nghiên cứu phổ hấp thụ UV VIS

CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP HẤP THU PHÂN TỬ UV – VIS 8.1 Tổng quan Đầu kỷ 19, hầu hết phân tích hoá học định lượng sử dụng phương pháp trọng lượng (gravimetry method) phương pháp chuẩn độ (titrimetry method) Với phương pháp đạt độ (accuracy) cao, khó xác định thành phần hợp chất có nồng độ thấp nước Trong suốt thời gian nhiều nghiên cứu bắt đầu để mở rộng khả phân tích định lượng đặc biệt các yếu tố vết môi trường Một số phát minh phương pháp so màu quang phổ Phương pháp so màu phương pháp Nessler phân tích hàm lượng ammonia nước vào năm 1856 Nessler khám phá thêm HgI KI vào môi trường có chưa NH4+ tạo thành dung dịch màu từ màu vàng đến màu nâu đỏ tuỳ theo nồng độ NH4+ Màu mẫu so sánh với màu mẫu chuẩn để xác đinh nồng độ tương ứng mẫu Cho đến ngày phương pháp nghiên cứu bổ sung để phân tích nước mặt nước thải Standard Methods Cuối kỷ 19, số phương pháp bắt đầu khám phá phương pháp hấp thu, phát xạ, tán xạ, tia cực tím, điện từ hồng ngoại phát xạ Thế kỷ 20 giai đoạn phát triển tia X, microwave, sóng radio, hạt lượng bao gồm hạt electron ion 8.2 Lịch sử nghiên cứu quang phổ học Quang phổ học môn học yếu thiên văn học, ứng dụng thành công để nghiên cứu khí hành tinh Cách 200 năm, Joseph von Fraunhofer (1787-1826) lần sản xuất loại máy đo quang phổ mà tính sánh kịp lúc Ông khám phá nhiều đường tối quang phổ ánh sáng mặt trời Ông xác định xác độ dài bước sóng nhiều “Fraunhofer lines” (vạch) thuật ngữ ngày dùng Tuy nhiên, thời gian ông không hiểu sở vật lý ý nghĩa vấn đề mà ông khám phá Hình 8.1 Thiết bị Spektralapparat thiết kế Kirchhoff Bunsen (1833) Thành tựu quan trọng “Fraunhofer lines” trình tìm nguyên lý vật lý hấp thu phát xạ vào năm 1859 với cộng tác nhiều nhà vật lý tiếng Gustav R Kirchhoff Robert W Bunsen Heidelberg Thiết bị mà họ sử dụng “Spektralapparat”, họ ghi nhận trình phát xạ đặc biệt nhiều nguyên tố khác Với phương pháp họ tiếp tục khám phá nguyên tố Cäsium Rubidium, họ chiết lượng nhỏ (7g) từ 44.000 lít nước khoáng gần núi Bad Nauheim, Đức Sự khám phá tảng cho khám phá hấp thu phát xạ hấp thu phân tử Năm 1879 Marie Alfred Cornu thấy rằng, tia có bước sóng ngắn xạ mặt trời bề mặt trái đất bị hấp thụ khí Một năm sau đó, Walther Noel Hartley mô tả tỉ mỉ hấp thụ UV O với độ dài bước sóng 200 300 nm trở nên rõ ràng họ phát O3 chứa đầy bầu khí Năm 1880, Chappuis khám phá hấp thu vùng khả kiến (400 – 840nm) Năm 1925 Dobson phát triển máy quang phổ ổn định sử dụng lăng kính thạch anh 8.3 Đại cƣơng quang phổ Trong quang phổ học, ánh sáng nhìn thấy (ánh sáng khả kiến), tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia Rơnghen, sóng radio gọi chung thuật ngữ xạ Theo thuyết sóng, dạng xạ dao động sóng cường độ điện