BÀI GIẢNG PHÂN TÍCH CÔNG cụ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM  LÊ THỊ MÙI BÀI GIẢNG PHÂN TÍCH CƠNG CỤ (Dùng cho Sinh viên Đại học Đà Nẵng ) Đà Nẵng, 2008 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển mạnh mẽ nhiều phương pháp phân tích đại, nhóm phương pháp phân tích cơng cụ áp dụng rộng rãi, hiệu cao nhiều ngành khoa học, kỹ thuật phân tích mơi trường, điều tra tài ngun, đánh giá chất lượng sản phẩm Đồng thời phương pháp để nghiên cứu cấu trúc, xác định hàm lượng, liên kết hóa học, cân ion dung dịch Các phương pháp phân tích cơng cụ bao gịm nhóm: điện hóa,quang học sắc ký Nhóm phương pháp phân tích điện hóa gồm: đo độ dẫn điện, đo điện thế,Von-Ampe Nhóm phương pháp phân tích quang học bao gồm: phổ nguyên tử, phổ phân tử UV-VIS Nhóm phương pháp phân tích sắc ký bao gồm sắc ký khí, sắc ký lỏng Tác giả chân thành cảm ơn đóng góp ý kiến bạn đọcgần xa LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ DẪN ĐIỆN 1.1 Đặc điểm phương pháp đo độ dẫn điện Phương pháp phân tích đo độ dẫn điện phương pháp phân tích dựa vào việc đo độ dẫn điện dung dịch điện ly Độ dẫn điện cua dung dịch điện ly gây chuyển động ion Khi ta lắp hai điện cực vào dung dịch nối hai điện cực với nguồn điện chiều (hình 1.1), ion dương chuyển động phía cực âm nguồn điện cịn ion âm chuyển động theo chiều ngược lại, phía dương nguồn điện Nhờ chuyển động ion mà dung dịch dẫn điện Người ta gọi tượng dẫn điện ion Để đo khả cho dòng điện chạy qua tác dụng điện trường ngoài, người ta dùng khái niệm độ dẫn điện Khả dung dịch điện li cho dòng điện chạy qua rõ ràng phụ thuộc vào độ linh động ion Hình 1.1 Sơ đồ chuyển dịch ion dung dịch, mà độ linh động ion dẫn điện ion lại phụ thuộc kích thước điện tích khối lượng, khả tạo solvat ion với dung môi Các yếu tố vừa nêu lại phụ thuộc chất ion có dung dịch, ngun tác chung phương pháp phân tích đo độ dẫn điện Đơn vị đo độ dẫn điện Simen, kí hiệu S: 1S=1A/V Simen nghịch đảo điện trở Độ dẫn điện thường sử dụng phương pháp đo trực tiếp đo gián tiếp phương pháp chuẩn độ độ dẫn điện Độ dẫn điện dung dịch điện li thường biểu diễn thành độ dẫn điện riêng độ dẫn điện đương lượng 1.2 Độ dẫn điện riêng độ dẫn điện đương lượng 1.2.1 Độ dẫn điện riêng Độ dẫn điện riêng độ dẫn điện lớp dung dịch chất điện li hai mặt đối khối lập phương cạnh 1cm Độ dẫn điện riêng dung dịch nghịch đảo điện trở riêng (hay gọi điện trở suất) dung dịch χ= , S/cm ρ (1.1) Độ dẫn điện riêng đo đơn vị simen/cm (S/cm) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong dung dịch loãng, độ dẫn điện riêng tăng tăng nồng độ chất hòa tan Khi nồng độ C dung dịch tăng đến mức độ đủ cao độ dẫn điện riêng đạt đến giá trị cực đại sau lại giảm Trên hình 1.2 nêu lên vài ví dụ đặc trưng phụ thuộc độ dẫn điện riêng vào nồng độ vài chất điện li Từ đồ thị ta thấy với chất điện li yếu độ dẫn điện thấp chất điện li mạnh khoảng nồng độ Sở dĩ tăng nồng độ độ dẫn điện tăng nồng độ ion dung dịch tăng Nhưng với dung dịch có nồng độ lớn, tăng nồng độ tăng lực tương tác ion tạo thành tập hợp ion, cặp ion Ở dung dịch ion có nồng độ lớn tăng nồng độ độ nhớt dung dịch tăng Tất hiệu ứng vừa nêu Hình 1.2 Độ dẫn điện chất: tren đưa đến hệ độ dẫn điện dung 1-HCl, 2-KOH, 3-HCH3COO dịch bị giảm nguyên nhân việc xuất cực đại đường cong 1.2.2 Độ dẫn điện đương lượng Theo định nghĩa độ dẫn điện đương lượng độ dẫn điện lớp dung dịch chất điện li có bề dày 1cm, cực có điện tích đặt song song cho lớp dung dịch hai điện cực phải chứa mol đương lượng chất điện li hịa tan Người ta thường kí hiệu độ dẫn điện đương lượng λ Giữa độ dẫn điện đương lượng độ dẫn điện riêng có mối quan hệ: λ = 1000χ hay λ = χV C (1.2) Trong : C - nồng độ chất hòa tan, mol/l V - thể tích dung dịch chất điện li tính mililit Vml dung dịch phải chứa 1mol chất hịa tan Trong phạm vi dung dịch có nồng độ không lớn, độ dẫn điện đương lượng tăng nồng độ giảm tăng nhiệt độ Với chất điện li mạnh (phân li hoàn toàn) với dung dịch loãng (nồng độ 10 M bé hơn) người ta tìm thấy mối liên quan nồng độ biểu diễn hệ thức -3 λ = λ0 – a C (1.3) λ0 – độ dẫn điện đương lượng giới hạn ứng với độ dẫn điện dung dịch pha lỗng vơ hạn; a – số LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mối liên hệ biểu diễn đồ thị hình 1.3 Từ hình vẽ cho thấy với giảm nồng độ chất điện li tăng