BÀI GIẢNG HOÁ PHÂN TÍCH 2

BÀI GIẢNG HOÁ PHÂN TÍCH 2 BÀI GIẢNG HOÁ PHÂN TÍCH 2 BÀI GIẢNG HOÁ PHÂN TÍCH 2 BÀI GIẢNG HOÁ PHÂN TÍCH 2 BÀI GIẢNG HOÁ PHÂN TÍCH 2 BÀI GIẢNG HOÁ PHÂN TÍCH 2 BÀI GIẢNG HOÁ PHÂN TÍCH 2 BÀI GIẢNG HOÁ PHÂN TÍCH 2 BÀI GIẢNG HOÁ PHÂN TÍCH 2 BÀI GIẢNG HOÁ PHÂN TÍCH 2 BÀI GIẢNG HOÁ PHÂN TÍCH 2 BÀI GIẢNG HOÁ PHÂN TÍCH 2 BÀI GIẢNG HOÁ PHÂN TÍCH 2

TRƯỜNG Đại HỌC VÕ TRƯỜNG TOGN

KHOA DƯỢC

a KG

BAI GIANG MON HOC

HOA PHAN TICH 2

Giảng viên biên soạn:

BO GIAO DUC VA DAO TAO BAI GIANG MON HOC

TRƯỜNG Đại HỌC VÕ TRƯỜNG TOảN

Tên môn học: Hóa phân tích 2 |

Tên tiếng Anh: ANALYTICAL CHEMISTRY

Thông tin Giảng viên:

Tên Giảng viên: NGUYÊN NGỌC LINH

Đơn vị: KHOA DƯỢC

Điện thoại: 0939818043

E-mail: nnlinh@vttu.edu.vn

NOI DUNG BAI GIANG

1 Điều kiện tiên quyết: Hóa hữu cơ 1 và 2, Hóa vô cơ, Hóa phân tích 1

2 Mục tiêu môn học:

- Hiểu được nguyên tắc của các phương pháp phân tích hóa học hiện đại và

các thủ thuật

- Hiệu và vận dụng được các phương pháp tách và làm giàu các câu tử

- Giúp cho các quá trình kỹ thuật và sản xuất công nghiệp được vận hành tôi ưu hoặc thích hợp và xây đựng các phương pháp kiểm tra

3 Phương pháp giảng dạy: Giảng dạy lý thuyết tại trường bằng phương pháp giảng dạy tích cực với đồ dùng dạy học là bảng, phấn, màn hình, máy chiếu, giáo trình

môn học

4 Đánh giá môn học

4.1 Tiêu chuân đánh giá sinh viên

4.2 Thang điểm đánh giá

- Thuyết trình, báo cáo thực hành, làm bài tập nhóm, bài thu hoạch, tiêu luận hoặc

kiểm tra giữa kỳ: 20%

- Thi cuối kỳ: 80%

5 Tài liệu tham khảo:

- Bộ y tế (2009).Dược điển Việt Nam IV, Hà Nội

- Nguyễn Thạc Cát, Từ Vọng Nghi, Đào Hữu Vinh (1985), Cơ so lý tuyết Hóa

học Phân tích, Nhà xuất ban DH va THCN, Hà Nội

- Trần Tứ Hiếu (2002), Hóa học phân tích, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà

Nội

- A P Kreskov (1989), Cơ sở Hóa học Phân tích, Nhà xuất bản Mir, Maxcơva

(Người dịch: Từ Vọng Nghi, Trần Tứ Hiếu)

- Trường Đại học Y Dược TPHCM (2010), Giáo trình hóa phân tích 2, TP HCM

- Trường Đại học Y Dược Cân Thơ (2010),Giáo trình hóa phân tích 2, Cần Thơ

CHƯƠNG I | PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHÔ PHÂN TỬ

CHƯƠNG II PHUONG PHAP PHAN TICH QUANG PHO NGUYEN TU

CHƯƠNG In CÁC PHƯƠNG PHÁP PHAN TÍCH ĐO THE

CHƯƠNG IV CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁN TÍCH ĐIỆN LƯỢNG

CHUONG V CAC PHUONG PHAP PHAN TICH VON-AMPE

CHUONG VI CAC KY THUAT SAC KY

CHƯƠNG VI | CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH VÀ LÀM GIÀU MẪU

MO DAU

Các phương pháp phân tích bằng công cụ có vai trò đặc biệt quan trọng trong sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật và công nghệ Với sự phát triên nhanh chóng

của kỹ thuật điện tử và tin học, các máy móc thiết bị phân tích cũng được hiện đại hóa,

cho phép xác định nhanh chóng với độ chính xác cao các mẫu chứa hàm lượng rất nhỏ của các chất phân tích

Nhóm các phương pháp phân tích quang học dựa trên các tính chất quang học của chất cân phân tích, có một số 2 phương pháp sau:

1 Phương pháp trắc quang (Ultra Violet — Visible — UV- -VIs) dựa trên phép đo lượng bức xạ điện từ (bxđt) do dung dịch phân tích hấp thụ Ở đây còn kế đến phương pháp hấp đục, dựa trên phép đo lượng bxđt bị hấp thụ bởi các hạt huyền phù (dung dịch keo); Phương pháp khuyếch đục, dựa trên phép đo lượng bxđt bị khuyếch tán bởi các hạt huyền phù

2 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES (Atomic Emision Spectrometry), dựa trên sự khảo sát phô phát xạ nguyên tử của nguyên tử chất phân tích

3 Phương pháp quang phổ hap thu nguyén tir AAS (Atomic Absorption Spectrometry), dựa trên sự khảo sát phổ hấp thụ nguyên tử của nguyên tử của chất phân

Nhóm các phương pháp phận: tích điện hóa, có một số phương pháp sau:

1 Các PPPT đo thế (Potentiometric Methods of Analysis);

2 Cac PPPT dién lugng (Coulometric Methods of Analysis);

3 Cac PPPT Von- ampe (Voltammetric Methods of Analysis)

Nhóm các phương pháp tách bằng kỹ thuật sắc ký:

1 SAc ky khi (Gas Chromatography — GC);

2 Sắc ký lỏng hiéu ning cao (High Performance Liquid Chromatography — HPLC);

3 Sắc ký rây phân tử (Size-Exclusion Chromatography);

4 Sắc ký dién di (Electrophoresis);

5 Sắc ký bản mỏng, sắc ký giấy

Một số phương pháp tách và làm giàu

- Phương pháp kết tủa (Precipitation)

- Chung cat (Distilation)

- Các phương pháp chiết

+ Chiết lỏng lỏng (Liquid-Liquid Extraction, LLE);

_+ Chiết pha rắn (Solid Phase Extraction, SPE),

Ưu và nhược điểm của các PPPT công cụ

- Chi phí thiết bị và phân tích đất tiền;

- Người phân tích cần có trình độ chuyên môn cao

Khả năng ứng dụng của các PPPT công cụ

| - Những ưu điểm của PPPT công cụ;

- Sự phát triển của các ngành vật lý, hoá lý và công nghệ thông tin;

- Sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật và công nghệ cao: vật liệu (nano);

điện tử; chê tạo

Ứng dụng:

- Xác định lượng vết (ppm — mg/L) và siêu vết (ppb — hg/L) hoặc nhỏ hơn ppb

trong một số đối tượng:

+ Môi trường và sinh học

+ Thực phẩm, được phẩm và y học,

- lrong nghiên cứu khoa học và công nghệ

- Nghiên cứu phát triển và hoàn thiện các PPPT mới

PHÂN THỨ NHẤT ~ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

Phương pháp phân tích đo quang là phương pháp phân tích dựa trên tính chất quang học

của chất phân tích (nguyên tử, ion, phân tử, nhóm chức, ) như:

- Tính chất hap thụ quang;

- Tính chất phát quang,

ĐẠI CƯƠNG VÈẺ PHƯƠNG PHÁP ĐO QUANG

1 Phố điện từ - tính chất sóng của ánh sáng

Ánh sáng là những bức xạ điện từ có bước sóng khác nhau hay dòng photon có

năng lượng khác nhau

Những dao động điện từ quan trọng trong phương pháp đo quang:

- Khi À < 200 nm: do oxy trong không khí, hơi nước và nhiều chất khác hấp phụ

và vì vậy, cần đo bằng thiết bị chân không

- Khi 200 < A < 400 nm: ánh sáng vùng tử ngoại Chia làm 2 vùng:

+ Từ ngoại gần: 200 < À < 300 mm;

+ Tử ngoại xa: 300 < À < 400 nm

- Khi 400 < À < 800 nm: ánh sáng vùng khả kiến (nhìn thấy)

6

- Khi 800 < ^ < 20000 nm: ánh sáng vùng hồng ngoại

Các bức xạ điện từ có 100 nm > ^, > 20.000 nm thường dùng trong nghiên cứu cầu

trúc, ít dùng trong phân tích định lượng

2 Năng lượng của photon — tính chất hạt của ánh sáng

- Năng lượng của một photon biểu diễn bằng phương trình Plank:

'E=hvTrong đó, h: hằng số Plank 6,62.10”7 erg gidy;

v: tần số dao động điện từ

Mặt khác, ta có: C = vÀ (C, tốc độ ánh sáng 3.10!” nm/giây)

Trong phân tích quang phổ hấp thụ ít dùng đại lượng tần số (v), mà thường dùng

số sóng (1/A„ cm ”) chính là số bước song trong 1 cm

Số sóng 4 tỉ lệ thuận với tần số

Năng lượng của photon phụ thuộc vào bước sóng của nó, bởi vì:

E=hv=h*CŒ/^

= Các photon ở miền sóng càng ngắn thì năng lượng càng lớn

3 Các kiểu tương tác của ánh sáng với vật chất

Một chất sau khi hấp thụ E ở các tia sáng trong miền khả kiến hay tử ngoại sẽ làm

kích thích hệ electron của phân tử Ở trạng thái kích thích, phân tử không bên Sau thời

gian ngắn (10 s) phân tử trở lại trạng thái ban đầu Khi trở lại nó sẽ tỏa ra năng lượng

(E) ở 3 dạng:

a B giải tỏa gây ra biến đổi hóa học của chất — ngành Quang hóa

Ví dụ Fe(SCN); tự oxy hóa dưới tác đụng của ánh sáng

Fe” > Fe” và 2§CN > (SCN»

b E giải tỏa có thể thoát ra dưới dạng ánh sáng Do mắt đi một phần nhất định E

kích thích có thể biến thành nhiệt, nên E của photon bức xạ (Phát quang) nhỏ lơn E

photon gây ra kích thích Do vậy, phố phát quang bị địch chuyển về phía sóng dài hơn so

với phố hấp thụ

c Trong đa số trường hợp, E hấp thụ biến thành chuyển động nhiệt được phân bố cho các mức E dao động của phân tử Đây là cơ sở của phân tích quang phổ hấp thụ phân

bức xạ 0,1, 2, 3 n lần lượng tử h.W' Khi phân tử hấp thụ hoặc bức xạ sẽ làm thay đổi

cường độ của bức xạ điện từ nhưng không làm thay đổi năng lượng của bức xạ điện từ,

bởi vì cường độ bức xạ điện từ xác định bằng mật độ các hạt photon có trong chùm tia còn năng lượng của bức xạ điện từ lại phụ thuộc vào tần số W_ của bức xa Vi vay, khi chiếu một chùm bức xạ điện từ với một tần số duy nhất đi qua môi trường vật chất thì sau

khi đi qua năng lượng của bức xạ không hề thay đổi mà chỉ có cường độ của bức xạ thay đôi

Khi các phân tử hấp thụ năng lượng từ bên ngoài có thể dẫn đến các quá trình thay đổi trong phân tử (quay, dao động, kích thích electron phân tử ) hoặc trong nguyên tử

(cộng hưởng spin electron, cộng hưởng từ hạt nhân).

Mỗi một quá trình như vậy đều đòi hỏi một năng lượng AE > 0 nhất định đặc

trưng cho nó, nghĩa là đòi hỏi bức xạ điện từ có một tần số riêng gọi là tần số quay V q,

tan sé dao dong V d va tan sé kich thich dién tir V 4 Vi thé khi chiếu một chùm bức xạ

điện từ với các tần số khác nhau vào thì các phân tử chỉ hấp thụ được các bức xạ điện từ

có tần số đúng bằng các tần số trên (V q, V đ và đ) để xảy ra các quá trình biến đổi

trong phân tử như trên Do sự hấp thụ chọn lọc này mà khi chiếu chùm bức xạ điện từ với

một dải tần số khác nhau đi qua môi trường vật chất thì sau khi đi qua, chùm bức xạ này

sẽ bị mât đi một sô bức xạ có tân sô xác định nghĩa là các tia này đã bị phân tử hap thu

CHUONG 1 PHUONG PHAP PHAN TICH QUANG PHO HAP THU

PHAN TU

(Phé electron hay pho UV-Vis)

Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử hay còn gọi là phương pháp đo quang,

phương pháp phân tích trắc quang phân tử là một trong những phương pháp phân tích

công cụ thông dụng với rất nhiều thế hệ máy khác nhau, từ các máy đơn giản của thế hệ

trước còn được gọi là các máy so màu đến các máy hiện đại được tự động hóa hiện nay,

gọi là máy quang phố hấp thụ phân tử UV-VIS

Các máy đo quang làm việc trong vùng tử ngoại (UV) và khá kiến (VIS) từ 190nm đến

khoảng 900nm

1 Cơ sở lí thuyết của phương pháp

1.1 Sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu

Dung dịch có màu là do bản thân dung dịch đã hấp thụ một phần quang phổ (một vùng phổ) của ánh sáng trắng, phần còn lại ló ra cho ta màu của dung dịch, chính là màu phụ của phần ánh sáng trăng đã bị hấp thụ (vùng quang phô còn lại) Ví dụ: dung dịch Fe(SCN); ta nhìn thấy màu đỏ là do khi ánh sáng chiếu vào dung dịch, dung dịch này hấp thụ mạnh bức xạ đơn sắc màu xanh và xanh lá cây, vùng quang phổ còn lại ló ra cho ta màu đỏ

Sự hấp thụ của dung dịch theo màu được trình bay trong bang 1.1

Bảng 1.1 Sự hấp thụ màu của các dung dịch màu

450nm + 480nm: vung cham vang

480nm + 490nm: vung cham luc da cam

490nm + 510nm: vung luc cham do

510nm + 560nm: ving lục do tia

5600nm + 575nm: vung luc ánh vàng tim

Sự hấp thụ bức xạ đơn sắc (bxđs) của dung dịch còn phụ thuộc vào nồng độ của

chat hap thu O ví dụ trên, dung dich Fe(SCN); cé néng dé cang 1én thi sự hap thu cang

manh, biéu hiện ở màu của dung dịch càng đậm

1.2 Các định luật cơ bản về sự hấp thụ ánh sắng

Định luật Bourguear - Lambert:

Khi chiếu một chùm bxđs có cường độ lạ qua một lớp vật chất có bề day 1, thi

cường độ bxđs 16 ra I bao gid cfing nhé hon Ip Cé thé biéu dién bang biéu thitc:

Trong đó: l, là phan cường độ bị hấp thụ

I, la phan cường độ bị phản xạ lại

10

I la phan cudng dé 16 ra

Dựa vào vô số thực nghiệm, hai nhà bác học đã đưa ra định luật hấp thụ

ánh sáng, biểu diễn bằng biểu thức:

Trong đó k là hệ số hấp thụ, giá trị của k phụ thuộc vào bản chất của vật chất và

vào bước sóng A cua bxds

Dinh luật Lambert - Beer:

Khi áp dụng định luật Bourguear - Lambert cho trường hợp vật chất là dung dịch

có độ dày I ( dung dịch đựng trong cuvét có độ dày I ) chứa chất hấp thụ có nồng dd C

Nha bac hoc Beer d& dua ra dinh luat Lambert - Beer:

- Nội dung: Với cùng bé dày của lớp dung dịch, hệ số hấp thụ k tỉ lệ với nồng độ

của chất hấp thụ của dung dịch

Nếu đổi logarit tự nhién vé logarit thập phân thì biểu thitc cla dinh luat Lambert -

Beer co thé biéu dién bang biéu thitc:

I=Ip 10°" (1.5)

