skkn hóa học trung học phổ thông

THÔNG TIN CHUNG VỀ SÁNG KIẾN Tên sáng kiến: Vận dụng lý thuyết phân tích trắc quang bồi dưỡng học sinh giỏi thi quốc gia quốc tế Lĩnh vực áp dụng sáng kiến: Giảng dạy bồi dưỡng học sinh giỏi thi Quốc gia, khu vực quốc tế Thời gian áp dụng sáng kiến: khơng có Tác giả: A MỞ ĐẦU I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Phân tích trắc quang phương pháp phân tích quang học dựa việc đo độ hấp thụ lượng xạ điện từ chất xác định vùng phổ định Trong phương pháp này, chất cần phân tích chuyển thành hợp chất có khả hấp thụ xạ điện từ (chủ yếu ánh sáng thuộc vùng khả kiến 400-700nm) Hàm lượng chất xác định cách đo độ hấp thụ ánh sáng hợp chất màu Phân tích trắc quang phương pháp phân tích hóa lý phổ biến quan trọng để xác định hàm lượng nguyên tố, chất hợp chất nhiều đối tượng phân tích khác nhau, ví dụ kiểm tra trình sản xuất cơng nghiệp hố học, cơng nghiệp luyện kim, để nghiên cứu chất điều tra bản, nghiên cứu sinh học, y học khoáng vật học Phương pháp phân tích trắc quang có độ nhạy, độ xác độ chọn lọc cao nên thường dùng hàm lượng bé, trung bình hàm lượng lớn nguyên tố nhiều đối tượng phân tích Phương pháp thực nhanh, thuận lợi, thiết bi đơn giản dễ tự động hoá nên dùng rộng rãi nhiều phịng thí nghiệm, nhà máy… Do đó, phân tích trắc quang có vai trị quan trọng hóa học phân tích nói chung phân tích định lượng nói riêng Hơn nữa, xu dạy học hóa học chuyên phổ thơng nay, phân tích trắc quang trọng nhiều Các đề thi HSG Quốc gia, Quốc tế có phần liên quan trực tiếp đến nội dung Ngoài ra, với việc học tập phân tích trắc quang, học sinh khơng để phục vụ trực tiếp cho việc giải tập phân tích trắc quang mà cịn giúp có nhìn khoa học hơn, chất vấn đề hóa học liên quan sóng ánh sáng, kích thích electron, vv… Tuy nhiên, hệ thống gồm tài liệu phù hợp với học sinh chuyên học sinh đội tuyển thi HSG quốc gia chưa nhiều, phần lớn tham khảo giáo trình đại học Điều quan trọng, chưa hẳn phù hợp với đối tượng học sinh Trên tinh thần hội thảo khoa học này, xin biên soạn chuyên đề: PHÂN TÍCH TRẮC QUANG với mong muốn xây dựng tài liệu nhằm giúp thân đồng nghiệp học sinh tham khảo Đồng thời qua đó, mong muốn với đồng nghiệp trường chuyên tham dự hội thảo xây dựng tài liệu đầy đủ chuyên đề này, giúp cho trình giảng dạy giáo viên học tập học sinh thuận lợi II MỤC ĐÍCH CỦA CHUYÊN ĐỀ Sáng kiến kinh nghiệm Xây dựng hệ thống lý thuyết tập phần phân tích trắc quang nhằm mục đích sử dụng để giảng dạy cho học sinh lớp chuyên Hóa học sinh đội tuyển thi HSG Quốc gia Quốc tế, đồng thời làm tư liệu cho q trình tự học học sinh Chính thế, tiến hành công việc sau: Hệ thống lí thuyết phương pháp phân tích quang Biên soạn tập Sưu tầm tập trắc quang đề thi HSG Quốc gia Quốc tế B NỘI DUNG I PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỊNH LƯỢNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG I.1 Giới thiệu phương pháp phân tích định lượng I.1.1 Các phương pháp hóa học + Phương pháp phân tích khối lượng + Phương pháp phân tích thể tích I.1.2 Các phương pháp vật lý hóa lý + Các phương pháp điện hóa + Các phương pháp tách triết + Các phương pháp phân tích quang học (phân tích trắc quang) I.2 Các phương pháp phân tích quang học phổ hấp thụ phân tử MAS Phân tích trắc quang phương pháp phân tích hóa lý phổ biến va quan trọng để xác định hàm lượng nguyên tố, chất hợp chất nhiều đối tượng phân tích