Báo cáo thực tập hóa phân tích bài 4 phương pháp quang phổ nguyên tử phương pháp phổ hấp thu nguyên tử ngọn lửa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN, ĐHQG – HCM KHOA HÓA HỌC BỘ MÔN HÓA PHÂN TÍCH  BÁO CÁO THỰC TẬP HÓA PHÂN TÍCH BÀI 4 PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THU NGUYÊN TỬ NGỌN LỬA Sin[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN, ĐHQG – HCM KHOA HĨA HỌC BỘ MƠN HĨA PHÂN TÍCH . BÁO CÁO THỰC TẬP HĨA PHÂN TÍCH BÀI :PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ: PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THU NGUYÊN TỬ NGỌN LỬA Sinh viên thực tập – MSSV: Phạm Nhật Khuyên Ngô Nguyệt Nhi Nguyễn Thị Thùy Trang – 20140416 Đỗ Thị Cẩm Tú Ngày thực tập : Thứ tư, 21 – 12 - 2022 Tp.Hồ Chí Minh , tháng 12 – 2022 I Giới thiệu chung Nguyên tắc: Phương pháp phổ nguyên tử dựa tượng hấp thu hay phát xạ xạ điện từ thay đổi nội nguyên tử trạng thái không liên kết (nguyên tử tự do) Điều kiện tiên để có phổ nguyên tử phải cắt đứt tất liên kết hóa học nguyên tố chuyển sang dạng nguyên tử tự (Q trình ngun tử hóa mẫu), điện tử hóa trị nguyên tử tự di chuyển mức lượng khác nhau, từ trạng thái (ground state) có mức lượng thấp lên trạng thái kích thích có mức lượng cao xạ có bước sóng định (bước sóng đặc trưng) ứng với tia xạ mà phát q trình phát xạ Phổ hấp thu nguyên tử phổ sinh từ trình hấp thu nguyên tử Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử (AAS) đo suy giảm cường độ ánh sáng tới (có bước sóng đặc trưng cho nguyên tố) chiếu qua đám nguyên tử trạng thái tự  Nguyên lý hoạt động:Mẫu (dạng lỏng) → phận phun sương (phân tán) → làm khô (nhiệt độ) → bay → cắt đứt liên kết hóa học (nguyên tử hóa mẫu) → nguyên tử tự → kích hoạt xạ có lượng phù hợp Cách thực hiện: Thiết bị đo: máy Shimadzu 6300 a Cấu tạo hệ quang phổ nguyên tử: Nguồn cung cấp tia xạ: đèn cathode rỗng HCL (HCL-hollow cothode lamp) - Nguồn xạ cung cấp xạ có lượng phù hợp với chuyển dời quang học cho nguyên tố cần đo (đèn cathode rỗng phát xạ vạch) - Đèn D2: cung cấp xạ liên tục để hiệu chỉnh - Chức năng: HCL nguồn phát xạ vạch mạnh, dùng cho hầu hết nguyên tố xác định AAS Trong ta xác định Mn nước dùng đèn đơn nguyên tố, hợp kim (4-5 nguyên tố đó) ta dùng đèn đa nguyên tố - Cấu tạo: cathode đèn thường ống hình trụ, rỗng, làm kim loại có độ tinh khiết cao nguyên tố hay hợp kim số nguyên tố cần xác định Anode làm tungsten Anode cathode đặt ống thủy tinh hình trụ, hàn kín chứa Ne hay Ar áp suất thấp (1-5 torr) Cửa sổ đèn truyền suốt với