Trong đó: C- là nồng độ dung dịch, đo bằng mol/1

1 - 14 bé day cia cuvét dung dung dich, do bang cm

s - được gọi là hệ số tắt phân tử hay hệ số hấp thụ phân tử e là đại lượng xác định, phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ, vào bước sóng À của bxổs và

vào nhiệt độ

2.1.3 Các đại lượng hay sử dụng

Biểu thức (2.5) chính là cơ sở cho phương pháp phân tích định lượng Tuy nhiên, quan

hệ giữa cường độ ánh sáng và nồng độ của dung dich thông qua hàm logarit, để thuận

tiện cho sử dụng, chúng ta thường sử dụng các đại lượng sau:

Độ truyền quang T: là tỉ lệ giữa cường độ chùm sáng đơn sắc sau khi đi qua dung dịch

[ với cường độ chùm sáng đơn sắc chiếu vào lạ

T=LIe= 10°1€ (2.6)

Nếu I = Iem thì T gọi là hệ số truyền quang

Trên các máy phân tích, T thường được biểu diễn bằng %, Thang đo T tu 0+ 100

Mật độ quang D (Dentisity) hay độ hấp thụ A (Absorption) hay a6 tat E (Extinction):

được định nghĩa theo biểu thức sau:

D=A=E-=-lgT=le( ñ) = g.1.C

11

Với các dung dịch chứa chất hấp thụ xác định, đựng trong các cuvét có kích thước như

nhau thì e và I là không đổi, khi này có thể biểu diễn:

D=A=K.C (1.7) Hay nói cách khác, sự phụ thuộc giữa mật độ quang và nồng độ dung dịch là tuyến tính, đó chính là cơ sở của phương pháp phân tích định lượng trắc quang phân tử Như vậy nguyên tắc chung của phương pháp đo quang để xác định một chất X nào đó, ta chuyển nó thành một chất có khả năng hấp thụ ánh sáng (bxđs) rồi đo sự hấp thụ ánh sáng của nó và suy ra hàm lượng chất cần xác định

Tuy nhiên để có thể áp dụng biểu thức này đòi hỏi phải đề cập đến các yếu tố ảnh

hưởng

2.1.4 Tính chất của mật độ quang và ứng dụng trong hóa phân tích

Biểu thức D = A = e.I.C cũng có thể coi là nội dung của định luật Lamber: - Beer Nếu ta đo mật độ quang của dung dịch có nồng độ Imol/I đựng trong cuvet có bề dày lem thì giá trị mật độ quang đo được chính là hệ số hấp thụ phân tử, s = D, đây chính là

ý nghĩa vật lý của hệ số hấp thụ phân tử của một chất nhất định; e phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ ánh sáng và vào bước sóng của bxđs được hấp thụ

Đo mật độ quang của dung dich bằng một cuvét (1, C = const) ở các bước sóng khác nhau thì ta được đường cong biểu diễn phổ hấp thụ của dung dịch, D = fA) hay s = f(A)

Hình 1.1 Dạng đường cong hấp thụ D = f(2)

Đo mật độ quang của một dãy dung dịch có nông độ khác nhau bằng một cuvét tại

một bước sóng ^ nhất định ( l, À= const ) thì đường biểu diễn D = f(C)

Gia str cd mét chim bxds có cường độ lọ đi qua 2 dung dịch có bề đày l¡ và l;

tương ứng với các nồng độ C¡, hệ số tat e, va Co, hệ số tắt s;

D =lg( 1; ) = Ig(b 1 ) + Ig; Ap ) = Dy + Do = €).1).C) + gạ.lạ.C

Như vậy mật độ quang chỉ phụ thuộc vào số các phần tử hấp thụ ánh sáng nằm trên

đường ánh sáng truyền qua Trong dung dịch có nhiều chất tan hấp thụ bxđs thì mật độ

quang đo được chính là tổng các mật độ quang của các chất có trong dung dich, D = X D;

Khi muốn đo mật độ quang của chất phân tích ở trong dung dịch có nhiều chất thì phải

loại trừ mật độ quang của các thành phan con lại, đó chính là mật độ quang của dung dịch

trống hay dung dịch so sánh

Dung địch trống hay dung dịch so sánh là dung dịch chứa tất các các thành phần

trong dung dịch phân tích trừ chất phân tích Trong thực tế, nhiều khi độ hấp thụ của

dung dịch so sánh rất nhỏ, không đáng kế thì người ta có thê thay bằng nước cất

1.2 Các điều kiện tối ưu cho một phép đo quang

Ta biết D = f(A,1,C) và theo định luat Lambert - Beer khi 2 đại lượng A„l không đổi

thi sự phụ thuộc D = f(C) là tuyến tính, phải có dạng y = ax là một đường thắng, đây cũng

chính là cơ sở của phương pháp phân tích định lượng Như vậy những yếu tố ảnh hưởng

đến sự hấp thụ ánh sáng là bước sóng của ánh sáng tới và các yếu tố gây ảnh hưởng tới

13

nồng độ C có thể làm sai lệch định luật Lambert - Beer gây sai số cho phép phân tích, vì

vậy ta phải đặc biệt chú ý đến các yếu tố này

1.2.1 Sự đơn sắc của nguồn bxđt

Giả sử chùm sáng tới có cường độ lạ không phải là tia sáng đơn sắc mà là một

chùm tia có cường độ Iạy, la, lọa và chất phân tích chỉ hấp thụ tia thứ 2 còn không hấp

thụ tia 1 và tia 3, khi này

= lạt lọ /1) = lg( lort loạt Ios)/Tọitlạ+ lọa) ; Nêu tăng nông độ C thì I, sé giam con Io; va Ip3 van khéng bi hap thu, khi tang C

dén mét mirc nao day thi I, = 0, luc do:

= lg( lọr+ Io+ Ios)/Œọr+ Iọs) = const Lúc này D = f(C) không tuyến tính nữa Việc tạo được chùm tia bxđs có tính đơn sắc cao lại phụ thuộc vào thiết bị, tùy theo các máy phân tích mà bộ phận tạo bức xạ đơn sắc có thể là kính lọc màu; hệ lăng

kính hay cách tử với độ phân giải cụ thể, khi này sẽ quy định tính chính xác của phép đo

1.2.2 — Bước sóng t6i wu Amax

Cac chat hap thụ bxđs một cách chọn lọc, miền bxđs bị hấp thụ mạnh nhất Ứng với

năng lượng của bước chuyên điện tử Hay nói cách khác, dung dịch chất màu mà ta phân

tích hấp thụ bxđs một cách chọn lọc, phổ hấp thụ cũng là một đặc trưng điển hình của

Khi sử dụng phương pháp đo quang để phân tích định lượng một chất,người ta phải dùng tia đơn sắc nào mà khi chiếu vào dung dịch giá trị mật độ quang đo được là lớn

nhất, gọi là mật độ quang cực đại D„¿„, khi này cho kết quả phân tích có độ nhạy và độ

chính xác tốt nhất Bước sóng tương ứng với mật độ quang cực đại D„z„x gọi là bước

sóng tối ưu Ama„ Với mỗi dung dịch nghiên cứu nhất định, chúng ta phải xác định bước

sóng Àmax trước khi tiến hành phân tích định lượng Thông thường các giá trị ÀXmạ„ của các

chất đã được nghiên cứu khảo sát và liệt kê trong các bảng tra hay các quy trình phân tích

có sẵn, chúng ta có thể tham khảo Hoặc chúng ta có thể xây dựng đường cong hấp thụ trên máy đo quang và từ đó chọn À„a„ thích hợp

1.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ

Thực nghiệm đã chứng minh rằng quan hệ giữa mật độ quang D và nồng độ dung dịch C chỉ tuyến tính trong một khoảng giá trị nồng độ xác định gọi là khoảng tuyến tính của định luật Lambert - Beer, người ta quan sát được độ lệch khỏi sự phụ thuộc tuyến tính giữa nồng độ và độ hấp thụ (H.2.4)

14

Hình 1.3 Khoảng tuyến tính của định luật Lambert - Beer

Khoảng tuyến tính là khác nhau đối với các máy đo khác nhau và với các đối

lượng phân tích khác nhau Do đó phải xác định khoảng tuyến tính cho từng phép phân

tích cụ thê

1.2.4 Sự ôn định của dung dịch

Trong các phương pháp đo quang, người ta thường đưa dung dich phân tích về đạng

dung dịch có màu bằng cách tạo phức với thuốc thử trong môi trường xác định Sự én