khác nhau, ví dụ kiểm tra q trình sản xuất cơng nghiệp hố học, công nghiệp luyện kim, để nghiên cứu chất điều tra cơbản, nghiên cứu sinh học, y học khống vật học Phương pháp phân tích trắc quang có độ nhạy, độ xác độ chọn lọc cao nên thường dùng hàm lượng bé, trung bình hàm lượng lớn nguyên tố nhiều đối tượng phân tích Phương pháp thực nhanh, thuận lợi, thiết bị đơn giản dễ tự động hố nên dùng rộng rãi nhiều phịng thí nghiệm, nhà máy… II BỨC XẠ ĐIỆN TỪ PHỔ QUANG HỌC II.1 Khái niệm xạ điện từ Sáng kiến kinh nghiệm II.1.1 Bức xạ điện từ (photon): dạng vật chất có tính chất sóng-hạt Bức xạ điện từ đặc trưng đại lượng: - Bước sóng (λ); số sóng  = 1/ - Năng lượng: E = hc/ Trong đó: h số Plank = 6,625.10-34 (J.s); c tốc độ ánh sáng, c = 3.108 m.s-1 - Bức xạ điện từ có độ dài bước sóng λ từ 10-9 nm đến 106 m - Các xạ điện từ lan truyền khơng gian theo dạng sóng, nên goi sóng điện từ tạo giải phổ II.1.2 Phân loại xạ điện từ Các xạ điện từ phân chia thành loại khác tùy theo độ dài bước sóng Bảng 1: Sự phân chia sóng điện từ (phổ) TT 10 11 12 13 14 15 Tên xạ < Tia γ Tia γ Tia X (X-Ray) Soft X-Ray Vacuum-UV UV VIS Near-IR IR FAR-IR Vi sóng UF&UM Sóng radio Sóng dài Sóng dài Vùng λ 25km Tên gọi phổ Sóng siêu ngắn Phổ Gamma Phổ tia X Phổ tia X Phổ tử ngoại chân không Phổ tử ngoại Phổ khả kiến Phổ hồng ngoại gần Phổ hồng ngoại Phổ hồng ngoại xa Phổ sóng ngắn Phổ sóng TV & UF Phổ sóng radio Phổ sóng dài Phổ sóng dài II.2 Các khái niệm phổ II.2.1 Phổ quang học: Phổ xạ điện từ sinh tương tác không đàn hồi nguồn lượng phù hợp với vật chất (nguyên tử, phân tử,…): - nhiệt (ngọn lửa đèn khí, hồ quang,…) - điện - quang (năng lượng chùm sáng,…) II.2.2 Phổ hấp thụ: sinh hấp thụ lượng chùm sáng kích thích thích hợp chiếu vào chúng Trong trình này, nguyên tử, phân tử nhận lượng chuyển từ mức (thấp) lên mức lượng kích thích: Bao gồm phổ: AAS, UV-VIS, IR Sáng kiến kinh nghiệm II.2.3 Phổ phát xạ: sinh giải phóng n ăng lượng mà phân tử hay nguyên tử nhận vào chúng bị kích thích nguồn lượng phù hợp để trở trạng thái (AES) II.3 Nguyên lý loại phổ quang học II.3.1 Nguyên lí phát xạ phổ phát xạ Quá trình sinh loại phổ gồm giai đoạn: kích thích phát xạ * Sự kích thích: * Sự phát xạ: II.3.2 Sự hấp thụ phổ hấp thụ Trong mơi trường có chất hấp thụ ánh sáng (nguyên tử phân tử, dạng khí hay lỏng), chiếu chùm tia sáng vào có tượng tương tác không đàn hồi chùm sáng vật chất, chùm sáng Em => có hấp thụ Em chất - Nếu chất nguyên tử hấp thụ Em sinh phổ hấp thụ nguyên tử - Nếu chất phân tử hấp thụ Em sinh phổ hấp thụ phân tử III CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ SỞ CỦA SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG III.1 Định luật Buge Lambe-Beer III.1.1 Định luật Buge Lambe Khi chiếu chùm tia sáng có lượng định (chùm sáng đơn sắc) có cường độ I0 qua dung dịch đồng có bề dày l (cm) dịng sáng bị chia làm phần có mối liên hệ sau: I0  I h  I t  I tx  I fx Trong đó: - Ih : phần cường độ chùm sáng bị chất cuvet hấp thụ - It: phần cường độ chùm sáng qua cuvet - Itx, Ifx : phần cường độ chùm sáng bị phản xạ tán xạ theo phương thành cuvet dung môi Thông thường, phần Itx, Ifx nhỏ (< 0,5%), thực tế trắc quang đo mật độ quang thường dùng hai dung dịch: dung dịch nghiên cứu dung dịch so sánh Hai dung dịch chuẩn bị dung môi chứa hai cuvét hoàn toàn giống Vì mà giá trị Itx Ifx bị triệt tiêu đo nên ta coi: I0  I h  I t Sáng kiến kinh