Xác định hàm lượng bromua và iodua

Cơ sở của phương pháp là Br- xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng oxi hóa Methylen xanh (Methylene blue - MB) bằng H2O2 trong môi trường H2SO4 mạnh khi có mặt NaCl, ngược lại I- thì ức chế phản ứng đó.

Brom là nguyên tố được sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp Nó được dùng để chế

tạo một số dược phẩm, phẩm nhuộm, thuốc trừ sâu Brom có thể kết hợp với các loại chất thải

hữu cơ, những chất có sẵn trong tự nhiên, tạo thành các chất độc có thể gây hại cho sức khỏe con

người và môi trường Còn iot là một nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho sự phát triển của cơ thể

như quá trình tổng hợp hocmon tuyến giáp, duy trì thân nhiệt, phát triển xương Vì thế, việc xác

định bromua và iodua ngày càng được quan tâm trong nhiều lĩnh vực khác nhau như thực phẩm,

môi trường

Hiện nay có rất nhiều phương pháp để xác định hàm lượng halogenua như các phương pháp điện hóa, phương pháp phóng xạ, phương pháp kích hoạt nơtron, các phương pháp sắc ký Tuy nhiên, hầu hết các phương pháp này cần có máy móc đắt tiền, thời gian phân tích lâu Các phương pháp đo quang sử dụng thiết bị không đắt tiền, phổ biến mà vẫn có độ nhạy và độ chính xác tương đối cao Đặc biệt là phương pháp đo quang động học xúc tác có độ nhạy cao, độ chọn lọc tốt, thời gian phân tích nhanh, thao tác tương đối đơn giản

Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp trắc quang động học xúc tác để xác định hàm lượng bromua và iodua Cơ sở của phương pháp là Br- xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng oxi hóa Methylen xanh (Methylene blue - MB) bằng H2O2 trong môi trường H2SO4 mạnh khi có mặt NaCl, ngược lại I- thì ức chế phản ứng đó Từ đó xây dựng phương pháp xác định riêng rẽ Br-

và I- trong mẫu nước biển và bước đầu thử áp dụng thuật toán hồi quy đa biến tuyến tính để xác định đồng thời chúng mà không cần tách Kết quả phân tích các mẫu nước biển Việt Nam so sánh với phương pháp đang áp dụng trong phòng thí nghiệm

Chương 1: TỔNG QUAN

Để đáp ứng nhiệm vụ đặt ra thì trong phần tổng quan này chúng tôi tìm hiểu một số vấn đề: một là đặc điểm phân tích của halogen, tìm hiểu các phương pháp xác định halogen thường được áp dụng và đôi nét về thuốc thử Methylen xanh

1.1 Đặc điểm phân tích [4]

Halogen là những nguyên tố thuộc nhóm VIIA của bảng hệ thống tuần hoàn gồm các nguyên tố Flo(F), Clo(Cl), Brom(Br), Iot(I) và Atatin(At) được gọi chung là nhóm halogen

Bảng 1: Một số đặc điểm nguyên tử của các halogen

chung một đôi electron tạo ra phân tử có liên kết cộng hóa trị không cực.Trong phản ứng hóa học, các nguyên tử này rất hoạt động vì chúng dễ thu thêm 1 electron để tạo thành khí trơ đứng sau nó, do đó tính chất hóa học cơ bản của các halogen là tính oxi hóa mạnh Tuy nhiên, flo có độ âm điện lớn nhất nên trong tất cả các hợp chất chỉ có số oxi hóa -1, còn các nguyên tố halogen khác, ngoài số oxi hóa -1 còn có các số oxi hóa +1,+3,+5,+7, chúng thể hiện tính oxi hóa Thế điện cực tiêu chuẩn của một số halogen như sau:

Bảng 2: Thế điện cực tiêu chuẩn của một số halogen [44]

IO3- + 6H+ + 5e -> 1/2I2 + 3H2O +1,196

Từ bảng 2, ta thấy halogen đứng trước có thể đẩy được halogen đứng sau ra khỏi halogenua của nó

Halogenua là tên gọi chung của hợp chất của một nguyên tố với halogen Hầu hết các nguyên tố đều tạo nên halogenua Vì độ âm điện của các halogen biến đổi trong một khoảng khá rộng nên tính chất của các halogenua cũng biến đổi trong một khoảng rộng Thật vậy, trong các halogenua, bản chất của liên kết giữa nguyên tố với halogen biến đổi từ hoàn toàn ion đến hoàn toàn cộng hóa trị Tuy nhiên người ta vẫn thường phân chia các halogenua ra làm hai nhóm: halogenua ion và halogenua cộng

hóa trị Trong môi trường nước, cả halogenua ion và halogenua cộng hóa trị đều dễ bị

thủy phân tạo thành halogenua (Ví dụ: BiCl3 + 3H2O = Bi(OH)3 + HCl) Các halogen phản ứng với hợp chất hữu cơ tạo thành hợp chất bền, sau khi vô cơ hóa mẫu

ta vẫn thu được các halogenua

Bảng 3: Độ tan của các halogen trong 100g nước (g/100g) [26]

Nhiệt độ Độ tan của các nguyên tố Nhiệt độ Độ tan của các nguyên tố

1.2.1 Phương pháp thể tích

* Phương pháp chuẩn độ kết tủa

Phương pháp Mohr xác định Cl - : Phản ứng kết tủa giữa ion Ag+ với Cl- với chất chỉ thị là KCrO4 xảy ra ở môi trường trung tính Phương pháp này được xây dựng thành TCVN 6194 : 1996 (ISO 9297 : 1989 (E)) và Hiệp hội chăm sóc sức khoẻ

Mỹ [11] [14]

Phương pháp Fajans xác định Cl - , Br - , I - : phản ứng kết tủa với Ag+ tạo thành hợp chất khó tan Đối với chỉ thị fluorescein, phản ứng tiến hành trong môi trường

pH trung tính và là chất chỉ thị để xác định Cl- và Br- Đối với chỉ thị eosin, phản ứng tiến hành trong môi trường pH =2 và là chất chỉ thị để xác định I-