định của dung dich đo là một yếu tố rất quan trọng để phép đo được chính xác, sự ổn

định này thường là: môi trường pH; Sự có mặt của ion lạ; Thời gian Ổn định màu; Nhiệt

độ

Nếu thuốc thử dùng trong phương pháp này thuộc dạng axit mạnh thì pH hầu như

không ảnh hưởng đến sự hấp thụ bức xạ điện từ Nếu thuốc thử thuộc dạng axit yếu thì

yếu tố pH sẽ ảnh hưởng đến sự tạo phức và phải tìm điều kiện môi trường pH tối ưu cho

quá trình xác định Ngoài ra cũng phải kế đến một số phức màu có màu và độ bền thay

đổi theo pH, ví dụ phức của ion FeŸ” với axít salixilic (H;Sal) ở môi trường axít pH < 2

có màu tím; ở môi trường pH từ 4 + 10 có màu đỏ và ở trong môi trường kiềm pH > 10

có màu vàng

Thông thường trong các mẫu phân tích ngoài chất phân tích không thể không kể đến

sự có mặt của ion lạ, các ion này có khả năng tương tác với chất cần phân tích hay tạo

màu với thuốc thử trong dung dịch cho nên sẽ ảnh hưởng đến quá trình xác định, bắt buộc

phải tìm cách loại trừ Hai cách hay sử dụng nhất để loại trừ là tách chúng ra khỏi dung

dịch phân tích hoặc tìm cách che Việc tách các ion lạ ra khỏi dung dịch phân tích nói

chung rất khó thực hiện do nồng độ của chúng trong dung dịch phân tích rất nhỏ cho nên

trong thực tế phân tích người ta thường tìm cách che ảnh hưởng của chúng bằng biện

pháp thích hợp, nghĩa là chúng vẫn ở trong dung dịch phân tích nhưng được đưa vào

dạng hợp chất, thường là dạng hợp chất phức bên, nên không ảnh hưởng đến quá trình

15

phan tich Vi du: ion Fe’ anh hung dén qua trinh phan tich phédtphat trong nước, người

ta thường che ảnh hưởng của nó bang cach dua vé phirc bén véi F; ion Ca’, Mg”* anh hưởng đến quá trình phân tích nitrat và amoni, được che ảnh hưởng bằng cách đưa về phức bên với TrilonB

Thời gian ổn định màu của phức giữa chất cần phân tích với thuốc thử cũng là một yếu tố quan trọng, ta nên kiểm tra xem thời gian nào én định màu vì cường độ màu của

một số dung dịch thì bền nhưng đối một số dung dịch màu khác thì lại chỉ bền trong một

ảnh hưởng của các ion lạ trong dung dịch phân tích

1.3 Các máy đo quang

Không phụ thuộc vào vùng phổ, các máy đo độ truyền quang và độ hấp thụ ( mật

độ quang ) của dung dịch bao gồm 5 bộ phận cơ bản:

- Nguồn bức xạ có năng lượng ồn định

- Bộ phận tạo bức xạ đơn sắc cho phép ta chọn bước sóng của bức xạ đơn sắc thích hợp với chất nghiên cứu

- Các cuvet chứa dung dịch đo

- Đêtectơ để chuyến tín hiệu quang - năng lượng bức xạ - thành tín hiệu đo được,

thường là tín hiệu điện

- Bộ phận chỉ thị kết quả đo của tín hiệu

Sơ đồ khối tổng quát của một thiết bị đo quang như sau:

Nguồn Bộ phận Cuvet Detecto Chi thi

liên tục *Ì đơn sắc >Ì dung địchƑ —*® >

Tuỳ theo cấu tạo của các loại thiết bị mà người ta chia ra làm 2 loại máy đo quang

la may 1 chum tia va may 2 chum tia

Độ phức tạp của các bộ phận riêng của các máy đo phố hấp thụ của dung dịch cũng phụ thuộc vào các máy khác nhau, vào vùng bước sóng ké cả vùng sử dụng các số liệu

Ví dụ: để đo độ hấp thụ trong vùng khả kiến ta có các máy so màu bằng mắt, máy so màu quang điện, trong vùng hồng ngoại ta có máy quang phổ hồng ngoại IR, hiện nay các máy quang phổ hấp thụ phân tử thường cho phép đo trong vùng tử ngoại UV và cả vùng khả kiến VIS từ 190nm đến 1100nm, gọi chung là các máy quang phổ hấp thụ phân tử

16

UV - VIS Sau đây chúng ta đề cập đến một số thiết bị

1.3.1 Các máy so màu bằng mắt

Trong các máy so màu bằng mắt thì nguồn bức xạ liên tục chính là ánh sáng mặt trời;

đetectơ chính là mắt và bộ não của con người Tuy nhiên mắt và bộ não chỉ có khả năng so

sánh màu chứ không có khả năng cho thông báo về giá trị cường độ hấp thụ hay mật độ

quang do vậy chúng ta cần có các dung địch chất chuẩn để so sánh màu của chúng voi

màu của các dung dịch cần phân tích Như vậy nguyên tắc chung ở đây là việc so màu của

mẫu với màu của một dãy dung dịch chuẩn để tìm ra các màu bằng nhau, tức là có nồng

độ chất cần xác định như nhau Trong phương pháp này người ta dùng các ống nghiệm so

màu Nessler, được chuẩn hóa sao cho bề dày của các dung dịch đều giống nhau Với

nguyên tắc này người ta cũng tiến hành quá trình chuẩn độ so màu

Các phương pháp so màu bằng mắt có nhiều hạn chế nhưng chúng cũng có ứng

dụng rộng rãi đối với các phép phân tích hàng loạt nếu nhu cầu về độ chính xác không

cần thật cao

1.3.2 Các máy so màu quang điện

Máy so màu quang điện có cấu tạo đơn giản, tương đối rẻ tiền để thực hiện phép

phân tích định lượng bằng phương pháp đo quang Ưu điểm của chúng so với các máy

quang phổ phức tạp chính là sự đơn giản trong cầu tạo và cách sử dụng Một máy so màu

quang điện thường có 2 chức năng đo là độ truyền quang T hoặc mật độ quang D và bộ

phận chỉ thị kết quả chỉ là thang đo hoặc màn hình digital hiện số

° Nguôn bức xạ:

Nguồn bức xạ hay sử dụng nhất trong máy so màu quang điện để nhận được bức

xạ vùng khả kiến là sợi chỉ của đèn vonffam mà tính chất của nó gần với tính chất của vật

đen tuyệt đối, khi nung nóng đến sáng trắng sẽ phát ra bức xạ liên tục, bức xạ này có

năng lượng phụ thuộc vào nhiệt độ ở lũy thừa bậc bốn và công suất bức xạ ở một nhiệt

độ nhất định lại phụ thuộc vào độ dài sóng ở lũy thừa bậc năm Nói chung nhiệt độ làm

việc của sợi vonfram đạt được gần đến 2870K, phần chính của năng lượng do vậy được

phát xạ trong vùng hồng ngoại, người ta dùng đèn với sợi vonfram trong khoảng bước

sóng từ 320nm đến 2500nm Để đèn cho bức xạ liên tục và ổn định trong vùng khả kiến

phải có sự kiểm tra nghiêm ngặt về hiệu thế, thường dùng máy biến thế có hiệu thế cế

định hoặc một ắc quy dé Cung cấp cho đèn một nguồn ổn định

* Bộ phận tạo bức xạ đơn sốc:

Kính lọc sáng có khả năng hấp thụ một phần xác định của phổ và tách ra một chùm

bức xạ, coi như tạo được một chùm tia đơn sắc, tuy nhiên độ đơn sắc là không cao Các

kính lọc sáng hay dùng là các thủy tỉnh màu hay các bản thủy tỉnh mà ở giữa các bản này

người ta đặt những chất nhuộm được pha trong gelatin, tùy theo máy đo sẽ có các bộ kính

17

lọc sáng ( kính màu ) với số lượng nhất định

Kính lọc giao thoa ánh sáng có thể tạo được dải sóng hẹp hơn ( khoảng 10nm ),

được làm từ vật liệu trong suốt từ CaF¿ hay MgE;, được đặt giữa hai bản thủy tỉnh mà bẻ

mặt của chúng được phủ bằng các màng kim loại nửa trong suốt Bề dày của lớp vật liệu

xác định độ dài sóng của bức xạ đi ra, được kiểm tra chặt chẽ Sự giao thoa ánh sáng thực

hiện nhờ hai lớp kim loại, tạo dải truyền quang hẹp hơn, có nghĩa là có khả năng lớn hơn