nghiệm Sự thay đổi cường độ dòng sáng qua dung dịch màu Biểu thức định luật biểu diễn mối quan hệ mật độ quang A ( A  lg I0 ) bề dày I lớp dung dịch là: I0  K.l I Trong đó: K hệ số; l bề dày dung dịch III.1.2 Định luật Beer A  lg (1) Định luật Beer phát biểu sau: Sự hấp thụ dòng quang tỷ lệ bậc với số phân tử chất hấp thụ dòng quang qua Như vậy: A = lg(I0/I) = K.C (2) Trong đó: C nồng độ chất hấp thụ K hệ số tỉ lệ III.1.3 Định luật hợp Buge Lambe-Beer Biểu thức (1) (2) cho ta thấy đại lượng hấp thụ ánh sáng dung dịch (Đại lượng mật độ quang) tỷ lệ bậc với bề dày lớp dung dịch l nồng độ chất hấp thụ C Định luật hợp Buge Lambe – Beer biểu diễn qua biểu thức định lượng sau: A = log (I0/I) = ε.l.C (3) Với: ε hệ số hấp thụ phân tử; C nồng độ chất (mol/lít); l bề dày dung dịch đo cuvet (cm) III.2 Định luật cộng tính Nội dung định luật cộng tính: Ở bước sóng cho, mật độ quang hỗn hợp cấu tử không tương tác hóa học với tổng mật độ quang cấu tử riêng biệt bước sóng này: A A,B = A A + A B Điều mô tả minh họa đây: Sáng kiến kinh nghiệm III.3 Các nguyên nhân sai lệch định luật Beer III.3.1 Sự có mặt chất điện giải lạ Sự xuất chất điện giải lạ làm biến dạng phần tử ion phức màu => ảnh hưởng đến hấp thụ ánh sáng III.3.2 Hiệu ứng solvat hóa hiđrat hóa Làm giảm nồng độ phần tử dung mội tự do, từ dẫn đến việc thay đổi nồng độ dung dịch màu, ảnh hưởng đến khả hấp thụ ánh sáng III.3.3 Hiệu ứng liên hợp Trong số trường hợp có tương tác tiểu phân hấp thụ ánh sáng để tạo tiểu phân polime làm thay đổi nồng độ hợp chất màu làm sai lệch khỏi định luật Beer III.3.4 Ảnh hưởng mức độ đơn sắc ánh sáng Dùng ánh sáng đơn sắc chiếu vào dung dịch màu có tn theo định luật Beer, trường hợp dùng ánh sáng đa sắc làm nguồn chiếu quan sát có lệch khỏi định luật Beer III.3.5 Ảnh hưởng pH dung dịch - Ảnh hưởng đến phân li thuốc thử - Ảnh hưởng đến tạo thành phức hidroxo ion kim loại tạo phức - Ảnh hưởng đến trạng thái tồn phức màu III.3.6 Ảnh hưởng pha loãng dung dịch phức màu Khi pha loãng dung dịch phức màu có tượng phân ly phức màu gây lệch khỏi định luật Beer Sau ta xét ba trường hợp pha loãng dung dịch phức màu thờng gặp thực hành phân tích trắc quang: a) Pha lỗng dung dịch dung mơi khơng có lượng dư thuốc thử Giả thiết dung dịch phức màu có nồng độ ban đầu la C, độ điện ly α Ta pha loãng dung dịch phức màu lần khác với thể tích dung mơi Sau lần pha lỗng thứ nhất, ta có C1 α1, lần pha lỗng thứ hai có C2 α2, lần thứ n có Cn αn Ta có cân sau: XR C []  C (1-α)C Hằng số không bền phức Kkb là: X + R αC [X ][R ]  2C K kb   [XR]   Kkb (1) αC (2) Nếu phức bền (là trường hợp thường gặp phân tích trắc quang) α C=1,8477.10-5M Như vậy, tỉ lệ Mn/PAN ≈ 1/2 CÂU Tính tỉ số hệ số tỷ lượng (m/n) phức có thành phần M mRn phương pháp tỷ số độ dốc từ liệu thực nghiệm sau (cố định điều kiện pha chế đo mật độ quang A điều kiện  l nhau): - Thí nghiệm 1: CR = const, CM biến đổi CM.106 mol/L 2,20 4,30 A 0,103 0,215 - Thí nghiệm 2: CM = const, CR biến đổi 6,50 0,316 8,60 0,407 CR.105 mol/L A 1,30 0,296 1,71 0,388 0,43 0,091 0,86 0,196 24 Sáng kiến kinh nghiệm Hướng dẫn: Dựa vào kiện hai thí nghiệm, ta xây dựng đường phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ phối tử ion kim loại sau Thí nghiệm 1: Đường màu xanh, thể phụ thuộc mật độ quang vào CM A=0,0473.CM+0,0047 Thí nghiệm 2: Đường màu đỏ, thể phụ thuộc mật độ quang vào CR A=0,0232.CR-0,0062 Như