Сульфат аммония: свойства, применение и методы очистки белков.

Введение

Химическое соединение

Сульфат аммония (американский английский и международное научное использование; сульфат аммония в британском английском); (NH4)₂SO₄ — неорганическая соль, широко используемая в различных отраслях промышленности. Наиболее распространенное применение — в качестве удобрения для почвы. Содержит 21% азота и 24% серы.

Применение

Основное применение сульфата аммония – в качестве удобрения для щелочных почв. В почве ион аммония высвобождается и образует небольшое количество кислоты, снижая кислотно-щелочной баланс почвы, одновременно обеспечивая растения необходимым азотом для роста. Главный недостаток использования сульфата аммония заключается в его относительно низком содержании азота по сравнению с нитратом аммония, что увеличивает транспортные расходы. Он также применяется как вспомогательное вещество при опрыскивании сельскохозяйственных культур водорастворимыми инсектицидами, гербицидами и фунгицидами. В этом случае он связывает катионы железа и кальция, присутствующие как в воде из скважин, так и в растительных клетках. Особенно эффективен он в качестве адъюванта для гербицидов 2,4-D (амин), глифосата и глуфосината.

Лабораторное использование

Осаждение сульфатом аммония – распространенный метод очистки белков путем осаждения. По мере увеличения ионной силы раствора растворимость белков в нем снижается. Сульфат аммония чрезвычайно растворим в воде благодаря своей ионной природе, поэтому он способен "высаливать" белки, вызывая их осаждение. Высокая диэлектрическая проницаемость воды способствует легкому сольватированию диссоциированных ионов соли – катионов аммония и анионов сульфата – в гидратационных оболочках молекул воды. Значение этого вещества в очистке соединений определяется его большей способностью к гидратации по сравнению с относительно неполярными молекулами, в результате чего желаемые неполярные молекулы объединяются и выпадают в осадок из раствора в концентрированном виде. Этот метод называется высаливанием и требует использования высоких концентраций соли, способных надежно растворяться в водной среде. Процент используемой соли рассчитывается как отношение к максимальной концентрации, которую соль может растворить в данной смеси. Таким образом, хотя для эффективности метода необходимы высокие концентрации, добавление избыточного количества соли, превышающего 100%, может привести к перенасыщению раствора и загрязнению неполярного осадка солевым осадком. Высокая концентрация соли, достигаемая добавлением или увеличением концентрации сульфата аммония в растворе, позволяет разделять белки на основе снижения их растворимости; такое разделение может быть осуществлено центрифугированием. Осаждение сульфатом аммония происходит за счет снижения растворимости, а не денатурации белка, поэтому осажденный белок можно повторно растворить с использованием стандартных буферов. Осаждение сульфатом аммония представляет собой удобный и простой способ фракционирования сложных белковых смесей. При анализе резиновых латексов летучие жирные кислоты анализируют путем осаждения резины 35% раствором сульфата аммония, в результате чего остается прозрачная жидкость, из которой летучие жирные кислоты регенерируют с помощью серной кислоты и затем дистиллируют с водяным паром. Селективное осаждение сульфатом аммония, в отличие от обычной методики осаждения с использованием уксусной кислоты, не препятствует определению летучих жирных кислот.

Ammonium sulfate precipitation is a common method for protein purification by precipitation. As the ionic strength of a solution increases, the solubility of proteins in that solution decreases. Ammonium sulfate is extremely soluble in water due to its ionic nature, therefore it can "salt out" proteins by precipitation. Due to the high dielectric constant of water, the dissociated salt ions being cationic ammonium and anionic sulfate are readily solvated within hydration shells of water molecules. The significance of this substance in the purification of compounds stems from its ability to become more so hydrated compared to relatively more nonpolar molecules and so the desirable nonpolar molecules coalesce and precipitate out of the solution in a concentrated form. This method is called salting out and necessitates the use of high salt concentrations that can reliably dissolve in the aqueous mixture. The percentage of the salt used is in comparison to the maximal concentration of the salt in the mixture can dissolve. As such, although high concentrations are needed for the method to work adding an abundance of the salt, over 100%, can also oversaturate the solution, therefore, contaminating the nonpolar precipitate with salt precipitate. A high salt concentration, which can be achieved by adding or increasing the concentration of ammonium sulfate in a solution, enables protein separation based on a decrease in protein solubility; this separation may be achieved by centrifugation. Precipitation by ammonium sulfate is a result of a reduction in solubility rather than protein denaturation, thus the precipitated protein can be solubilized through the use of standard buffers. Ammonium sulfate precipitation provides a convenient and simple means to fractionate complex protein mixtures. In the analysis of rubber lattices, volatile fatty acids are analyzed by precipitating rubber with a 35% ammonium sulfate solution, which leaves a clear liquid from which volatile fatty acids are regenerated with sulfuric acid and then distilled with steam. Selective precipitation with ammonium sulfate, opposite to the usual precipitation technique which uses acetic acid, does not interfere with the determination of volatile fatty acids.