lên đến độ pha lỗng vơ hạn tiến tới giá trị giới hạn Với dung dịch lỗng vơ hạn, ta biểu diễn độ dẫn điện đương lượng giới hạn tổng độ linh động giới hạn ion λ0 = λ0(+) + λ0(-) λ (1.4) Phương trình gọi định luật chuyển động độc lâp ion Phương trình gọi định luật cộng tính Hình 1.3 Sự phụ thuộc λ với nồng độ dẫn điện pha lỗng vơ hạn Konraoso độ: 1- chất điện li mạnh, 2- chất điện li yếu phát minh năm 1879 Giá trị độ dẫn điện đương lượng giới hạn thể bảng 1.1 Bảng 1.1 Độ dẫn điện đương lượng giới hạn số ion Ion λ0 Ion (mS m2 mol-1) λ0 Ion (mS m2 mol-1) λ0 (mS m2 mol-1) λ0 Ion (mS m2 mol-1) H+ 34,985 Hg 22 + 13,72 Cl- 7,634 HCO 3− 4,45 Li+ 3,864 Zn2+ 10,56 Br- 7,814 H PO 4− ` 11,4 Na+ 5,011 Cd2+ 10,80 I- 7,697 SO32- 14,4 K+ 7,350 Pb2+ 14 CN- 8,2 SO42- 16 Rb+ 7,520 Mn2+ 10,70 SCN- 6,6 S2O32- 17,48 Cs+ 7,677 Fe2+ 10,70 NO2- 7,2 CrO42- 16,6 NH4+ 7,34 Co2+ 11,0 NO3- 7,144 PO43- 27,84 Ag+ Ni2+ 10,8 ClO3- 6,646 Fe(CN)63- 29,73 20,4 - 6,74 Fe(CN)64- 44,4 + Be 2+ 6,192 9,0 3+ Fe Mg 10,612 Cr Ca2+ 11,90 Sr2+ 3+ ClO4 20,1 IO3 Ce3+ 20,97 11,892 N(CH3)4+ Ba2+ 12,728 Cu2+ 10,72 - 4,07 - formiate 5,46 HSO3- 5,8 CH3COO- 4,09 4,492 HSO4- 5,2 C6H5COO- 3,23 OH- 19,918 HS- Oxalate2- 4,82 F- 5,54 MnO4- 6,1 6,5 Ở nhiệt độ phịng (250C), ion dung dịch nước có độ linh động giới hạn 30 – 70 S.cm2.mol-1 Chỉ có ion H+ OH- có độ linh động LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com lớn giới hạn (λH+ = 350, λOH- = 199 S.cm2/mol đương lượng) Ion H+ có độ dẫn điện đương lượng giới hạn cao khơng di chuyển môi trường phản ứng Độ dẫn điện dung dịch tăng theo nhiệt độ Với dung dịch nước, độ dẫn điện dung dịch tăng 2-35% nhiệt độ tăng 10C Sự phụ thuộc nhiệt độ độ linh động ion biểu diễn phương trình: λ0(t) = λ0(25o) [1 + α(t – 25)] (1.5) α hệ số phụ thuộc chất ion dung mơi 1.2.3 Chất điện li trường dịng cao tần Các dịng điện có tần số cỡ vài megahec hay hàng chục ngàn megahec gọi dòng cao tần Dưới tác dụng dòng cao tần, dung dịch xuất hiệu ứng phân cực phân tử hay hiệu ứng phân cực biến dạng phân cực định hướng Trong điện trường, phân tử có cực có xu hướng hướng lưỡng cực điện phân tử theo chiều điện trường, người ta gọi phân cực định hướng Sự phân cực tạo thành dòng điện thời gian ngắn (dòng dịch chuyển) Sự phân cực phân tử (phân cực biến dạng) dẫn đến thay đổi thực số điện môi độ thẩm từ dung dịch, điều mở khả việc nghiên cứu tính chất dung dịch định phân 1.3 Các thiết bị phương pháp đo độ dẫn điện: Trong phương pháp phân tích đo độ dẫn điện, nguyên tắc người ta thường dùng loại cầu đo điện trở, ví dụ cầu Wheatstone Điều khác biệt người ta không dùng nguồn điện chiều mà dùng nguồn điện xoay chiều để cấp lượng cho cầu làm việc (để tránh hiệu ứng phân cực làm sai lệch kết đo) Theo sơ đồ điện trở cần đo Rx tính theo cơng thức: RX = RM R1 l = RM R2 l1 (1.6) Trong l1, l2 chiều dài hai cánh chạy biến trở dây căng, điện trở R1, R2 hai phần biến trở dây tỉ lệ với độ dài l1, l2 tương ứng; RM điện trở biết theo hộp điện trở Ngày có loại máy đo điện trở làm việc theo sơ đồ cầu cân điện tử với máy thị đếm số Các dung dịch chất điện li cần đo độ dẫn điện thường chứa bình đo khác nhau: phương pháp đo độ dẫn điện trực tiếp người ta dùng loại bình đo có cấu tạo riêng, loại điện cực gắn chặt vào bình đo Trong LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phương pháp chuẩn độ độ dẫn điện, người ta thường dùng loại điện cực nhúng cho phép tiến hành định phân với loại bình 1.4 Các phương pháp phân tích đo độ dẫn điện 4.1 Phương pháp đo trực tiếp Phương pháp trực tiếp đo độ dẫn điện sử dụng cho dung dịch loãng, miền mà độ dẫn điện riêng dung dịch tăng theo nồng độ Trong thực tế người ta thường xác định nồng độ chung ion có dung dịch mà phân định nồng độ loại ion Nồng độ ion dung dịch, thường tính theo đồ thị chuẩn, độ dẫn điện riêng đo theo nồng độ ion chọn Vì độ linh động ion thực tế có giá trị nên việc đo độ dẫn điện cho thông tin nồng độ chung ion dung dịch Tính chọn lọc thấp phương pháp trực tiếp đo độ dẫn điện có hạn chế việc sử dụng phương pháp mục đích thực tiễn 1.4.2 Phương pháp gián tiếp (chuẩn độ độ dẫn điện) Trái với phương pháp trực tiếp đo độ dẫn điện, phương pháp đo độ dẫn điện gián tiếp dùng phổ biến để xác định điểm tương đương q trình định phân, người ta gọi phương pháp chuẩn (hay định phân) độ độ dẫn điện