CHƯƠNG 8 KHÁI QUÁT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ

BỨC XẠ ĐIỆN TỪBẢN CHẤT & CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG Bản chất hạt Bức xạ điện từ : dòng hạt photon mang năng lượng E lan truyền với vận tốc ánh sáng có năng lượng tỷ lệ với tần số của bức

Trang 2

SƠ ĐỒ CHUNG VỀ CÁC PPPT HÓA LÝ

MẪU

(đối tượng)

Thiết bị phân tích

Ghi nhận sự

thay đổi tham số hóa lý

Định tính

Định lượng

Các nhóm PPPT hóa lý:

1/ PPPT phổ nghiệm: Biểu diễn KQ dưới dạng phổ

2/ PPPT điện hóa: liên quan đến các quá trình điện hóa 3/ PPPT sắc ký: liên quan đến quá trình phân tách sắc ký 4/ Các phương pháp khác: nhiệt, phóng xạ…

2

Trang 3

CÁC PP PHÂN TÍCH ĐIỆN HÓA

PP ĐO ĐỘ

DẪN ĐIỆN

PP VOLT AMPERE

ĐO ĐIỆN LƯỢNG

- PP trực tiếp

- PP chuẩn độ độ dẫn

- PP chuẩn độ với dòng

cao tần

- PP cực phổ (xoay chiều, một chiều, xung…)

- Chuẩn độ ampere

- PP đo thế trực tiếp:

* đo pH

* chọn lọc ion

- PP chuẩn độ điện thế

- PP điện khối lượng

- PP nội điện phân

- PP đo điện lượng

CÁC PP PHÂN TÍCH

ĐIỆN HÓA

3

Trang 4

• PP sắc ký hiện đại: Sắc ký khí, sắc ký lỏng cao áp

• PP sắc ký đơn giản: sắc ký giấy, cột, bản mỏng

4

Trang 5

CÁC PP PHÂN TÍCH SẮC KÝ

• PP sắc ký hiện đại: Sắc ký khí, sắc ký lỏng cao áp

• PP sắc ký đơn giản: sắc ký giấy, cột, bản mỏng

Theo trạng thái liên hợp

của pha động và pha tĩnh

Đa số các PP sắc ký đều được tiến hành theo cơ chế

một pha đứng yên và một pha chuyển động

5

Trang 6

SƠ ĐỒ CHUNG CỦA PPPT QUANG PHỔ

Đối tượng nghiên cứu

* Thấy được (Visible - VIS)

* Tử ngoại (Ultra Violet - UV)

* Hồng ngoại (Infrared Red - IR)

- Phổ tán xạ tổ hợp

6

Trang 7

BỨC XẠ ĐIỆN TỪ (BXĐT)

BẢN CHẤT & CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG

¾ Bước sóng λ (độ dài sóng) (m, cm, nm, A0) :

Khoảng cách giữa hai cực đại (tiểu) nối tiếp.

¾ Chu kỳ T(s ): T/gian truyền giữa hai cực đại nối tiếp

¾ Tần số ν ( s – 1 ): Số dao động trong 1 s

¾ Số sóng σ (cm –1 , nm –1 , ): số bước sóng trong 1 cm

¾ Vận tốc truyền = vận tốc ánh sáng = 3.10 8 m/s.

Bản chất sóng BXĐT là dạng năng lượng truyền trong không gian với vận tốc rất lớn theo dạng sóng hình sin

⇒ có hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ

Điện trường

σ λ

ν λ

Trang 8

BỨC XẠ ĐIỆN TỪ

BẢN CHẤT & CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG

Bản chất hạt Bức xạ điện từ : dòng hạt photon mang năng lượng E lan

truyền với vận tốc ánh sáng có năng lượng tỷ lệ với tần

số của bức xạ

σ λ

• E đo bằng eV, kcal / mol, (1kcal / mol =4,34.10 – 2 eV)

Bước sóng càng nhỏ năng lượng càng lớn

8

Trang 10

TƯƠNG TÁC GIỮA BXĐT VỚI VẬT CHẤT

Nội năng E của

phân tử

E q : Năng lượng do chuyển động quay xung quanh trục (tần số νq ) của phân tử

E dđ : Năng lượng do sự dao động của các hạt nhân nguyên tử xung quanh

vị trí cân bằng (tần số νdđ ).

E đt : Năng lượng do sự chuyển dời e

từ orbitan phân tử này đến orbital phân tử khác (tần số νđt ).

E = E q + E dđ + E đt

10

Trang 11

Năng lượng do vật chất hấp thu hay phát xạ là các đại

lượng gián đoạn

11

Trang 12

HIỆN TƯỢNG HẤP THU BX CỦA VẬT CHẤT

phân tử có momen lưỡng cực μ ≠ 0

Momen μ bị thay đổi dưới ba dạng

sự quay (μ q ) sự dao động (μ dđ ) sự kích thích điện tử (μ đt )

Biến thiên năng lượng tổng sau khi hấp thu:

ΔE = ΔE đt + ΔE dđ + ΔE q

(Chỉ các BX có tần số đúng bằng νq, νdđ và νđt mới bị hấp thu)

12

Trang 13

Là sự phát ra năng lượng dưới dạng BX của vật chất sau khi hấp thu năng lượng

sự chuyển mức NL cao → các mức NL thấp hơn

HIỆN TƯỢNG PHÁT XẠ CỦA VẬT CHẤT

TRẠNG THÁI ĐIỆN TỪ (cơ bản hay kích thích) Gồm một số TT dao động khác nhau; mỗi TT dao động lại bao gồm nhiều TT quay khác nhau.

ΔE = E 2 - E 1 = n.hν ( n = 0,1,2,3, )

• E 1 , E 2 - mức năng lượng của VC ở trạng thái đầu và cuối

• v - tần số của bức xạ điện từ bị hấp thu hay phát xạ

(Δ E > 0 : hấp thu ; Δ E < 0 : phát xạ )

Khi hấp thu hay phát xạ, phần năng lượng nhận vào cho là

13

Trang 14

Bức xạ có NL thấp

(vi sóng, hồng ngoại xa)

chỉ làm thay đổi TT quay của

phân tử Phổ quay chứa các vạch rất mảnh với tần số νq

Bức xạ hồng ngoại gần Có thể kích thích cả TT dao

động và TT quay của phân tử

Phổ hồng ngoại là phổ dao động – quay gồm các vạch có

cả TT dao động và quay

Phổ UV-VIS là phổ gồm các đám vạch có tần số

ν = ν đt + ν dđ + ν q

14

Trang 15

Sự thay đổi TT năng lượng của vật chất khi

hấp thu BXĐT

15

Trang 16

Điều kiện để phân tử hấp thu năng lượng

của BXĐT

Ehν = ΔE = Ekt – Ecb

2/ Sự chuyển mức NL phải kèm theo sự thay đổi của

các trung tâm điện tích trong phân tử

• Phù hợp với quy tắc chọn lọc: chuyển mức cho phép

• Không phù hợp với quy tắc chọn lọc: chuyển mức bị cấm.

1/ Phải có sự phù hợp giữa NL của BX và sự biến

thiên giữa các mức năng lượng

16

Trang 17

Phần năng lượng “dư” do hấp thu BX chỉ được giữ

lại trong thời gian rất ngắn (10 –3 – 10 –8 s) Chúng sẽ bị biến đổi theo nhiều cách

Chuyển thành E quay , E dao

động và E tịnh tiến của các

phân tử khác

Phát ra BX khi từ TT điện tử kích thích trở về trạng thái cơ bản;

BX phát ra có tần số bằng hay nhỏ hơn với BX bị hấp thu

(BX huỳnh quang hoặc lân quang)

Do va chạm giữa các

phân tử

17

Trang 18

Trang 19

( S 0 ) Singlet (S 1 ) Triplet ( T 1 )

Orbital phản liên kết

Trang 20

Đường biểu diễn đại lượng hấp thu bức xạ (độ hấp thu

A, độ truyền suốt T, …) theo đại lượng đăc trưng của BX

Trang 21

CẤU TẠO QUANG PHỔ KẾ

Trang 22

Trang 23

NGUỒN BỨC XẠ

Nguồn liên tục

Nguồn đèn hồng ngoại IR

Đèn Nernst

• Ống thủy tinh dài 20 – 50mm, d = 1 – 2 mm

• Chứa oxyd đất hiếm (ZrO 2 và Y 2 O 3 ) và phát ra bức xạ IR khi đốt nóng đến 1200 – 2200 0 K

Trang 24

NGUỒN BỨC XẠ

Nguồn không liên tục

Nguồn tạo ra bức xạ có độ dài sóng xác định

Đặc trưng là đèn cathode rỗng

(hollow cathode tube)

