các phương pháp phân tích quang học

Ngoài ra, các phương pháp phổ hóa cung cấp công cụ sử dụng rộng rãi cho việc dự đoán cấu trúc của các phần tử phân tử cũng như việc xác định định tính và định lượng các hợp chất vô cơ và

CH3320 PHÂN TÍCH B ẰNG CÔNG CỤ

Ph ần 1 Các phương pháp phân tích quang học 2

Chương 1 Mở đầu 2

1.1 M ở đầu 2

1.2 Tính ch ất cơ bản của bức xạ điện từ 2

1.2.1 Tính ch ất sóng của bức xạ điện từ 3

1.2.2 Tính ch ất hạt của bức xạ điện từ 5

1.3 Ph ổ bức xạ điện từ 5

Chương 2 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử 6

2.1 S ự hình thành phổ phân tử 6

2.1.1 S ự hấp thụ bức xạ điện từ và sự hình thành các loại phổ hấp thụ phân tử 6

2.1.2 Ph ổ hấp thụ 7

2.2 Định luật cơ bản về hấp thụ bức xạ điện từ 9

2.2.1 Định luật Lambert-Beer 9

2.2.2 Tính ch ất cộng tính của độ hấp thụ quang 10

2.2.3 Các y ếu tố làm sai lệch định luật Lambert-Beer 11

2.2.4 Độ chính xác của phép đo độ hấp thụ và phép đo nồng độ 12

2.2.5 Điều kiện nồng độ để tiến hành phân tích đo quang 13

2.3 Các th ủ tục thực nghiệm trong phân tích đo quang 13

2.3.1 Phương pháp đường chuẩn 13

2.3.2 Phương pháp tính 14

2.3.3 Phương pháp thêm tiêu chuẩn 14

2.4 Phương pháp đo quang vi sai 15

2.5 Sơ đồ thiết bị quang phổ hấp thụ phân tử 16

2.6 M ột số ứng dụng phương pháp đo quang 20

2.6.1 Xác định thành phần phức chất trong dung dịch bằng phương pháp dãy đồng phân t ử gam (phương pháp biến thiên liên tục_Continuous Variation) 20

2.6.2 Xác định thành phần phức chất trong dung dịch bằng phương pháp đường cong bão hòa 22

Ph ần 1 Các phương pháp phân tích quang học

Chương 1 Mở đầu

1.1 M ở đầu

Trước kia, thuật ngữ “quang phổ” đề cập tới một nhánh của khoa học ở đó ánh sáng (đó là

các bức xạ nhìn thấy) được phân giải thành các bước sóng của nó để tạo thành phổ, được biểu

diễn dưới dạng hàm của cường độ bức xạ và bước sóng hoặc tần số Ngày nay, ý nghĩa c ủa quang phổ được mở rộng bao gồm việc nghiên cứu không chỉ ở trong vùng trông thấy mà còn các loại phổ điện từ khác, chẳng hạn như phổ tia X, phổ tử ngoại, hồng ngoại, sóng viba và radio Thực tế, việc sử dụng hiện nay mở rộng ý nghĩa của quang phổ ra hơn cả việc bao gồm các kỹ thuật mà không bao gồm bức xạ điện từ, ví dụ như phổ âm thanh, phổ khối và phổ điện tử

Quang phổ đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển lý thuyết nguyên tử hiện đại Ngoài ra, các phương pháp phổ hóa cung cấp công cụ sử dụng rộng rãi cho việc dự đoán cấu trúc của các phần tử phân tử cũng như việc xác định định tính và định lượng các hợp chất vô

cơ và hữu cơ

Chương mở đầu này giới thiệu các tính chất của bức xạ điện từ và sự tương tác đa dạng trong

vấn đề này

1.2 Tính ch ất cơ bản của bức xạ điện từ

Bức xạ điện từ là một dạng năng lượng tồn tại ở rất nhiều dạng hình thức, dạng có thể dễ dàng nhận ra là ánh sáng vùng trông thấy và bức xạ nhiệt Biểu hiện ít rõ ràng hơn bao g ồm tia gamma, tia X, tử ngoại, viba, và bức xạ tần số radio Nhiều tính chất của bức xạ điện từ là thuận tiện được mô tả bởi mô hình cổ điển dạng sóng hình sin, cái mà được sử dụng các tham

số như bước sóng, tần số, vận tốc và biện độ Ngược với hiện tượng sóng, chẳng hạn âm thanh, bức xạ điện từ không đòi hỏi môi trường khi truyền và nó có thể dễ dàng truyền qua môi trường chân không