Phương pháp Volhard xác định Cl - , Br - , I - : Cho mẫu tác dụng với một lượng

dư chính xác Ag+ Chuẩn độ ngược lượng Ag+ dư bằng SCN- theo chất chỉ thị Fe3+ trong môi trương HNO3 loãng (Riêng trường hợp Cl- thì sau khi cho tác dụng với

Ag+ phải đun nóng, lọc rửa kết tủa, sau đó xác định lượng Ag+ dư trong nước lọc và nước rửa)

Phương pháp Hg(NO 3 ) 2 xác định Cl - : Trong môi trường axit, phản ứng giữa

Cl- với Hg2+ tạo hợp chất ít phân ly Tại điểm tương đương, một lượng dư nhỏ Hg2+ tác dụng với chất chỉ thị diphenylcacbazon (ở pH 1,5 ÷ 2,0) hoặc diphenylcacbazit ( ở

pH 2,0 ÷ 3,5) thành phức màu tím [5] [14]

* Phương pháp chuẩn độ oxi hóa khử

Theo TCVN 4569 – 1988, tiêu chuẩn đã dựa trên sự oxi hóa bromua thành bromat bằng natri hypoclorit Sau đó dùng phương pháp iot – thiosunfat để xác định bromua trong nước thải Lượng iot giải phóng ra từ phản ứng trên được định lượng bằng dung dịch natri thiosunfat 0,1 N Lượng hypoclorit được loại bỏ bằng cách đun sôi dung dịch 5÷ 6 phút sau khi cho thêm một lượng nhỏ phenol hoặc natrifocmiat [9]

Theo phương pháp [43], bromua được làm giàu trên cột Dowex 1x8, cột này

có ái lực với bromua lớn hơn với các ion khác trong thành phần nước ngọt Muối peclorat được dùng làm dung môi rửa giải và là một nhân tố làm giàu Bromua sau khi rửa giải bị oxi hóa bởi pesunfat thành bromat và được xác định bằng phương pháp chuẩn độ iot Trong thành phần của nước ngọt chỉ có anion hiđrocacbonat gây cản phương pháp Tuy nhiên ảnh hưởng cản này có thể tránh được bằng cách axit hóa mẫu bằng axit chlohydric Giới hạn phát hiện của phương pháp là 0,12 µg/l, giới hạn định lượng là 0,4 µg/l

1.2.2 Các phương pháp đo quang

Theo [28], các tác giả đã nghiên cứu phương pháp phổ phát xạ màu cảm ứng Plasma (ICP - OES) để xác định các hợp chất phi kim Cl, Br, I, P và S trong dầu thải Các dải phổ được đo trong vùng tử ngoại từ 130 đến 190nm Ví dụ, phổ đặc trưng của clo là 134,72nm; brom là 163,34nm, iot là 161,76nm Giới hạn phát hiện của Cl,

Br, I trong dầu thải lần lượt là 0,9; 1,6; 0,47 mg/kg

TCVN 4569 – 1988 và Hiệp hội chăm sóc sức khỏe Mỹ đã xây dựng tiêu chuẩn xác định bromua trong nước thải [9,14] Br- được oxi hóa thành Br2 khi có mặt cloramin T, Br2 brom hóa phenol đỏ thành bromophenola xanh, thay đổi màu từ vàng đến xanh tím trong khoảng pH từ 3,2 đến 4,6 Xác định hàm lượng bromua theo cường độ màu ở bước sóng cực đại là 590nm Độ nhạy là 100µg/l

Phương pháp trắc quang cải biến xác định bromua ở mức nồng độ thấp bằng cách thêm vào một lượng NH4+ để loại trừ các phản ứng cạnh tranh clo hóa, một nguyên nhân chính gây nhiễu khi xác định lượng vết bromua bằng phương pháp đỏ phenon - chloramin T Khoảng tuyến tính được kéo dài gấp bốn lần (từ 35-150 µM thành 2,8-12 µg/ml) mà không làm giảm độ nhạy và độ chính xác Bằng cách thêm một hệ đệm ion bền (NaNO3 1M) và NH+ 4 (1,5 mM), có thể xác định được hàm lượng bromua trong mẫu kiểm tra có chứa tới clorua 2M [19]

TCVN 4570 – 1988 đã xây dựng phương pháp so màu để xác định iodua trong nước thải [10] Cơ sở của phương pháp: iodua trong dung dịch được oxy hóa bằng natri nitrit thành iot tự do Dùng clorofooc chiết iot tự do khỏi dung dịch nước, iot tan trong clorofooc có màu hồng, cường độ màu tỷ lệ với hàm lượng iot Đem so màu ở bước sóng 525 nm

Theo [1],các tác giả đã tiến hành xác định lượng vết iodua bằng phương pháp chiết so màu Cơ sở của phương pháp như sau: dung dịch I- được oxi hóa bằng NaNO2 Sản phẩm của phản ứng tạo phức kép với briliant green rồi chiết cặp ion liên hợp với toluen và đo màu ở bước sóng cực đại 510nm Độ nhạy của phương pháp đạt 1,5ppm

1.2.3 Các phương pháp trắc quang động học xúc tác

Phương pháp trắc quang kết hợp kỹ thuật phân tích dòng chảy xác định lượng vết Bromua dựa vào phản ứng chỉ thị là phản ứng oxi hóa 4,4'-bis (đimetylamino) điphenylmetan bằng Chloramin- T trong môi trường axit yếu Ảnh hưởng của nồng

độ thuốc thử được khảo sát ở 2 mức pH là 3,2 với H2SO4 và 3,8 với đệm axêtat Mặc

dù tại pH=3,8 độ nhạy phương pháp thấp hơn và sự gây nhiễu của nền lớn hơn nhưng

có một vài ion ở pH=3,8 gây ảnh hưởng ít hơn so với pH=3,2 Giới hạn phát hiện của phương pháp là 1g/l và giới hạn định lượng là 40 g/l Phương pháp đã được ứng dụng

để xác định hàm lượng bromua trong mẫu nước tự nhiên [18]

Phương pháp phân tích dòng chảy xác định bromua dựa vào phản ứng chỉ thị

là phản ứng oxi hóa m-cresolsulfonephthalein bằng periodate trong môi trường axit Phản ứng được theo dõi bằng cách đo sự giảm độ hấp thụ quang tại bước sóng 528

nm Khoảng tuyến tính 0,16-20,00 μg/ml với giới hạn phát hiện là 0,150 μg/ml Độ lệch chuẩn tương đối khi đo lặp lại 10 lần mẫu bromua 1,0 μg/ml là 2,1% Phương pháp này đã được ứng dụng để xác định hàm lượng bromua trong mẫu nước sông và nước thải [12]