Trong phương pháp này, người ta tiến hành đo độ dẫn điện dung dịch phân tích sau lần thêm phần dung dịch chuẩn vào dung dịch phân tích Việc xác định điểm tương đương trình định phân thực nhờ xây dựng đồ thị hệ tọa độ Phương pháp chuẩn độ độ dẫn điện thường dùng cho phản ứng phân tích mà q trình xảy phản ứng có làm thay đổi đáng kể độ dẫn điện dung dịch, hay có thay đổi đột ngột độ dẫn điện (thường làm tăng đột ngột độ dẫn điện) sau điểm tương đương Trong phương pháp chuẩn độ độ dẫn điện theo thời gian, người ta cho dung dịch chuẩn liên tục hay phần nhỏ vào dung dịch phân tích với việc kiểm soát chặt chẽ thời gian Đồng thời đồ thị băng giấy máy tự ghi liên tục ghi diểm theo hệ tọa độ ta số đo máy – thời gian Các số máy tỉ lệ với độ dẫn điện Trong trường hợp nồng độ chất phân tích theo thời gian tiêu tốn cho việc định phân Bởi tốc độ chảy dung dịch định phân từ burét vào dung dịch phân tích khơng thay đổi biết xác, thời gian dùng cho việc định phân tỉ lệ với lượng dung dịch chuẩn tiêu tốn cho trình định phân Ý tưởng chuẩn độ độ dẫn điện theo thời gian ứng dụng chế tạo loại máy chuẩn độ tự động sản xuất hàng loạt Sau vài trường hợp định phân theo phương pháp đo độ dẫn điện LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1.4.2.1 Phương pháp axit bazơ Khi định phân axit mạnh (ví dụ HCl), bazơ mạnh (ví dụ NaOH) thời điểm trình định phân dung dịch có ion Na+, OH-, H+, Cl-, độ dẫn điện dung dịch phân tích xác định nồng độ độ linh động ion Hình 1.4 phản ánh thay đổi nồng độ ion định phân Giá trị CCl- thực tế khơng thay đổi suốt q trình định Na+ phân, nồng độ Na+ Cltăng liên tục Nồng độ H+ giảm liên tục đến H+ OHthực tế khơng điểm tương đương, cịn nồng độ ion OH- thực (a) (b) tế không điểm tương đương, sau điểm Hình 1.4 a-sự thay đổi nồng độ định phân tương đương lại tăng b-sự thay đổi độ dẫn điện định phân dần Độ dẫn điện trước điểm tương đương chịu ảnh hưởng hai khuynh hướng ngược nhau: giảm độ dẫn điện giảm [H+] tăng độ dẫn điện tăng [Na+] Hiệu khuynh hướng biểu diễn giảm độ dẫn điện dung dịch ứng với nhánh AB (trên hình 1.4) trước điểm tương đương Sự giảm độ dẫn điện trước điểm tương đương giảm [H+] (ở 250C có độ linh động 350 S.cm2.mol-1) vượt độ linh động ion Na+ (50 S.cm2.mol-1) Sau điểm tương đương độ dẫn điện dung dịch tăng (nhánh BC), dung dịch nồng độ [Na+] [OH-] (có độ linh động 199 S.cm2.mol-1) tăng Tuy nhiên tăng độ dẫn điện phần BC chậm giảm độ dẫn điện phần AB độ linh động ion Na+ gần hai lần nhỏ ion H+ Điểm tương đương xác định điểm gãy đồ thị χ – V (hình 1.4b) Khi định phân axit yếu HL bazơ mạnh (ví dụ NaOH) tình hình khác trường hợp Hình (1.5) trình bày thay đổi nồng độ ion Na+ χ L- HL OHL L- H + (a) (b) Hình 1.5 Định phân axit bazơ mạnh: a-sự thay đổi nồng độ định phân, b-sự thay đổi độ dẫn điện định phân LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dung dịch độ dẫn điện riêng dung dịch trình định phân Quá trình định phân xảy theo phản ứng: HL + NaOH = NaL + H2O Trong trình định phân nồng độ phân tử axit không phân li dẫn đến thực tế gần không điểm tương đương Lúc bắt đầu trình định phân nồng độ L- thực tế nồng độ H+ Trong trình định phân nồng độ [L-] tăng lên, sau điểm tương đương, nồng độ [L-] thực tế không thay đổi Trong suốt q trình định phân [H+] giảm cịn [Na+] tăng (hình 1.7a).Độ dẫn điện riêng dung dịch tăng trước điểm tương đương (nhánh AB) định phân nồng độ ion Na+ L- tăng, nồng độ ion H+ dung dịch axit yếu muối (hỗn hợp đệm) khơng lớn, nên việc giảm [H+] q trình điện phân khơng gây giảm đột ngột độ dẫn điện dung dịch định phân axit mạnh kiềm mạnh 1.4.2.2 Phản ứng tạo kết tủa Dạng đường định phân phương pháp chuẩn độ độ dẫn điện dùng phản ứng tạo kết tủa phụ thuộc nồng độ, độ linh động, tính tan kết tủa tạo thành Tích số tan Tht sản phẩm phản ứng bé, điểm uốn đường định phân điểm tương đương rõ Với dung dịch có nồng độ 0,1M kết phân tích hồn tồn phù hợp tích số tan chất có hai ion (hợp chất khó tan có cation anion) nhỏ 10-5 Với chất có độ hịa tan lớn hơn, việc xác định điểm tương đương trình định phân khó khăn đường định phân khơng có điểm uốn Điểm uốn đường định phân khơng rõ nồng độ chất phân tích bé Ví dụ, phân tích dung dịch có nồng độ 10-3M điểm uốn đường định phân trở nên khơng rõ hợp chất tạo thành có tích số tan lớn 10-9 Khi đưa vào dung dịch phân