Mô hình sóng bị lỗi khi tính tới hiện tượng hấp thụ và phát xạ bức xạ điện từ Để hiểu các quá trình này, cần thiết sử dụng mô hình hạt, trong đó bức xạ điện từ được xem như là một dòng

của các hạt rời rạc hay các gói sóng của năng lượng được gọi là photon với năng lượng của

một photon tỉ lệ với tần số của bức xạ Mô hình kép bức xạ vừa có tính chất sóng vừa có tính

chất hạt không loại trừ lần nhau mà còn bổ sung cho nhau Thực tế, mô hình kép đư ợc tìm

thấy để ứng dụng cho tính chất của các dòng điện tử và các hạt thứ cấp chẳng hạn như proton

và mô hình kép là hoàn toàn hợp lý với cơ chế sóng

1.2.1 Tính ch ất sóng của bức xạ điện từ

Hình 1-1: Thành phần điện trường và từ trường

Theo mô hình sóng, bức xạ điện từ là những dao động có hai thành phần điện trường và từ trường làm truyền theo một phương Các thành phần điện trường và từ trường vuông góc với nhau và được biểu diễn bằng các sóng phân cực phẳng (hình 1-1)

U

Các tham số sóngU:

Cường độ A của sóng hình sin được chỉ trên hình vẽ (1-1) và biểu diễn là độ dài của vectơ ở

cực đại của sóng

Tần số ν là số dao động mà bức xạ điện từ thực hiện trong một giây

Bước sóng λ là quãng đường giữa hai điểm cân bằng bất kỳ mà bức xạ điện từ đi qua (khoảng cách giữa hai cực đại hay cực tiểu)

Vận tốc truyền bức xạ điện từ vi (m/s) là tích số giữa tần số ν và bước sóng λ (tính bằng m):

Vận tốc của bức xạ điện từ phụ thuộc vào thành phần của môi trường mà bức xạ điện từ đi qua Chỉ số dưới diễn tả môi trường mà nó truyền qua

Trong môi trường chân không, vận tốc của bức xạ điện từ trở nên không phụ thuộc vào bước sóng và nó đạt cực đại Vận tốc này được ký hiệu là c, và được xác định bằng 2,99792.10-8

m/s Điều đáng chú ý là v ận tốc của bức xạ điện từ trong không khí chỉ khác rất ít (khoảng 0,03% nhỏ hơn) vận tốc ánh sáng trong chân không Trong các trường hợp này phương trình (1-1) có thể viết dưới dạng:

c = ν λ = 3.00.108

Trong các môi trường khác, vận tốc của bức xạ điện từ bị chậm lại do sự tương tác giữa trường điện từ của bức xạ và các electron xung quanh các nguyên tử hay phân tử có mặt trong môi trường Do tần số của bức xạ là bất biến và cố định bởi nguồn, bước sóng sẽ phải giảm khi bức xạ từ môi trường chân không sang môi trường khác Hiệu ứng này được minh họa ở hình 1-2 cho tia bức xạ ở vùng trông thấy Chú ý là bư ớc sóng bị ngắn lại gần 200 nm (hơn 30%) khi đi qua thủy tinh và ngược lại nó lại dài ra khi bức xạ đi tới môi trường không khí

Hình 1.2 Sự thay đổi bước sóng khi bxđt truyền từ không khí qua thủy tính và truyền trở lại

ở đây, k là hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào môi trường và về giá trị là nghịch đảo của vận tốc

Ví dụ: Tính số sóng của tia bức xạ hồng ngoại với bước sóng là 5,00 μm

Chú ý là số sóng giống như tần số, tỉ lệ thuận với năng lượng

Ví dụ: Tính năng lượng photon (J) của bức xạ điện từ nếu biết ν� = 2000 cm-1

Phổ bức xạ điện từ là quen thuộc với bạn hơn bạn nghĩ Lò vi sóng, bạn sử dụng để làm nóng

thực phẩm của bạn và điện thoại di động mà bạn sử dụng là một phần của phổ bức xạ điện từ Ánh sáng mà đôi mắt của bạn có thể nhìn thấy cũng là một phần của quang phổ điện từ Một

phần có thể nhìn thấy được của phổ bức xạ điện từ bao gồm các màu sắc mà chúng ta thấy trong cầu vồng - từ màu đỏ và cam, đến lam, chàm và tím (hình 1-3)