• Khi áp đặt điện thế → ion hóa lớp khí trong ống

• Cation khí sinh ra đập mạnh vào cathode → bật ra một số nguyên tử kim loại ⇒ đám

mây nguyên tử

• Một số nằm ở TT kích thích

và phát ra bức xạ đặc trưng khi trở về trạng thái cơ bản

ΔV = 300V; I = 5 – 20 mA

24

Trang 25

Tách ánh sáng đa sắc thành đơn sắc

KÍNH LỌC Đơn giản nhất, có tác dụng lọc bỏ bớt một phần bức xạ

→ giữ lại dãy sóng hẹp cần thiết Kính lọc hấp thu kính lọc giao thoa

• Làm bằng thủy tinh màu

hoặc lớp keo màu (phẩm

màu + gelatin ép giữa hai

λ t -lớp điện môichiều dày của

n – chiết suất của lớp điện môi;

Trang 26

Trang 27

Nguyên tắc Hướng của bức xạ sau khi truyền qua lăng kính có

chiết suất n > 1 sẽ bị lệch về phía đáy lăng kính

27

Trang 28

Tách ánh sáng đa sắc thành đơn sắc

BỘ ĐƠN SẮC – Cách tử

Cách tử nhiễu xạ truyền suốt

• là bản phẳng thạch anh hay thủy tinh dài 3 – 10 cm, mặt sau phủ lớp nhôm mỏng.

• Trên lớp Al có khắc các vạch song song và cách đều nhau tuyệt đối

• Số vạch thay đổi theo vùng bức xạ khảo sát (300 – 2000 vạch/mm (UV – VIS); 20 - 300 vạch/mm (IR).

Cách tử nhiễu xạ phản xạ

Là bản kim loại nhôm có khắc

vạch song song đều nhau

Độ đơn sắc rất cao nhưng rất phức tạp, đắt tiền

28

Trang 29

⇒ Khi mở, sẽ cho khe có hai đoạn thẳng song song

29

Trang 30

Khoảng cách trong giữa hai thành (đường kính): 0,05 - 50,00

mm Phổ biến nhất là 10,00 mm.

Cấu tạo từ vật liệu trong suốt như thạch anh (UV-VIS), thủy tinh, nhựa (VIS), KBr, NaCl, LiF, CaF 2 (IR)

30

Trang 31

Công dụng

Chuyển năng lượng BXĐT thành tín hiệu điện (dòng điện hay hiệu thế mạch đo), dựa trên hai hiệu ứng:

1) hiệu ứng quang điện ; 2) hiệu ứng nhiệt điện.

DETECTOR QUANG

Detector quang (tế bào quang điện) dùng trong máy UV và VIS, gồm nhiều loại :

Trang 32

ĐỊNH LUẬT LAMBERT – BEER

I A Hấp thu

Khi BX truyền qua môi trường không trong suốt

⇒ Bị hấp thu một phần bởi vật chất

⇒ Biên độ sóng giảm (số photon giảm)

(nhưng E của BX không đổi)

Để đo cường độ hấp thu, so sánh cường độ của bức xạ

trước (I 0 ) và sau khi đi qua chất hấp thu (I T ).

32

Trang 33

I A Hấp thu

Cường độ bị giảm do hai nguyên nhân

Bị hấp thu bởi chất hấp

thu một lượng I A

Bị phản xạ ở bề mặt một lượng I R nếu bề mặt chậu

không nhẵn

I0 = IA + IT + IR

bề mặt chậu nhẵn → I R = 0 I0 = IA + IT

33

Trang 34

I A Hấp thu

Trang 35

Từ thực nghiệm, Lambert chứng minh

b k

T I

I A

Sau đó, Beer tìm ra mối liên hê giữa A và C

C k

• ε - hệ số hấp thu mol (mol –1 cm –1 L) hay hệ số hấp thu riêng (g –

1 cm –1 L ) ε không phụ thuộc vào b, C, mà phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thu, bước sóng của BX bị hấp thu và nhiệt độ