để tạo ra bước sóng mong muốn so với kính lọc hấp thụ Các kính lọc giao thoa ánh sáng

được sản xuất với các giải truyền quang trong khoảng từ vùng tử ngoại cho đến gan 64m trong ving héng ngoai

* Cuvet dung dung dich do:

Các cuvet được dùng trong các máy so màu quang điện thường được chế tạo từ thủy tỉnh, mặc dù các cuvet chất dẻo trong suốt cũng có một số ứng dụng Các cuvet phải được đặt hoàn toàn vuông góc với chùm sáng để làm giảm sự mất mát do phản xạ Độ tin cậy của phép đo cũng phụ thuộc nhiều vào cách làm việc đúng với cuvet Dấu vân tay, dầu mỡ và các chất bẩn làm thay đổi đáng kế khả năng truyền quang của chúng Do vậy nhất thiết phải làm sạch cuvet trước và sau khi dùng Không được sấy cuvet trong tủ sấy hay hơ trên ngọn lửa Các cuvet thường phải được chuẩn hóa có hệ thống so với nhau nhờ dung dịch so sánh

¢ Détecto:

Đêtectơ có nhiệm vụ biến đổi năng lượng bức xạ thành tín hiệu điện, trong các

máy so màu quang điện hay dùng tế bào quang điện hay nhân quang

điện Đêtectơ của bức xạ cần phải tác động lên bức xạ trong một vùng rộng của bước sóng; phải nhạy với bức xạ có cường độ nhỏ và phản ứng nhanh với bức xạ cho tín hiệu

điện có thê dễ dang khuyéch đại lên Quan trọng nhất là làm sao cho tín hiệu nhận được tỉ

lệ thuận với cường độ của chùm sáng đến, cụ thể như sau:

S=lk+d Trong đó: 5 là tín hiệu của đêtectơ trong các đơn vị cường độ dòng, điện trở hay hiệu

điện thế Hằng số k là số đo độ nhạy của đêtectơ trong các đơn vị của tín hiệu điện trên

một đơn vị cường độ bức xạ Đại lượng d còn gọi là dòng tối ( đark current ), là một tín hiệu hằng định đối với đêtectơ khi không có bức xạ Giá trị của d thường không lớn, về

nguyên tắc các máy với đêtectơ có dòng tối được trang bị một điện kế cho phép nhờ một

tín hiệu ngược lại dẫn đến giá trị đ bằng không Như vậy:

I = S/k

To = So/k Trong đó 5 và 5o là các tín hiệu điện của đêtectơ khi bức xạ đi qua dung dịch phân tích va dung dịch so sánh ( dung dịch trống ) Thay các phương trình này vào phương trình định

luadt Lambe - Bia ta có:

18

Ig( Ip/I ) = Ig( So/S )=D

Với nguyên tắc hoạt động như vậy, có một số loại tế bào quang điện được đề cập

dưới đây

Tế bào quang điện lớp chắn: được cấu tạo từ điện cực đồng hay sắt trên đó có đưa

vào vật liệu bán dẫn, bề mặt của chất bán dẫn được phủ một lớp màng trong suốt từ vàng

bạc hay chì, màng này cũng chính là điện cực thứ hai hay điện cực thu nhận, tất cả hệ

được bảo vệ bằng một vỏ bọc trong suốt Cơ chế hoạt động như sau: Khi chiêu một chùm

sáng thì một số electron trong lớp chất bán dẫn có một năng lượng đủ lớn để vượt qua

bản chắn và thâm nhập vào màng kim loại Nếu nối màng với bản theo một phía khác của

lớp bán dẫn bằng sợi chỉ bên ngoài và nếu điện trở không quá lớn thì xuất hiện dòng

điện, dòng điện này thường là đủ lớn hoặc có thể được khuyếch đại để đo bằng một điện

kế hay một microampe kế Như vậy lực của dòng điện tỉ lệ với cường độ của bức xạ

chiếu vào tế bào quang điện, nói chung cdc dong cỡ từ 10 đến 100A Các tế bào quang

điện lớp chắn chủ yếu được sử dụng để đo bức xa trong vùng khả kiến, độ nhạy cực đại

với bước sóng khoảng 550nm và giảm cho đến bước sóng khoảng 250nm và 750nm

Tế bào quang điện chân không ( TẾ bào quang điện với hiệu ứng quang điện ngoài ):

Tế bào quang điện bao gồm một catôt nửa hình ống và một anôt dây được đặt giữa

một bình chân không Bề mặt lõm của catôt được phủ một lớp vật liệu nhạy ánh sáng và

phát ra electron dưới tác dụng của bức xạ Sơ đồ trên hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ tế bào quang điện với hiệu ứng quang điện ngoài

1- Chi anot; 2- Catot nhạy quang; 3- Acquy; 4- Điện trở; 5- Bộ phận chỉ thị

Nêu đặt một hiệu điện thê vào các điện cực thì các electron bắn ra được hướng đên

anôt, kêt quả sẽ xuât hiện một dòng điện quang, sẽ được khuyếch đại và cho tín hiệu đo

Dòng điện nhận được gây ra sự giảm hiệu thê dọc theo điện trở R sau đó được khuyêch

19

đại và đo nhờ bộ phận chỉ thị Bề mặt của catôt nhạy quang của tế bào quang điện được cấu tạo từ một kim loại kiềm hay oxyt của nó, có khi là sự tổ hợp với oxyt của các kim loại khác; Vật liệu catôt xác định đặc tính quang phổ của tế bào quang điện

Các máy so màu quang điện do các hãng khác nhau sản xuất sẽ khác nhau về độ phức tạp, các đặc tính làm việc và giá thành Không một máy nào có thể xem là toàn năng mà việc chọn máy được xác định bằng loại công việc mà máy phải phục vụ Dưới đây là sơ đồ máy so màu quang điện một chùm tia và hai chùm tia

Hình 2.5 Sơ đồ máy so màu quang điện một và hai chùm tỉa

a) Máy một chùm tia: I- Dén vofram; 2- Mang di động để chuẩn hóa 100%T; 3-Cuvet chứa dụng dịch so sánh; 4- Microampe kế; 5- Kính lọc sáng; 6- Cuvet chứa dưng dịch phân tích, 7- TẾ bào quang điện với hiệu ứng quang điện ngoài b) Máy hai chùm tia: 8-

Gương; 9- Tế bào quang điện, 10- Điện kế đề chuẩn hóa 100%T

20

Ở máy hai chùm tia dòng sáng được phân giải nhờ gương, một phần đi qua dung

dịch phân tích, phân thứ hai đi qua dung dịch so sánh Bộ phận chỉ thị tín hiệu là thang

đo của độ truyền quang trong các đơn vị tuyến tính từ 0 đến 100, hoặc cũng có thể là

thang đo mật độ quang D

2.3.3 Các máy quang pho UV- VIS

Khác với máy so màu quang điện, các máy quang phé UV-VIS hién nay được thiết

kế để đo phố trong vùng tử ngoại và trông thấy, thường sử dụng lăng kính hay cách tử

cho phép thay đổi một cách liên tục độ dài sóng; đêtectơ là nhân quang điện hay ống

nhân quang điện

Ö Nguôn bức xạ:

Trong các máy quang phổ UV-VIS hiện nay thường trang bị 2 loại nguồn, trong

vùng khả kiến thì dùng đèn vonữam W- Lamp, còn nguồn bức xạ tử ngoại được biết đến

nhiều nhất là đèn hiđrô hay đèn đơteri D- Lamp Các đèn hiđrô hay đèn đơteri bức xạ một

phô liên tục do có sự chuyên các phân tử khí vào trạng thái kích thích Sự trở về trạng

thái ban đầu có kèm theo sự phân hủy của phân tử bị kích thích để tạo ra photon của bức

xạ tử ngoại và 2 nguyên tử hiđrô trong trạng thái cơ bản Năng lượng được hap thu tach

ra ở hai dạng và chính là năng lượng động học của các nguyên tử hiđrô và năng lượng

photon của bức xạ tử ngoại Năng lượng động học cung cấp cho cả 2 nguyên tử hiđrô

không bị lượng tử hóa, do vậy mà nhận được một phổ rộng của năng lượng cá#2 nguyên

tử hiđrô

° Các nguồn tạo bức xạ đơn sắc ( máy tạo bức xạ đơn sắc ): lam nhiém vu phan li

bức xạ thành bức xa don sắc có độ dài sóng khác nhau, có một số loại như sau :