Пищевая добавка

В качестве пищевой добавки сульфат аммония признается Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США как общепризнанно безопасный (GRAS), а в Европейском союзе имеет номер E517. Он используется в качестве регулятора кислотности в муке и хлебобулочных изделиях.

Другие применения

При очистке питьевой воды сульфат аммония используется в сочетании с хлором для получения монохлорамина с целью дезинфекции. Сульфат аммония используется в небольших количествах при приготовлении других солей аммония, в особенности персульфата аммония. Сульфат аммония входит в состав многих вакцин, применяемых в Соединенных Штатах, согласно данным Центров по контролю и профилактике заболеваний. Насыщенный раствор сульфата аммония в тяжелой воде (D2O) используется в качестве внешнего стандарта в спектроскопии ЯМР серы-33 (³³S) со значением сдвига δ = 0 ppm. Сульфат аммония также применяется в огнезащитных составах, действуя аналогично фосфату диаммония. В качестве огнезащитного средства он повышает температуру воспламенения материала, снижает максимальную скорость потери массы и способствует увеличению образования остатка или обугленности. Его огнезащитную эффективность можно повысить, смешивая его с сульфаматом аммония. Он использовался в авиационной борьбе с лесными пожарами. Сульфат аммония применялся в качестве древесного консерванта, однако из-за его гигроскопичности это применение было в значительной степени прекращено из-за связанных с ним проблем, таких как коррозия металлических крепежных элементов, изменение размеров и дефекты покрытия.

Свойства

Сульфат аммония становится ферроэлектрическим при температурах ниже –49,5 °C. При комнатной температуре он кристаллизуется в орторомбической системе с параметрами элементарной ячейки a = 7,729 Å, b = 10,560 Å, c = 5,951 Å. При охлаждении до ферроэлектрического состояния симметрия кристалла изменяется до пространственной группы Pna21.

Реакции

Сульфат аммония разлагается при нагревании выше определенной температуры, сначала образуя бисульфат аммония. Нагрев при более высоких температурах приводит к разложению на аммиак, азот, диоксид серы и воду. Как соль сильной кислоты (H2SO4) и слабого основания (NH3), его раствор кислотный; pH 0,1 М раствора равен 5,5. В водном растворе реакции протекают с участием ионов NH4+ и SO42-. Например, добавление хлорида бария приводит к осаждению сульфата бария. Фильтрат после испарения дает хлорид аммония. Сульфат аммония образует множество двойных солей (сульфаты аммония и металлов) при смешивании его раствора с эквимолярными растворами сульфатов металлов и медленном испарении раствора. С трехвалентными ионами металлов образуются квасцы, такие как сульфат железа(III) аммония. К двойным сульфатам металлов относятся сульфат кобальта(II) аммония, сульфат железа(II) диаммония, сульфат аммония-никеля, известные как соли Тюттона, и сульфат церия(IV) аммония.

Законодательство и контроль

В ноябре 2009 года правительство Северо-Западной пограничной провинции (NWFP) Пакистана ввело запрет на удобрения сульфат аммония, нитрат аммония и аммофос в бывшей дивизии Малаканд, включающей округа Верхний Дир, Нижний Дир, Сват, Читрал и Малаканд, после сообщений о том, что они использовались боевиками для изготовления взрывчатых веществ. В январе 2010 года эти вещества были также запрещены в Афганистане по той же причине.