tỉ số m/n xác định theo tỉ lệ hệ số góc: m/n = 0,0232/0,0473 = 1/2 => Cơng thức phức MR2 CÂU Để xác định hệ số tỉ lượng phức Kim loại – phối tử, người ta dùng phương pháp biến đổi liên tục thành phần Một dãy dung dịch chuẩn bị nồng độ ion kim loại giữ cố định nồng độ 3,65x10 -4 M nồng độ phối tử thay đổi khoảng từ 10 -4 đến 10-3 M Tiến hành đo mật độ hấp thụ quang dung dịch kết đưa bảng sau: Hãy xác định thành phần phức biết phức đơn nhân CÂU EDTA tạo phức màu với nhiều ion kim loại Do ta định lượng hàm lượng ion kim loại phương pháp quang học Hệ số hấp thụ phân tử phức kim loại Cu2+; Co2+ Ni2+ với EDTA bước sóng bảng sau: 25 Sáng kiến kinh nghiệm Sử dụng thơng tin a) Tính nồng độ ion Cu2+ dung dịch có A = 0,338 bước sóng 732.0 nm b) Nồng độ ion Cu 2+ ion Co2+ dung dịch có A = 0,453 bước sóng 732 nm A = 0,107 bước sóng 462.9 nm c) Nồng độ ion Cu2+; ion Co2+ ion Ni2+ dung dịch có A = 0,423 bước sóng 732,0 nm 0.184 bước sóng 462.9 nm 0,291 bước sóng 378,8 nm Biết bề dày lớp dung dịch cuvet cm cho tất phép đo CÂU Nồng độ phenol mẫu nước xác định theo quy trình sau: Phenol dạng không bay tách cách cho bay nước, sau phenol cho phản ứng với 4-aminoantipyrine K4(FeCN)6 pH = 7,9 để tạo thuốc thử có màu antipyrine Dung dịch chuẩn phenol có nồng độ 4,00 ppm có độ hấp thụ quang 0,424 bước sóng 460 nm sử dụng cuvet có bề dày cm Cho 50 mL mẫu nước có chứa phenol, sau xử lí theo qui trình chuyển vào bình định mức 100 mL, định mức tới vạch Độ hấp thụ quang dung dịch thu 0,394 Tính nồng độ phenol mẫu nước A (theo đơn vị ppm) CÂU Để xác định hệ số tỉ lượng phức kim loại – phối tử, người ta dùng phương pháp biến đổi liên tục thành phần Một dãy dung dịch chuẩn bị nồng độ ion kim loại giữ cố định nồng độ 3,65x10 -4 M nồng độ phối tử thay đổi khoảng từ 10 -4 đến 10-3 M Tiến hành đo mật độ hấp thụ quang dung dịch kết đưa bảng sau: Hãy xác định thành phần phức biết phức đơn nhân CÂU 10 Saito mơ tả quy trình định lượng sắt phương pháp đo quang dung kĩ thuật chiết pha rắn sử dụng màng bathophenanthroline poly(vinyl chloride) Khi khơng có mặt ion Fe2+, màng khơng có màu, nhúng dung dịch Fe 2+ I- dung dịch có màu đỏ đậm có tạo phức Fe 2+ bathophenanthroline Đường chuẩn biểu diễn mối liên hệ độ hấp thụ quang A nồng độ ion Fe2+ có dạng sau: A = (8,6x103M-1).[Fe2+] Tính nồng độ Fe2+ (ppm) dung dịch có độ hấp thụ quang 0.10 26 Sáng kiến kinh nghiệm III MỘT SỐ BÀI TẬP PHÂN TÍCH TRẮC QUANG TRONG ĐỀ THI HSG QUỐC GIA VÀ QUỐC TẾ CÂU Đề thi quốc tế năm 1996-IChO 28 Dung dịch nước axit hóa (dung dịch X) chứa hỗn hợp FeSO Fe2(SO4)3 dung dịch nước (dung dịch Y) chứa hỗn hợp K 4[Fe(CN)6] K3[Fe(CN)6] Nồng độ tiểu phân chứa sắt thỏa mãn mối quan hệ sau: [Fe 2+]X = [Fe(CN)64-]Y [Fe3+]X = [Fe(CN)63-]Y Thế điện cực Pt nhúng vào dung dịch X 0,652V (so với điện cực hiđro tiêu chuẩn), điện cực Pt nhúng dung dịch Y 0,242V (so với điện cực hiđro tiêu chuẩn) Phần % độ truyền qua dung dịch Y đo so với dung dịch X 420 nm 10,7% (chiều dài đường truyền quang l = 5,02mm) Giả thiết phức Fe(CN)64-, Fe3+(aq), Fe2+(aq) không hấp thụ ánh sáng 420 nm Độ hấp thụ mol ε (Fe(CN)63-) = 1,1.103 M-1.cm bước sóng Tính nồng độ ion Fe3+(aq), Fe2+(aq) dung dịch X Hướng dẫn: Ta có độ truyền qua T = 0,107 => Mật độ quang A = -logT = 0,971 A = ε.l.C => [Fe(CN)63-] = A/ε.l = 0,971/(1,1.103.0,502) = 1,76.10-3M = [Fe3+]X Dựa vào phương trình Nernst, ta có: 0,652V = 0,771V + 