xác định hàm lượng sắt trong nước bằng phương pháp trắc quang

xác định hàm lượng sắt trong nước bằng phương pháp trắc quang

MỤC LỤC

Bài 1 XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG SẮT TRONG NƯỚC BẰNG QUANG PHỔ UV-VIS1

Bài 1 XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG SẮT TRONG NƯỚC BẰNG

QUANG PHỔ UV-VIS

I Tổng quan:

1 Giới thiệu chung về sắt:

- Sắt có mặt khắp nơi, cấu tạo nên vỏ trái đất Trong nước thiên nhiên, kể cả nước mặt và nước ngầm điều có chứa sắt Hàm lượng sắt và dạng tồn tại của chúng tuỳ thuộc vào từng loại nguồn nước, điều kiện môi trường, nguồn gốc tạo thành

- Trong nước mặt, sắt tồn tại ở dạng hợp chất Fe3+, thưòng là Fe(OH)3 không tan, ở dạng keo hay huyền phù, hoặc ở dạng hợp chất hữu cơ phức tạp ít tan Hàm lượng sắt thay đổi và ít khi vượt quá 1 mg/l, đặc biệt khi nước có tính kiềm và sẽ được khử trong quá trình làm trong nước

- Do ion sắt hai dễ bị oxy hóa thành hydroxyt sắt ba, tự kết tủa và lắng nên sắt

ít tồn tại trong nguồn nước mặt Đối với nước ngầm, trong điều kiện thiếu khí, sắt thường tồn tại ở dạng ion Fe2+ và hoà tan trong nước Khi được làm thoáng, sắt hai sẽ chuyển hóa thành sắt ba, xuất hiện kết tủa hydroxyt sắt ba

có màu vàng, dễ lắng Trong trường hợp nguồn nước có nhiều chất hữu cơ, sắt có thể tồn tại ở dạng keo (phức hữu cơ) rất khó xử lý Ngoài ra, khi nước

có độ pH thấp, sẽ gây hiện tượng ăn mòn đường ống và dụng cụ chứa, làm tăng hàm lượng sắt trong nước.

- Trong nước ngầm, do có pH thấp, sắt tồn tại ở dạng ion Sắt có hoá trị 2 là thành phần của các muối tan như Fe(HCO3)2, FeSO4 Hàm lượng sắt có trong các nguồn nước ngầm thường cao và phân bố không điều trong các lớp trấm tích dưới sâu

2 Ý nghĩa môi trường:

- Sắt là nguyên tử vi lượng cần thiết để cho cơ thể cấu tạo hồng cầu Vì thế, sắt với hàm lượng 0,3 mg/l là mức ấn định cho phép đối với nước sinh hoạt

- Vượt quá giới hạn trên, sự có mặt của sắt trong nước gây ra một số ảnh hưởng bất lợi cho người sử dụng trong sinh hoạt gia đình, trong công

nghiệp và thương mại Sắt thường đọng lại trong các đường ống cấp nước làm giảm áp suất của nước trong ống dẫn, vì vậy ảnh hưởng tới quá trình phân phối nước ở mức độ công nghiệp, sự xuất hiện sắt và măng gan trong nước sẽ phá huỷ thực phẩm, đồ uống, công nghiệp giấy và dệt …

- Mùi tanh đặc trưng của sắt, khi tiếp xúc với khí trời, kết tủa Fe(OH)3 hình thành, làm nước có màu đỏ gạch tạo ấn tượng không tốt cho người sử dụng

Vì thế, nước có sắt không thể dùng cho một số nghành công nghiệp đòi hỏi chất lượng cao như: giấy, du lịch, tơ, sợi, dệt, thực phẩm, dược phẩm…

- Do các lý do trên, việc xử lý sắt cũng như phương pháp xác định hamg lượng sắt trong nước có ý nghĩa quan trọng trong đời sống cũng như trong sản xuất công nghiệp

3 Cơ sở phương pháp

- Cơ chế tạo phức của Fe(2+) với thuốc thử 1,10-phenantroline

- 1,10-phenantroline hay còn gọi là or-phenantroline là hợp chất hữu

cơ dị vòng, có khả năng tạo phức mạnh với một số ion kim loại

Hình 1 Công thức phân tử 1,10-phenantroline

Công thức phân tử C12H8N2 Khối lượng phân tử 180.3 g/mol

Tồn tạo dạng tinh thể trắng

Nhiệt nóng chảy 117 °C

- Phức giữa 1,10-phenantroline với sắt có tên gọi là “ferroin” có màu

đỏ cam được hình thành trong khoảng pH từ 3-9, tối ưu là 3,5

- Nguyên tắc :