Hình 1-3 M ỗi một màu sắc tương ứng với một bước sóng ánh sáng khác nhau

Các sóng của phổ bức xạ điện từ thay đổi độ dài trong một phạm vi vô cùng rộng, từ bước sóng dài như kích thước của tòa nhà là sóng radio, đ ến vô cùng ngắn như hạt nhân của một nguyên tử là tia γ (hình 1-4)

Hình 1-4.Thang đo bước xạ điện từ

Chương 2 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

2.1 S ự hình thành phổ phân tử

2.1.1 Sự hấp thụ bức xạ điện từ và sự hình thành các loại phổ hấp thụ phân tử

Một trong những khái niệm quan trọng từ cơ học lượng tử cần thiết cho sự hiểu biết về sự hấp

phụ hay phát xạ phân tử là năng lượng phải được lượng tử hóa Nói cách khác, các phân tử có

thể tồn tại ở các trạng thái lượng tử cụ thể và mỗi trạng thái lượng tử được gán một năng lượng Năng lượng phân tử được lưu giữ có thể coi là tống năng lượng lưu trữ của ba dạng: quay, dao động và điện tử

Trong điều kiện bình thư ờng, các phân tử tồn tại ở trạng thái năng lượng thấp nhất (năng lượng cơ bản) Khi phân tử nhận năng lượng, ví dụ khi phân tử hấp thụ bức xạ điện từ, phân

tử có thể chuyển sang mức năng lượng cao hơn ứng với trạng thái kích thích của phân tử Phân tử chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích trong khoảng thời gian rất ngắn (10-6

-10-9s) và quay

trở lại trạng thái cơ bản

Quá trình phát xạ là quá trình một phân tử chuyển trạng thái lượng tử cao hơn sang thấp hơn

và thoát ra một photon Quá trình hấp thụ là một quá trình một phân tử chuyển từ trạng thái lượng tử thấp hơn sang cao hơn và hấp thụ một photon

Sự thay đổi trạng thái lượng tử của phân tử sẽ dẫn đến sự biến thiên năng lượng ΔE của phân

t ừ tuân theo định luật Planck

Do năng lượng phân tử được lưu giữ dưới ba dạng: quay, dao động và điện tử nên:

Như vậy, do hiện tượng hấp phụ bức xạ điện từ của phân tử gây nên các bước chuyển năng lượng quay, dao động và điện tử của phân tử và là nguồn gốc của các loại phổ hấp thụ phân

tử mà chúng ta sẽ nghiên cứu ở các chương tiếp theo

Hình 2-1 S ự dịch chuyển điện tử ở trạng thái năng lượng lượng tử của một nguyên tử tạo ra sự phát xạ

c ủa một photon

2.1.2 Phổ hấp thụ

Phổ hấp thụ mô tả các tính chất hấp thụ của các hạt, nó được biểu diễn ở dạng hàm sự giảm cường độ tia bức xạ điện từ và bước sóng (hay tần số, hay số sóng) Hai đại lượng thường được sử dụng để định lượng sự giảm cường độ tia bức xạ điện từ là độ truyền quang và độ

Tỉ số giữa cường độ ánh sáng đi qua mẫu và cường độ ánh sáng ban đầu được gọi là độ truyền quang T

- Nếu chỉ có 1% ánh sáng được truyền quang, A = 2

(Độ hấp thụ A đôi khi còn gọi là mật độ quang – optical density)

Giả sử chúng ta liên tục theo dõi và đo đ ộ hấp thụ của dung dịch nghiên cứu có nồng độ C khi tăng dần bước sóng tia tới về phía sóng dài và xây dựng nên đồ thị mối quan hệ A-λ thì đường cong A=f(λ) đư ợc gọi là phổ hấp thụ Đồ thị A=f(λ) thường có dạng hình chuông úp (hình Gauxơ) (hình 2-2)

Hình 2-2 Ph ổ hấp thụ của chất A ở dạng dung dịch

Cực đại Amax ứng với giá trị λmax gọi là cực đại hấp thụ, λmax chỉ phụ thuộc vào bản chất dung

dịch, có thể dùng trong phân tích định tính

Khi tiến hành phân tích theo phương pháp quang phổ đo quang người ta thường chọn đo độ

hấp thụ A của dung dịch nghiên cứu tại λmax bởi vì việc đo A ở λmax sẽ cho ta kết quả phân tích có độ nhạy và độ chính xác cao nhất