0,0592 lg[Fe3+]/[Fe2+] => [Fe2+]X = 0,183M Nhận xét: Đây ví dụ áp dụng trực tiếp công thức định luật Lambe-Beer để xác định nồng độ cấu tử đo màu, sở xác định nồng độ cấu tử lại dựa vào kiện thực nghiệm khác CÂU Đề thi HSG Quốc Gia 2015 Chiếu chùm tia đơn sắc (có bước sóng λ xác định) qua dung dịch mẫu chất nghiên cứu �I � cường độ tia sáng tới Io giảm I Tỉ số T = � �được gọi độ truyền qua T phụ �I �  thuộc vào nồng độ mol C (mol.L-1) chất hấp thụ ánh sáng dung dịch, chiều dày lớp dung dịch l (cm) hệ số hấp thụ mol ε (L.mol-1.cm-1) đặc trưng cho chất chất hấp thụ (định luật Lambert-Beer): - lg T = εlC Để xác định giá trị Ka axit hữu yếu HA, người ta đo độ truyền qua chùm tia đơn sắc (tại bước sóng λ xác định) với dung dịch axit HA 0,05 M đựng thiết bị đo với chiều dày lớp dung dịch l = cm Kết cho thấy cường độ tia sáng qua khỏi lớp dung dịch giảm 70% Giả thiết, có anion A - hấp thụ tia đơn sắc bước sóng hệ số hấp thụ mol ε A- 600 L.mol-1.cm-1 Tính giá trị Ka HA điều kiện thí nghiệm Hướng dẫn: Gọi cường độ ánh sáng ban đầu I o, cường độ ánh sáng sau qua dung dịch I Theo đầu bài, cường độ ánh sáng sau qua dung dịch có giá trị: I = Io – 70%Io = 30%Io 27 Sáng kiến kinh nghiệm Từ định luật Lambert-Beer ta có: �30% I o � D = 600.1 C A =  lg � �= 0,5229 � Io � Từ đó, nồng độ A- cân là: 8,715.10-4 (M); Xét cân bằng: � HA [ ] 0,05 – 8,715.10 Từ đó: H+ -4 8,715.10  8, 715.10  + -4 A8,715.10 Ka -4 4 Ka  (0, 05  8, 715.10 4 )  1,55.105 Vậy, số phân li axit HA Ka = 1,55.10-5 CÂU Bài số 21-Bài tập chuẩn bị IChO 31 Các dung dịch X, Y tuân theo định luật Beer khoảng nồng độ rộng Số liệu phổ tiểu phân cuvet có độ dày dung dịch 1,00 cm sau: Mật độ quang X, 8.00x10-5M Y, 2.00x10-4M 400 0,077 0,555 440 0,096 0,600 480 0,106 0,564 520 0,113 0,433 560 0,126 0,254 600 0,264 0,100 660 0,373 0,030 700 0,346 0,063 a) Hãy tính độ hấp thụ mol X Y 440 660 nm b) Hãy tính mật độ quang (A) dung dịch chứa X 3.10 -5M Y 5.10-4M 520 nm 600 nm c) Một dung dịch chứa X Y có mật độ quang (A) 0,400 0,500 theo thứ tự 440 nm 660 nm Hãy tính nồng độ X Y dung dịch Giả sử không xảy phản ứng X Y Hướng dẫn: a) Theo định luật Lambe-Beer, A = ε.l.C λ (nm)  440 X  0, 096  1, 2.103 cm 1.mol 1.L 5 1, 00.8, 00.10 660 X  0,373  4, 67.103 cm 1.mol 1.L 5 1, 00.8, 00.10  440 Y  0,600  3, 00.103 cm 1.mol 1.L 4 1, 00.2, 00.10  660 Y  0, 030  1,50.102 cm 1.mol1.L 1, 00.2, 00.105 b) Theo định luật cộng tính, A = AX + AY 28 Sáng kiến kinh nghiệm - Tại 520nm 3.105 5.10 4 A  AX  AY  x 0,113  x 0, 433  1,125 8.105 2.10 4 - Tại 600 nm A  AX  AY  c) 3.105 5.104 x 0, 264  x 0,100  0,349 8.105 2.104 3 - Tại 440nm => 0, 400  1, 2.10 C X  3.10 C Y - Tại 660 nm => 0,500  4, 67.10 C X  1,5.10 C Y Giải hệ hai phương trình ta có: CX = 1,04.10-4M CY = 9,17.10-5M CÂU Trong phổ hấp thụ hồng ngoại (IR), tần số hấp thụ nhóm cacbonyl C=O hợp chất xeton, anđehit, axit cacboxylic, este xem tần số đặc trưng Kết ghi phổ thực nghiệm cho hợp chất 2-butanon dung mơi CCl4 có νC=O = 1724 cm–1 (xem hình bên) Hãy xác định hệ số hấp thụ mol phân tử ứng với tần số nói trên, biết nồng độ dung dịch nghiên cứu 0,089M, chiều dày cuvet cm Hướng dẫn: Độ truyền qua T = 49%/98% = 0,5 => A = -lgT = 0,3 Ta có: A = ε.l.C =>   A 0,3   3,37M 1.cm 1 l.C 1, 0.0,089 CÂU Đề thi Quốc gia 2017 Để xác định pH dung dịch Y gồm HX 0,135M, NaX 0,050M NH 4Cl 0,065M, tiến hành thí nghiệm sau: nhỏ vài giọt dung dịch chất