- Do trong nước, sắt thường tồn tại ở dạng hỗn hợp 2 ion Fe(2+) và Fe(3+) Vì vậy muốn xác định tổng hàm lượng sắt trong nước cần chuyển toàn bộ Fe(3+) về dạng Fe(2+) bằng tác nhân khử

Hydroxylamin hay hydroquynon, sau đó ion sắt (II) sẽ tạo phức với

ba phân tử 1,10-phenanthrolin, phức chất này có màu đỏ cam, xảy

ra theo phản ứng:

Fe(OH)3 + 3 H+ → Fe3+ + H2O

4 Fe3+ + 2 NH2OH → 4 Fe2+ + N2O + H2O + 4 H+

Hình 2 Phản ứng tạo phức giữa Fe và thuốc thử

- Ở pH: 3-9, cường độ màu tỉ lệ với hàm lượng sắt (II) trong dung dịch

đo Để phản ứng nhanh và hoàn toàn, cần điều chỉnh pH = 2.9- 3.5 và dùng lượng thừa phenanthrolin

- Máy quang phổ UV-Vis

- Máy đánh siêu âm

2 Quy trình tiến hành

 Chuẩn bị dung dịch sắt chuẩn:

- Pha loãng sắt chuẩn:

Do việc đo phổ UV-Vis xác định hàm lượng ở khoảng nồng độ ppm, do đo tap

ha loãng dung dịch sắt chuẩn 100ppm xuống 5ppm

Ta có: 100ppm V= 5ppm 100ml

Vậy ta có V= 5ml

Rút 5ml dung dịch sắt 100ppm vào bình định mức 100ml, tiến hành định mức bằng nước cất tới vạch, đánh siêu âm sau khi định mức

- Pha dung dịch Hydroxylamine hydrochloride

Dùng beaker 50ml cân 10g hydroxylamine hydrochloride

Hòa tan với nước, sau đó cho vào bình định mức 100ml, tráng beaker và them nước cất đến đúng vạch

- Pha dung dịch Sodium acetate

Dùng beaker 50ml cân 10g Sodium acetate

Hòa tan với nước, sau đó cho vào bình định mức 100ml, tráng beaker và them nước cất đến đúng vạch

- Pha dung dịch 1,10-phenantroline

Dùng beaker 50ml cân 1g 1,10-phenantroline

Hòa tan với nước, sau đó cho vào bình định mức 100ml, tráng beaker và thêm nước cất đến đúng vạch

Chú ý: 1,10 phenantroline hơi khó tan trong nước cần đánh siêu âm lâu để hòa tan hoàn toàn

- Pha các dung dịch xây dựng đường chuẩn:

-Tùy theo mẫu mà ta có thể dựng đường chuẩn theo các nồng độ khác nhau

- Thường thì mẫu có nồng độ lớn ta chỉ cần dựng một đường chuẩn duy nhất cho tất cả các mẫu, sau đó pha loãng sao cho nồng độ lọt vào khoảng xây dựng đường chuẩn Đối với mẫu có nồng độ bé hơn thì phải xây dựng đường chuẩn có nồng độ thấp hơn, Nhưng để xây dựng các đường chuẩn thấp ở khoản ppb thì đòi hỏi thiết bị phải hiện đại

- Sử dụng 6 bình định mức 100ml, lần lượt pha dãy chuẩn là 0; 0.2; 0.4; 0.6; 0.8; 1.0ppm, định mức bằng nước cất đến đúng vạch

- Mẫu nước thủy cục

- Lấy khoảng 150ml nước thủy cục cho vào beaker 200ml,

- Hút vài giọt HNO3 đậm đặc vào sau đó đem cô cạn nước xuống còn khoảng 15ml

- Tiến hành pha mẫu: Hút 10ml nước cất sau cô cạn( để nguội) cho vsof bình định mức 100ml, tiến hành cho lần lượt các chất với số lượng giống như bảng trên, định mức bằng nước cất đến đúng vạch

- Mẫu nước sông

- (Tương tự)

- Tiến hành đo

- Sau khi mở máy để ổn định máy khoảng 15 phút thì ta có thể chạy máy

`Bước 1: Dò tìm bước sóng hấp thụ cực đại

Trước hết cần chạy Baseline mẫu trắng trước, sau đó chọn dung dịch 0.6ppm (hoặc một trong các dãy chuẩn) để đo thử tìm bước sóng

