Thực tập Hóa Phân Tích 2 Ngày thực tập Thứ tư – 14/12/2022 Mã số nhóm T4N03 & T4N04 Họ và tên sinh viên 1 Nguyễn Thị Kim Ngân – 20140313 5 Lưu Cẩm Thành – 20140374 2 Nguyễn Thị Kim Phương – 20140349 6[.]
Thực tập Hóa Phân Tích Ngày thực tập: Thứ tư – 14/12/2022 Mã số nhóm: T4N03 & T4N04 Họ tên sinh viên: Nguyễn Thị Kim Ngân – 20140313 Lưu Cẩm Thành – 20140374 Nguyễn Thị Kim Phương – 20140349 Lê Thị Ngọc Thảo – 20140378 Lý Minh Phụng – 20140347 Nguyễn Thị Cẩm Vân – 20140437 Phan Lê Như Quỳnh – 20140363 Nguyễn Lê Vy – 20140444 BÀI THỰC TẬP PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ NGUYÊN TỬ NGUYÊN TẮC CỦA PHƯƠNG PHÁP Phương pháp phổ nguyên tử dựa tượng hấp thu hay phát xạ điện từ thay đổi nội nguyên tử trạng thái không liên kết (nguyên tử tự do) Trong trường hợp này, điện tử hóa trị nguyên tử tự di chuyển mức lượng khác Sự phân bố mức lượng nguyên tử khác loại khác mang tính đặc trưng cho nguyên tố Năng lượng hấp thu hay phát xạ điện từ (E) có liên quan đến bước sóng (độ dài sóng) λ hay tần số sóng ν theo cơng thức Planck E = hν = hc/ Sự hấp thu hay phát xạ nguyên tử tùy thuộc vào hai thơng số buớc sóng (hay tần số) hấp thu hay phát xạ cường độ xạ hấp thu (A) hay phát xạ (I) Cường độ xạ hấp thu hay phát tỷ lệ với mật độ nguyên tử tham gia trình hấp thu hay phát xạ Nếu vào tần số ν hay bước sóng λ người ta phân biệt nguyên tố với nguyên tố khác (phân tích định tính) Nếu vào cường độ hấp thu A hay phát I xạ bước sóng định người ta xác định mật độ nguyên tử hay nồng độ nguyên tố mẫu (phân tích định lượng) Về phổ nguyên tử chia thành loại: phổ hấp thu nguyên tử (Atomic Absorption Spectroscopy - AAS), phổ phát xạ nguyên tử (Atomic Emission Spectroscopy Thực tập Hóa Phân Tích - AES) phổ huỳnh quang nguyên tử (Atomic Fluorescence Spectroscopy - AFS) AAS AFS thường dùng phân tích định lượng AES đuợc dùng cho phân tích định tính định lượng Phương pháp phổ nguyên tử phương pháp phân tích nguyên tố, tức phương pháp phân biệt dạng liên kết hóa học nguyên tố hợp chất mà phương pháp phân tích tổng số nguyên tố mẫu phân tích Điều kiện tiên để có phổ nguyên tử phải cắt đứt tất liên kết hóa học nguyên tố, chuyển sang dạng ngun tử tự Q trình gọi nguyên tử hóa mẫu Năng lượng dùng cho q trình ngun tử hóa mẫu thuờng nhiệt năng, đuợc cung cấp nhiệt sinh từ phải ứng hóa học (phản ứng cháy), hay nhiệt sinh dòng điện chạy qua điện trở hay nhiệt sinh ion hóa chất khí Dưới tác dụng nguồn 38 nhiệt này, hợp chất phân tích nóng chảy, hóa hơi, phân hủy thành nguyên tử tự Các nguyên tử tự tiếp tục nhận nhiệt từ nguồn