thị HIn (pK a = 4,533) vào dung dịch Y(giả sử thể tích pH dung dịch Y khơng thay đổi), đo độ hấp thụ quang A dung dịch cuvet có bề dày lớp dung dịch l = cm hai bước sóng λ1 = 490 nm λ2 = 625 nm (giả sử có HIn In hấp thụ ánh sáng bước sóng này) Kết quả, giá trị A hai bước sóng tương ứng 0,157 0,222 Biết độ hấp thụ quang tuân theo định luật Lambert-Beer (A = εlC) có tính chất cộng tính (A = A1 + A2) Hệ số hấp thụ mol phân tử, ε (L.mol-1.cm-1) HIn In- bước sóng 490nm 625nm cho bảng sau: ε (HIn) (L.mol-1.cm-1) ε (In-) (L.mol-1.cm-1) λ1 = 490nm 9,04.102 1,08.102 λ2 = 625 nm 3,52.102 1,65.103 a) Tính pH dung dịch Y số phân li axit (Ka) axit HX 29 Sáng kiến kinh nghiệm b) Sục khí NH3 vào 50,0 mL dung dịch Y đến pH = 9,24 hết a mol khí NH (thể tích dung dịch Y khơng thay đổi) Tính a Biết rằng: pKa (NH4+) = 9,24; pKw (H2O) = 14,00 Hướng dẫn: a) Trong dung dịch Y có tồn cân phân li thị HIn: HIn  H+ + InKa(HIn) (1) - Do có thị HIn In hấp thụ photon nên áp dụng định luật Lambert-Beer cho hai cấu tử, thu biểu thức bước sóng sau: Tại λ1 = 490 nm: A1  HIn l.[HIn]   In  l.[In  ]  9,04.102.[HIn]  1, 08.102.[In  ]  0,157 (2) Tại λ2 = 625 nm: A  HIn l.[HIn]   In  l.[In  ]  3,52.102.[HIn]  1, 65.103.[In  ]  0, 222 (3) Từ (2) (3) suy ra: [HIn] = 1,617.10-4M [In-] = 1,00.10-4M Từ cân (1), tính được: [H  ]  [HIn].K a (HIn) 1, 617.104.2,93.105   4, 74.105 M  pH X  4,32 [In  ] 1, 00.104 * Tính Ka axit HX Vì pH = 4,32 nên bỏ qua phân li H2O Các cân dung dịch Y: HX  H+ + XKa(HX) NH4+  H+ + Ka(NH4+) = 10-9,24 NH3 Theo định luật bảo toàn proton: [H+] = [X-] - 0,05 + [NH3] 104,32  (0135  0, 05) Ka 109,24  0, 05  0, 065 K a  104,32 109,24  104,32 => Ka = 1,77.10-5 b) Tại pH = 9,24, ta có: [NH 4 ] [H  ] 10 9,24     [NH 4 ]  [NH ] [NH3 ] K a (NH 4 ) 109,24 [HX] [H  ] 109,24    3, 25.105  [HX] + [X  ] [H  ]  K a 109,24  1, 77.105 Như coi toàn HX chuyển thành X- theo phản ứng HX + NH3 → NH4+ + XTrước phản ứng: 0,135 0,065 0,05 Sau phản ứng: 0,200 0,185 + Vậy sau phản ứng, [NH4 ] = [NH3] = 0,200M Vậy số mol NH3 sục vào 50 ml dung dịch Y a = 0,05(0,135 + 0,200) = 1,675.10-2 mol 30 Sáng kiến kinh nghiệm CÂU Đề thi quốc tế năm 1997-IChO 29 HIn chất thị có tính axit yếu HIn + NaOH NaIn + H2O Ở nhiệt độ thường, số phân li axit chất thị 2,93.10-5 Trị số bước sóng dải hấp thụ (với độ dày dung dịch cuvet 1,00 cm) cho dung dịch -4 5,00.10 M chất thị dung dịch axit mạnh bazơ mạnh cho bảng sau: Giá trị mật độ quang (A) phép đo: a) Dự đoán màu dạng axit dạng bazơ chất thị? Biết bảng màu tương ứng sau: b) Kính lọc có màu thích hợp để phân tích quang kế chất thị môi trường axit mạnh? Kính lọc đặt nguồn sáng mẫu chất thị màu c) Khoảng bước sóng thích hợp để phân tích quang kế chất thị môi trường bazơ mạnh? 31 Sáng kiến kinh nghiệm d) Mật độ quang (A) dung dịch có nồng độ 1,00.10 -4M chất thị dạng kiềm đo bước sóng 545nm cuvet có độ dày 2,50 cm? e) Các dung dịch chất thị pha chế dung dịch HCl 0,10M dung dịch NaOH 0,10M Đã xác định biểu thức hồn tồn tuyến tính bước sóng dải hấp thụ nồng độ bước sóng 490nm 625nm cho mơi trường tương ứng Độ lớn số phân li axit cho thấy chất thị hồn tồn khơng phân li dung dịch HCl 0,10M phân li hoàn toàn dung dịch NaOH 0,10M Hệ số hấp thụ phân tử (mol) hai bước sóng Xác định mật độ quang của dung dịch chứa chất thị ứng với nồng độ 1,80.10 -3M dung dịch không chứa chất đệm Cho biết: Hằng số phân li axit HIn 2,93.10-5 Hướng