tích dung mơi hữu cơ, tính tan hợp chất khó tan thường giảm nên điểm uốn đường định phân trở nên rõ Ảnh hưởng độ linh động ion thể độ nghiêng đường định phân trước điểm tương đương Nếu độ linh động ion kết tủa lớn độ linh động ion thuốc kết tủa, độ dẫn điện dung dịch phân tích trước điểm tương đương giảm dần Còn độ linh động ion (các ion hợp chất kết tủa ion thuốc kết tủa) độ dẫn điện dung dịch khơng thay đổi định phân Còn độ linh động ion thuốc kết tủa lớn ion kết tủa độ dẫn điện trước điểm tương đương tăng dần Sau điểm tương đương độ dẫn điện dung dịch tăng tất trường hợp nồng độ ion dung dịch tăng dần sau điểm tương đương Ví dụ việc định phân dung dịch muối tan bari dung dịch muối 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com sunfat theo phương trình: Ba(NO3)2 + Na2SO4 = BaSO4 + 2NaNO3 Trước điểm tương đương, độ dẫn điện dung dịch giảm xuống thay cho Ba(NO3)2 ( = 63,6), dung dịch xuất lượng tương = 50,1), nghĩa dung dịch xuất cation có độ linh đương NaNO3 ( + động bé (Na thay cho Ba2+) Giọt Na2SO4 dư sau điểm tương đương làm tăng mạnh độ dẫn điện dung dịch tăng nồng độ chất điện li dung dịch Đương nhiên phương pháp chuẩn độ độ dẫn điện không loại bỏ nguyên nhân gây sai số vốn có phương pháp phân tích dùng phản ứng kết tủa: sai số tượng hấp phụ kết tủa tạo thành, tượng chậm kết tủa… nguyên nhân gây sai lệch điểm tương đương với điểm kết thúc định phân 1.4.2.3 Phản ứng tạo phức chất tạo complexonat Để phân tích nồng độ kim loại theo phương pháp chuẩn độ độ dẫn điện dùng phản ứng tạo phức chất complexonat, người ta thường dùng dung dịch axit, oxiaxit khác (axit oxalic, axit tactric, axit xitric…), complexon ligan khác.Trong trường hợp này, đặc biệt quan trọng có muối axit etylenđiamin tetraaxetic (EDTA) Ví dụ định phân Fe3+ dung dịch EDTA (Y2-) xảy phản ứng: Fe3+ + H2Y2- = FeY- + 2H+ Do kết phản ứng tạo complexonat sắt, làm thoát ion H+ nên độ dẫn điện dung dịch tăng lên Sau điểm tương đương độ dẫn điện dung dịch giảm, ion H+ phản ứng tạo complexonat để thoát lại liên kết với H2Y2- H+ + H2Y2- = H3YĐường định phân có dạng hình 1.6a Một dạng khác đường định phân chuẩn độ ion kim loại phản ứng tạo complexonat trường hợp định phân có mặt dung dịch đệm Trong trường hợp ion H+ thoát tác dụng với cấu tử nhận proton dung dịch đệm khơng ảnh hưởng đến độ dẫn điện dung dịch phân tích Trước điểm tương đương độ dẫn điện tăng nhẹ chủ yếu tăng nồng độ Na+, sau điểm tương đương độ dẫn điện tăng nhanh dư dung dịch định phân (hình 1.6b) 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các hạt chất mang trơ hạt silica hoạt hóa cho tính hấp phụ Nó trơ q trình sắc ký Vì kỹ thuật HPLC có: Sắc ký lỏng – lỏng Sắc ký lỏng – rắn Pha tĩnh rắn hạt có hình cầu mảnh có đường kính từ – 10 µm Phổ biến cở – µm Nên silica nguyên liệu để chế tạo pha tĩnh HPLC Pha tĩnh HPLC hấp phụ pha thường silica trung tính (silica trần) Trên bề mặt cịn chứa nhiều nhóm phân tực – OH (hình 1.3a) Nhóm ưa nước, để liên kết cầu hidro với phân tử nước, làm giảm hoạt tính sắc ký pha tĩnh Loại để tách chất khơng phân cực phân cực Pha động loại pha tĩnh chất kỵ nước (khơng ưa nước); nghĩa khơng hịa tan nước Ví dụ CHCl3, benzene, CCl4, etylacetat, n-hexan, n-pentan, v.v… (bảng 2.4) Pha tĩnh HPLC hấp thụ pha ngược silica trung tính alkyl hóa nhóm OH bề mặt nhóm alkyl mạch cacbon C3, C8, C18 hay nhân phenyl Vì loại chất nhồi có bề mặt khơng phân cực Nó thuộc loại chất nhồi kỵ nước (hình 9.9) Nghĩa nước khơng ảnh hưởng đến tính chất bề mặt Pha động cho loại sắc ký nước có hịa tan thêm chất hữu cơ, ví dụ methanol, acetonitril trộn với nước theo tỉ lệ phù hợp Hình 9.9 Cấu trúc pha tĩnh HPLC 158 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tất nhiên tính chất, đặc trưng, cấu trúc hạt pha tĩnh có ảnh hưởng đến hiệu sắc ký Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất sắc ký có nhiều, ví dụ độ xốp pha tĩnh, thành phần, tốc độ pha động, … Bảng 9.4 Vài ví dụ pha tĩnh HPLC Tên pha tĩnh Loại nhóm Trên Loại pha ODS-Hypersil C18 Silica Hấp phụ RP Lichrosorb RP18 C18 Silica ntr Micropack CH C18 Silica ntr Lichrosorb RP8 C8 Silica ntr Zorback-ODS C18 Silica ntr ODS-Sil X-I C18 Silica ntr Hypersil Silica Hấp phụ NP Partisil Silica ntr Lichrosorb-Si60, Si100 Silica ntr Zorbac-Sil Silica ntr µ-Porasil Silica ntr Partisil 10SCX Silica