nhiệt nguyên tử hóa hay từ nguồn xạ bên để gia tăng nội năng-đây trình hấp thu Ở trạng thái điện tử hóa trị chuyển từ mức (ground state) có lượng thấp lên mức cao (mức kích họat) lúc ta nói nguyên tử trạng thái kích họat (excited states) Nguyên tử trạng thái kích họat không bền (thời gian sống khỏang 10 -13 -8 – 10 s) nhanh chóng chuyển trạng thái hoàn trả lượng dạng xạ điện từ- tượng phát xạ hay huỳnh quang Hiện tượng hấp thu hay phát xạ xảy tất nguyên tố tùy vào điều kiện nguyên tử hóa điều kiện kích thích Trong hóa phân tích, người ta ứng dụng ba phương pháp AAS, AES AFS để định tính định luợng khoảng gần 70 nguyên tố hóa học THỰC NGHIỆM 2.1 Máy phân tích phổ nguyên tử Máy phân tích phổ nguyên tử gồm phần: Nguồn phát xạ, hệ thống nguyên tử hóa, chọn lọc ánh sáng đơn sắc, detector Thực tập Hóa Phân Tích 2.1.1 Nguồn xạ Nguồn xạ cung cấp xạ có lượng phù hợp với chuyển dời quang học cho nguyên tố cần đo Trong phần phực tập sử dụng nguồn xạ vạch, cung cấp xạ vạch, đặc trưng Vạch cộng hưởng: Là vạch nhạy AAS, có chuyển dời mức lượng bản, xuất nguyên tử chuyển từ mức kích thích gần nhất, cho độ hấp thu cường độ xạ lớn Đèn cathode thường ống hình trụ, làm kim loại cso độ tinh khiết cao nguyên tố hay hợp kim số nguyên tố cần xác định Anode làm Tungsten Cửa sổ quang học không chạm vào nguồn phát chiếu thẳng qua cửa sổ Nếu cửa sổ làm thủy tinh đo vùng VIS, vùng UV bị hấp thụ lại Còn cửa sổ làm thạch anh đo vùng UV-VIS không không bị hấp thụ lại Khi xài lâu cường độ dòng đèn yếu xài lâu dài, đo cần áp để cung cấp lại cường độ đến mức tối đa Sau đèn sử dụng có vấn đề thay đèn Đèn catod rỗng đơn nguyên tố Mn: Thông số ghi vỏ đèn: ⁻ Tên nguyên tố: Mn ⁻ Bước sóng nhạy (vạch cộng hưởng): 279.48 nm; bước sóng nhạy: 403.08nm ⁻ Khí nén đèn: Ne ⁻ Cường độ dòng điện tối thiếu: 10 mA, tối đa: 20 mA Lớp vỏ cấu tạo thủy tinh, phần lõi có chứa ngun tố Mangan, phần khí nén bên đèn khí trơ, thường khí Ar, nén áp suất thấp 2.1.2 Hệ thống ngun tử hóa Trong máy phân tích quang phổ có dịng khí dẫn vào đầu đốt (C2H2 khơng khí) Thực tập Hóa Phân Tích Nebulizer: gồm ống PPFE nhỏ nối với thép mảnh dễ gãy, gắn liền với hệ thống phu sương nên thép bị gãy phải thay phận lớn, giá thành đắt (cần phải thao tác cẩn thận) Thanh kim loại làm thép với mục đích hạn chế ăn mòn trường hợp chất phân tích acid Được thiết kế tiết diện nhỏ áp suất cao nên tóe với hạt nhỏ (Hiệu suất phun sương khoảng 5%, lại 95% bị thải đường thải) Trong phận phun sương có trang bị viên bi (impact pick) giúp giảm kích thước hạt sương nhằm mục đích làm tăng