (л.16)
Атомно-адсорбционная спектрометрия
Атомно-эмиссионная спектрометрия
Масс-спектрометрия
Рентгенофлуоресцентный анализ

смеси, на обнаружение искомых ионов.
1. Образование устойчивых комплексов (бесцветных,

не реагирующих с используемыми реактивами)
Цианиды : Со(СN)6]4- ,Fe(СN)6]4- Ni(СN)4]2- Zn(СN)4]2- Сu(СN)4]3- Сd(СN)4]2- Hg(СN)4]2- Ag(СN)2]- легко демаскируются разложением или вытеснением
Фосфаты: в кислой среде ионы Fe (III) => Fe(PO4)23-
Тиосульфаты: для ионов Fe (III), Ag, Pb, Cu, др.
Фториды: Fe (III) => FeF63-
Трилон Б - для ионов Со, Сd, Cu, Fe, Mn, Pb, Zn, Mg и др. в количественном анализе
Гидроксиламин – образует комплексы (Со), выступает восстановителем Fe (III), окислителем для AsO2-, SbO2-
Тиомочевина для ионов Bi, Fe (III), Ag, Sb (III), Cd, Hg, gp.
2. Изменение рН среды
3. Изменение валентности ионов окислением-восстановлением

в воде (сине-чёрные хлопья), и растворим при рН ›7 (раствор

жёлто-оранжевого цвета).
В органических растворителях дитизон растворяется хорошо. При этом растворы дитизона окрашены в интенсивный зелёный цвет.

вторичные) дитизонаты.
В кислой среде (и при избытке дитизона) образуется первичный

дитизонат:

В щелочной среде (при недостатке реагента) образуется вторичный дитизонат

-- селективная экстракция в определенном интервале рН
-- реэкстракция при изменении рН или образовании более прочных комплексов

растворимы в органических растворителях: хлороформе, четыреххлористом углероде, эфире, изоамилацетате, пиридине,

ацетоне


Используют ДДТК натрия при исследовании на ионы цинка и кадмия (комплексы бесцветные, с целью экстракционного выделения этих металлов из минерализата) и (ДДТК)2РЬ, который является чувствительным и специфичным реактивом для обнаружения ионов меди.

ДДТК кислота нестойкая. Соли ДДТК натрия или аммиака-хорошо растворимы в воде и бесцветны.

Hg>Ag>Co>Cu>Ni (Bi)>Pb>>Cd>Fe (III)>Zn>Mn.

противоположно заряженным ионом. В результате образуется незаряженная молекула, способная экстрагироваться

органическим растворителем (бензолом, толуолом, ксилолом, изопропиловым эфиром)
Sb2(SO4)3 +4 NaNO2 +12 HCl 
2HSbCl6+2Na2SO4 + H2SO4 + 4H2O +4NO↑

малахитовый
зеленый

Голубой

HSbCl6 +

бесцвет. кристаллы в виде крестов и прямоугольников)
Восстановление ВаSO4 до ВаS

окрашивание пламени в зеленый цвет
Образование Ва (IО3)2 сростки бесцветных кристаллов в виде сфероидов.

ОБНАРУЖЕНИЕ ИОНОВ БАРИЯ

Концентрации средние: плазма 50-90 мкг/л; моча 1,5-5,0 мкг/л; волосы 0,2-1,0 мкг/л
Границы обнаружения бария: при реакции перекристаллиза­ции из конц. серной кислоты — 0,01 мг в 100 г органа, при реакции образования йодата бария — 0,5 мг в 100 г органа.

мг/л
Волосы 0,05-52 мг/кг
Ногти 14-40 мг/кг
Печень 0,05-2,5 мг/кг

Токсические концентрации
Кровь 0,1

– 2,28 мг/л
Моча 0,05 – 0,08 мг/л
Волосы более 25 мг/л

Pb ацетат
при осадке более 2 мг свинца
Осаждение с КJ => PbJ2 желтый ПрО 6х10-2 мг/5 мл;
Осадок с Н2S => PbS2 черный
ПрО 6х10-3мг /5 мл
Осадок с К2Сr2О7 => Pb СrО4 оранжевый ПрО 2х10-3мг /5 мл

при осадке менее 2 мг свинца
Реакция с дитизоном (рН 7-9) количеств. опред.
Микрокристаллические реакции
Образование CsPbJ2
Образование К2 СuPb(NO2)6

= 7,0 — 8,0, хлороформ
Реакция обнаружения по характерной окраске -

красная;
Количественное определение - фотометрия. Чувствительность 5x10-5 мг/мл

Образовавшийся в хлороформной фазе однозамещенный дитизонат свинца разлагают НNO3. При этом образуется нитрат свинца, который переходит в водную фазу,

иодидом калия.
Образуются желто-зеленые игольчатые кристаллы, собранные в виде сфероидов.

Чувствительность 1x10-5 мг.

Реакция с ацетатом меди и нитритом калия.
Образование черных или коричневых кристалликов, имеющих форму куба. Чувствительность 1x10-5 мг.

рН =2 образуется однозамещенный дитизонат AgHDz
коричневато-желтый цвет хлороформного слоя
Дитизонат

серебра разлагается 0,5 Н НСl (в отличие от НgHDz)
Осаждение серебра из минерализата NaCl ;
Осадок отфильтровывают, промывают 0,5 Н р-р НCl ; растворяют в 0,5-4 мл 8Н р-ра NH4OH

с азотной кислотой.
[Ag(NH3)2]Cl + 2HNO3(рН = 1) → AgCl

↓ + 2NH4NO3
Реакция с иодидом калия. Желтоватый осадок AgI
[Ag(NH3)2]Cl + KI → AgI↓ + KCl + 2NH3↑

Реакция с тиомочевиной и пикратом калия. На сухой остаток наносят несколько капель насыщенного р-ра тиомочевины, каплю насыщенного р-ра пикрата натрия. Образование желтых призматических кристаллов или сростков из них указывает на Ag

NaH2PO4 при нагревании на водяной бане 20 мин. Образуется окраска

от розовой до красно-фиолетовой.
Граница обнаружения 0,02 мг в 100 г биопробы. ПрО 0,1 мкг/мл

Реакция с персульфатом аммония
При кипячении в кислой среде с катализатором (соль серебра) персульфат аммония окисляет ионы марганца до перманганат-иона MnO4- (розовое окрашивание)

2Mn 2+ + 5 S2O82- + 8H2O → 2MnO4- + 10SO42- + 16H+

Граница обнаружения 0,02 мг в 100 г биопробы

3+ окисляют при помощи персульфата аммония в присутствии катализатора (соли

серебра) до бихромат-ионов. После прибавления перекиси водорода к бихромату образуется надхромовая кислота, которая извлекается в слой этилацетата, и имеет голубую или сине-голубую окраску . Чувствительность 2 мкг /мл.
Граница обнаружения в органах 0,2 мг в 100 г органа

минерализате, окисляют персульфатом аммония в присутствии катализатора (ионы серебра) до

бихромат-ионов. Для маскировки мешающих ионов Fe(III), Sb(III) и др.прибавляют фосфаты. Образовавшиеся дихромат-ионы реагируют с дифенилкарбазидом. Вначале дихромат-ионы окисляют дифенилкарбазид (I) до дифенилкарбазона (II), неокрашенный. При дальнейшем окислении образуется дифенилкарбадиазон (III), имеющий светло-желтую окраску:

Чувствительность 2 мкг /мл.
Граница обнаружения в органах 0,1 мг в 100 г органа

ДДТК Na Оптимальные условия экстракции Zn2+: рН 8,5, комплексообразование кадмия

тиомочевиной (или тиосульфат-ионом) при качественном исследовании. Реэкстракция проводится 1 н. НСl,
He мешают мышьяк, сурьма, олово, серебро, медь, ртуть, марганец, хром, никель, кобальт при содержании их до 20 мг в 100 г органа. Влияние Fe устраняют комплексообразованием с калия,натрия-тартратом или лимонной кислотой.

не менее 5 мг в 100 г органа, что исключает

обнаружение естественно содержащегося в организме Zn (5 мг на 100 г — средняя граница).
Реакция имеет отрицательное судебно-химическое значе­ние. При отрицательном результате исследование заканчивают и дают заключение, что цинк не обнаружен, при положительном — проводят основные реакции.

Образование дитизоната Zn

(чувствительность 1,5x10-3 мг),

Zn2+ + Na2S → ZnS↓ + 2 Na+

Образование

гексацианоферроата цинка рН=5
чувствительность Зх10-3 мг

3Zn2+ + 2K4[Fe (CN)6] → K2Zn3[Fe (CN)6]2 ↓ +6K+

Образование тетрароданомеркуриата цинка чувствительность 2x10 -4 мг.
Zn2+ + (NH4)2[Hg(SCN)4] → Zn[Hg(SCN)4] + 2NH4+

бесцветные кристаллы в виде «дендритов» или одиночных клинообразных кристаллов

с ДДТК-Na при рН 12.
Влияние мешающих ионов Fe(III), Cu2+ устраняют

комплексообразованием. Введение глицерина улучшает выделение кадмия, едкой щелочи – разделение ионов цинка и кадмия
Разрушение - 0,1Н НСl

Далее обнаружение ионов кадмия проводят в реэкстракте

Реакция с раствором ферроцианида калия, рН5

3. Образование комплекса пиридина

с бромидом кадмия


Бесцветные призматические кристаллы
4. Образования комплекса бруцина с бромидом кадмия

Cd2+ + Na2S → CdS↓ + 2 Na+ канареечно-желтый

Cd2+ + K4[Fe(CN)6] = Cd2[Fe(CN)6] + 4K+ белый

Cd2+ + бруцин + H2SO4 + KBr = H2CdBr4(бруцин)2 ↓+ 4K+ + SO42-

Бесцветные призматические кристаллы

Pb(ДДТК)2 в CHCl3 . рН = 3.