Theo [28] và [29], các tác giả đã sử dụng hệ chỉ thị Methylen xanh – NaCl- H2O2 trong môi trường axit mạnh để xác định Br- trong nước biển Theo [28], các tác giả đã kêt hợp phương pháp động học xúc tác trắc quang với kỹ thuật đo dòng chảy hay dòng dừng xác định bromua Kỹ thuật dòng dừng được sử dụng để cải thiện độ nhạy Đường chuẩn xác định bromua có khoảng tuyến tính là 0-3,2 µg/ml Giới hạn phát hiện là 0,1 µg/ml Còn theo [29], Br- được xác định bằng phương pháp trắc quang động học xúc tác Phương pháp có khoảng tuyến tính là 80-960µg/l, giới hạn phát hiện là 35µg/l

Amei Zhang và các đồng sự đã nghiên cứu phương pháp trắc quang động học xúc tác nhằm xác định đồng thời lượng nhỏ bromua và iodua Cơ sở của phương pháp dựa trên hiệu ứng xúc tác của Br- và I- trên phản ứng oxi hóa m-cresol tím bằng kali periodate trong môi trường HCl Tốc độ phản ứng được xác định khi tăng mật độ

quang ở bước sóng 528nm và giảm mật độ quang ỏ bước sóng 455 nm Tất cả sự sai khác trong mật độ quang của cả Br- và I- được đồng nhất khi tiến hành phản ứng oxi hóa I- thành I2 bởi Cr(VI), sau đó I2 được chiết ra bằng dung môi CCl4, hàm lượng I- được đo bằng cách lấy tổng mật độ quang của Br- và I- trừ đi mật độ quang riêng rẽ của Br- Khoảng tuyến tính của phương pháp là 0 ÷ 9μg/ml đối với Br- và 0 ÷ 3,0 μg/ml đối với I- Phương pháp này được ứng dụng để xác định hàm lượng Br- và I- trong mẫu thực phẩm [13]

Để xác định vi lượng iot người ta thường dùng phương pháp trắc quang động học xúc tác dựa trên phản ứng oxi hóa khử giữa Ce(IV) và Asen(III) trong môi trường axit [21]

2Ce(IV) + As(III) Ce(III) + As (V) (màu da cam) (không màu) (không màu) (không màu)

Hàm lượng iot trong mẫu được xác định bằng sự giảm độ hấp thụ quang (λ = 370nm) ∆A của dung dịch trước và sau phản ứng với thời gian cố định, khi có mặt chất xúc tác là iot, ∆A tỉ lệ với nồng độ của iot trong dung dịch

Theo [14], các tác giả cũng sử dụng phương pháp trắc quang động học xúc tác dựa trên phản ứng oxi hóa khử giữa Ce(IV) và Asen(III) trong môi trường axit để xác định iot trong nước thải Sau một thời gian phản ứng thì thêm Fe(NH4)2(SO4)2 vào, ion sắt sinh ra phản ứng trực tiếp với ion Ceri IV dư tạo thành Fe III, phức màu được tạo thành giữa sắt với kali thiocyanat và phức này rất bền

Theo [32], các tác giả đã nghiên cứu hiêu ứng ức chế của hệ xúc tác iodua trên Pd(II) đối với phản ứng oxi hóa khử Co(III) – EDTA bằng ion HPO42- trong môi trường axit yếu Cường độ màu được đo ở bước sóng λ = 540nm

Theo [31], các tác giả đã nghiên cứu động học phản ứng Mn(III) metaphosphate–As(III) xúc tác I- trong môi trường H3PO4 Tốc độ phản ứng được theo dõi bằng phương pháp trắc quang ở bước sóng 516nm Trong điều kiện tối ưu iodua được xác định trong khoảng 0,6 ÷ 2,5 ng/ml, giới hạn phát hiện là 0,12 ng/ml

H 2 SO 4

I

Người ta cũng dựa vào phản ứng giữa clopromazin với H2O2 [39] để xác định iot Khi có mặt iot tạo ra sản phẩm trung gian màu đỏ, bền trong môi trường axit và

có hấp thụ cực đại tại λ = 525nm Tốc độ phản ứng tỉ lệ với nồng độ I- trong dung dịch Phương phàp này có ưu điểm là xác định được riêng rẽ các dạng

Theo [41], các tác giả đã nghiên cứu phương pháp xác định iodat và iodua trong hỗn hợp Đầu tiên, iodua trong mẫu được oxi hóa bằng NaNO2, sau đó I2 tự do

sẽ thoát khỏi dung dịch bằng cách đun nóng, lượng dư NO2- được loại bỏ bằng axit sunfanilic Lượng iodat còn lại được xác định bằng phương pháp động học, phương pháp này dựa trên hiệu ứng xúc tác của I2 đối với phản ứng oxi hóa khử chlorpromazine – H2O2 trong môi trường H2SO4 Khoảng tuyến tính của phương pháp

là 0,2 ÷ 5 µg/l Phương pháp được áp dụng để xác định hàm lượng Iodat và Iodua trong mẫu nước tự nhiên

Theo [46], Zhu X và Zhang Y đã nghiên cứu phương pháp ức chế để xác định lượng vết iodua, cơ sở của phương pháp dựa trên hiệu ứng ức chế của iodua đối với phản ứng giữa Rhodamine B (RhB) và KBrO3 trong môi trường H2SO4 ở nhiệt độ

45oC ± 0,5oC trong 15 phút Sự sai khác về tín hiệu đo (∆A, ∆F) giữa phản ứng ức chế và không ức chế tuyến tính với nồng độ iodua Khoảng tuyến tính là 2,0 – 6.0 và 1,0 – 6,0 ng/ml và giới hạn phát hiện là 0,06 và 0,07 ng/ml Phương pháp này được ứng dụng để xác định hàm lượng iodua trong tảo