dẫn: a) Màu quan sát màu kết hợp với màu hấp thụ tối đa - Tại điều kiện axit, pH = 1,00: màu hấp thụ 485 ± 25nm (màu lam-lục) truyền màu kết hợp có màu vàng-da cam (625 ± 25nm) - Tại điều kiện bazơ, pH = 13,00: màu hấp thụ 625 ± 25nm (màu vàng-cam) truyền màu kết hợp có màu lam-lục (485 ± 25nm) b) Kính lọc màu cần truyền màu mà mẫu hấp thụ hiệu Mẫu axit hấp thụ mạnh khoảng xanh (485± 25nm) kính lọc màu cần sử dụng kính màu xanh c) Khoảng bước sóng dùng với độ nhạy cao tương ứng với bước sóng mà mẫu thử hấp thụ mạnh Mật độ quang (A) tối đa dạng bazơ chất thị dung dịch xảy bước sóng 625 ± 25nm bước sóng thích hợp cho phân tích d) Lập đồ thị biểu diễn phụ thuộc mật độ quang (A) vào bước sóng ánh sáng (λ), từ xác định bước sóng λ = 545nm A = 0,256 Từ định luật Lambe-Beer, ta có : A = ε.l.C =>   A 0, 256   5,12.102 M 1.cm 1 4 l.C 1, 0.5, 00.10 Mật độ quang dung dịch có tính bazơ nồng độ 1,00.10 -4M chất thị đựng dung dịch có độ dày cuvet 2,50 cm A = 5,12.102 x 2,50 x1,0.10-4 = 0,128 e) Xét cân bằng: HIn  H+ + InC [] 1,80.10-3 1,80.10-3 - x Áp dụng đltdkl, ta có: K a  x x [H  ][In  ] x2   2,93.105 3 [HIn] 1,8.10  x => x = 2,15.10-4 32 Sáng kiến kinh nghiệm Do đó, [In-] = 2,15.10-4M [HIn] = 1,58.10-3M Mật độ quang (A) hai bước sóng A490 = (9,04.102x1,00x1,58.10-3) + (1,08.102x1,00x2,15.10-4) = 1,45 A625 = (3,52.102x1,00x1,58.10-3) + (1,65.102x1,00x2,15.10-4) = 0,91 CÂU Bài tập chuẩn bị câu 19-IChO 32 Một loại protein tím thấy lòng trắng trứng Lysozym tạo 129 aminoaxit, khối lượng mol phân tử 14313 g.mol-1 có thành phần amino axit sau: Các amino axit thơm hấp thụ xạ cực tím (tử ngoại) Như vậy, amino axit Trytophan, Tyrosin Phenyl alanin cho protein hấp thụ xạ với bước sóng khoảng từ 240 đến 300 nm Phổ hấp thụ xạ cực tím amino axit thơm pH trung tính 33 Sáng kiến kinh nghiệm Trong protein có chứa vài amino axit thơm, tổng độ hấp thụ amino axit, � a o axit , gần độ hấp thụ mol protein, εprotein a) Hãy tính độ hấp thụ mol εlysozym 280 nm Đo hấp thụ dung dịch lysozym cuvet với quãng sáng cm Mật độ quang đo 1,05 b) Hãy tính nồng độ lysozym mẫu c) Hãy tính nồng độ khối lượng theo g/L Tần số amino axit thơm có protein trung bình tính từ trật tự biết amino axit 1021 protein Amino axit Tần số Phenylalanin 3,9% Tryptophan 1.3% Tyrosin 3,4% d) Hãy tính mật độ quang dung dịch Lysozym g/L mật độ quang dung dịch protein trung bình g/L (khối lượng trung bình amino axit lysozym giống protein trung bình) Cho dung dịch chứa hỗn hợp Lysozym protein chưa biết Protein chứa biết có 219 amino axit, có 14 phenyl alanin, 11 tyrosin tryptophan Dùng phương pháp phân tích riêng lysozym, tính nồng độ lysozym 0,24 g/L e) Hãy tính nồng độ protein chưa biết mật độ quang hỗn hợp đo 1,85 280nm quãng đường sáng sử dụng cm Hướng dẫn: a) Dựa vào phổ, ta xác định giá trị giá trị gần đúng: εTryptophan ≈ 5600 M-1.cm-1; εTyrosin ≈ 1400 M-1.cm-1 εLysozym ≈ 6.5600 + 3.1400 = 37800 M-1.cm-1 b) Nồng độ Lysozym C = A 1, 05   2, 78.105 M l. 1.37800 c) Nồng độ g/L = 14313g/mol x 2,78.10-5 mol/L = 0,398 g/L d) Với dung dịch lysozym nồng độ 1g/L = M  6,98.105 M 14313 Vậy mật độ quang, A = 37800.1.6,98.10-5 = 2,64 Trong phân tử lysozym: Tần số tryptophan = 6/129 = 4,65% Tần số tyrosin = 3/129 = 2,33% Giả sử protein có 100 amino axit Khi ta có: ε100 lysozym = 4,65.5600 + 2,33.1400 = 29302 M-1.cm-1 ε100 protein trung bình = 1,3.5600 + 3,4.1400 = 12040 M-1.cm-1 