xạ có ích phát từ đèn (đối với Mn cửa sổ đèn làm thạch anh (λ :190−860 nm¿vì thủy tinh lẫn kim loại tạp hấp thu xạ sinh - Nguyên lý hoạt động: điện chiều với 300V, áp đủ mạnh, Ne bị ion hóa chạy cathode, electron chạy anode Ion Ne đập vào cathode đánh bật số nguyên tử kim loại → nguyên tử, số nguyên tử kim loại đập vào N e+ ¿vàe −¿ ¿ ¿ kích hoạt Nguyên tử trạng thái kích hoạt khơng bền (thời gian sống khoảng 10−13−10−8 s) nhanh chóng chuyển trạng thái hoàn trả lượng dạng xạ điện từ - tượng phát xạ Nguyên tử kích hoạt phát xạ truyền qua cửa sổ đèn tới phận nguyên tử hóa Bộ phận nguyên tử hóa mẫu: ‒ Trong ta sử dụng phương pháp phổ hấp thu nguyên tử hóa lửa AAS (nhiệt độ 1700−31500 C ¿ ‒ Cấu tạo lửa gồm phần chính: Non-luminous zone: Phần vỏ lửa: nhiệt độ thấp nhất: phần lửa , thường có màu vàng có nhiều q trình phụ diễn Luminous zone: Phần trung tâm lửa: Nhiệt độ phần cao, đơi khơng màu có màu xanh Hỗn hợp khí đốt cháy tốt khơng có q trình phụ diễn Dark zone: Phần tối lửa: Nhiệt độ thấp: Hỗn hợp khí trộn với hạt sol khí chất phân tích Dung mơi hịa tan bay mẫu sấy nóng Nhiệt độ lửa hầu hết phụ thuộc vào chất, thành phần hỗn hợp khí đốt cháy để tạo lửa tốc độ dẫn khí vào đèn, - Đầu đốt: làm hợp kim chịu nhiệt có độ nóng chảy 29000 C Có hai loại đầu đốt: C H /khơngkhí ¿ Đầu đốt chịu nhiệt độ thấp ( 2 , nhiệt độ 2100−24000 C, có khe đốt 10 cm Dùng để nguyên tử hóa nguyên tố dễ nguyên tử hóa Trong Mn C H / N O Đầu đốt nhiệt độ cao ( 2 ), nhiệt độ 2600−28000 C) có khe đốt cm, dùng để nguyên tử hóa nguyên tố chịu nhiệt - Bộ phun sương: cấu tạo bền, chống ăn mòn Khi mẫu từ nơi có khơng gian nhỏ (bộ phun sương) sang khơng gian lớn (buồng trộn) mẫu bị phân tán thành hạt sương nhỏ, chuẩn bị cho trình nguyên tử hóa - Buồng trộn: có chức loại bỏ hạt sương lớn 10 μm Hạt sương có kích thước nhỏ theo dịng khí đến đầu đốt, hạt sương lớn rớt lại thải - Chức năng: cung cấp cho detector chùm xạ đơn sắc (có độ phân giải đủ cao) từ nguồn xạ đặc trưng (đèn HCL/EDL) xạ khơng đặc trưng (đèn Xe) - Ngồi tách sóng để lấy tia trùng với Light Source cịn có chặn bước sóng hồng ngoại, tử ngoại khơng ảnh hưởng đến kết đo - Trong phổ hấp thu nguyên tử, đơn sắc đặt sau phân nguyên tử hóa lửa đốt nóng nguồn lượng vị trí khơng giống chỗ lượng cao chỗ lượng thấp nên vơ tình xảy kích hoạt thành trạng thái kích thích khơng bền dẫn tới phát xạ mức lượng bản, mà xạ phát ngun tố khác khơng mong muốn, ngồi xạ từ Light Source cịn xạ phát sinh ngun tử hóa, ta khơng kiểm sốt được, nên ta đặt tách sóng