Theo [33], các tác giả đã nghiên cứu một phương pháp đơn giản, nhạy và nhanh để xác định iodua dựa trên hiệu ứng ức chế của nó đối với phản ứng oxi hóa khử giữa bromat với axit clohidric Sự mất màu methyl da cam do sản phẩm của phản ứng oxi hóa được theo dõi ở bước sóng 525nm Ở điều kiện tối ưu, giới hạn phát hiện của phương pháp là 1,5.10-7 M và khoảng tuyến tính là 2,0.10-6 – 1,3.10-4M Khoảng tuyến tính của đường chuẩn phụ thuộc vào nồng độ bromat Phương pháp được ứng dụng để xác định iodua trong mẫu nước

Theo [25], các tác giả đã sử dụng phương pháp hồi quy đơn biến và hồi quy đa biến để xác định đồng thời IO3- và IO4- trong nước Phương pháp dựa trên phản ứng

I

của IO4- và IO3- với pyrogallol đỏ trong môi trường axit sunfuric Phản ứng được theo dõi bởi sự giảm độ hấp thụ quang ở 470nm của pyrogallol đỏ Khoảng tuyến tính của phương pháp 0,1÷12 và 0,1÷14 µg/ml đối với IO3- và IO4- Ma trân thực nghiệm được xây dựng trên 35 thí nghiệm Kết quả được xử lý bằng phương pháp bình phương tối thiểu từng phần (PLS) và phương pháp bình phương tối thiểu thông thường kết hợp với phương pháp bình phương tối thiểu từng phần (OLS-PLS) Kết quả của hai phương pháp này đã được đánh giá thống kê và cho kết quả tốt.

Theo [45], các tác giả đã sử dụng phương pháp trắc quang động học xúc tác để xác định đồng thời IO3- và IO4- trong hỗn hợp dựa trên sự sai khác động học vi sai của IO3- và IO4- đối với hồ tinh bột khi có mặt NaCl trong môi trường axit sunfuric Dữ liệu phổ thời gian được lựa chọn trong dải phổ 260 đến 900nm, khoảng thời gian là 0 – 180 giây, và độ hấp thụ quang được lấy ở ba bước sóng là 291, 354 và 585nm; khoảng tuyến tính là 0,1-1,2ppm đối với cả hai ion Cơ chế phản ứng là hệ IO3-/IO4- -

I- - hồ tinh bột là phản ứng liên tục Phương pháp toán được ứng dụng để xác định đồng thời IO3- và IO4- Các phương pháp được sử dụng là CLS, PCR, PLS, BP-ANN, RBF-ANN, PC-RBF-ANN Kết quả chỉ ra rằng dữ liệu được lấy ở 354nm và kết quả chạy máy bằng phương pháp PLS và PC-RBF-ANN cho kết quả tốt nhất với sai số nhỏ

1.3 Giới thiệu về thuốc thử Methylen xanh (Methylene blue) [25]

Methylen xanh có công thức phân tử: C16H18N3SClC16H18N3SCl Công thức cấu tạo như sau:

Phân tử gam: 319,85 g/mol; Nhiệt độ nóng chảy: 100-110 °C

Xanh metylen (MB) là một chất màu thuộc họ thiôzin, phân ly dưới dạng cation (MB+) Khi tan trong nước cho dung dịch màu xanh Trong hóa học phân tích, xanh metylen được sử dụng như một chất chỉ thị với thế oxi hóa khử tiêu chuẩn là

0,01V MB đã được sử dụng làm chất chỉ thị để phân tích một số nguyên tố tho phương pháp động học Tuy nhiên hầu hết các phương pháp đó là phân tích kim loại nặng; theo tài liệu [28] và [29], các tác giả đã sử dụng MB làm chất chỉ thị cho phản ứng oxi hóa MB bằng H2O2 trong môi trường axit mạnh để xác định bromua trong nước biển.

Chương 2: THỰC NGHIỆM2.1 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Như trong phần tổng quan người ta có thể xác định bromua dựa tren phản ứng MB-H2O2 trong môi trường H2SO4 với NaCl là chất hoạt hóa với độ nhạy cao Cơ chế mất màu của MB có thể được mô tả như sau:

(1) Các ion halogenua bị oxi hóa bởi H2O2 theo phản ứng sau :

Do đó, trong phần thực nghiệm chúng tôi tiến hành nghiên cứu các vấn đề sau:

1 Tìm hiểu khả năng phản ứng của halogenua đến phản ứng oxi hóa

2 Xây dựng phương pháp xác định bromua trong môi trường có NaCl

3 Xây dựng phương pháp xác định iodua trong môi trường có NaCl dựa trên hiệu ứng ức chế của nó đối với hệ này

4 Xác định riêng rẽ hàm lượng I- và Br- trong hỗn hợp Ứng dụng phương pháp này để xác định bromua và iodua trong các mẫu nước biển Việt Nam (các vùng biển: Sóc Trăng, Nha Trang, Cẩm Phả, Nghi Sơn) Kết quả được so sánh với phương pháp đang được sử dụng trong phòng thí nghiệm.

5.Tìm hiểu khả năng ứng dụng của thuật toán hồi quy đa biến tuyến tính để xác định đồng thời Br- và I-

Dung dịch chuẩn làm việc được chuẩn bị bằng cách pha loãng dung dịch chuẩn gốc bằng nước

- Dung dịch chuẩn iodua (1000ppm): cân 0,1308g KI tinh thể (Merck), hòa tan, chuyển dung dịch vào bình định mức 100ml và định mức đến vạch bằng nước cất Nồng độ chính xác của phương pháp này được xác định bằng phương pháp K2Cr2O7-I2/Na2S2O3

Dung dịch chuẩn làm việc được chuẩn bị bằng cách pha loãng dung dịch chuẩn gốc bằng nước

- Dung dịch xanh metylen (MB) 5,2.10-4 M: cân 0,0166 g MB tinh thể (Merck), hòa tan chuyển vào bình định mức 100ml

- Dung dịch H2O2 10M được pha từ H2O2 thương mại Nồng độ chính xác của dung dịch này được chuẩn độ với KMnO4

- Dung dịch muối clorua 2M : cân 11,7 g NaCl hòa tan vào bình định mức

100ml

- Dung dịch axit H2SO4 5M được chuẩn bị bằng cách pha loãng 28ml H2SO4 98% (Merck) vào 100ml nước Nồng độ chính xác của dung dịch này được xác định lại bằng phương pháp chuẩn độ axit-bazơ với NaOH đã biết trước nồng độ