hiệu suất phun sương lên Khi dung phân tích phun vào hệ thống dạng sương với tốc độ nhanh, va chạm vào viên vỡ thành nhiều hạt sương nhỏ mịn hơn, từ làm tăng hiệu suất phun sương + Trước sương đưa vào đầu đốt hạt sương phải trải qua trình chọn lọc phận gọi flow spoiler (cấu tạo chong chóng), hạt sương có kích thước lớn bị giữ lại thải qua ống thải, hạt sương mịn nhỏ theo dịng khí đưa vào đầu đốt Đầu đốt: chiều dài quang lộ tính từ mép bên đầu đốt Trong phân tích phổ ngun tử sử sụng hỗn hợp C 2H2 khơng khí C2H2 N2O, trường hợp thực nghiệm sử dụng hỗn hợp C 2H2 khơng khí, cần sử dụng đầu đốt có chiều dài lớn (khoảng 10 cm) cịn sử dụng hỗn hợp C 2H2 N2O lại cần dùng đầu đốt có chiều dài nhỏ (khoảng cm) Vì q trình ngun tử hóa sử dụng N 2O diễn nhanh so với không khí có nguồn nhiệt lớn, thời gian ngắn, tốc độ nhanh việc sử dụng đầu đốt có chiều dài quang lộ nhỏ có tác dụng tập trung nguyên tử tự do, tăng mật độ nguyên tử để đầu dị kịp ghi nhận tín hiệu trước ngun tử biến Trong trường hợp sử dụng đầu đốt có chiều dài nhỏ cho nguyên tố dễ ngun tử hóa Na K tín hiệu nhạy nên ta cần phải xoay đầu đốt tạo góc lệch để làm giảm độ nhạy tín hiệu hạn chế overload detector 2.1.3 Hệ thống phân tách quang phổ Thực tập Hóa Phân Tích ⁻ Khe vào: giới hạn kích thước chùm xạ vào hệ quang học ⁻ Khe ra: nhằm giới hạn khoảng bước sóng đến detector → spectral bandpass ⁻ Bề rộng khe: Khe vào = Khe ⁻ Gương phản xạ: gồm gương phẳng để phản xạ gương cầu nhằm phản xạ, hội tụ, chuẩn trực ⁻ Cách tủ Echellete: nhiều rãnh giúp tăng hiệu suất cao, mặt cách tử sử dụng phổ biến từ 1200 – 2400 rãnh/mm ⁻ Hiệu suất nhiễu xạ tối ưu bậc nhiễu xạ 1: tùy theo góc nghiêng γ (blazed angle) thường góc nghiêng với góc tia nhiễu xạ cho bước sóng tương ứng có hiệu suất tốt 2.1.4 Bộ phận chọn lọc ánh sáng đơn sắc Mục đích để tách chọn lọc bước sóng cần đo q trình đốt ngồi ngun tử tự cịn có ngun tử khác, cịn thành phần chưa nguyên tử hết, có ánh sáng lạc từ vào Máy sử dụng máy chùm tia: có thiết kế đơn giản, xạ đến detector bảo tồn, tín hiệu bất ổn theo thời gian nên tin cậy chút so với máy hai chùm tia 2.1.5 Detector Chuyển từ quang thành điện Giúp khuếch đại tín hiệu để ghi nhận Sử dụng nhân quang điện (photomultiplier) ⁻ Detector đơn kênh ⁻ Chỉ đo ⁻ Photoemissive cathode: hiệu ứng quang điện, photon → e Thực tập Hóa Phân Tích ⁻ Dynode: 1e đập vào dynode phát xạ – e (nhằm khuếch đại e) ⁻ Anode: e → dòng điện 2.2 Cơ sở lý thuyết Trong lửa khí đốt C 2H2 + khơng khí, xác định 32 nguyên tố vào vạch phổ hấp thu cộng hưởng đặc trưng cho nguyên tố Việc