đơn sắc sau nguyên tử hóa để lọc tách lại tia trung với Light Source xạ khác bị ngăn lại b Thực hành thao tác: Thao tác thực giảng viên, sinh viên quan sát: - Bật: computer điều khiển máy AAS, máy AAS, máy in, máy nén khí, van khí bình C2 H2 - Lắp đèn cathode lõm Khai báo vị trí đèn computer - Chọn nguyên tố muốn đo Máy tự động dị đèn điều chỉnh thơng số theo điều kiện tiêu chuẩn Phân tích viên thay đổi thơng số bước sóng, cường độ dịng điện ni đèn, khe đo tùy ý - Chọn chế độ đo AAS hay AES,AA hay BG-AA, Slit (khe đo), thời gian đo, số lần đo, bước sóng cần đo Trong Calibration: khai báo số điểm dựng đường chuẩn, có kèm theo nồng độ, dạng phương trình hồi quy - Điều chỉnh lưu lượng khí C2 H2 khơng khí Bật lửa hai nút thân máy - Phun dung dịch nước cất vào lửa phút Thao tác sinh viên thực theo hướng dẫn cán phịng thí nghiệm: - Nạp đường chuẩn tên mẫu cần đo vào máy Nhấn F3 (auto zero) - Đưa dây hút phận phun sương vào dung dịch chuẩn 1, phun sương đưa dung dịch chuẩn vào lửa - Đo mẫu: đưa dung dịch qua lửa chờ cho mật độ quang tăng liên tục có dấu hiệu giảm xuống nhấn F4 để đo sau đo liên tục lần lấy mẫu khỏi sợi dây hút - Thực thao tác đo mẫu từ mẫu blank, mẫu nồng độ thấp đến mẫu có nồng độ cao để khơng cần phải rửa lại hệ thống nước cất (đỡ tốn thời gian) Ta đo mẫu với nồng độ tùy ý, sau đo phải rửa hệ thống lại nước cất II Xử lí – tính tốn kết thực nghiệm Đồ thị chuẩn xác định Mn bước sóng λ=279.43 nm ‒ Xem số liệu bảng phụ lục bảng ‒ Đồ thị biểu diễn độ hấp thu quang theo nồng độ Mn bước sóng 279.43 nm với bề rộng khe 0.2 nm, số lần đo lặp bình ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN A THEO C TẠI BƯỚC SÓNG 279.43 nm 1.6 1.4 A (Abs) 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 C ( g/mL) a Nhận xét ‒ Dựa vào đồ thị ta thấy khoảng tuyến tính từ nồng độ 2.00 ( μg/mL¿ đến 6.00 (μg/mL¿, đồ thị bắt đầu cong từ nồng độ 8.00 ( μg/mL¿ trở sai lệch định luật Lambert-Beer ‒ Nguyên nhân dẫn đến đồ thị khơng tuyến tính nồng độ dung dịch chuẩn cao dẫn đến hấp thu ánh sáng nhiều, tia tới chạm tới detector có cường độ yếu nên dễ bị nhiễu độ nhạy detector khơng đủ lớn dẫn đến tín hiệu đo thấp so với đường chuẩn Đồ thị có dấu hiệu cong xuống tức khả hấp thụ giảm dần Ở dung dịch có nồng độ thấp 0.50 ( μg/mL¿ 1.00 (μg/mL¿, ta chọn độ rộng khe 0.2 nm ảnh hưởng cộng quang nên độ hấp thu dung dịch khơng cịn tuyến tính ‒ Chọn bề rộng khe 0.2 nm Mn có vạch phổ với bước sóng tương ứng 279.5 nm, 279.8 nm 280.1 nm, khoảng cách bước sóng 0.3 nm, chọn bề