Trao đổi ion Lichrosorb KAT Silica ntr Polyme hữu ntr Aminex-A28 9.5.4 Pha động HPLC Pha động sắc ký lỏng cao áp (HPLC) tùy thuộc vào loại chất nhồi cột khác Nó dung mơi đơn, hỗn hợp hay dung môi trộn với theo tỉ lệ phù hợp Song với loại sắc ký u cầu dung mơi làm pha động phải thỏa mãn yêu cầu định như: Phải trơ khơng có tác dụng hóa học với pha tĩnh Bền ổn định trình chạy sắc ký Hịa tan tốt hỗn hợp chất mẫu Phù hợp với loại detector chọn để phát chất phân tích 159 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong sắc ký hấp phụ pha thường (NP-HPLC), pha tĩnh chất phân cực, nên pha động chất khơng phân cực hay phân cực Ví dụ n-hexan, nheptan, benzene, tetrachlocacbon, chloroform, …Nói chúng dung mơi hữu Các dung mơi thường kỵ nước Hệ sắc ký thường sử dụng để tách phân tích hỗn hợp hiđrocacbon, chất hữu khơng phân cực hay phân cực Trong sắc ký hấp phụ pha ngược (RP-HPLC), pha tĩnh khơng phân cực hay phân cực, nên pha động phân cực Pha động loại sắc ký nước cất có thêm dung môi hữu tan tốt nước methanol, acetonitril, izo-butanol, …Phổ biến hỗn hợp (methanol + nước) theo tỉ lệ định tùy theo loại hỗn hợp mẫu cân sắc ký Hệ sắc ký phù hợp cho tách sắc ký nhiều loại hỗn hợp mẫu, hyđrocacbon, nhóm chất mạch vòng, hợp chất tự nhiên, phenol, amin, amino-axit, …Phạm vi sử dụng RP-HPLC phong phú đa dạng nhiều loại NP-HPLC 9.5.5 Sự lưu giữ cột Các chất phân tích lưu giữ cột tách định yếu tố: Bản chất chất phân tích, cấu trúc phân tử, nhóm vị trí chúng, … Bản chất đặc trưng pha tĩnh cột tách, cỡ hạt, độ xốp, kích thước lỗ xốp, … Pha động chất dung môi làm pha động, thành phần tốc độ pha động, pH pha động Nhiệt độ cột tách Tất yếu tố ảnh hưởng mức độ định đến hiệu sắc ký hỗn hợp chất chon điều kiện phù hợp nhất, thu kết sắc ký tốt 9.5.6 Tối ưu hóa điều kiện sắc ký Tối ưu hóa điều kiện sắc ký nghiên cứu chọn lọc điều kiện sắc ký phù hợp cho hỗn hợp mẫu phân tích để thu hiệu tách cao tách chất Nghĩa chất có hỗn hợp mẫu tách hồn toàn Giải vấn đề bao gồm cong việc sau dựa theo tính chất hỗn hợp chất mẫu: Chọn pha tĩnh phù hợp theo tính chất đặc trưng loại, độ xốp, cỡ hạt, kích thước cột chứa pha tĩnh, … 160 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chọn pha động phù hợp Nó bao gồm chọn dung mơi làm pha động, thành phần chúng, tốc độ pha động, chất đện Ph, chất tạo phức, cần cho tách đạt hiệu cao Ví dụ sắc ký trao đổi ion Chọn loại detector thơng số để phát chất phân tích với hiệu cao (độ nhạy độ chọn lọc cao) Lượng mẫu bơm vào cột tách Nhiệt độ cột tách trình sắc ký Chế độ gradient có cần khơng?, … Thực nghiên cứu chọn điều kiện nói phù hợp, tức công việc tối ưu điều kiện sắc ký Nghĩa xây dựng quy trình tách sắc ký chất hỗn hơp mẫu phân tích 9.5.7 Phân tích định tính HPLC Chúng ta biết (thông số đặc trưng) để phát định tính chất hỗn hợp mẫu Vì nguyên tắc phân tích định tính theo HPLC là: Trong điều kiện sắc ký chọn, dùng chất chuẩn để xác định thời gian lưu chất phân tích theo sắc đồ bơm mẫu riêng tưng chất ta lập thời gian lưu chất, ví dụ chất A, B, C, D,…ta có thời gian lưu tương ứng tA, tB, tC, tD, … Do đến phân tích mẫu chưa biết, ta bơm mẫu ghi sắc đồ mẫu phân tích có chất có thời gian lưu trùng với tB ta nói chất chưa biết chất B 9.5.8 Phân tích định lượng Nguyên tắc phân tích định lượng HPLC dựa sở phạm vi định chất phân tích chiều cao hay diện tích pic sắc ký có quan hệ tỉ lệ thuận với nơng độ mẫu theo biểu thức: Hay H = k.C (9.9a) S = k.C (9.9b) Trong H chiều cao S diện tích pic sắc ký chất Trong hai biểu thức này, quan hệ tuyến tính S C rộng quan hệ tuyến tính H C Cịn k số điều kiện thực nghiệm trình sắc ký Vì điều kiến sắc ký xác định khơng đổi Do nguyên tắc phương pháp phân tích định theo kĩ thuật HPLC là: Chuẩn bị dãy mẩu chuẩn với mẫu phân tích điều kiện 161 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chọn quy trình phù hợp để chạy sắc ký dãy mẫu chuẩn mẫu phân tích Thừ sắc đồ thu được, xác định giá trị H (hay S) chất phân tích mẫu mẫu phân tích tương ứng Ví dụ bảng sau: Dãy chuẩn Mẫu phân tích Mẫu C1 C2 C3 C4 C5 CX1 CX2 CX3 Gía trị H H1 H2 H3 H4 H5 HX1 HX2 HX3 Gía trị S S1 S2 S3 S4 S5 SX1 SX2 SX2 - Sau dựng đường chuẩn H – C (hay S – C) Rồi từ đường chuẩn Và giá trị Hx hay Sx dễ dàng phát nồng độ chất phân tích 9.5.9 Vài ứng dụng HPLC Hiện sắc ký lỏng cao áp áp dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Vì có nhiều ưu việt sắc ký cổ điển, ví dụ như: Độ nhạy cao Khả tách nhiều loại hỗn hợp chất Tốc độ phân tích lớn Nhanh chóng cho kết Tốn mẫu Song mặt trang bị so với sắc ký cổ điển, kĩ thuật HPLC cần có trang bị đắt tiền Các lĩnh vực sử dụng HPLC nhiều là: Cơng nghiệp hóa học, hóa dầu Công nghiệp thực phẩm, nông nghiệp, thuốc trừ sâu Y học, lâm sàng Hóa sinh hóa hợp chất tự nhiên Công nghệ dược phẩm, … 9.6 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SẮC KÝ KHÍ 9.6 Nguyên tắc Sắc ký khí q trình tách chất cột tách trạng thái khí, chất mang mẫu chất khí Vì để tách hỗn hợp chất khí hay chất lỏng chất rắn dễ dàng hóa khí 2500C, bơm mẫu vào cột 162 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dạng lỏng Nếu chất rắn phải hịa tan trước dung mơi phù hợp tạo dung dịch mẫu bơm vào cột sắc ký để hóa khí chúng Với chất nhiệt độ hóa cao 2500C, phải hóa trước buồng hóa riêng có nhiệt độ cao đầu cột sắc ký, sau dẫn vào cột tách Tất nhiên, với chất loại này, việc sắc ký phức tạp khó khăn Trong sắc ký khí, pha tĩnh chất rắn Nó nhồi đầy vào cột tách (cột thường), lớp mỏng bám vào thành cột sắc ký (sắc ký mao quản) Còn pha động chất khí, hay hỗn hợp hai chất khí Chất khí mang mẫu vào cột để thực q trình tách Nó chuyển động (hay dẫn vào) liên tục suất trình tách với tốc độ xác định Với sắc ký khí, việc thực hiên q trình sắc ký theo hai kĩ thuật: Giữ nhiệt độ số suốt trình tách Thực gradient nhiệt độ trình tách Khi tách hỗn hợp phức tạp chứa nhiều chất có nhiệt độ sơi khác lớn, hợp chất tự nhiên, dược phẩm, …Qúa trình gradient nhiệt độ cấn thiết trình tạo điều kiện để chất tách khỏi 9.6.2 Máy sắc ký khí Máy sắc ký khí hệ thống trang bị để thực trình sắc ký Nó bao gồm phần bản: 9.6.2.1 Hệ thống cung cấp khí cho q trình sắc ký, gồm regulator, flow meter, gas valves Hệ thống phải cấp dịng khí ổn định cần thiết theo u cầu quy trình phân tích sắc ký 9.6.2.2 Bộ xylanh bơm mẫu vào cột (sample Valve), bơm lượng mẫu xác vào cột vùng thể tích từ 5-100 µl, lặp lại tốt 9.6.2.3 Cột tách sắc ký Đây phần quan trọng nhất, định hết tách hỗn hợp tốt hay xấu Đó pha tĩnh, chất nhồi cột (packing materials) Tất nhiên, loại sắc ký, chất nhồi khác chất Cột sắc ký làm thép, hợp kim đồng, có chiều dài từ 3-5m, đường kính 2,5-4 mm Cột mao quản làm thủy tinh, chiều dài từ 15-100m, đường kính 0,25-1 mm 9.6.2.4 Hệ lò nung cột tách hệ điện tử điều khiển lị nung: có nhiệm vụ làm nóng cột theo chế độ nhiệt độ khơng đổi hay chế độ gradient nhiệt độ tách sắc ký yêu cầu 9.6.2.5 Detector: nộ phận để phát hiện, nhận biết chất phân tích dựa theo nhứng tính chất vật lý hóa học đó, ứng với tính chất phát hiện, người ta có loại detector định, ví dụ: 163 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Detector ion hóa lửa (Flame ionization detector: FIA) - Detector bắt điện tử (Electron capture detector: ECD) - Detector độ dẫn (Conductivity detector: CD) - Detector dẫn nhiệt (Thermal conductivity detector: TCD) - Detector phát xạ nguyên tử (Atomic emission detector: AED) - Trong loại detector này, loại sử dụng phổ biến (bảng 9.5.) Nhưng loại phải thỏa mãn yêu cầu nêu mục 9.4 dùng 9.6.2.6 Bộ phận ghi thị kết tách sau detector Nó phận sau: - Bộ tích phân kế (Intergrator) - Máy tự ghi (Strip-chart-recorder) - Hay computer with printer - Đó phần cần thiết Tất nhiên có hệ thống máy sắc ký hồn chỉnh thường có gắn theo máy tính, phận tự động bơm mẫu, phận xử lý kết theo chương trình đặt ra, chương trình hóa q trình sắc ký, …Tồn hệ thống máy sắc ký ta minh họa hình 9.10 Bảng 9.5 Các loại detecter GC Loại Ứng dụng Độ nhạy (g) T.tính Noise Khí mang FIA phổ biến 10-13 107 nhỏ H2, Air ECD phổ biến 10-13 107 nhỏ N2, H2 chọn lọc CD Ít 10-10 105 nhỏ N2, Air TCD nhiều 10-8 105 vừa H2, He AED Ít (mới) 10-10 105 lớn, vừa He, Air, N2 TID Ít (mới) 10-8 105 nhỏ, vừa N2 164 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 9.10 Sơ đồ khối thiết bị sắc ký khí 9.6 Pha tĩnh sắc ký khí Pha tĩnh sắc ký khí chế tạo sử dụng trạng thái rắn lỏng Do có tên: Gas- Liquid Chr (GLC) Gas- Solid Chr (GSC) Nếu trạng thái lỏng để giữ cột tách, phải tẩm chất mang trơ rắn Do pha tĩnh lớp màng mỏng xung quanh hạt chất mang trơ Chất mang trơ oxit silica hoạt hoá cho trơ chế tạo thnh nhng ht hỡnh cu kớch thc = 3ữ5àm