xác định có độ độ chọn lọc cao với điều kiện pha dung dịch quy chiếu (reference solution) có thành phần tương tự thành phần dung dịch mẫu (sample solution) Độ xác phép xác định tùy thuộc vào tính thiết bị đo hấp thu quang Trong phổ hấp thu lửa Mn, ta sử dụng vạch hấp thu cộng hưởng 279.5nm Đây vạch nhạy chùm vạch cộng hưởng sau: 279.5, 279.8, 280.1nm Các vạch multiplet Mn gần máy Shimadzu 6300 có độ phân giải tương đối cao nên tách chúng 2.3 Cách đo mode AAS máy Shimadzu 6300 ⁻ Bật computer điều khiển máy AAS ⁻ Bật máy AAS ⁻ Bật máy in ⁻ Khởi động máy nén khí 39 ⁻ Mở van khí bình C2H2 ⁻ Khởi động phần mềm a) Lắp đèn cathode lõm vào khoang đèn bên phải máy đo Khai báo vị trí đèn b)Chọn nguyên tố muốn đo Máy tự động đò đèn điều chỉnh thông 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 c)Chọn chế độ đo AAS hay AES, AA hay BG-AA (background correction with D2), Slit, Intergration time (thời gian đo), Replicate (số lần đo), bước sóng cần đo Trong Calibration: Thực tập Hóa Phân Tích khai báo số điểm dựng đường chuẩn, có kèm theo nồng độ, dạng phương trình hồi quy: tuyến tính hay khơng tuyến tính, phương pháp đường chuẩn hay phương pháp thêm, đơn vị nồng độ μg/mL hay μg/L hay đơn vị khác d) Điều chỉnh lưu lượng khí C2H2 khơng khí Bật lửa hai nút thân máy e) Phun dung dịch nước cất vào lửa phút Các phần a → e phịng thí nghiệm thực hiện, nhóm quan sát hướng dẫn thực tập, ghi lại sử dụng kiện tường trình f) Phun nước cất vào lửa Nhấn F3 (auto zero) g) Phun dung dịch chuẩn vào lửa, vào menu Calibration chọn mục Standard 1, muốn in ra/lưu kết click mouse đánh dấu vào print/save sổ “manual”, khơng muốn in/lưu xóa dấu “check” Tương tự phun dung dịch chuẩn chọn mục Standard tương ứng menu Calibration Sau hoàn thành đường chuẩn, phun dung dịch Blank 0.5% HNO vào, nhấn F4, tín hiệu thu khác 0.000 nhấn F4 vài lần nữa, tín hiệu khác 0.000 nhấn F3 (auto Zero) Phun dung dịch xác định vào lửa, nhấn F4 Sau đo dung dịch cuối cùng, phun nước cất vào lửa phút, khóa van khí bình C2H2, tắt máy nén khí, xả bỏ khí máy nén khí Nhấn nút “purge” thân máy, để đuổi hết khí C2H2 đuờng ống dẫn khí 2.4 Tiến hành đo Dung dịch Mn chuẩn thực hành phịng thí nghiệm chuẩn bị Trong đó, dung dịch Mn chuẩn làm việc pha chế dung dịch HNO 1% từ dung dịch Mn chuẩn gốc 1000 μg/mL Dãy dung dịch chuẩn Mn chuẩn bị bảng sau: Thực tập Hóa Phân Tích Từ dung dịch chuẩn làm việc PTN, sinh viên thực hành đo thiết bị FAAS với điều kiện đo sau: = 279.5 nm, slit: 0.2 nm, lamp current: 15 mA, số lần đo lặp n = 3; dung dịch quy chiếu bình số 1, lập đường