Hình 3 Phổ của dung dịch 0.6ppm

Kết quả: λ = 509.3 với độ hấp thụ cao nhất A= 0.092Như vậy bước sóng ta chọn bước sóng thích hợp là λ = 509.3

Bước 2: Lập đường chuẩn

Vào chế độ photometric ( định lượng) để tiến hành chạy dung dịch chuẩn Lần lượt chạy từ nồng độ thấp đến cao ở bước sóng đã đo là 509.3

Kết quả:

Bước 3: Đo mẫu

Sau khi chạy đường chuẩn, ta chạy mẫu

Mẫu 1: Nước thủy cục

Kết quả mẫu nước thủy cục: 0.377mg/l

Mẫu 2: Nước sông Long Bình

Bài 2 XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG ACETYLSALICYLIC ACID TRONG ASPIRIN

SỬ DỤNG QUANG PHỔ HUỲNH QUANG

I Tổng quan:

1 Acetyl salicylic acid

- Aspirin, hay acetylsalicylic acid (ASA), (acetosal) là một dẫn xuất của acid

salicylic, thuộc nhóm thuốc chống viêm non-steroid; có tác dụng giảm đau, hạ sốt, chống viêm

Hình 5 Công thức ASA

- Tính chất

Tinh thể không màu hoặc bột kết tinh trắng, không mùi hoặc gần như

không mùi Khó tan trong nước, dễ tan trong ethanol 96%, tan trong ether và

cloroform

o Tỷ trọng 1.40 g/cm³

o Nóng chảy 138–140 °C (280–284 °F)

o Sôi 140 °C (284 °F) (phân ly)

- Sự tổng hợp aspirin được xếp vào dạng phản ứng ester hóa, ở đó nhóm alcohol từ salicylic acid phản ứng với dẫn xuất của acid(acetic anhydride) để tạo nên một ester Salicylic acid được acetyl hóa bằng acetic anhydride để cho aspirin và acetic acid như một sản phẩm phụ

o Không gây ngủ, không gây khoái cảm, không gây nghiện

- Độc tính

* Mặc dù các dẫn xuất của salicylic đều ít độc, dễ uống, nhưng dùng lâu có thể gây

“hội chứng salicylê” (salicylisme): buồn nôn, nôn, ù tai, điếc, nhức đầu, lú lẫn

* Đặc ứng: Phù, mề đay, mẩn ngứa, hen

* Xuất huyết dạ dày thể ẩn, hoặc thể nặng

* Liều chết đối với người lớn khoảng 20g

2 Hiện tượng huỳnh quang

- Huỳnh quang là sự phát quang khi phân tử hấp thụ năng lượng dạng nhiệt (phonon)

hoặc dạng quang (photon).Ở trạng thái cơ bản So, phân tử hấp thụ năng lượng từ môi trường bên ngoài và chuyển thành năng lượng của các electron, nhận năng lượng các electron này sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích S*, đây là một trạng thái không bền, do đó electron sẽ mau chóng nhường năng lượng dưới dạng nhiệt để về trạng thái kích thích mang năng lượng thấp hơn S*o, thời gian tồn tại của electron giữa mức năng lượng S*->S*o vào khoảng 10-9 đến 10-12 giây, sau khi về trạng thái kích thích S*o, electron lại một lần nữa phát năng lượng dưới dạng photon để về mức thấp hơn So, hiện tượng này gọi là huỳnh quang phân tử

- Phổ huỳnh quang được ứng dụng rộng trong dược phẩm và y học, Khoa học môi

trường; Hóa phân tích, Nông nghiệp và thực phẩm; Sản xuất và công nghiệp; Quang hóa; Tế bào sinh học

- Phổ huỳnh quang hoạt động: do sự kích thích của nguồn đèn có năng lượng cao,

photon từ nguồn sẽ kích thích những phân tử có khả năng phát huỳnh quang lên mức trạng thái kích thích Khi đó những e kích thích quay trở về trạng thái cở bản, đồng thời phát ra bức xạ với mức năng lượng thấp hơn ( phát xạ huỳnh quang)

Hình 7 Hiện tượng huỳnh quang

- Hai loại thông tin thu được khi nghiên cứu phát xạ huỳnh quang:

o Sự phân bố cường độ bước sóng, đó là một dấu hiệu của các cấu trúc điện tử của phân tử

o Cường độ tại bước sóng bất kỳ nơi xảy ra phát xạ, đó là một dấu hiệu của nồng độ của chất phát huỳnh quang trong dung dịch

Thông tin thứ hai là thông tin quan trọng mà chúng ta chủ yếu sử dụng trong phân tích huỳnh quang