rộng khe 0.3 nm lớn gây nhiễu, ảnh hưởng đến đường chuẩn ‒ Theo tiêu chuẩn ISO 8466-1 đường thẳng A = a + bC (với A độ hấp thu (Abs), C nồng độ (μg/mL¿, a b hệ số đường tuyến tính) chưa phải đường tuyến tính, để khảo sát đồ thị ta cần phải dựng lại đồ thị có khoảng tuyến tính có giá trị nồng độ từ 2.00 (μg/mL¿ đến 6.00 (μg/mL¿ b Xử lý số liệu thực nghiệm ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN A THEO C TẠI BƯỚC SÓNG 279.43 nm (ĐÃ HIỆU CHỈNH) 0.9 0.8 f(x) = 0.11301 x + 0.0984599999999999 0.7 R² = 0.998615220772275 A (Abs) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 C ( g/mL) Đồ thị có dạng A = a + bC Tính hệ số hồi quy a, b:  Với n=5 : (n số điểm đường chuẩn)  ∑ Ci=20  ∑ C2i=90 i=1 i=1  ∑ Ai=2.7525 i=1 a=¿¿  ∑ A2i=1.6431  ∑ Ci Ai=12.14 i=1 i=1 5.50 6.00 6.50 ¿ 90 ×2.7525−20 × 12.14 ¿ 0.0985 × 90−202 5 n× ∑ Ci Ai−∑ Ci ×∑ Ai i=1 b= i=1 i=1 n×∑ Ci2−¿¿¿¿ i=1 ¿ 5× 12.14−20× 2.7525 ¿ 0.1130 × 90−202 Tính phương sai dư 5 ∑ Ai −a×∑ Ai−b×∑ Ci Ai S2ℜ= ¿ i=1 i=1 i=1 n−2 1.6431−0.0985 ×2.7525−0.1130× 12.14 5−2 ¿5.29167 ×10−5 Tính độ lệch chuẩn cho hệ số hồi quy a b √ ∑Ci i=1 Sa =Sℜ × i=1 ¿ 5.29167 ×10−5 n×∑ Ci −¿¿¿¿ √ ¿ 90 × 90−202 ¿ 7.09952×10−5 n Sb =Sℜ × ¿ √ n×∑ i=1 Ci2−¿¿¿¿ =t a × 0.95 ,f √n b 0.95 ,f × √n =3.182 × √ × 90−202 7.09952× 10−5 =3.182 × −4 =1.01028 √5 1.67337 ×10−5 Sb ε =t ¿ 5.29167 ×10 ¿1.67337 10−5 Sa ε −5 √ ×10 −5 =2.38126 × 10 Vậy phương trình hồi quy: A=¿0.0985± 0.0001¿+(1130.0 ± 0.2)×10−4 C Xây dựng đường chuẩn bước sóng 403.1 nm với bề rộng khe 0.2 nm ‒ Xem số liệu bảng phụ lục bảng ‒ Đồ thị biểu diễn độ hấp thu quang theo nồng độ Mn bước sóng 403.1 nm với bề rộng khe 0.2 nm, số lần đo lặp bình ‒ Dựa vào đồ thị ta thấy khoảng tuyến tính từ nồng độ C = 0.5000 ppm đến nồng độ C = 40.000 ppm, đường biểu diễn khơng tuyến tính từ giá trị nồng độ C > 40.0000ppm ‒ Theo tiêu chuẩn ISO 8466-1 đường thẳng A =bC + a phải tuyến tính nên ta cần phải dựng lại đường A = bC + a khoảng tuyến tính (0.5000ppm 40.0000ppm) ‒ Từ đồ thị ta thấy đường tuyến tính qua gốc tọa độ, có R2 = 0.9997 phù hợp với tiêu chuẩn ISO 8466 – ‒ Phương trình tuyến tính: A=a+bC , C nồng độ tính theo μg/mL (ppm); a, b hệ số hồi quy a Kết tính tốn: Tính hệ số a, b  Với n =13 (n số điểm đường chuẩn) 13 13 ∑ Ci Ai=44,7045 ∑ Ci2=3155,250 i=1 i=1 13 13 ∑ Ci=129,500 ∑ Ai2=0.63377 i=1 i=1 13 ∑ Ai=1.8795 , i=1 13 13 13 i=1 i=1 i=1 n∑ Ci Ai−∑ Ci ×∑ Ai b= 13 n 13 ∑ Ci − ∑ Ci ( i=1 ¿ 13× 44,7045−129,500× 1.8795 ¿ 0.01392 … i=1 ) 13 × 3155,250−(129,500)2 13 ∑ a= C2i 13 13 