trường cường độ từ trường, nên xạ gọi xạ điện từ Sau thuyết sóng, thuyết hạt cho thấy xạ gồm “hạt lượng” gọi photon chuyển động với tốc độ ánh sáng (c = 3.10 m/s) Các dạng xạ khác khác lượng hν photon Ở đây, lượng xạ lượng tử hóa, nghĩa lượng xạ liên tục mà lượng tử lượng tỉ lệ với tần số ν dao động điện từ theo hệ thức Planck ε = hν h = 6,625.10 – 34 J.s: số Planck Louis de Broglie đưa thuyết thống khái niệm sóng khái niệm hạt sóng ánh sáng Ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt Tổng quát xạ có chất sóng hạt Nội dung sau: Hạt có khối lượng m chuyển động với vận tốc v có bước sóng đôi với λ cho hệ thức: h h λ= = mv p Trong : p = mv động lượng hạt λlà bước sóng (de Broglie) h = 6,625.10-34 J.s số Planck 8.3.1 Các đại lƣợng đo xạ điện từ Bước sóng λ : Là quảng đường mà xạ sau dao động đầy đủ Đơn vị: m, cm, µm , nm, (1cm = 108 = 10 ηm =104 µm) o o A A Tần số ν : Là số dao động đơn vị thời gian (giây) Trong giây xạ c cm sóng λ cm, vậy: ν = c λ Lưu ý: Bức xạ truyền chân không với vận tốc c = 2,9979.10 m/s (thường lấy tròn 3.10 m/s) Đơn vị: CPS ( VÒNG DÂY), Hz, KHz, MHz (1CPS=1Hz; 1MHz=103 KHz=106Hz) Năng lượng xạ: Các dao động tử (phân tử chẳng hạn) phát hấp thụ lượng đơn vị gián đoạn, lượng nhỏ nguyên vẹn gọi lượng tử lượng: hc ε = hν = = hcν λ Đơn vị: Jun (J), Calo (Cal), electron von (eV) 8.3.2 Các dạng xạ Bức xạ điện từ bao gồm dãy sóng điện từ có bước sóng biến đổi khoảng rộng: o từ cỡ mét sóng rađio đến cỡ A (10–10 m) tia Rơnghen nhỏ Toàn dãy sóng chia thành vùng phổ khác Tia γ Tia X UV Tia hồng ngoạiVi sóngSóng radio Vùng VIS (Khả kiến) Bước sóng λ (nm) TímChàmLam LụcVàng CamĐỏ Hình 8.2 Các phổ sóng điện từ Mắt người cảm nhận vùng phổ điện từ nhỏ gọi vùng nhìn thấy (khả kiến) bao gồm xạ có bước sóng từ 396 – 760 nm Hai vùng tiếp giáp với vùng nhìn thấy vùng hồng ngoại vùng tử ngoại UV 8.3.3 Sự tƣơng tác vật chất xạ điện từ Ở điều kiện bình thường, điện tử phân tử nằm trạng thái liên kết, nên phân tử có mức lượng thấp, gọi trạng thái Eo (Hình 8.3) Khi chiếu xạ điện từ vào môi trường vật chất, xảy tượng phân tử vật chất hấp thụ (absorption) phát xạ (emission) lượng, hay gọi trạng thái kích thích (Hình 8.3) Năng lượng mà phân tử phát hay hấp thụ vào là: ∆ E = E2 – E1 = hν Trong đó, E1 E2 mức lượng phân tử trạng thái đầu trạng thái cuối ν (hay gọi trạng thái kích thích) tần số xạ điện từ bị hấp thụ hay phát xạ Nếu ∆ E > xảy hấp thụ xạ điện từ Nếu ∆ E < xảy phát xạ lượng A B Hình 8.3 Sự hấp thụ (A) phát xạ (B) lƣợng photon Theo thuyết lượng tử, phân tử xạ điện từ trao đổi lượng với liên tục mà có tính chất gián đoạn Phân tử hấp thụ phát xạ 0, 1, 2, 3, …n lần lượng tử hν mà Khi phân tử hấp thụ phát xạ làm thay đổi cường độ xạ không làm thay đổi lượng nó, cường độ xạ điện từ xác định mật độ hạt phôton có chùm tia, lượng xạ điện từ lại phụ thuộc tần số ν xạ Vì chiếu chùm xạ điện từ với tần số qua môi trường vật chất sau qua lượng xạ không thay đổi mà có cường độ xạ thay đổi Các phân tử hấp thụ lượng xạ dẫn đến thay đổi trình phân tử (quay, dao động, kích thích electron…) nguyên tử (cộng hưởng spin electron, cộng hưởng từ hạt nhân) Mỗi trình đòi hỏi lượng đặc trưng cho nó, nghĩa đòi hỏi xạ điện từ có tần số hay chiều dài sóng định để kích thích Do hấp thụ chọn lọc mà chiếu chùm xạ điện từ với dãi tần số khác qua môi trường vật chất sau qua chùm xạ bị số xạ có tần số xác định, nghĩa tia bị phân tử hấp thụ Bảng 8.1 Ứng dụng quang phổ điển hình thay đổi lƣợng Kiểu chuyển đổi lƣợng Vùng bƣớc sóng Thiết bị quang phổ Tia γ Máy quang phổ Mossbauer Tia X Máy hấp thụ quang phổ tia X UV/Vis Hấp thụ (absorption) Hồng ngoại Máy so màu quang phổ UV/Vis Máy hấp thu nguyên tử AAS Máy so quang phổ hồng ngoại Máy so màu hiệu ứng Raman Microwave Máy quang phổ vi sóng Sóng radio Máy quang phổ từ hạt nhân UV/Vis Máy phát xạ nguyên tử Tia X Máy phát xạ huỳnh quang tia X Máy quang phổ huỳnh quang Phát xạ (emission) UV/Vis Máy phát lân quang Máy quang phổ phát xạ huỳnh quang nguyên tử Bảng 8.2 Quang phổ điển hình không thay đổi lƣợng Vùng bước sóng Kiểu tương tác Thiết bị Tia X Nhiểu xạ Máy nhiểu xạ tia X UV/Vis Khúc xạ Máy khúc xạ Tán xạ Máy đo độ đục 8.3.4 Sự hấp thụ xạ màu sắc chất Ánh sáng nhìn thấy bao gồm tất dải xạ có bước sóng từ 396 – 760 nm có màu trắng (ánh sáng tổng hợp) Khi cho ánh sáng trắng (ánh sáng mặt trời) chiếu qua lăng kính, bị phân tích thành số tia màu (đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) Mỗi tia màu ứng với khoảng bước sóng hẹp (xem Bảng 8.3) Cảm giác màu sắc chuỗi trình sinh lý tâm lý phức tạp xạ vùng khả kiến chiếu vào võng mạc mắt Một tia màu với khoảng bước sóng xác định Chẳng hạn xạ với bước sóng 400–430 nm gây cho ta cảm giác màu tím, tia sáng với bước sóng 560 nm cho ta cảm giác màu lục vàng Ánh sáng chiếu vào chất qua hoàn toàn mắt ta chất không màu Thí dụ, thủy tinh thường hấp thụ xạ với bước sóng nhỏ 360 nm nên suốt với xạ khả kiến Thủy tinh thạch anh hấp thụ xạ với bước sóng nhỏ 160 nm, suốt xạ khả kiến xạ tử ngoại gần Một chất hấp thụ hoàn toàn tất tia ánh sáng ta thấy chất có màu đen Nếu hấp thụ xảy khoảng vùng khả kiến xạ khoảng lại đến mắt ta gây cho ta cảm giác màu Chẳng hạn chất hấp thụ tia màu đỏ ( λ = 610–730 nm) ánh sáng lại gây cho ta cảm giác màu lục (ta thấy chất có màu lục) Ngược lại, chất hấp thụ tia màu lục mắt ta có màu đỏ Người ta gọi màu đỏ màu lục hai màu phụ Trộn hai màu phụ lại ta có màu trắng Nói cách khác, hai tia phụ trộn vào tạo ánh sáng trắng Quan hệ màu tia bị hấp thụ màu chất hấp thụ (các màu phụ nhau) ghi bảng sau: Bảng 8.3 Quan hệ màu tia bị hấp thụ màu chất hấp thụ Tia bị hấp thụ Màu chất hấp thụ λ (nm) Màu (màu tia lại) 400 – 430 Tím Vàng lục 430 – 490 Xanh Vàng da cam 490 – 510 Lục xanh Đỏ 510 – 530 Lục Đỏ tía 530 – 560 Lục vàng Tím 560 – 590 Vàng Xanh 590 – 610 Da cam Xanh lục 610 – 750 Đỏ Lục Lưu ý: Giữa tia màu cạnh ranh giới thật rõ rệt Việc phân chia ánh sáng trắng thành 7, hay tia màu… tùy thuộc vào lăng kính tinh tế mắt người quan sát Một chất có màu, thí dụ màu đỏ chẳng hạn hấp thụ chọn lọc vùng khả kiến theo kiểu sau: - Chất hấp thụ tia phụ tia đỏ (tức hấp thụ tia màu lục) - Chất hấp thụ tia trừ tia màu đỏ - Chất hấp thụ hai vùng khác ánh sáng trắng cho tia lại cho mắt ta cảm giác màu đỏ Để hợp chất có màu, không thiết λmax phải nằm vùng khả kiến mà cần cường độ hấp thụ vùng khả kiến đủ lớn Nói cách khác giá trị cực đại vân hấp thụ nằm vùng khả kiến vân hấp thụ trải rộng sang vùng khả kiến nên hợp chất có màu Tất nhiên để có hấp thụ thấy vùng khả kiến λmax chất phải gần với ranh giới vùng khả kiến Tương ứng với bước chuyển điện tử, ta thu phổ hấp thu có dạng: Hai đại lượng đặc trưng phổ hấp thu vị trí cường độ • Vị trí cực đại hấp thu, giá trị λmax tùy thuộc vào ∆E mà hợp chất hấp thu vùng phổ khác Bán chiều rộng vân phổ điện tử dao động rộng khoảng 50 – 60 nm • Cường độ thể qua diện tích chiều cao đỉnh biểu đồ (peak) Cường độ vân phổ phụ thuộc vào xác xuất chuyển mức lượng điện tử Xác suất lớn cho cường độ vân phổ lớn Một hợp chất màu có phổ hấp thu tốt đỉnh biểu đồ (peak) cao bán chiều rộng vân phổ hẹp Peak Độ rộng Bán vân phổ λmax Hình 8.4 Đỉnh (peak) bán chiều rộng vân phổ Khi bán chiều rộng vân phổ hẹp, λ thay đổi nhỏ độ hấp thu A thay đổi lớn Điều có ý nghĩa phân tích định lượng Giả sử hợp chất X có A max 500 nm Khi đo bước sóng 510 nm độ hấp thu đo khác xa bước sóng 500 nm Từ ta thấy hợp chất màu có giá trị λmax định phản ánh độ nhạy phương pháp Mặt khác, hợp chất đòi hỏi đỉnh biểu đồ cao nghĩa ta đo bước sóng λmax ta độ hấp thụ quang cực đại, khoảng làm việc rộng 8.3.5 Định luật Lambert – Beer Khi chiếu chùm tia sáng đơn sắc qua môi trường vật chất cường độ tia sáng ban đầu (Io) bị giảm I gọi độ truyền qua I T Tỉ số 100 = Io Tỉ số Io − I 100 0 I = A gọi độ hấp thụ Nguyên tắc phương pháp biểu diễn theo sơ đồ : Mẫu Io IA I IR Cuvette Io = IA + IR + I Hình 8.5 Sơ đồ mô tả hấp thụ ánh sáng dung dịch Trong đó: Io: Cường độ ban đầu nguồn sáng IA: Cường độ ánh sáng bị hấp thu dung dịch I: Cường độ ánh sáng sau qua dung dịch IR: Cường độ ánh sáng phản xạ thành cuvette dung dịch, giá trị loại bỏ cách lặp lại lần đo Giữa IA, I, độ dày truyền ánh sáng (l) nồng độ (C) liên hệ qua quy luật Lambert – Beer định luật hợp Bouguer: Lambert (1766) Beer (1852): lg lg Io Io I =Kl =KC I Độ truyền quang (T) hay độ hấp thụ (A) phụ thuộc vào chất vật chất, độ dày truyền ánh sáng l nồng độ C dung dịch Có thể viết: Định luật Lambert – Beer : A = lg( I0 ) λ λ =ε ×C×l I Trong đó: ε hệ số hấp thu phân tử, C nồng độ dung dịch (mol/L), l độ dày truyền ánh sáng (cm), A độ hấp thụ quang (Lưu ý phương trình tia sáng đơn sắc) Trong phân tích định lượng phương pháp trắc quang người ta chọn bước sóng λ định, chiều dày cuvet l định lập phương trình phụ thuộc độ hấp thụ quang A vào nồng độ C Khảo sát khoảng tuân theo định luật Lambert – Beer: Khi biểu diễn định luật Lambert – Beer đồ thị tùy theo cách thực phép đo, ta thường gặp đường biểu diễn phụ thuộc độ hấp thu A vào cường độ C dung dịch có dạng: y = ax + b Hệ số góc a cho biết độ nhạy phương pháp, phương pháp trắc quang người ta đo dung dịch khoảng tuân theo định luật Lambert – Beer tức khoảng nồng độ mà giá trị ε không thay đổi Hệ số góc a lớn khoảng tuân theo định luật Beer rộng điều kiện thuận lợi cho phép xác định Sự lệch khỏi định luật Beer: Sự lệch khỏi định luật Beer biểu diễn sơ đồ sau: Hình 8.6 Giới hạn định luật Beer hấp thụ quang Khoảng tuyến tính LOL (Limit of Linear Response) khoảng nồng độ tuân theo định luật Beer (A = ε × l × C) nghĩa nồng độ tăng độ hấp thụ quang A tăng Ngoài giới hạn LOL lệch khỏi định luật Beer, nghĩa nồng độ tăng độ hấp thụ quang A không tăng Nguyên nhân trình nồng độ dung dịch lớn Ngoài ra, khoảng tuyến tính LOL bị ảnh hưởng mức độ đơn sắc ánh sáng sử dụng, pH dung dịch, lực ion, pha loãng Ý nghĩa đại lƣợng: • Hệ số hấp thu mol ε: phụ thuộc chất chất, bước sóng λ, nhiệt độ, chiết suất (theo nồng độ) Giá trị tính lý thuyết bước chuyển phép cho electron ε = 105 mol-1.cm-1 ε= A lC (l mol-1 cm-1) ε cao cho ta biết độ nhạy phản ứng, thước đo độ nhạy phương pháp Trong phân tích trắc quang, ε = 103 – 105 mol-1 cm-1 đủ nhạy để dùng cho phương pháp trắc quang, ε phụ thuộc vào chiết suất mà chiết suất lại phụ thuộc vào nồng độ Khi chiết suất tăng lên ε giảm để ε không thay đổi phải thực C ≤ 10-2 mol/L • Độ hấp thụ quang A: Là đại lượng đơn vị, có tính chất quan trọng tính cộng độ hấp thụ quang Giả sử chất A B có nồng độ CA CB, độ hấp thu bước sóng λ là: A = AA + AB = l × (εACA + εBCB) Nếu chất tan X có độ hấp thụ quang AX, dung môi có độ hấp thụ quang Adm, ta có: A = Ax + Adm Để đo xác Ax Adm = 0, có nghĩa phải chọn λmax dung môi khác xa với λmax chất tan Những chất chọn làm dung môi thường có λ hấp thu miền ranh giới tử ngoại chân không Bảng 8.4 Các dung môi thƣờng sử dụng vùng UV – VIS Dung môi Bước sóng (nm) Dung môi Bước sóng (nm) Nước cất 190 Benzen 280 HCl 190 Cloroform 245 Etanol, metanol 210 Tetra Clorocarbon 265 n- Butanol 210 Dietyl Eter 218 n- Hexan 210 Aceton 330 Cyclohexan 210 1,4 