- Dung môi CCl4 ( dùng cho HPLC, Mỹ)

- Các phần mềm xử lý thống kê và vẽ đồ thị như Origin 7.5 MINITAB 14

- Phần mềm Matlab 7.0 dùng để xử lý số liệu theo phương pháp hồi quy đa biến

2.3 Quy trình phân tích

- Dùng pipet lấy chính xác một lượng xác định dung dịch chuẩn hoặc dung dịch mẫu có chứa halogenua vào bình định mức 25ml, sau đó thêm vào bình các thành phần sao cho nồng độ cuối của chúng là: MB 2,6.10-5 M; NaCl 0,2M; H2SO4 1,25M; H2O2 1M Định mức đến vạch mức bằng nước cất, lắc đều Sau đó, chuyển dung dịch vào cuvet, đặt vào máy đo Sau 30 giây kể từ khi thêm H2O2, ghi độ hấp thụ quang của các dung dịch này theo thời gian tại bước sóng λ=746 nm Mẫu trắng chứa nước cất được thực hiện tương tự thay cho mẫu Xây dựng đường chuẩn biểu diễn sự chênh lệch của độ hấp thụ quang giữa phản ứng có mặt và không có mặt halogenua

(Br-, I-) trong khoảng thời gian ấn định là 30 giây (A=Anền- Acó X-) với nồng độ X- trong mẫu và theo phương pháp tgα (Quy trình I)

- Lấy một thể tích mẫu xác định, thêm 1ml CCl4, axit hóa mẫu bằng một vài giọt H2SO4 5M, 0,5ml K2Cr2O7 lắc, để yên 5 phút Tách pha hữu cơ vào bình định mức, thêm 0,5ml Na2SO3 lắc, đun nóng Lượng iot được giải chiết được xác định theo quy trình trên (theo mục 3.3) Lấy một phần pha nước xác định bromua theo (theo mục 3.2) (Quy trình II)

- Xây dựng ma trận chuẩn 25 bình với nồng độ Br- là từ 10-6M đến 10-5M; nồng độ I- là từ 10-6M đến 10-5M; NaCl 0,2M; H2SO4 1,25M; H2O2 1M Ghi A theo t

từ 30 giây (kể từ khi thêm H2O2) tại bước sóng 75nm Xây dựng ma trận kiểm tra, nhập vào phần mềm

Phương pháp bình phương tối thiểu thông thường (CLS)

Thuật toán CLS được giải trong Matlab như sau:

- Nhập ma trận biến độc lập là C (25x2) gồm 25 dung dịch chuẩn của 2 cấu tử cần phân tích đồng thời

- Nhập ma trận biến phụ thuộc độ hấp thụ quang A (25x300) của 25 dung dịch chuẩn đo tại 300 thời điểm trong khoảng thời gian 30 – 300 giây

Tính ma trận hệ số hồi quy: K = inv(C’*C)*C’*A

Nhập ma trận giá trị độ hấp thụ quang A0 của mẫu cần định phân

Tính nồng độ mẫu cần định phân: Cx=Ax*K’*inv(K*K’)

Phương pháp bình phương tối thiểu từng phần (PLS)

- Nhập ma trận biến độc lập là C (25x2) gồm 25 dung dịch chuẩn của 2 của tử cần phân tích đồng thời

- Nhập ma trận biến phụ thuộc độ hấp thụ quang A (25x300) của 25 dung dịch chuẩn đo tại 300 thời điểm trong khoảng thời gian 0 – 300 giây

Tính vectơ trọng số:

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN3.1 Đặc tính chung của hệ chỉ thị MB – H 2 SO 4 - H 2 O 2

Mục đích của luận văn này là sử dụng MB là chất chỉ thị cho phản ứng oxi hóa MB bằng H2O2 trong môi trường H2SO4 Do đó cần xem xét những đặc tính của

MB trong môi trường axit (khi có mặt NaCl hay không) thì tương tác với H2O2 ra sao Trước hết ta cần xét đặc trưng của phổ MB phụ thuộc vào môi trường phản ứng như thế nào

Chuẩn bị một dãy bình định mức 25ml, thêm vào đó các thành phần với nồng

độ thích hợp, định mức đến vạch, lắc đều Sau 30 giây kể từ khi thêm H2O2, ghi phổ

độ hấp thụ quang ở dải bước sóng từ 500nm đến 800nm Kết quả được trình bày trong hình 1

Hình 1: Phổ hấp thụ quang của hệ chỉ thị

Trong đó:

- Đường 1: Phổ hấp thụ quang của MB 2,6.10-5M

- Đường 2: Phổ hấp thụ của MB 2,6.10-5M và H2O2 1M

- Đường 3: Phổ hấp thụ của MB 2,6.10-5M và H2SO4 1,25M

- Đường 4: Phổ hấp thụ của MB 2,6.10-5M, H2SO4 1,25M; H2O2 1M

- Đường 5: Phổ hấp thụ của MB 2,6.10-5M, H2SO4 1,25M; NaCl 0,2M; H2O2 1M

- Đường 6: Phổ hấp thụ của MB 2,6.10-5M, H2SO4 1,25M;Br- 6.10-6M; H2O2 1M

- Đường 7: Phổ hấp thụ của MB 2,6.10-5M, H2SO4 1,25M; I- 10-5M; H2O2 1M

- Đường 8: Phổ hấp thụ của MB 2,6.10-5M, H2SO4 1,25M; NaCl 0,2M; I- 10-5M; H2O2 1M

Từ hình 1 ta thấy: Đường 1 và đường 2 đều xuất hiện 2 peak ở 618nm (A = 0,863)và 664nm (A = 1,298); đường 3 và đường 4 xuất hiện 2 peak ở 670nm (A =0,694) và ở 746nm (A = 0,909) Điều đó chứng tỏ MB trong nền H2SO4 khi có mặt chất oxi hóa là H2O2 thì không có phản ứng nhưng MB có sự thay đổi dạng (thay đổi về bước sóng cực đại) Do phản ứng chỉ thị diễn ra trong môi trường axit nên lựa chọn bước sóng 746nm là bước sóng khảo sát Đường 5, 6, 7: cũng xuất hiện hai cực đại hấp thụ ở bước sóng 670nnm và 746nm nhưng độ hấp thụ quang giảm đi, điều này đã chứng minh được rằng halogenua đã thúc đẩy tốc độ của phản ứng oxi hóa khử Đường 8: khi có mặt đồng thời cả I- và Cl- ta thấy xuất hiện hai cực đại hấp thụ ở 670nm và 746nm nhưng độ hấp thụ quang cao hơn so với đường 5 và đường 7, điều này có thể do iot sinh ra