• Khi ε b = const, A với C có mối quan hệ tuyến tính

35

Trang 36

m C

m

A

A C

Phép đo trực tiếp

Đo A m của dd mẫu, tra bảng → ε LT , biết bề dày chậu đo b

⇒ nồng độ cấu tử C m trong mẫu

kém chính xác vì

Phép so sánh

• Pha 1 DD chuẩn C C ⇒ độ hấp thu A C

• Xác định độ hấp thu A m của DD mẫu C m với cùng chậu đo

Nếu ε m = ε C và b giống nhau

36

Trang 37

Phép lập đường chuẩn

1 Pha n DD chuẩn có C C1 , C C2 ,… C Cn xác định

2 Đo độ hấp thu của dãy chuẩn được

A C1 , A C2 ,…, A Cn

3 Vẽ đường A = f( C).

4 Đo A m của mẫu ⇒ nồng độ C m

A

A C2

A C1

C C1 C C2 C

• Cho phép kiểm tra được sai số ngẫu nhiên

• Tìm được khoảng nồng độ thích hợp để A tuyến tính theo C

37

Trang 38

Phương pháp thêm chuẩn

1 DD mẫu M (C m ) → A m = ε b C m

2 DD mẫu M’ (C m + lượng chuẩn C c ) → A m ’ = ε b (C m + C c )

Mẫu chứa các cấu tử có thể

ảnh hưởng đến phép đo

Sử dụng PP thêm chuẩn ⇒ giảm bớt sai số do sự

không đồng nhất giữa DD mẫu và chuẩn

Sai số

m m

m C

m

A A

A C

C

−

38

Trang 39

Phương pháp thêm chuẩn

1 Lập dãy chuẩn giống như PP đường chuẩn ⇒ A = f(C)

2 xác định A m của mẫu (giả sử nồng độ C m )

3 Thêm một lượng chuẩn xác định vào mẫu (C m + C c ) ⇒ A m ’

4 Từ đồ thị hay bình phương cực tiểu ⇒ C m và C m ’

5 Tính f

m m

C

C C

C f

−

= ' f = 1 → C m ( thật) = C m (đo)

f ≠ 1 → C m ( thật) = C m (đo) f

39

Trang 40

Trang 41

Định lượng nhiều cấu tử

Nếu DD khảo sát chứa n cấu tử có khả

năng hấp thu bức xạ

Dựa vào tính chất cộng độ hấp thu

định lượng từng cấu tử mà không cần tách

Tiến hành thành lập hệ PT và giải hệ PT

ứng với n cấu tử

⇒ nồng độ của từng cấu tử trong dd

41

Trang 42

Định lượng nhiều cấu tử

Định luật cộng độ hấp thu

Xét DD chứa cấu tử I (λ 1 ) và II (λ 2 ), nồng độ C I và C II chưa biết

Đo độ hấp thu A 1 và A 2 của DD tại λ 1 và λ 2 trong cùng chậu đo b

Ta có mối liên hệ giữa A 1 , A 2 với C I và C II như sau

2 : hệ số hấp thu của cấu tử II ở λ 1 và λ 2

Giải hệ phương trình trên, suy ra được C I và C II

42

Trang 43

1/ Nồng độ cấu tử khảo sát phải < 0,01M

2/ Cần lưu ý, khi pha loãng ⇒ thay đổi pH, lực ion v.v

⇒ Dạng cần đo thay đổi đặc trưng hấp thu

theo CB

Cr2O72- + H2O ⇄ 2 HCrO4- ⇄ 2 CrO42- + 2 H+

43

Trang 44

ẢNH HƯỞNG CỦA BỨC XẠ VÀ ĐỘ RỘNG CỦA KHE

ĐL Lambert – Beer chỉ

nghiệm đúng với BX đơn sắc

Cần chọn điều kiện tối ưu

Khe quá hẹp thì cường độ vào detector không đủ lớn

BX càng đơn sắc càng tốt BX quá đơn sắc thì tín

hiệu càng kém

Tín hiệu nhận được đủ mạnh mà ĐL Lambert – Beer vẫn còn nghiệm đúng

44

Trang 45

Tín hiệu S (signal) đầu ra

Thông tin thật sự về mẫu Tín hiệu nhiễu N (noise)

(do môi trường, nguồn,

Trang 46

Tín hiệu nhiễu N (noise)

quyết định bởi cả ba giai đoạn

Chỉnh 0% T

chỉnh 100% T

đo % T Tổng N của ba giai đoạn tập trung vào % T đo sau cùng

sai số của nồng độ C phụ thuộc vào sai số xác định T.

46

Trang 47

Với máy quang phổ UV – VIS rẻ tiền Máy quang phổ có độ phân giải có giới hạn

Khi đo %T = 65 – 15 % ( A từ 0,20 – 0,80)

⇒ sai số trên C khoảng 1%

(A = 0,434 thì sai số bé nhất)

Với máy quang phổ UV – VIS chất lượng cao

(sử dụng detector ống nhân quang)

Khi đo %T = 65 – 3 % ( A từ 0,20 – 2,5)

(A = 0,434 thì sai số bé nhất)

47

Trang 48

Với máy quang phổ UV – VIS, IR có điện áp thật

ổn định hoặc sử dụng kỹ thuật chia chùm tia

Khi %T = 25 % ( A ≈ 0,62)

Khi A tăng đến 3 ⇒ sai số giảm nhanh

Cần lưu ý: Khi A quá nhỏ (T quá lớn (90-95%))

⇒ nồng độ đo được sẽ có sai số rất lớn (12-25%)

48

Định dạng
Số trang	48
Dung lượng	665,37 KB