цвет от желтого до

коричневого в присутствии меди.

Хлороформный слой отделяют и промывают в течение 30 с 6 н. раствора НСl для разложения избытка Pb(ДДТК)2, дистиллированной водой до рН = 5,0. Комплекс разрушают 1% HgCl2
(ДДТК)2Сu + HgCl2 => Cu 2+ + (ДДТК) Hg

Водный слой отделяют для проведения подтверждающих реакций.

феррицианида меди и кадмия красно-коричневый осадок, переходит в лиловый
Cu2+

+ Zn2+ + 2(NH4)2[Hg(SCN)4] = CuZn[Hg(SCN)4]2 + 4NH4+ лиловый осадок

2Cu2+ + Cd2+ + 2K4[Fe(CN)6] → Cu2Cd[Fe(CN)6]2 ↓ + 8K+

3. Образование пиридин-роданового комплекса меди изумрудно-зеленый

(III), Cd (II), Cu(II) тартратом и комплексоном III
реэкстракция 4н HNO3

в течение 60 с. определении в реэкстракте

обнаружения висмута с 8-оксихинолином (оксином)
Bi3+ + 4KI = [BiI4]- + 4K+
[BiI4]- + C9H6NOH + H+ = ]+ [BiI4]-

обнаружения висмута с тиомочевиной (+количеств.опред.)

О--------BiJ3 * HJ

Оранжевый слой ацетон-амилацетата

зеленым. Чувствительность реакции 5х10-5 мг/мл. Оптимальные условия экстрак­ции: 5 н.

конц. H2SO4, 2 н. НСl, 2 капли 5%-ного раствора нитрита натрия, окисление в течение 5—10 мин, высаливание сульфатом натрия, экстрагент толуол (или ксилол). Сине-голубое окрашивание

Sb2 (SO4)3+4 NaNO2+12 HCl2HSbCl6+2Na2SO4+H2SO4+4H2O+4NO↑

Для отличия Sb от Tl образованиe сульфида сурьмы (чувствительность 1x10-2 мг в 5 мл) при кипячении

2Sb3+ + 3 Na2S2O3 + 3H2O  Sb2S3↓ + 3Na2SO4 +6H+

Красно-коричневый

отрицательное судебно-химическое значение.
Zn + H2SO4  ZnSO4 + 2H

AsO2- + 7 H => AsH3 + 2 H2O
AsO3 3- + 9H => AsH3 + 2 H2O
AsO4 3- + 11H => AsH3 + 4 H2O
AsH3 + HgCI2  AsH2(HgCl)+AsH(HgCl)2+AsH(HgCl)3+HCl
Мышьяковистый водород фиксируется реактивной бумагой, пропитанной бромидом или хлоридом ртути (II). буровато-коричневый цвет. Граница обнаружения мышьяка 0,01 мг. Мешает Sb = 2 мг на 100 г органа.
Мешает сероводород, образующийся при получении водорода. Для его связывания – вата пропитанная ацетатом свинца

основу метода Марша положена реакция восстановления Аs до AsH3 с

последующим термическим разложением до элементарного As, далее окисление до мышьяковистого ангидрида.
I этап исследования. Обнаружение AsH3. Наблюдают при наличии мышьяковистого водорода за окрашиванием пламени у конца восстановительной трубки (синий цвет) и характерным (чесночным) запахом.
Прекратив нагревание, восстановительную трубку осторожно поворачивают на 180°С и вытянутый конец опускают в колбу с 2-5%-ным раствором AgNO3, слабо подщелоченным аммиаком.
Наблюдают потемнение раствора при наличии мышьяковистого водорода.

течение 1 часа. В охлаждаемой части трубки появляется серо-бурый налет

с металлическим блеском.
IIIэтап. Образование мышьяковистого ангидрида, исследование кристаллов
восстановительную трубку прибора отделяют и осторожно (место налета) нагревают на слабом пламени горелки. На холодных частях трубки при этом осаждается мышьяковистый ангидрид в виде белого нале­та, кристаллы которого исследуют под микроскопом. Кристаллы в виде октаэдров.
IV этап. Микрокристаллическая реакция с хлоридом цезия в присутствии йодида калия При незначительном налете мышьяка <0,05 мг)..
Налет мышьяковистого ангидрида или металлического мышьяка растворяют в 2 -3 каплях 50% раствора HNO3 и переносят на предметное стекло. Упаривают досуха. Сухой остаток растворяют в 1 - 2 каплях 10%-ного раствора НСl и вносят 1-2 кристалла SbCl. При наличии Sb наблюдается выпадение осадка Cs2SbCI5×2,5H2O. При отсутствии осадка добавляют несколько кристаллов KJ. При наличии As выпадает осадок ярко-красный CsAsI2×2,5H2O в виде шестиугольников или звездочек.