13 ×∑ Ai −∑ Ci ×∑Ci Ai i=1i=1 13 i=1 n ∑ C i2 − ∑ Ci i=1 ¿ 3155,250× 1.8795−129,500 × 44,7045 i=1 13 ( ) i =1 13 ×3155,250−(129,500)2 ¿ 0.00581 … Tính phương sai dư 13 13 13 i=1 i=1 ∑ Ai2−a ∑ Ai −b∑ Ci Ai S2ℜ= ¿ i=1 n−2 0.63377−(0.00581 … )× 1.8795−(0.01392 … )× 44,7045 13−2 ¿1.0927 ×10−5 Độ lệch chuẩn cho hệ số hồi qui a, b n Sb =Sℜ √ 13 n∑ 13 C2 − i=1 i ¿ 7.6540 ×10−5 √ (∑ i=1 C ) ¿√1.0927 ×10 × i √ 13× 3155,250−(129,500)2 13 ∑Ci2 Sa =Sℜ 13 −5 √ i=1 13 −5 ) ¿ √1.0927 ×10 × 13 ( 13× 3155,250−(129,500) ¿1.1924 ×10−3 ∑Ci n∑ Ci2 − i=1 3155,250 i=1 Khoảng tin cậy U √ a =t0.95 , f U b =t0.95 , f Sa × =0.064 × n√13 √ × Sb =0.064 × 1.1924 × 10−3 7.6540 ×10−5 =2.1166 ×10−5 =1.3586× 10−6 n√13 Phương trình hồi quy: A=(0.00581± 0.00002)+(0.013930 ± 0.000001) C b Nhận xét: ‒ Nguyên nhân dẫn đến đường đồ thị không tuyến tính dung dịch chuẩn có nồng độ 40.0000ppm nồng độ lớn dẫn đến hấp thu ánh sáng nhiều, tia tới chạm tới detector có cường độ yếu dẫn đến tín hiệu bị nhiễu, ngồi độ nhạy detector khơng đủ, dẫn đến tín hiệu đo thấp so với đường chuẩn Cụ thể đường biểu diễn có xu hướng cong xuống tức khả hấp thu giảm dần ‒ Dựa vào đồ thị tuyến tính đo bước sóng 403.1 nm ta thấy khoảng tuyến tính nồng độ từ 0.5000ppm đến 40.0000ppm, khoảng tuyến tính rộng nhiều so với đo bước sóng 279.5 nm ‒ Ta thấy số SD %RSD bước sóng 403.1 nm nhỏ bước sóng 279.5 nm qua cho thấy độ nhạy bước sóng 403.1 nm cao bước sóng 279.5 nm ‒ Vì vây phân tích mẫu chuẩn có nồng độ cao ta nên dựng đường chuẩn ứng với bước sóng 403.1 nm để thu kết với với độ xác cao III Phụ lục Bảng số liệu độ hấp thu quang theo nồng độ Mn bước sóng 279.43 nm với bề rộng khe 0.2 Bình ( C g/mL) A (Abs) %RSD SD 0.50 1.00 0.0762 0.1588 1.37 1.08 0.0010 0.0017 2.00 0.3196 0.09 0.0003 3.00 0.4375 0.18 0.0008 4.00 0.5569 0.41 0.0023 5.00 0.6702 0.52 0.0035 6.00 0.7683 0.23 0.0018 8.00 0.9185 0.48 0.0044 10.00 1.0387 0.28 0.0029 10 20.00 1.2773 0.62 0.0079 11 30.00 1.3159 0.24 0.0032 12 40.00 1.3366 0.67 0.0090 13 50.00 1.3668 0.33 0.0046 Bảng số liệu độ hấp thu quang theo nồng độ Mn bước sóng 403.1 nm với bề rộng khe 0.2 Bình 10 11 12 13 14 C (ppm) 0.00000 0.50000 1.00000 2.00000 3.00000 4.00000 5.00000 6.00000 8.00000 10.00000 20.00000 30.00000 40.00000 50.00000 A 0.0000 0.0107 0.0190 0.0349 0.0465 0.0609 0.0775 0.0912 0.1182 0.1472 0.2910 0.4241 0.5583 0.6448 % RSD SD 7.28 3.69 1.91 1.93 0.68 1.49 0.51 1.36 1.03 0.26 0.20 0.79 0.43 0.0008 0.0007 0.0007 0.0009 0.0004 0.0012 0.0005 0.0016 0.0015 0.0008 0.0009 0.0044 0.0028