Mật độ quang protein trung bình nồng độ 1g/L Atb = 2, 64 34 Sáng kiến kinh nghiệm 12040 = 1,08 29302 e) εprotein chưa biết = (2.5600 + 11.1400) = 26600 M-1.cm-1 Mật độ quang lysozym nồng độ 0,24g.L-1 0,24 x 2,64 = 0,63 Aprotein chưa biết = 1,85 - 0,63 = 1,22 Nồng độ protein chưa biết = 1, 22 = 4,59.10-5M 26600.1 CÂU Bài tập Đức Amoniac xác định phương pháp phổ trắc quang dựa phản ứng: OH + NH3  OCl ��� � O N O- Xanh lam, λmax = 625nm Trong 7,56 mg mẫu thử mioglobin bò đực, người ta chuyển hóa nitơ có thành amoniac, sau mẫu thử pha lỗng thành 100,0 mL Lấy 10,0 mL dung dịch vào bình định mức 50,0 mL, cho thêm mL dung dịch phenol mL dung dịch hipoclorit, pha thành 50,0 mL dung dịch để đứng yên 30 phút Tiến hành đo độ hấp thụ 625 nm cuvet 1,00 cm Bên cạnh đó, người ta pha chế dung dịch chuẩn gồm 0,0154 g NH 4Cl (M = 53,5) 1,00 L nước Người ta cho 5,00 mL dung dịch vào bình định mức 50,0 mL sau việc phân tích tiến hành mơ tả Ngồi người ta cịn đo mẫu trắng với nước nguyên chất ống cuvet Kết thu là: Mẫu Trắng Đối chiếu Chưa biết Độ hấp thụ 625nm 0,132 0,278 0,711 a) Xác định hệ số hấp thụ mol phân tử chất màu xanh b) Xác định % khối lượng nitơ mioglobin Hướng dẫn: Đáp án: ε = 5072 M-1.cm-1; KẾT LUẬN I NHỮNG CÔNG VIỆC Đà THỰC HIỆN Tổng kết lí thuyết phân tích trắc quang Sưu tầm xây dựng tập nâng cao phân tích trắc quang 35 Sáng kiến kinh nghiệm Sưu tầm tập đề thi HSG Quốc gia Quốc tế Đưa gợi ý để giải vấn đề Bổ sung tập phù hợp với nội dung kiến thức II NHỮNG TÁC DỤNG CỦA ĐỀ TÀI Đối với học sinh: Đề tài chúng tơi sử dụng q trình giảng dạy cho học sinh khối chuyên Hóa học sinh đội tuyển quốc gia Thông qua đề tài này, học sinh nắm dạng thí nghiệm phân tích trắc quang, giải tập số tập nâng cao Đối với giáo viên: Đề tài giáo viên trẻ chúng tơi có nguồn tư liệu quan trọng giảng dạy Đồng thời, thông qua đề tài này, giáo viên trẻ chúng tơi xây dựng hoàn thiện chuyên đề phân tích trắc quang Với đề tài chúng tơi Trong q trình thực đề tài này, chúng tơi cố gắng hồn thiện học hỏi thêm kiến thức phân tích trắc quang Tuy nhiên, với hạn hẹp thân, không tránh khỏi hạn chế mặt kiến thức nên có nhiều vấn đề mang màu sắc cá nhân nhận định, đánh giá tượng Thơng qua hội thảo, chúng tơi mong góp ý để chúng tơi hồn thiện đề tài này, đồng thời góp phần nâng cao kiến thức chúng tơi đóng góp vào tư liệu giảng dạy thêm phong phú E TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồ Viết Q, “Phân tích Lý-Hóa”, NXB Giáo dục, 2006 [2] Nguyễn Tinh Dung(2007), Hồ Viết Quý, “Các phương pháp phân tích hóa lý”, NXB Giáo dục [3] Trần Tứ Hiếu, “Phân tích trắc quang phổ hấp thụ UV-VIS”, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003 [4] Đề thi HSG Quốc gia Việt Nam đề thi Olympic Hóa học Quốc tế (IChO) 36 Sáng kiến kinh nghiệm 37 Sáng kiến kinh nghiệm ... gọi phổ Sóng siêu ngắn Phổ Gamma Phổ tia X Phổ tia X Phổ tử ngoại chân không Phổ tử ngoại Phổ khả kiến Phổ hồng ngoại gần Phổ hồng ngoại Phổ hồng ngoại xa Phổ sóng ngắn Phổ sóng TV & UF Phổ sóng... hồng ngoại xa Phổ sóng ngắn Phổ sóng TV & UF Phổ sóng radio Phổ sóng dài Phổ sóng dài II.2 Các khái niệm phổ II.2.1 Phổ quang học: Phổ xạ điện từ sinh tương tác không đàn hồi nguồn lượng phù... sáng chất hấp thụ để tạo phổ hấp thụ chất E(ts) tương ứng với lượng xạ vùng UV-VIS Định nghĩa: Phổ hấp thụ quang phân tử UV-VIS phổ tương tác điện tử hóa trị liên kết hóa học ,  đơi điện tử n