Pha tĩnh lỏng thường dầu silicon hay polyeter Do có cấu tạo nên pha tĩnh loại có dung tích hấp phụ nhỏ Mặt khác lại màng chất lỏng, nên tách thường dùng nhiệt độ thấp sử dụng pha tĩnh rắn Pha tĩnh rắn chế tạo dạng hạt hình cầu hay mnh nh cú = 3ữ7 hay 10àm, trờn ba loại silica, oxit nhôm, cao phân tử hữu (polystyrene) Nhưng phổ biến silica, ứng dụng với loại sắc ký có loại pha tĩnh riêng, ví dụ pha tĩnh của: - Sắc ký hấp thụ pha thường - Sắc ký hấp thụ pha ngược - Sắc ký trao đổi ion - Sắc ký rây (sàng) phân tử Song sắc ký khí, chủ yếu có hai loại hấp thụ pha thường pha ngược 165 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com sử dụng nhiều Chất nhồi pha thường sắc ký khí silica trung tính chế tạo điều kiện đặc biệt, có dung lượng hấp phụ cao, diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp cao (bảng 9.6) Gần 80% số chất nhồi loại hãng sản xuất silica Nền thứ hai nhôm oxit Pha tĩnh loại hấp thụ pha thường kỵ nước Nó có bề mặt ưa nước nước làm tính chất sắc ký bề mặt hấp thụ, qua việc hình thành cầu hydro nhóm OH bề mặt pha tĩnh với phân tử nước Chất nhồi cột pha ngược silica trung tính ankyl hoa, nhóm OH bề mặt bị thay nhóm ankyl, ví dụ: -CH3, - C2H5, - C3H7, C18H17, - C18H37, phenyl,…Do tính ưa nước khơng cịn Nên bề mặt sắc ký khơng cịn bị ảnh hưởng độ ẩm Trong thực tế loại pha ngược sử dụng phổ biến Nó thích hợp cho việc tách nhiều loại hợp chất, từ không phân cực đến phân cực (bảng 9.7) Bảng 9.6 Pha tĩnh GLC Tên Polydimethyl siloxane Ký hiệu OV-1; SE-30 Poly-(phenyl methyl)- OV-3; SE-52 siloxane (10% phenyl) Polyethylene glycol Carbowax20M Tmax (C) 350 350 250 Để tách Hydrocacbon, aromatic, drugs, steroides Axit béo, ester, alkaloides halogen compounds, drugs Axit tự do, alkohols, ethers, oils, glycols Pha tĩnh nạp vào cột tách theo hai cách: - Nhồi đầy cột kỹ thuật rung, cách cho cột tách kích thước bình thường (Φ= 2-4mm) cột thép hay cột đồng - Tẩm thành lớp bề mặt cột, cách thường dùng cho loại cột mao quản thuỷ tinh, đường kính nhỏ 1mm Bảng 9.7 Ví dụ pha tĩnh rắn (GSC) Nền (Matrix) Silica Silica Silica Silica Silica Silica Silica Carbowax Chromsorb W Chromsorb G Anachrom Chromsorb N-AW Celite 545 Chromsorb W-AWDMCS 166 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9.6.4 Pha động sắc ký khí Pha động sắc ký khí thường chất khí đơn hay hỗn hợp hai khí Nó có nhiệm vụ: - Rửa giãi chất phân tích khỏi cột - Mang chất phân tích khỏi cột Vì nhiều người quen gọi khí mang GC Việc chọn chất khí làm khí mang tuỳ thuộc vào: - Bản chất chất phân tích - Loại detector chọn để phát chất phân tích - Kỹ thuật sắc ký (T= const hay građient T) Các chất khí thường dùng hydro, nitơ, heli, argon tinh khiết phải đạt > 99,9% Trong trình sắc ký, tốc độ chảy pha động có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu tách hỗn hợp Nói chung, tốc độ khí thường sử dụng vịng từ 100-250 ml/phut cho nhiều đối tượng mẫu 9.6 Sự lưu giữ chất Sự lưu giữ chất cột tách định yếu tố như: - Các đặc trưng pha tĩnh - Bản chất pha động, thành phần tốc độ pha động - Nhiệt độ trình tách Trong GC yếu tố quan trọng Do nhiều trường hợp người ta phải thực chế độ građient nhiệt độ để thu kết kết tách tốt 9.6.6 Tối ưu hoá điều kiện sắc ký Tối ưu hoá điều kiện sắc ký trình nghiên cứu tìm điều kiện tách phù hợp cho hỗn hợp hay loại hỗn hợp chất cần phân tích Cơng việc xây dựng quy trình phân tích Nó bao gồm vấn đề sau dựa theo chất mẫu phân tích: Chọn loại cột sắc ký: Kích thước, loại pha tĩnh, cột sắc ký thường hay cột mao quản Chọn pha động chất nào, thành phần tốc độ Chọn kỹ thuật sắc ký nhiệt độ không đổi, hay gradient nhiệt độ liên tục, gradient nhiệt độ bậc, đoạn cần thiết,.v.v… 167 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chọn máy GC với detector phù hợp để phát chất phân tích với độ nhạy cao Chọn cách xử lý mẫu lượng mẫu bơm vào cột tách Ở quan trọng dung mơi hồ tan mẫu mà không gây ảnh hưởng đến kết tách Chọn điều kiện thu ghi sắc đồ trình tách sắc ký hỗn hợp mẫu Thực hồn chỉnh cơng việc ta chọn điều kiện phù hợp cho việc phân tích định lượng hỗn hợp mẫu đạt kết tốt Nếu làm tất việc trên, mà chất (matrix) mẫu ảnh hưởng đến trình tách, sắc đồ chưa tốt, ta phải tìm cách loại bề mặt chất mẫu 9.6.7 Phân tích định tính Nguyên tắc phát định tính dựa vào thời gian lưu (tRi) chất điều kiện sắc