- Máy tạo bức xạ đơn sắc bằng lăng kính

Hình 2.6 Sơ đỗ hệ thong tạo bức xạ đơn sốc bằng lăng kính

1- Khe vào ; 2- Thấu kính tập hợp ; 3- Lăng kinh ; 4- Thấu kính tiêu điểm; 5- Mặt

_ phẳng tiều điểm ; 6- Khe ra

Cơ chế hoạt động như sau: bức xạ đi qua khe vào được tập hợp vào thấu kính

thành chùm tia song song va sau đó chiếu đến bề mặt của lăng kính dưới một góc xác

định Trên cả 2 mặt của lăng kính xảy ra sự khúc xạ, bức xạ phân giải sau đó được tập

21

|

trung trên một mặt phẳng hơi lõm trên đó có phân bố khe ra Bằng cách quay lăng kính

có thê hướng bức xạ với độ dài sóng cần thiết vào khe này Để có thể đạt được độ phân

giải ánh sáng cao, còn có các biện pháp kỹ thuật nhất định; Tuy nhiên việc sử dụng máy tạo bức xạ đơn sắc với quang học thủy tỉnh chỉ giới hạn trong vùng khả kiến do thủy tỉnh hấp thụ bức xạ tử ngoại - Máy tạo bức xạ đơn sắc bằng cách tử ( mạng lưới ):

Hình 2.7 Sự phân giải tạo chùm bức xạ đơn sắc trên mạng lưới phản xạ

Sự phân giải các bức xạ khả kiến, tử ngoại kể cả hồng ngoại có thể thực hiện được

bằng cách cho chùm bức xạ đi qua cách tử trong suốt hay phản xạ bức xạ từ một lưới phản

xạ Các cách tử là một cục thủy tỉnh hay một vật liệu trong suốt khác trên đó có vạch ra

các đường song song Khi có sự chiếu sáng cách tử bằng một chùm bức xạ đi qua khe thì mỗi vạch sẽ trở nên một nguồn bức xạ mới Kết quả giao thoa của nhiều chùm sáng thì bức xạ sẽ được phân giải thành các phần với các độ dài sóng khác nhau Nếu chùm bức xạ

được tập trung trên một mặt phẳng ta sẽ nhận được một phổ mà dạng của nó lập lại dạng

của khe vào Cách tử thích hợp để dùng trong các vùng khả kiến và tử ngoại có gần 600

vạch trên lem Cac mạng lưới phản xạ nhận được bằng cách cắt các lỗ rãnh trên bề mặt đã được đánh bóng của kim loại Tương tự, bức xạ được phản xạ từ mỗi phan lỗi lên của

mạng lưới và sự giao thoa của các chùm phản xạ sẽ gây ra sự phân giải bức xạ

22

Ngoài ra còn có các máy tạo bức xạ đơn sắc đôi, bao gồm từ hai cấu phần phân

giải, có nghĩa là gồm hai lăng kính, hai mạng lưới hay lăng kính và mạng lưới Sự kết

hợp này làm cho khả năng phân giải của máy tăng lên rất nhiều

Cwyeí: thường sử dụng cuvet thủy tỉnh cho vùng khả kiến, nếu đo trong vùng tử ngoại thì

Các đêtêctơ : Trong các máy UV-VIS thi détécto 14 cdc tế bào quang điện với hiệu ứng

quang điện ngoài hay các nhân quang điện

Trên hình 2.§ là sơ đồ cấu trúc của một nhân quang điện Bề mặt của catot về

thành phan không khác bề mặt catot của té bào quang điện phát ra các electron khi chiếu

sáng

Nhân quang điện con chứa các điện cực phụ được kí hiệu băng số từ 1 đến 9 gọi là

các đinot Hiệu thế trên đinot 1 đương hơn 90V so với trên catot, do vay ma cac electron

được tăng tốc theo hướng của nó Khi đập lên đinot, mỗi electron gây ra sự phát xạ một

s6 electron bé sung, đến lượt các electron này lại hướng đến đinot 2 mà hiệu thế của nó

dương hơn 90V so với hiệu thế của đinot 1 Một lần nữa cứ mỗi một electron đập lên bề

mặt lại phát ra một số electron Khi quá trình này lặp lại 9 lần thì cứ mỗi một photon

nhận được 10 — 10° electron Tập hợp các electron này cuối cùng hướng tới anot, dong

điện được tăng cường nhận được này đi qua điện trở R, sau đó có thể khuyếch đại bố

sung và được đo

Tương tự như các máy so màu quang điện, các máy UV-VIS giống nhau ở sơ đồ khối nhưng sẽ khác nhau về độ phức tạp, các đặc tính làm việc và giá thành Trong các

máy hai chùm tia, bằng cách nào đó chùm sáng được chia đôi hoặc ở giữa máy tạo bức

xạ đơn sắc hoặc theo lối ra khỏi máy này : một chùm đi qua dung dịch phân tích và một chùm khác đi qua dung dịch so sánh Trong một số máy, người ta so sánh cường độ của

cả hai chùm nhờ một hệ đôi của các đêtêctơ và các bộ khuyếch đại sao cho nhận được

ngay mật độ quang hay độ truyền quang Trong các máy khác, bức xạ của nguồn được tách ra một cách cơ học và các xung ánh sáng lần lượt đi qua các dung dịch phân tích và

dung dịch so sánh Sau đó chùm sáng cuối cùng được cấu tạo lại và rơi vào một đêtêctơ,

qua bộ phận khuyếch đại và cuối cùng cho nhận tín hiệu đo là mật độ quang hay độ

truyền quang

Dưới đây chúng ta chủ yếu đề cập đến phương pháp phân tích định lượng cho các máy so màu quang điện hay máy UV-VIS, còn gọi là các phương pháp trắc quang phân

tử hay đo quang

Để phân tích định lượng trắc quang phân tử, có hai phương pháp hay được sử dụng

là phương pháp đường chuẩn; phương pháp thêm chuẩn; ngoài ra còn có phương pháp vi sai Tuy nhiên trước khi thực hiện các phương pháp này, người phân tích phải tìm được

các điều kiện tối ưu cho sự làm việc của máy đo, xác định bước sóng cực đại Àmax Và

khoảng tuyến tính của nồng độ

2.4.1 Phân tích định lượng bằng phương pháp đường chuẩn

Khi phân tích hàng loạt nhiều mẫu, người ta thường sử đụng phương pháp đường tiêu chuẩn, phương pháp này cho phép phân tích và tính toán kết quả nhanh, có thê triệt

tiêu được các sai số hệ thống, thường được lập trình sẵn trong các phần mềm điều khiển

của máy Quy trình thực hiện như sau :

e Chuẩn bị một dấy dung địch chuẩn có nồng độ chính xác, tăng dần nhất định C¡,

Co, C3, Cy, Cs, Cg cha chat chudn phân tích, chất chuẩn phân tích X đã được đưa về dạng

phức màu bằng thuốc thử thích hợp

® Ðo mật độ quang Dị, D;, D;, Dạ, Dạ, Dạ của các dung dich chuẩn tại bước sóng

Àmax đã khảo sát

e Xây dựng đường chuẩn D = f(C)

@ Chuan bị mẫu trong điều kiện tương tự, đo mật độ quang D,

e Dựa vào đường chuẩn suy ra nồng độ C,

24

Mật độ quang

2.4.2 Phân tích định lượng bằng phương pháp thêm chuẩn

e® Đo mật độ quang của dung dịch phân tích D,

e Thêm một lượng chất chuẩn a vào dung dịch phân tích, đo mật độ quang D,;; từ các

giá trị đo được, xác định nồng độ của mẫu C,

C- x —= DO x —> C, = 4 | CD a x

_CHUONG 2 PHUONG PHAP PHAN TICH QUANG PHO HAP

THU NGUYEN TU

AAS: Atomic Absorption Spectroscopy - Phổ hắp thụ nguyên tử

F-AAS: Flame Atomic Absorption Spectroscopy - Phố hấp thụ nguyên tử ngọn lửa

GF-AAS: — Graphit Funce Atomic Absorption Spectrocopy - Phổ hấp thụ nguyên tử lò

graphit

2.1 Định luật cơ bản về sự hấp thụ ánh sáng của nguyên tử tự do

2.1.1 Khái niệm

Giả sử chiếu một chùm tia sáng có bước sóng xác định vào một đám hơi nguyên tử

(nguyên tử ở trạng thái hơi) hay nguyên tử tự do thì các nguyen tử đó sẽ hấp thụ các bức

xạ có bước sóng ứng đúng với các tia bức xạ mà nó có thể phát ra trong quá trình phát xạ