Dioxan 215 Trong hỗn hợp có nhiều cấu tử không làm thay đổi tương tác, không phản ứng hóa học, không dịch chuyển cân bằng, xác định hỗn hợp cấu tử theo hệ thức sau: Cx = b/a 8.4.2 Phƣơng pháp đƣờng chuẩn Ưu điểm xác, thực nhiều lần • Chuẩn bị từ dung dịch chuẩn (trong khoảng tuân theo định luật Beer) • Thực phản ứng màu với thuốc thử • Đo độ hấp thụ quang A dung dịch λmax so với dung dịch so sánh chuẩn bị giống dung dịch tiêu chuẩn không chứa ion cần xác định • Biểu diễn phụ thuộc A theo C đồ thị tính theo phương trình hồi qui A= aC + b (a b hệ số cần tìm phương trình hồi quy – tương quan) (xem Bảng 8.8) • Dung dịch xác định: chuẩn bị phản ứng tạo màu với thuốc thử giống mẫu chuẩn Bảng 8.8 Dung dịch chuẩn dùng để xây dựng đƣờng chuẩn C (mg/L) 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 Dung dịch chuẩn A 0,010 0,480 0,930 1,370 1,830 2,281 Sau đo giá trị độ hấp thụ quang dung dịch chuẩn, tiến hành xây dựng đường chuẩn tìm phương trình hồi quy tương quan: 2.500 y = 9.0543x + 0.0184 R2= 0.9999 2.000 Đ 1.500 ộ hấ p 1.000 th ụ 0.500 0.000 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Nồng độ Hình 8.11 Biểu đồ xác định phƣơng trình hồi quy phƣơng pháp đƣờng chuẩn Sau thiết lập đường chuẩn, ta dạng phương trình y = ax + b với y độ hấp thụ quang, x nồng độ Đối với dung dịch xác định, ta tiến hành phản ứng đo hệ số hấp thu mẫu (A mẫu = y), ta tính nồng độ mẫu cần xác định theo phương trình: x= y−b a Sự tương quan độ hấp thụ quang A nồng độ C l = const Beer Khoảng nồng độ thỏa mãn định luật R > 0,999 Hệ số tương quan r biến đổi khoảng -1≤ R ≤ (R = → 1) nội dung định luật • Khi R ≈ có tương quan chặt chẻ x y theo tỉ lệ thuận • Khi R ≈ -1 có tương quan chặt chẻ x y theo tỉ lệ nghịch • Khi R ≈ hai đại lượng không tương quan 8.5 Độ xác phƣơng pháp trắc quang: Trong phân tích trắc quang phương pháp khác chia sai số thành nhóm: • Sai số tiến hành phản ứng hóa học (hóa chất, thao tác, dụng cụ ) • Sai số tín hiệu đo độ hấp thu dung dịch (do hệ thống đo) Độ xác phương pháp phụ thuộc vào hàng loạt nguyên nhân khác phức tạp bao gồm sai số ngẫu nhiên sai số hệ thống, sai số quan trọng sai số tín hiệu trình đo độ hấp thu quang học 8.6 Một số ví dụ áp dụng phƣơng y x− = 0,01 84 1,25 50,01 −= 84 = 0,13 mg/ L pháp định lƣợng trắc quang Ví dụ 8.3: Độ hấp thụ quang A dung dịch anilin × 10 -4 M nước đo bước sóng λ = 280 nm 0,252 Chiều dài ánh sáng qua cuvet 1cm Tính độ truyền quang anilin 1,03.10 -3 M đo độ dài bước sóng dùng cuvet 0,5cm Giải vấn đề: λ Áp dụng công thức A = ε × với dung dịch ta có: I = lg( ) C × l I λ ε = 0.252/(2.10-4 × 1) = 1,26.103 l mol-1 cm-1 λ = ε × với dung dịch ta có: A = lg( Áp dụng I0 C × l ) công thức I λ A = 1,26.103 × 0,5 × 1,03.10-3 = 0.649 Mà: A = -lg T suy ra: lg