ký định chọn Vì ta biết, thời gian lưu tRi đặc trưng cho chất Do để định tính hỗn hợp chất ta phải: - Chạy sắc ký hỗn hợp chất chuẩn để xác định thời gian lưu tRi chất - Chạy sắc ký hỗn hợp mẫu phân tích Sau so sánh thời gian lưu tRi chất hai sắc đồ, ta suy mẫu phân tích có chứa chất Như ví dụ hình 8.5 ta thấy mẫu sắc đồ chuẩn có chất X1, X2, X3, X4, X5, cịn mẫu phân tích có chất X2, chất khác khơng có Hiện với hệ thống máy GC đại,có gắn máy tính chương trình xử lí số liệu, computer nhớ sẵn thời gian lưu tRi chất phân tích, so sánh thơng báo kết sau chạy sắc lý mẫu phân tích 168 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9.6.8 Phân tích định lượng Trong q trình sắc kí, tín hiệu đo trình sắc ký chiều cao pic diện tích pic sắc ký Trong điều kiện sắc kí xác định, đại lượng ln có quan hệ phụ thuộc vào nồng độ chất mẫu Mối quan hệ biểu thị phương trình sau đây: Theo chiều cao H: H = k.c Hay theo diện tích S: S = k.c Ở : H S chiều cao diện tích pic sắc ký; C nồng độ chất mẫu; cịn k số, xác định đìêu kiện sắc ký chọn chất chất phân tích Đây phương trình để định lượng GC Trong 169 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phương trình này, đo H phạm vi tuyến tính hẹp với nồng độ C; cịn đo S quan hệ tuyến tính S C lớn Do đó, thực tế phân tích GC người ta hay sử dụng phương trình : S = k.c để định lượng 9.6.8.1 Phân tích bán định lượng Ở để định lượng, người ta coi tổng diện tích tất pic sắc ký chất mẫu phân tích 100%; Nghĩa có: St = (S1 + S2 + S3 + … + Si ) = 100 Do % chất Ci: Ci = Si ×100 % St Tất nhiên, việc coi tổng St = 100 % gần Vì độ nhạy detector với chất phân tích khác Nên cách bán định lượng mà thơi 9.6.8.2 Phân tích định lượng Cũng từ phương trình sở H=KC S=KC, muốn định lượng xác chất ta phải dùng phương pháp đường chuẩn Cách làm tương tự kỹ thuật phân tích định lượng khác sắc ký lỏng nói Cụ thể là: 1.Trước hết chuẩn bị dãy mẫu chuẩn chất phân tích nồng độ Co, C1, C2, C3, C4, C5 điều kiện với mẫu phân tích Cx (bảng 9.8 ) Chọn điều kiện ghi sắc đồ mẫu chuẩn mẫu phân tích, ta có cặp giá trị tương ứng S C hay H C bảng 9.8 Dựng đường chuẩn xác định giá trị Cx cần tìm (hình 9.11) Bảng 9.8 Các điều kiện dựng đường chuẩn Nồng độ Cx C0 C1 C2 C3 C4 C5 Giá trị đo S Sx,… So S1 S2 S3 S4 S5 Giá trị đo H Hx,… Ho H1 H2 H3 H4 H5 Nếu mẫu phân tích có thành phần phức tạp pha dãy mẫu chuẩn, phải dùng phương pháp thêm tiêu chuẩn tốt Vì với kỹ thuật loại trừ ảnh hưởng thành phần (matrix) mẫu 170 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com H H5 H4 Hx H3 (a) H2 H1 C1 C3 C2 Cx C4 C5 C ` (b) Cx C1 C2 C3 C4 C Hình 9.11 Đường chuẩn phân tích a Phương pháp đường chuẩn b Phương pháp thêm 9.6.9 Vài ứng dụng sắc ký khí Hiện sắc ký khí kỹ thuật phân tích sử dụng nhiều để phân tích chất hữu lĩnh vực , hoá dầu, hoá dược phẩm, hoá chất tự nhiên , hỗn hợp hyđrocacbon loại … 171 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TÀI LIỆU THAM KHẢO Hoàng Minh Châu, Từ Văn Mặc, Từ Vọng Nghi (2002) Cơ sở hóa học phân tích, NXB KH & KT Trần Tứ Hiếu (2002), Hóa học phân tích, NXB ĐHQG Hà Nội Từ Vọng Nghi, Trần Chương Huyến, Phạm Luận (1990), Một số phương pháp phân tích điện hóa đại, Trường Đại học khoa học tự nhiên, ĐHQG Hà Nội Phạm Luận (1994), Cơ sở lý thuyết hóa học phân tích, Trường Đại học khoa học tự nhiên, ĐHQG Hà Nội Hồ Viết Quý (1999), Các phương pháp phân tích quang học hóa học, NXB Đại học quốc gia Hà Nội В.Н.Алексеев, Количественный анализ, Москва, издательствo “Химия”, 1972 H.A Laitinen, Phân tích hóa học Tập 2, Nguyễn Tinh Dung Nguyễn Huyến dịch NXB KH & KT, 1976 Ο.Д Кyρиленко, Краткий спровочник по химий издательствo “наукова думка”, 1974 172 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... cho việc phân tích chất nồng độ bé (hình 3.3b) 3.2 Sơ đồ thiết bị phân tích cực phổ Sơ đồ nguyên lí thiết bị phân tích cực phổ trình bày hình 3.4 Dung dịch phân tích chứa bình điện phân có lớp... PHÁP PHÂN TÍCH ĐO ĐIỆN THẾ 2.1 Đặc điểm chung phương pháp phân tích đo điện Phương pháp phân tích đo điện phương pháp xác định nồng độ ion dựa vào thay đổi điện cực nhúng vào dung dịch phân tích. .. định phân dạng tích phân; b - Đường định phân dạng vi phân Trên hình 2.4 trình bày kiểu đường định phân phương pháp chuẩn độ điện Trong phương pháp chuẩn độ điện người ta dùng phản ứng phân tích