- Trong đo huỳnh quang tổng, các mẫu được chiếu xạ với bước sóng đã biết và sự phát xạ huỳnh quang xảy ra trên phạm vi toàn dãy bước sóng được đo, Các phát xạ được đo ở góc 900 để giảm thiểu hiệu ứng tán xạ Lượng bức xạ từ chất huỳnh quang trong mẫu, được sử dụng như một dấu hiệu của nồng độ

Hình 8 Phát xạ huỳnh quang ở góc 90 o

- Điều này mô tả một trong rất nhiều ứng dụng trong dược phẩm của quang phổ huỳnh quang Đo huỳnh quang xác định acetylsalicylic acid (ASA) trong viên thuốc aspirin, có thể thực hiện trong 1% acetic acid trong dung môi cloroform Trong dung môi bước sóng huỳnh quang kích thích cho ASA khoảng 290nm, và

- Pha dung môi acetic acid 1%/ cloroform

Do acetyl salycilic rất khó tan trong nước, dễ tan trong ether hay cloroform nên ta

không sử dụng nước mà dùng cloroform làm dung môi

Sử dụng pipet thủy tinh 5ml hút 2.5ml acetic acid vào bình định mức 250ml, sau đó

định mức bằng cloroform tới vạch Đem để trong bóng tối tránh ánh sáng trực tiếp làm phân hủy cloroform

Chú ý: Nên sử dụng dụng cụ bảo hộ khi tiếp xúc trực tiếp với hóa chất.

- Pha dãy chuẩn:

o Cân 5mg acetyl salicylic chuẩn vào beaker 50ml sau đó hòa tan với dung môi rồi cho vào bình định mức 50ml, định mức bằng dung môi tới vạch và

để trong bóng tối

Nồng độ : 5mg/50ml = 100ppm

o Tiến hành pha các dãy chuẩn

Tiến hành pha loãng xuống 50000 lần

- Hút 100µl mẫu sau lọc vào bình định mức 10ml, tiến hành định mức tới vạch bằng dung môi ( Bình 1)

- Hút 100 µl mẫu ở bình 1 ( vừa định mức) cho vào bình định mức 10ml, tiến hành định mức bằng dung môi tới vạch ( Bình 2)

- Hút 50µl mẫu vừa định mức ở bình 2 vào bình định mức 10ml, rồi định mức bằng dung môi tới vạch

3 Phân tích và kết quả

- Bước 1: Dò tìm bước sóng kích thích và nước sóng phát xạ:

Trước hết ta chạy mẫu dung môi, quét 200-900nm ở cả hai chế độ EX ( kích thích) và

EM ( phát xạ)

Kết quả:

Kích thích EX Phát xạ EM

- Bước 2: Chạy dung dịch chuẩn

Lần lượt chạy theo thứ tự từ thấp đến cao

Hình 9 Đồ thị đường chuẩn của dãy chuẩn ASA

- Bước 3: Chạy mẫu

Mẫu sau khi xử lý và pha loãng, đem đo ta được kết quả

Nồng độ ASA ban đầu: 1.1018 x 5000 = 5509 mg/ L

Do ban đầu ta định mức mẫu trong bình định mức 50ml, do đó khối lượng ASA trong viên thuốc là :

mg ASA/ 0.05 = 5509 mg/ L

mg ASA = 275.45mg

Kết luận: Trong viên thuốc Aspirin, có tồn tại 275.45mg Acetyl salilic.

Bài 3 XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG SẮT TRONG NƯỚC BẰNG PHỔ HẤP THỤ

NGUYÊN TỬ- Atomic Absorption spectrocopy (AAS)

I Cơ sở lý thuyết

- Với kĩ thuật tinh tế, độ chính xác khá cao cùng trang thiết bị hiện đại, phổ hấp thụ nguyê tử đã được biết và sử dụng rộng rãi tại các phòng phân tích cũng như các trung tâm kiểm ngiệm hiên nay Bạn có biết AAS có thể phân tích lượng rất nhỏ các kim loại trong các mẫu khác nhau của các chất vô cơ và hữu cơ Hiện nay bằng phương pháp này người

ta có thể định lượng khoảng 65 nguyên tố kim loại và một số á kim đến giới hạn nồng độ

cở ppm bằng kĩ thuật F-AAS, và đến nồng độ ppb bằng kĩ thuật ETA-AAS với sai số không lớn hơn 15%