— Quá trình đó là quá trình hấp thụ ánh sáng (năng lượng) của nguyên tử

=> Phổ phát sinh trong quá trình này gọi là phổ hấp thụ nguyên tử

25

2.1.2 Đặc điểm của các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi

- Có khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ của các bức xạ mà nó có khả năng phát

N là số nguyên tử tự đo ở trạng thái hơi; cuvet

L là bề dày của lớp hấp phụ Trong thiết bị đo, L chính là chiều đày

của lớp nguyên tử hóa hay cuvet graphit (thường là const)

>A=K,.N (1.4) Mat khac, gitta N va C cé méi quan hé sau N=K,.C” (1.5)

=> A=K,.C" (1.6) Khi C nhỏ thì L= 1 và A=a.C (1.7)

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hấp thụ nguyên tử

2.2.1 Tối u hóa các thông số của thiết bị do

- Chọn bước sóng áng sáng thích hợp cho nguyên tố xác định;

- Chọn cường độ dòng điện làm việc của đèn catot rỗng (Hollow Cathode Lamp —

HCL) trong vùng 60% đến 80% so với cường độ max;

- Khe của máy đo;

- Thời gian đo;

- Xác định vùng tuyến tính của A theo C;

2.2.2 Tối wu hóa các điều kiện nguyên tử hóa mẫu

- Nguyễn tử hóa mẫu là công việc quan trọng nhất trong PP AAS;

- Mục đích của quá trình là tạo ra đám hơi các nguyên tử từ mẫu phân tích với hiệu suât cao và ôn định

26

a Nguyên tử hóa băng đèn khí (Flame Atomic Absorption Spectroscopy — F-AAS)

(hình bên)

Các yêu câu của đèn khí:

- _ Ngọn lửa đèn khí phải làm nóng đêu chât PT.Nguyên tử hóa với hiệu suất cao;

- _ Nhiệt độ phải đủ lớn, có thể điều chỉnh được và phải ổn định theo tời gian;

Sau đây là nhiệt độ của một số ngọn lửa thường dùng

Bảng 2.1 Thành phần khía và nhiệt độ của ngọn lửa trong F-AAS

Quá trình nguyên tử hóa xảy ra theo 2 bước sau:

- Phun dung dịch mẫu vào buồng đốt dạng sương mù cúng với khí mang và khí

cháy (sol khí - aerosol) đề nguyên tử hóa

27

- Quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa các hạt mẫu Quá tình này xảy ra theo 2 cơ

chế sau:

+ Cơ chế 1: Me„A,(r) > Me,Ay (k) ~ xMe (k) + yA (k)

Me (k) > +hv > phé AAS + Co ché 2: Me,A, (tr) > xMe (k) + yA (k) > xMe (k)

- _ Giữa nhiệt độ ôn định;

- _ Thêm vào mẫu phân tích một nguyên tô có thế ion hóa thấp hơn nguyên tố cần xác định

- _ Ngoài ra, dưới tác dụng của nhiệt cũng gây ra hiện tượng kích thích sự phát xạ của nguyên tử tự do

=> Can chon điêu kiện nguyên tử hóa cho từng nguyên tô và từng loại mẫu như sau:

Thành phần và vận tốc của hỗn hợp khí tạo ra ngọn lửa;

Tốc độ dẫn dung dịch mẫu (~ 3 — 5 mL/phút);

Chiều cao của đền nguyên tử hóa;

Bề dày của môi trường hấp thụ;

-_ Độ nhớt của dung dịch mẫu

b Nguyên tit héa 16 graphit (Graphit Funce Atomic Absorption Spectroscopy — GF-

AAS)

La quá trình nguyên tử hóa tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng của dòng điện có công suất lớn trong môi trường khí trơ

Quá trình xảy ra trong cuvet graphit qua 3 giai đoạn như sau:

® Sấy khô mẫu: nhằm bao đảm cho dung môi hòa tan mẫu bay hơi hoàn toàn, nhưng không lam mat mẫu đo bị bắn

Nhiệt độ: 80 — 150°C; Thời gian sấy: 20 — 30 giây

28

@ Tro héa mau: muc dich là để đốt cháy các hợp chất hữu co va mun đồng thời

cũng là để nung luyện mẫu ở nhiệt độ thuận lợi

Nhiệt độ: 400 — 1500°C Thời gian: 20 — 30 giây

@ Nguyên tử hóa: Thời gian thực hiện ngắn, 3 — 6 giây và tốc độ tăng nhiệt rất

Bảng 2.2 Nhiệt độ sấy, tro hóa và nguyên tử hóa của một số nguyên tố

Nguyên tố Nhiệt độ giới hạn, °C

Sây mẫu Tro hóa Ng.tử hóa

- Nguyên tử hóa mẫu không ngọn lửa có ưu điểm là nâng cao độ nhạy của PP AAS so với ngọn lửa đến hàng trăm hay hàng ngàn lần nhưng lại có nhược điểm là độ lặp lại kém

và ảnh hưởng của nền mẫu

- Một ưu điểm nữa là lượng mẫu lấy rất nhỏ, 20 — 50 uL

- Nguồn năng lượng cấp là dòng điện: -

+ Hiệu điện thế: ~ 12 V

+ Cường độ dòng điện cao: 200 — 500 A

Den catot réng (Hollow Cathode Lamp - HCL):

- Catod được tráng bên trong bằng kim loại

của nguyên tố cần định lượng

- Trong đèn có khí argon (Ar) hoặc Neon (Ne)

-M* > M + hv (bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần định lượng)

- Nếu catod được tráng bằng một hợp kim thì có thể dùng để định lượng các nguyên tố trong hợp kim đó

30

2.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ va loai axit

Giá trị A giảm theo các laoij axit như sau:

HCI < HNO: < H;SO¿ < HạPO¿ < HE: thường dùng HCI hay HNO¿ 1%

2.2.4 Ảnh hưởng của các cation

2.2.4 Ảnh hưởng của các qHỉon

2.3 Sơ đồ cấu tạo máy do pho hấp thụ nguyên tử

s

Không ngọn lửa 2.3 Sơ đồ cấu tạo máy đo phé hap thụ nguyên tử

Nguôn phát tia bức xạ đơn sắc phải thảo mãn các yêu cầu sau:

- Tia bức xạ nhạy đôi với nguyên tôc cân xác định; có cường đọ (I,) ôn định và lặp lại trong các lần đo khác nhau và điêu chỉnh được để có cường độ cân thiết trong mỗi

phép đo;

- Nguồn phát tia bức xạ phải tạo được chùm bức xạ thuần khiết, chỉ bao gồm một

số vạch nhạy của nguyên tố xác định Phố nền không đáng kẻ;

- Nguon phat tia bức xạ phải tạo ra được chùm sáng có cương độ lo cao không bị các yêu tô vật lý khác gây nhiêu và không bị ảnh hưởng của các điêu kiện thí nghiệm;

- Hiện nay, thường dùng các nguồn phát tia bức xạ sau:

+ Đền catot rỗng (HCL) — Thường sử dụng nhiều nhất

+ Đèn phóng điện không điện cực (electrodelees discharge lamp - EDL) + Đèn phát phổ liên tục có biến điệu Dạ-Lamp và W-Lamp

2.4 Phương pháp định lượng

Hoàn toàn tương tự như đối với phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử

2.5 Ưu, nhược điểm của PP AAS

32

- Thao tác thí nghiệm tương đối đơn giản;

- Có thê xác định liên tiếp các nguyên tố trong cùng một mẫu

2.5.2 Nhược điểm

- Thiết bị tương đối đắt tiền;

- Do có độ nhạy cao nên rất đễ bị nhiễm bắn bởi không khí phòng thí nghiệm, hóa

chất không tinh khiết và dụng cụ thí nghiệm;

- Cần phải có cán bộ chuyên môn cao đề vận hành và bảo dưỡng:

- PP AAS chỉ cho biết nồng độ (hàm lượng) của chất phân tích, không cho biết

được trạng thái liên kết và cấu trúc của nguyên tố trong mẫu

2.6 Đối tượng và phạm vỉ ứng dụng

Xác định hàm lượng vêt va siéu vét của các kim loại trong các đối tượng: Y

hoc,Sinh hoc, Địa chât, Môi trường

PHAN THỨ HAI - CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HOA

1 Vị trí và những ưu điểm của phương pháp PTĐH:

Phân tích công cụ: bao gồm các phương pháp (PP.)