chuẩn cho dãy dung dịch Lặp lại phép đo bước sóng 403.1 nm, điều kiện khác giữ khơng đổi TÍNH TỐN VÀ NHẬN XÉT 3.1 Thực đo bước sóng 279.5 nm 3.1.1 Điều kiện đo: Số liệu thực nghiệm phần phụ lục bảng Tại: λ = 279.5 nm, slit: 0.2 nm, lamp current: 15 mA, số lần đo lặp n = 3, dung dịch quy chiếu bình số Đồ thị biểu diễn độ hấp thu A theo nồng độ Mn bước sóng 279.5 nm 1.4000 1.2000 1.0000 0.8000 0.6000 0.4000 0.2000 0.0000 -0.2000 10 20 30 40 50 60 C (μg/mL) Nhận xét: Thực tập Hóa Phân Tích Dựa vào đồ thị biểu diễn độ hấp thu quang A theo nồng độ Mn bước sóng 279.5 nm, ta thấy khoảng tuyến tính từ 0.5 μg/mL đến khoảng μg/mL, Mn có nồng độ lớn đồ thị bắt đầu bị cong Ta lý giải nguyên nhân bước sóng 279.5 nm có độ nhạy cao, Mn lại có nồng độ lớn khiến độ hấp thu A ghi nhận lớn theo làm vượt ngưỡng ghi nhận tín hiệu máy khiến số liệu ghi nhận khơng xác 3.1.2 Tính tốn kết • Theo phương pháp bình phương tối thiểu từ phương trình tuyến tính bậc (ISO 8466-1): STT Mn (μg/mL) Độ hấp thu A 0.5 0.1161 0.2221 0.4483 0.6040 0.7392 Đồ thị xây dựng dựa điểm: Đồ thị biểu diễn độ hấp thu A theo nồng độ Mn (0.5 - μg/mL) bước sóng 279.5 nm A 0.9000 0.7500 y = 0.1797x + 0.0487 0.6000 R² = 0.9880 0.4500 0.3000 0.1500 0.0000 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 C (μg/mL) Thực tập Hóa Phân Tích Phương trình tuyến tính bậc nhất:= + Trong a, b hệ số hồi quy; C nồng độ tính theo μg/mL Hệ số hồi quy a, b: ∑ ∑−∑∑ 30.25 × 2.1297 − 10.5 × 5.9456 = = = 0.0487 ∑ 2−(∑ )2 ∑ Phương sai dư × 5.9456 − 10.5 × 2.1297 −∑ ∑ ∑ = × 30.25 − (10.5)2 −(∑ )2 = = 0.1797 × 30.25 − (10.5) : − ∑ ∑ −∑ = √ −2 = = 1.1750 − 0.0487 × 2.1297 − 0.1797 × 5.9456 √ 0.0309 5−2 Độ lệch chuẩn cho hệ số hồi quy a b: = √ ∑ −(∑ )2 ∑ = √ ∑ × 30.25 − (10.5) = 0.0309 × √ = 0.0108 30.25 −(∑ )2 × 30.25 − (10.5)2 = 0.0309 x√ = 0.0265 Khoảng tin cậy: 0.0265 = × = 3.182 × = 0.0378 √5 √ 0.95,3 0.0108 = × 0.95,3 = 3.182 √ × = 0.0154 √5 10 Thực tập Hóa Phân Tích Từ giá trị trên, ta thiết lập phương trình hồi quy sau: =( • ± )+( ± ) Theo phương pháp bình phương tối thiểu từ phương trình phi tuyến tính bậc (ISO 8466-2) STT Mn (μg/mL) Độ hấp thu A 0.9461 10 10 1.0790 11 20 1.1517 12 30 1.2590 13 40 1.2717 Đồ thị biểu diễn độ hấp thu A theo nồng độ Mn (8-40 μg/mL) bước sóng 279.5 nm A 1.3000 1.2500 1.2000 1.1500 1.1000 1.0500 1.0000 0.9500 0.9000 10 15 20 25 30 35 40 45 C (μg/mL) Phương trình đường chuẩn: Y = a + bx + cx Tính giá trị trung gian: 11 Thực tập Hóa Phân Tích 2 (∑ ) =∑ − 108 = 3064 − = 731.2 5.708 ∑ =∑ −(∑ × ) = 130.03 − (108 × ) = 6.749 ∑ =∑ 3064 −(∑ × ) = 100512 − (108 × ) = 34329.6 (∑ =∑ − 30642 2)2 = 3544096 − = 1666476.8 ∑ 2 =∑( × ) 3064 −(∑ × ) = 3796.95 − (5.708 × ) = 299.4 Trung bình: 108 ∑ ̅= 5.708 ∑ = = 21.6; ̅= = 5 Hệ số a, b, c: ( × 3)−( (6.749 × 34329.6) − (299.4 × 731.2) × ) = = 3) −( ( × (34329.6) − (731.2 × 1666476.8) ) = −0.000319 − 6.749 − (−0.000319 × 34329.6) = = = 0.0242 731.2 ∑−∑−∑2 = 5.708 − 0.0242 × 108 − (−0.000319 × 3064) = = 0.814 = 1.14 Vậy phương trình phi tuyến tính bậc có là: = + − Độ lệch chuẩn dư: 12 Thực tập Hóa Phân Tích ∑2−∑−∑ =√ = = −∑2 −3 0.0556 √ 6.588 − 0.814 × 5.708 − 0.0242 × 130.03 + 0.000319 × 3796.95 Độ nhạy thiết bị đo trung tâm đường chuẩn: E = b + 2cx̅ = 0.0242 − × 0.000319 × 21.6 = 0.0104 Độ lệch chuẩn quy trình: 0.0556 = = 0.0104 = 5.35 Độ lệch chuẩn tương đối quy trình: 5.35 × 100 × 100 = = = 24.8 ̅ 21.6 Kiểm tra độ phù hợp đường chuẩn: 0.0242 ∗ =− =− = 37.9 × (−0.000319) < → ∗ < 13 Hàm không đơn trị, có cực đại hay cực tiểu khoảng chuẩn khảo sát Như hàm không phù hợp làm đường chuẩn cho tính tốn 3.1.3 Nhận xét: Từ số liệu tính tốn trên, ta nhận thấy để đường chuẩn tuyến tính hoạt động tốt, ta thu hẹp khoảng làm việc với nồng độ Mn từ 0.5 - μg/mL lúc nồng độ đo tính theo phương trình tuyến tính bậc nhất: = + 13 Thực tập Hóa Phân Tích 3.2 Thực đo bước sóng 403.1 nm 3.2.1 Điều kiện đo Số liệu thực nghiệm phần phụ lục bảng Tại λ = 403.1 nm , Slit: 0.2nm, Lamp current: 10mA, số lần lặp lại n = Đồ thị biểu diễn độ hấp thu quang theo nồng độ Mn bước sóng 403.1 nm Abs 2+ 1.2000 1.0000 0.8000 0.6000 0.4000 0.2000 0.0000 10 20 30 40 50 60 C (ppm) Nhận xét: Khi ta đo bước sóng lớn gấp 1.5 lần bước sóng nồng độ từ 10 ppm trở lên có cải thiện đáng kể khoảng tuyến tính (lệch hơn, chưa đạt) Mặc khác nồng độ từ → → ppm có sai lệch, nằm khoảng 10 ppm cho khoảng tuyến tính cao, sai lệch Vậy nên thiết lập phương trình hồi quy tuyến tính bậc ta xây dựng khoảng → nồng độ từ 10 ppm 3.2.2 Tính tốn kết • Theo phương pháp bình phương tối thiểu từ phương trình tuyến tính bậc (ISO 8466-1): 14 Thực tập Hóa Phân Tích Mn STT µg/mL A SD*10 4 0.0772 0.1021 0.1285 0.1566 11 15 10 0.2099 0.2582 10 Đồ thị xây dựng dựa điểm: Đồ thị biểu diễn độ hấp thu A theo nồng độ Mn (3 - 10 μg/mL) bước sóng 279.5 nm Abs 0.3000 0.2500 y = 0.0261x - 0.0013 R² = 0.9995 0.2000 0.1500 0.1000 0.0500 0.0000 10 11 C (ppm) Xây dựng phương trình hồi quy bậc (ISO 8466-1), điểm đồ thị, ta giá trị: ∑ × ∑ a = 0.9325 =6.4833 Tính hệ số a,b: = ∑ ∑ −∑ ∑ ×∑ = 250×0.9325−36×6.4833 2 −(∑ ) 6×250−(36) ∑ ∑ =36 = 0.1681 ∑ (∑ =250 )2 = 1296.0 = −1.342 10−3 15