- Như chúng ta đã biết, vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tử và nguyên tử là phần tử cơ bản nhỏ nhất còn giữ được tính chất của nguyên tố hóa học Trong điều kiện bình thường nguyên tử không thu cũng không phát ra những bức xạ Lúc này nguyên tử bền vững và ngèo năng lượng nhất Nhưng khi nguyên tử ở trạng thái tự do, ta chiếu những chùm sáng có bước sóng xác định vào đám hơi nguyên tử đó, thì chúng sẽ hấp thụ những bức xạ có bước sóng xác định ứng với những bức xạ mà chúng có thể phát ra được trong quá trình phát xạ của chúng Lúc đó nguyên tử đã nhận năng lượng từ tia bức xạ và chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn Quá trình đó là quá trình hấp thu năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử của nguyên tố đó Phổ sinh ra trong quá trình này gọi là phổ hấp thụ nguyên tử

- Trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử để xác định một nguyên tố hay một hợp chất người ta có thể tiến hành phân tích ngay chính chất đó theo phổ hấp thụ nguyên tử của nó, như phân tích các kim loại, hay qua việc đo phổ hấp thụ nguyên tử của một chất khác, khi chất phân tích không có tính chất hấp thụ nguyên tử, nhưng chất này lại có một

sự tương tác rất định lượng về mặt hóa học theo một phản ứng hóa học nhất định với một kim loại có phổ hấp thụ nguyên tử nhạy Do đó xuất hiện hai loại phương pháp phân tích định lượng theo phổ hấp thụ nguyên tử, đó là:

- Các phương pháp phân tích trực tiếp, cho chất có phổ AAS và

- Các phương pháp phân tích gián tiếp, cho chất không có phổ AAS

- Trong quá trình phân tích hàm lượng sắt ta chỉ đề cập đến phương pháp xác định trực tiếp

- Về nguyên tắc thì tất cả các nguyên tố và các chất có phổ hấp thụ nguyên tử chúng ta đều có thể xác định nó một cách trực tiếp theo phổ hấp thụ nguyên tử của nó từ

việc xác định các kim loại có vạch phổ hấp thụ nguyên tử Vì các kim loại đều có phổ hấp thụ nguyên tử của nó trong những điều kiện nhất định Theo cách này, nói chung trong nhiều trường hợp, mẫu phân tích trước hết được xử lí theo một cách phù hợp để được dung dịch mẫu có chứa các Ion kim loại cần phân tích Tiếp đó tiến hành định lượng nó theo một trong các cách chuẩn hóa đã biết Đây là các phương pháp phân tích thông thường, đã và đang được dùng rất phổ biến, để xác định lượng vết các kim loại trong các đối tượng mẫu hữu cơ và vô cơ khác nhau theo phổ hấp thụ nguyên tử của nó

- Vì thế người ta gọi đối tượng của các phương pháp phân tích này là phân tích kim loại trong các loại mẫu vô cơ và hữu cơ Ví dụ các mẫu vô cơ là quặng, đất, đá, khoáng liệu, muối, oxit, kim loại, hợp kim, xi măng, nước, không khí và các mẫu hữu cơ là mẫu thực phẩm, đường, sữa, đồ hộp, rau quả, đồ uống, giải khát, máu, se rum, nước tiểu, các mẫu cây và sinh học

- Khi phân tích các loại mẫu này thì nguyên tắc chung là gồm hai giai đoạn

- Giai đoạn I: Xử lí mẫu để đưa nguyên tố kim loại cần xác định có trong mẫu về trạng thái dung dịch của các Cation theo một kĩ thuật phù hợp, để chuyển được hoàn toàn nguyên tố cần xác định vào dung dịch đo phổ

- Giai đoạn II: Phân tích nguyên tố cần thiết theo phổ hấp thụ nguyên tử của

nó theo những điều kiện phù hợp (một quy trình) đã được nghiên cứu và chọn ra Dùng một hệ thống nguyên tử hóa mẫu để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi của nguyên tử tự do Tiếp theo chiếu chùm tia sáng bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên

tử, thu toàn bộ chùm sáng, phân ly và chọn một vạch phổ hấp thu của nguyên tố cần nghiên cứu để đo cường độ của nó Giá trị cường độ này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ của nguyên tố trong mẫu phân tích

Tất nhiên, ở đây giai đoạn I là cực kỳ quan trọng Vì nếu xử lí mẫu không tốt thì có thể làm mất nguyên tố cần phân tích hay làm nhiễm bẩn thêm vào Nghĩa

là việc xử lí mẫu không đúng sẽ là một nguồn sai số rất lớn cho kết quả phân tích,