+ Phân tích quang phổ + Phân tích tách

+ Phân tích điện hóa:

=> PP do thé: E = f(C)

= PP dién lugng: Q = f(i, t)

— PP von — ampe: i = f(E)

@® Xác định đồng thời nhiều kim loại và các hợp chất hữu cơ

@ Chỉ phí thiết bị và phân tích thấp

@ PP tiêu chuẩn xác định lượng vết Cd, Pb và Cu (Clesce L § and et al, (1999),

Standard methods for the examination of water and wastewater, 3130 - Metals by Anodic Stripping Voltammetry, 20” Ed., APHA, USA.)

(Voltammetry ) điện lượng

(Cac PP Ply'tich D/héa hién dai)

34

Dong — The ( Voltammetry)

Cue pho (Polarography) Von-ampe hoa tan (SV) thé-chat thế-dòng

hòa tan | anot Ti hòa tan catot phụ (Adsw) || vòng (CV) hoa tan hap NO TH AHHEG Von-ampe „ không đôi thê-dòng TA an

(AdCC-SP)

1 Té bao dién héa

Xét tế bào điện hóa (như hình 1.1)

- Xây ra quá trình oxy hóa: - Xây ra quá trình khử:

E, = E° Ag’ /Ag® + 0,0592 lg Casa

E° Ag’ /Ag® = +0,7994 V

(Cuc Ag gọi là catot)

- Từ phương trình (1) và (2) ta có:

(1): E, = E° Zn”*/Zn + 0,0592/2 lg Cznan = -0,7628 + 0,0592/2 1g(0,0167) = -0,8154 V (2): E, = E° Ag’/Ag + 0,0592 Ig Cag = 0,7994 + 0,0592 1g(0,100) = +0,7402 V

= E, duong hon E, => Phản ứng xảy ra của tế bào điện hóa là:

Znys) + AS’ (ag) F Zn (aq + ARG)

- Từ cấu tạo của tế bào điện hóa, thế được xác định:

Ecen = Epnai — Buai = Ee — Bạ = 0,741 — (-0,815) = +1,556 V

- Tế bào điện hóa có thể được biểu diễn như sau:

Znữ) | ZnC1; 0,0167M || AgNO; 0,100 M | Ag(r) Bai tap: ® Tinh Ecey ?

@ Tinh néng d6 khi biét Ecey 2

@® Tính giá trị tích số tan của kết tủa ?

2 Các loại điện cực

2.1 Điện cực loại 1 (điện cực chỉ thị - Indicator Electrode - IE)

- Khái niệm: IE là điện cực mà thế của chúng là một hàm theo nồng độ của chất phân

tích Cũng có thể gọi là điện cực làm việc trong PP đo thế

- Xét một sợi (tắm) kim loại được nhúng vào trong một dung dịch chứa ion kim loại đó,

tức là xét 1⁄2 của một tế bào điện hóa (hình 1.1) Khi đó ta có:

+ Phương trình bán phẩn ứng: Me” + ne S Meạ (Me?)

+ Phuong trinh Nernst:

0,0592,

=> Nếu biết n và E° ,sẽ xác định được nồng độ của 1on kim loại

Me™ /Me

2.2 Điện cực loại 2 (điện cực so sánh)

2.2.1 Điện cực chuẩn Hydro (SHE)

36

- Câu trúc của SHE được mô tả như sau:

+ Là 1⁄2 của một tế bào điện hóa (hình 1.1)

= Pt | Hạ (p = 1 atm), [H”] = 1,000 M ||

+ E° 2H”/H;(k) = E° su; = 0,0000 V

2.2.2 Điện cực so sánh Calomel (SCE)

Là 1⁄2 của một tế bào điện hóa (hình 1.1)

=> Hg (1) | Hg2Cl, bh, KCI bh | KCI aM ||

Hoặc: Hg (I) HgạC]; (r) | KClaM |

2.2.3 Dién cuc so sanh bac/bac clorua (Ag/AgCl)

- C4u tric cla Ag/AgCl duoc mé ta nhu sau:

Là 1⁄2 của một tế bào điện hóa (hình 1.1)

=> Ag() | AgCl bh, KCI bh | KCIxM ||

Hoae: Ag (r) AgCl (r) | KCI aM ||

Bai tap: E”Agcuag = ?

Nếu biết Cxe = 3 M và T Azo= 18.1019 2.3 Điện cực chọn lọc ion (Ion-Selective Electrode - ISE)

a Tê bào điện hóa

38

b Phương trình thế điện hóa

Eeen = EnEqm) — ERE(Samp) T Emem + Eụ (1)

Trong đó,

- Emem = Easym — (0,0592/Z) Ig([A]me/[Alsap)_ (2)

- Easym: thế bất đối xứng (z 0)

“Easym la thế màng khi vị trí đỗi xứng của màng là được tiếp xúc trong với dụng dịch

đồng nhất nhưng khác zero (E #0) được quan sat”

- Ey: thế tiếp xúc và được xác định qua công thức:

E, =-0,0592 5" Ait || = +0,0592 5° 2-19 sme |) (a

Trong d6, t; va Z;: s6 tai va dién tich chaionI = By € LÍ; Z4; 8samp Và 8m

Ecen = ERE(In) — ERE(Samp) + Emem + Ey (1)

Emem ?

Thực tế, dung dịch phân tích thường chứa nhiều ion — t¡ khác nhau

— Can I màng lý tưởng sao cho:

ta = 1 (a la chất phân tích)

t, = 0 (b la cac ion khac ion phân tích có trong dung dịch)

Khi đó, (3) viết lại như sau:

39

By = + (RTVEZ)In@samp / aint)]

Xét ở 25°C và nồng độ (hoạt độ) của ion nội là hằng, ta có:

Been = K + 0,0592/Z lg asamp = K — 0,0592/2, Dâsamp

2.3.1 Điện cực thủy tỉnh (điện cực đo pH)

a Câu tạo điện cực đo pH - là điện cực đơn

SCE || [HạO”] = ai | màng TT | [HạO”] = a2 , [CI] = 1,0 M,AgCl bh | Ag

b Cau tao mang thủy tỉnh (22% Na,O; 6% CaO va 72% SiO.)

c Phương trình thế điện hóa

- Vị và V¿, tuân theo phương trình thế tiếp xúc có liên quan dén ayy:

Vị=+0,0592 lg(ay/aj(g)) và V¿ =+ 0,0592 lg(aa(g)/a;) Biết : E„m= Vị + V¿ và nếu a1(Ð) = a2(g) ; ao = const

=> En = K’’ — 0,0592 pa, hay > Exe = K — 0,0592 pH (K= const)

- Khi nghiên cứu màng thủy tỉnh, cho rằng:

® Độ dẫn điện của màng thủy tỉnh là do sự đi chuyên của Na” qua TT

@ Trên bề mặt TT chứa các trung tâm cho cation; Na” và HạO” cạnh tranh trên các trung tâm đó theo kiểu trao đổi ion:

@ K¿ của phản ứng là rất lớn và đó đó, các trung tâm đó chủ yếu đo ion HạO”„

chiếm chỗ Trong dung dịch bazơ mạnh, ta có:

Ecen = K’ + 0,0592 lg( [H’] + Ks[Na’] ); 6 25°C

@® Ks: hăng số chọn lọc đối với ion cản trở Na”, có giá trị rất nhỏ

KHỈ/Na! = 101

© K’ la hang sé chtta Eggi, Erg và 0,0592 Ig[HỈ lượng dd nội

d Một số lưu ý khi sử dụng điện cực thủy tỉnh

40