ít tan (xem bảng 3) và thế oxi hóa khử tiêu chuẩn nhỏ (E = 0,54V) nên làm trễ sự mất màu MB Hiện tượng này sẽ được nghiên cứu chi tiết trong phần 3.3 của luận văn

Từ các kết quả thu được ta thấy khi có mặt halogenua làm tăng tốc độ phản ứng chỉ thị Vậy nếu thay đổi nồng độ halogenua thì sự biến đổi màu của MB sẽ như thế nào?

* Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ Cl - đến phản ứng chỉ thị

Lấy một dãy bình định mức 25ml, thêm vào bình các thành phần sao cho nồng độ cuối của chúng là: MB 2,6.10-5M; H2SO4 1,25M; NaCl 10-4M ÷ 10-3M; H2O2 1M Sau 30 giây kể từ khi cho H2O2 ghi độ hấp thụ quang theo thời gian Kết quả được trình bày trong bảng 4.

Cl

-∆A

Nồng độ Cl- (10-4)M

Từ kết quả của bảng 4 và hình 2 cho thấy khi nồng độ Cl- tăng từ 10-4M đến

10-3M thì tốc độ mất màu MB tăng

* Nghiên cứu ảnh hưởng của Br - đến phản ứng chỉ thị

Lấy hai dãy bình định mức 25ml:

- Dãy 1: thêm vào bình các thành phần sao cho nồng độ cuối là: MB 2,6.10-5M; H2SO4 1,25M; Br- 10-6M ÷ 10-5M; H2O2 1M

- Dãy 2: thêm vào bình các thành phần sao cho nồng độ cuối là: MB 2,6.10-5M; H2SO4 1,25M; NaCl 0,2M; Br- 10-6M ÷ 10-5M; H2O2 1M

Sau 30 giây kể từ khi cho H2O2 ghi độ hấp thụ quang theo thời gian Kết quả được trình bày trong bảng 5

- Đường 1: Đường

chuẩn xác định Br- khi không có mặt NaCl

Br

-Phương trình hồi quy có mặt NaCl dạng đầy đủ:

A = (-0,00050±0,0301) + (0,04219±0,0050) × 10

-6 C

Br

-Từ bảng 4 và hình 3 ta thấy khi có mặt bromua thì phản ứng mất màu MB xảy

ra nhanh hơn, tuy nhiên khi có mặt NaCl thì phản ứng mất màu diễn ra nhanh và rõ rệt hơn

* Ảnh hưởng của nồng độ I - đến phản ứng chỉ thị

Chuẩn bị 3dãy bình định mức dung tích 25ml:

- Dãy 1: thêm vào bình các thành phần sao cho nồng độ cuối là: MB 2,6.10-5M; H2SO4 1,25M; I- 10-6M ÷ 10-5M; H2O2 1M

∆A

Nồng độ Br- (10-6)M

- Dãy 2: thêm vào bình các thành phần sao cho nồng độ cuối là: MB 2,6.10-5M; H2SO4 1,25M; NaCl 0,2M; I- 10-6M ÷ 10-5M; H2O2 1M.

- Dãy 3: thêm vào bình các thành phần sao cho nồng độ cuối là: MB 2,6.10-5M; H2SO4 1,25M; Br- 6.10-6M; I- 10-6M ÷ 10-5M; H2O2 1M

Sau 30 giây kể từ khi cho H2O2 ghi độ hấp thụ quang theo thời gian Kết quả được trình bày trong bảng 6 và hình 4

- Đường 2: Đường chuẩn xác định I- khi

có mặt NaCl ( |∆A| phụ thuộc vào nồng

độ I-)

Hình 4: Khoảng tuyến tính xác định I

-∆A

Nồng độ I- (10-6)M

Phương trình hồi quy khi không có mặt NaCl dạng đầy đủ:

A = (-0,00013±0,00022) + (0,00137±0,00004) × 10

-6 C

I(1)

-Phương trình hồi quy khi có mặt NaCl dạng đầy đủ:

A = (0,01298±0,00117) + (0,00672±0,00019) × 10

-6 C

I(2)

-Hình 4 và bảng 6 cho thấy khi nồng độ I- tăng lên thì tốc độ phản ứng mất màu

MB tăng, nhưng nếu trong hỗn hợp có mặt ion Cl- (hoặc Br-) thì xuất hiện hiện tượng làm trễ sự mất màu của MB Từ phương trình hồi quy (1) và (2) ta thấy nếu xác định

I- khi có mặt NaCl thì nhạy hơn Điều này sẽ được nghiên cứu chi tiết trong phần 3.3 của luận văn

Từ các kết quả trên ta nhận thấy:

- Khi có mặt các ion halogenua (Cl-, Br-, I-) thì đều làm giảm độ hấp thụ quang của MB hay halogenua là tăng quá trình oxi hóa MB dựa trên phản ứng:

2Br- + H2O2 + 2H+ → Br2 + 2H2O (1)

Cl2 + 2Br- → Br2 + 2Cl- (2)Phản ứng 2 xảy ra nhanh hơn phản ứng 1 nên lượng Br2 sinh ra nhanh hơn và làm mất màu MB nhanh hơn

+ Khi xác định I- khi có mặt Cl- (hay Br-) thì xuất hiện hiện tượng ức chế Điều này có thể lý giải như sau:

2I- + H2O2 + 2H+ → I2 + 2H2O (1)Cl2 + 2Br- → Br2 + 2Cl- (2)

Phản ứng (4) diễn ra chậm do EI2/2I- nhỏ (E = 0,54V), lượng I2 sinh ra do phản ứng (2), (3) nhanh hơn so với phản ứng (1) nhưng I2 ít tan trong nước (xem bảng 3) nên gây ra hiện tượng làm trễ sự mất màu của MB Nhưng khi khảo sát khoảng tuyến tính ta thấy khi có mặt NaCl thì việc xác định I- nhạy hơn

Từ các kết quả đó, nếu muốn xác định Br- và I- nên tiến hành phản ứng trong nền là MB – NaCl- H2SO4 – H2O2 Do đó cần tìm hiểu xem quá trình oxi hóa phụ thuộc vào các yếu tố như thé nào?