2.2 Định luật cơ bản về hấp thụ bức xạ điện từ

cm-1, bởi vậy tích số εbC là không thứ nguyên Phương trình (2-5) mang tên định luật Bouger – Lambert – Beer

Trong phân tích đo quang, với dung dịch phân tích xác định, bước sóng tia tới là đơn sắc thì ε là xác định, người ta luôn có thể chọn b xác định nên định luật hấp thụ ánh sáng có thể viết dưới dạng:

Phương pháp phân tích đo quang định lượng được đặt trên cơ sở phương trình (2-6)

U

Ch ứng minh định luật Lambert – Beer

(Để trả lời cho câu hỏi tại sao mối quan hệ giữa độ truyền quang T và nồng độ lại tuân theo mối quan

Hình 2-2 Chứng minh định luật Bouger – Lambert – Beer

B ằng trực giác ta nhận thấy rằng, khi ánh sáng đi qua dung dịch, ánh sáng bị hấp thụ nhiều hay ít phụ thuộc vào số phân tử mà nó gặp, mà số phần tử đó lại phụ thuộc quãng đường và nồng độ Bây giờ ta

s ẽ chứng minh bằng toán học

Chúng ta hãy tư ởng tượng chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc có cường độ I đi qua một lớp

mỏng của dung dịch có bề dày dx, ánh sáng bị hấp thụ và cường độ của nó giảm đi là –dI

ở đây β là hệ số tỉ lệ và dấu âm chỉ sự giảm cường độ I khi x tăng

Biến đổi phương trình (2-7) và lấy tích phân đối với I ta có:

Cuối cùng, biến đổi ln về lg, sử dụng mối quan hệ lnz = ln(10)(lgz), ta nhận được định luật

Bouger – Lambert – Beer:

Như vậy, chúng ta nhận thấy rằng độ hấp thụ có tính chất cộng tính:

Nếu một dung dịch gồm chất nghiên cứu và tạp chất thì độ hấp thụ:

Adung dịch = Anghiên cứu + Anền

Trong phân tích đo quang chúng ta chuẩn bị dung dịch trống chứa các tạp chất, có nghĩa là:

Atrống = Anền (do không có mặt ion cần xác định)

Và Anghiên cứu = Adung dịch - Atrống

Như vậy, trong phân tích đo quang bằng việc sử dụng dung dịch trống, giá trị A đo được sẽ

phản ánh đúng nồng độ chất nghiên cứu, nói cách khác phương trình (2 -6) được tuân theo

chặt chẽ

2.2.3 Các yếu tố làm sai lệch định luật Lambert-Beer

Định luật Lambert-Beer có thể bị sai lệch do nhiều nguyên nhân vật lý và hóa lý, đi ều đó ảnh hưởng đến tính đúng đắn của phương trình (2-5), tức là ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác

của kết quả phân tích thu được theo phương pháp quang phổ đo quang

- Tính đơn sắc của ánh sáng tới: Như ta đã bi ết định luật Lambert-Beer chỉ đúng với bức xạ điện từ đơn sắc xác định Nếu ta đo độ hấp thụ của dung dịch bằng một chùm tia đa sắc thì định luật Lambert-Beer không còn đúng nữa, dẫn đến phá vỡ tính đúng đắn của phương trình (2-5)

- Định luật có thể bị thay đổi với một số điều kiện hóa lý của dung dịch nghiên cứu Ví dụ, sự

có mặt của ion lạ làm biến dạng các phân tử hấp thụ ánh sáng, làm thay đổi phổ hấp thụ của

chất nghiên cứu

Khi thay đổi nồng độ chất nghiên cứu làm thay đổi khả năng hấp thụ của các phân tử Khi thay đổi nồng độ H+

của dung dịch nghiên cứu có thể làm thay đổi dạng tồn tại của hợp chất

Ví dụ, với ion CrO42-khi tăng nồng độ [H+

] có thể tạo thành ion Cr2O72- theo phản ứng:

2 CrO42- + 2H+ ⇋ Cr2O72- + 2H2O

Làm thay đổi miền bức xạ điện từ bị hấp thụ

Một ví dụ khác, phức Fe 3+ với axit sunphosalysylic tùy thuộc pH mà tạo phức có miền phổ hấp thụ khác nhau

𝑇 (với T là độ truyền quang có giá trị từ 0-100%), nên với mỗi máy

đo nào đó, với mỗi phép đo độ truyền quang T gây nên sai số dT thì sẽ gây nên các sai số dA tương ứng khác nhau tùy thuộc dA tương ứng với miền nào của giá trị T đo được Mà A lại

phụ thuộc tuyến tính với C nên kết quả là cùng với một sai số dT của máy, tại các miền đo khác nhau có thể gây sai số dC khác nhau và do đó sai số ∆𝐶𝐶 sẽ khác nhau

Từ (2-12) ta có thể khảo sát sự biến thiên 𝛥𝐶𝐶 trong miền giá trị của T (T = 0÷1) với một sai số

2.2.5 Điều kiện nồng độ để tiến hành phân tích đo quang

Điều kiện để có thể tiến hành phân tích đo quang là phải tạo được các hợp chất có hiệu ứng

hấp thụ bức xạ điện từ trong miền tử ngoại hoặc trông thấy Để có hiệu ứng phổ hấp thụ trong

miền trông thấy, thông thường người ta tạo hợp chất màu bằng phản ứng oxy hóa khử hoặc

phản ứng tạo phức Đối với phản ứng oxy hóa khử trong phân tích đo quang thường xảy ra

thực tế hoàn toàn (ví dụ như phản ứng oxy hóa Mn2+

thành MnO4-) Đối với các phản ứng tạo

phức thì tình hình phức tạp hơn nhiều Phản ứng tạo phức chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: quá trình tạo phức nhiều cấp, H+

, hằng số bền

2.3 Các th ủ tục thực nghiệm trong phân tích đo quang

Theo phương trình (2-6) mối quan hệ giữa A và C là tuyến tính Để xác định nồng độ trong phương pháp đo quang chúng ta phải xác định hằng số K trong phương trình này Có ba cách xác định hằng số K: phương pháp đường chuẩn, phương pháp tính và phương pháp thêm tiêu chuẩn

2.3 1 Phương pháp đường chuẩn

Trước hết chúng ta pha chế các dung dịch có nồng độ chính xác C1, C2, C3, , xác lập các điều kiện để tạo các hợp chất có hiệu ứng phổ hấp thụ bức xạ điện từ ở λmax chọn trước Đo

độ hấp thụ tương ứng A1, A2, A3, Mối quan hệ giữa A và C tuân theo định luật Beer, do vậy ta có thể hồi qui các số liệu thực nghiệm rời rạc này về hàm bậc nhất và hệ số góc của nó chính là hằng số K

Lambert-Hình 2-3 P hương pháp đường chuẩn 2.3.2 Phương pháp tính

Từ phương trình (2 -6) A= ϵbC = KC, với một chất nghiên cứu xác định và b chọn trước (thường sử dụng cuvet có b = 1,00 cm) và với chất nghiên cứu đủ bền thì việc xác định nồng

độ có thể chỉ cần một mẫu chuẩn có nồng độ biết chính xác là đủ Vì trong điều kiện trên thì

K sẽ không thay đổi từ thí nghiệm này sang thí nghiệm khác

Chúng ta đo độ hấp thụ của dung dịch mẫu nghiên cứu có nồng độ Cx và dung dịch chuẩn Co

Viết phương trình đường thẳng đi qua hai điểm và từ đó tính được Cx

2.3.3 Phương pháp thêm tiêu chuẩn

Tiến hành đo độ hấp thụ của dung dịch nghiên cứu có nồng độ Cx, sau đó thêm một lượng dung dịch chuẩn vào dung dịch nghiên cứu C1 và đo độ hấp thụ của dung dịch này Thường người ta pha chế ít nhất là ba dung dịch, ví dụ Cx, Cx + C1 và Cx +2C1 Mối quan hệ giữa các

số liệu rời rạc là mối quan hệ tuyến tính Hồi qui các số liệu rời rạc về phương trình bậc nhất,

từ đó cho phép chúng ta tính được hệ số góc K

Để phép đo có độ tin cậy cao, thường người ta chọn nồng độ C1 có nồng độ gần bằng Cx

y = 1,4963x R² = 1