3.2 Khảo sát các điều kiện xác định Br - trong nền NaCl

- Đường 1: phổ hấp thụ của dung

-(Nồng độ cuối là: MB 2,6.10-5M; H2SO4 1,25M; NaCl 0,2M; Br- 6.10-6M; H2O2 1M)

Hình 5: Phổ hấp thụ quang của hệ MB – NaCl -H 2 SO 4 - H 2 O 2 khi có mặt Br

-3.2.2 Ảnh hưởng của thời gian đến phản ứng chỉ thị

Chuẩn bị một dãy các bình định mức 25ml, thêm vào đó các thành phần với nồng độ thích hợp Sau 30 giây kể từ khi thêm H2O2 tiến hành ghi phổ theo thời gian

từ 0 giây đến 1800 giây Kết quả được trình bày trong hình 6 và bảng 7

- Đường 1: phổ hấp thụ của dung

(Nồng độ cuối là: MB 2,6.10-5M; H2SO4 1,25M; NaCl 0,2M; Br- 6.10-6M; H2O2 1M)

Hình 6: Phổ của hệ MB – H 2 SO 4 - H 2 O 2 khi có mặt Bromua phụ thuộc vào thời gian

Bảng 7: Độ hấp thụ quang của hệ MB – H 2 SO 4 - H 2 O 2 khi có mặt bromua

A100s A1 = 1,0230 A2 = 0,0526 A3 = 0,5233 A4 = 0,5515tgα tgα1 = 1 tgα2 = 0,0055 tgα3 = 0,0024 tgα4 = 0,0018

Từ kết quả hình 6 và bảng 7 ta thấy:

- Theo phương pháp thời gian ấn định (100s): A1 – A2 < A1 – A3 < A1 - A4

- Theo phương pháp tgα: tgα1 > tgα 2 > tgα 3 > tgα 4 = 0,0018

Điều đó chứng tỏ thời gian ảnh hưởng đến quá trình phản ứng

3.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng chỉ thị

Khi nhiệt độ tăng, sự chuyển động nhiệt của các phân tử trong bình phản ứng tăng, do đó làm tăng số va chạm giữa các phân tử cho nên tốc độ phản ứng tăng Thông thường khi nhiệt độ tăng 100C thì tốc độ phản ứng tăng 2-3 lần Điều này gây ảnh hưởng tới độ nhạy và độ lặp lại của phương pháp phân tích động học xúc tác Vì thế cần nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới phản ứng chỉ thị.

Bảng 8: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng

Hình 7: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhạy

Từ bảng 8, hình 7 ta thấy tại nhiệt độ cao xảy ra sự giảm A (đường 5 của hình 6 thấy rõ khi nhiệt độ là 50oC thì tốc độ phản ứng rất nhanh), điều này có lẽ do

sự giảm mạnh độ hấp thụ quang của MB Nếu xử lý kết quả thực nghiệm theo phương pháp tgα thì thấy nhiệt độ không ảnh hưởng nhiều đến phản ứng chỉ thị Tại nhiệt độ 20-250C đạt được A cao nhất; nhiệt độ được chọn để tiện tiến hành phản ứng là nhiệt độ phòng khoảng 25 ± 20C

3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ Cl - đến phản ứng chỉ thị

Như hình 5 ta thấy Cl- có hoạt hóa cho quá trình phản ứng, nên cần xem xét ảnh hưởng của nồng độ cuối clorua đên hệ phản ứng như thế nào

Chuẩn bị 2 dãy bình định mức dung tích 25ml

- Dãy 1: thêm vào các bình các thành phần sao cho nồng độ cuối của chúng là

MB 2,6.10-5 M, H2O2 1M, H2SO4 1,25M, NaCl 0 ÷ 0,4M

- Dãy 2: thêm vào các bình các thành phần sao cho nồng độ cuối của chúng là

MB 2,6.10-5 M, H2O2 1M, H2SO4 1,25M, NaCl 0 ÷ 0,4M, Br- 6.10-6M

Sau 30 giây kể từ khi thêm H2O2, ghi độ hấp thụ quang theo thời gian Kết quả được trình bày trong bảng 9 và biểu diễn trên đồ thị hình 8

∆A

Nhiệt độ (oC)

Bảng 9: Kết quả ảnh hưởng của nồng độ Cl - đến phản ứng xúc tác

và giữ nguyên gần như đồng nhất từ 0,1-0,3 M, sau đó giảm khi nồng độ NaCl cao hơn Vì thế nồng độ cuối của NaCl bằng 0,2 M được chọn làm nồng độ tối ưu để tiến hành các phản ứng tiếp theo Nồng độ này là phù hợp khi xác định brômua trong mẫu nước biển

A

Nồng độ NaCl (M)

3.2.5 Ảnh hưởng của nồng độ axit đến phản ứng chỉ thị

Từ các kết quả trên ta thấy, trong môi trường H2SO4 bước sóng cực đại của

MB bị thay đổi nên cần xem xét nồng độ axit ảnh hưởng đến phản ứng như thế nào?

Chuẩn bị 2 dãy bình định mức dung tích 25ml

- Dãy 1: thêm vào các bình các thành phần sao cho nồng độ cuối của chúng là

MB 2,6.10-5 M, H2O2 1M, H2SO4 0,25 ÷ 1,75M, NaCl 0,2M

- Dãy 2: thêm vào các bình các thành phần sao cho nồng độ cuối của chúng là

MB 2,6.10-5 M, H2O2 1M, H2SO4 0,25 ÷ 1,75M, NaCl 0,2M, Br- 6.10-6M

Sau 30 giây kể từ khi thêm H2O2, ghi độ hấp thụ quang theo thời gian Kết quả được trình bày trong bảng 10 và biểu diễn trên đồ thị hình 9

Bảng 10: Kết quả ảnh hưởng của nồng độ axit đến phản ứng chỉ thị

Hình 9: Ảnh hưởng của axit đến phản ứng mất màu của MB

Hình 9 cho thấy rằng, sự chênh lệch của độ hấp thụ quang giữa mẫu nền và mẫu có ảnh hưởng brômua (A) tăng nhanh theo sự tăng của nồng độ axit sunfuric cho đến 1M, khi nồng độ axit cao hơn 1M thì gần như không đổi Vì thế, nồng độ cuối của axit được chọn để sử dụng trong phương pháp là 1,25M

3.2.6 Ảnh hưởng của nồng độ H 2 O 2 đến phản ứng chỉ thị

H2O2 là chất oxi hóa nên cần xem xét nồng độ H2O2 ảnh hưởng đến phản ứng như thế nào?

Chuẩn bị 2 dãy bình định mức dung tích 25ml

- Dãy 1: thêm vào các bình các thành phần sao cho nồng độ cuối của chúng là

MB 2,6.10-5 M, H2O2 0,25M ÷ 2M , H2SO4 1,25M, NaCl 0,2M

- Dãy 2: thêm vào các bình các thành phần sao cho nồng độ cuối của chúng là

MB 2,6.10-5 M, H2O20,25M ÷ 2M, H2SO4 1,25M, NaCl 0,2M, Br- 6.10-6M

Sau 30 giây kể từ khi thêm H2O2, ghi độ hấp thụ quang theo thời gian Kết quả được trình bày trong bảng 11 và biểu diễn trên đồ thị hình 10

A

Nồng độ H2SO4 (M)

Bảng 11: Kết quả ảnh hưởng của nồng độ H 2 O 2 đến phản ứng chỉ thị

A

Nồng độ H2O2 (M)

Sau 30 giây kể từ khi cho H2O2 ghi phổ theo thời gian Kết quả được trình bày trong bảng 12.

Y=(3,2276±0,0001) ×10

-4x+(0,0039±0,0062) 0,9993,2×10-5 320-1200

Y=(3,9567±0,0723) ×10

-4x+(0,0634±0,0058) 0,999

Từ kết quả ở bảng 12 ta thấy khoảng tuyến tính của phương pháp ở nồng độ MB là 2,6.10-5M phù hợp với đối tượng nghiên cứu của luận văn là nước biển Do đó lựa chọn nồng độ MB là 2,6.10-5M

3.2.8 Ảnh hưởng của nồng độ Br - đến phản ứng chỉ thị

Chuẩn bị một dãy bình định mức, thêm vào đó các thành phần sao cho nồng

độ cuối của chúng là MB 2,6.10-5 M, Cl- 0,2M; H2O2 1M, H2SO4 1,25M, Br- 0 ÷ 1800ppb Sau 30 giây kể từ khi cho H2O2 ghi phổ theo thời gian

* Khảo sát khoảng tuyến tính theo phương pháp thời gian ấn định

Kết quả được trình bày trong bảng 13:

Bảng 13: Khảo sát khoảng tuyến tính của phức

Hình 11: Khảo sát khoảng tuyến tính xác định Br -

Sử dụng phần mềm Origin xử lý thống kê số liệu, thu được đường chuẩn như hình 11

Hình 12: Đường chuẩn xác định Br - khi nồng độ MB là 2,6.10 -5 M

Phương trình hồi quy dạng đầy đủ:

A = (-0,01771±0,0083) + (5,49296±0,1171) × 10

-4 CBr

A

Nồng độ Br- (ppb)

A

Nồng độ Br- (ppb)

Trong đó C

Br

là nồng độ của Bromua

*Đánh giá phương pháp: để xem xét phương pháp có chính xác và mắc sai số hệ

thống hay không thì ta so sánh a với 0 Nếu xem a ≈ 0 thì phương trình y = a + bx được viết lại thành y = b’x Thay giá trị yi và xi vào phương trình y = b’x ta được b’i

Kết quả như sau:

= 0,151

3

) ' ( '

2 _ 2

= 0,073

S

F = = 0,483

Ftính = 0,483 < Fbảng = 3,230

Như vậy, Ftính < Fbảng nên không có sự khác nhau có ý nghĩa thống kê giữa a và

0, tức là phương pháp không mắc sai số hệ thống

*Xác định giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng( LOQ)

b

S LOD =3 y

Với Sy là độ lệch chuẩn của đường chuẩn (Sy = 0,00357)

*Kháo sát khoảng tuyến tính theo phương pháp tgα

Trong đó: α là góc tạo bởi tiếp tuyến của đường A(t) và trục hoành

10

40

30 A A

tgα = −

Kết quả trình bày trong bảng 14

Bảng14: Khoảng tuyến tính theo phương pháp tgα

Hình 13: Khoảng tuyến tính theo phương pháp tgα

Sử dụng phần mềm Origin xử lý thống kê số liệu, thu được đường chuẩn như hình 14

tg α

Nồng độ Br- (ppb)

Hình 14: Khoảng tuyến tính theo phương pháp tgα

Phương tình hồi quy có dạng:

tgα = (0,0258 ± 0,00022) + ( -1,72431 ± 0,0286).10-5

CBr-*Đánh giá phương pháp: để xem xét phương pháp có chính xác và mắc sai số hệ

thống hay không thì ta so sánh a với 0 Nếu xem a ≈ 0 thì phương trình y = a + bx được viết lại thành y = b’x Thay giá trị yi và xi vào phương trình y = b’x ta được b’i

Kết quả như sau:

-6

-6)

640 0,0015 2,3

Ta có:

1

' '

= 1,9.10-3

3

) ' ( '

2 _ 2

S

S

F = = 0,019

Ftính = 0,019 < Fbảng = 3,866

Như vậy, Ftính < Fbảng nên không có sự khác nhau có ý nghĩa thống kê giữa a và

0, tức là phương pháp không mắc sai số hệ thống

*Xác định giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng( LOQ)

Với Sy là độ lệch chuẩn của đường chuẩn (Sy = 1,207.10

-4)

*Khảo sát độ lặp lại

Tiến hành khảo sát độ lặp lại ở các nồng độ Br

là 10

-6M; 6.10

-6M; 10

]=480ppb) ∆A ([Br

] =600ppb)