T = -A = -0,649, T = 0,224 = 22,4% Vậy độ truyền quang T = 22,4% Ví dụ 8.4: Độ hấp thụ quang A đo từ mẫu chuẩn mẫu nước thu từ ao nuôi cá chứa ion PO43- sau: Nồng độ mẫu chuẩn (mg/L) Độ hấp thụ quang A 0,00 0,010 0,05 0,480 0,10 0,930 0,15 1,370 Độ hấp thụ quang A mẫu nước ao lần lặp lại là: 1,256; 1,245; 1,264 Tính nồng độ PO43- mẫu nước ao Giải vấn đề: Từ nồng độ mẫu chuẩn độ hấp thụ quang A Từ kết thiết lập phương trình hồi qui ta có: Y = 9,0543 X + 0,0184 (R2 = 0,9999) Từ kết lần phân tích lặp lại ta có A = y = 1,255 Từ ta có 9,0543 x − α ) ⇒ 0,175 = = = 0,130α + 0,475 (1α y; ( α) C C ⇒ α = 0,869 9,0543 Vậy nồng độ PO43- mẫu nước ao 0,137 mg/L Ví dụ 8.5: Để xác định số phân ly Methyl da cam (kí hiệu HIn), người ta đo độ hấp thụ quang A dung dịch nồng độ Methyl da cam pH khác nhau: - Dung dịch HCl 0,1M; A1 = 0,475 - Dung dịch NaOH 0,1 M; A2 = 0,130 - Dung dịch có pH = 4,34; A3 = 0,175 Cho biết đo bước sóng λ = 510 nm chiều dài ánh sáng qua cuvet 1cm Tính số phân ly K Metyl da cam? Giải vấn đề: Độ hấp thụ quang dung dịch 3: A3 = ε I n− [In ]× [HIn − H In ( ) ]× l l+ε Với [In-] = x; [HIn] = y ta có: x + y = CHIn = C (8.2) ε In − ε Hin toàn chất thị dạng In=A (8.3) C × l toàn chất thị dạng HIn = A1 (8.4) C × l Thay (8.3) (8.4) vào (8.1) ta được: ( ) A=A x × + y A× Qui ước: C C Hằng số phân ly HIn: HIn ⇔ H+ + In+ K= − [H ][In ] − HIn ; Ka − In α ⇒ pK = pH − lg = pH − lg HIn 1−α = 7,34 – 0,82 = 3,52 ⇒ K = 3,02.10-4 0,869 pK = 4,34 - lg 1− 0,689 Vậy số phân ly methyl da cam K = 3,02.10-4 8.7 Nguyên lý phân tích yếu tố môi trƣờng nƣớc phƣơng pháp quang phổ 8.7.1 Xác định tổng đạm amoni TAN (Total Ammonia Nitrogen) Phƣơng pháp Nessler Nguyên lý Trong môi trường bazơ mạnh NH4+ biến thành NH3 NH3 hình thành NH3 sẵn có mẫu nước tác dụng với phức chất Indo-mercurate kalium (K 2HgI4), hình thành phức chất có màu vàng nâu, cường độ màu đậm hay nhạt tùy thuộc vào hàm lượng NH có mẫu nước Phương trình phản ứng: K2HgI4 + NH3 + 3KOH ⇒ Hg(HgIONH2) + 7KI + H2O (màu vàng) K2HgI4 + NH3 + KOH ⇒ Hg(HgI3NH2) + 5KI + H2O (màu nâu) Phƣơng pháp Indophenol blue (Phenate) Nguyên lý Trong môi trường kiềm mạnh, NH4+ chuyển thành NH3 Ammonia phản ứng với hypochlorite phenol với chất xúc tác sodium nitroprusside tạo thành phức indophenol có màu xanh, phức hấp thụ ánh sáng tối đa (λmax) bước sóng 640nm NH3 + ClO- NH2Cl + OHOH + 2ClO- NH Cl + 2 O O OH + 3HCl + 2OH- N N O OH Các chất gây nhiễu giới hạn phân tích N Indophenol O- + H+ Ca Mg bị kết tủa môi trường pH cao (do NaOH cho vào mẫu nước trình phân tích) làm dung dịch bị đục làm ảnh hưởng đến kết đo độ hấp thụ quang Cho vào mẫu nước trisodium citrate để tránh tượng kết tủa Ca Mg Nếu mẫu nước chứa H2S với hàm lượng cao, cần phải loại bỏ H2S cách giảm pH xuống HCl sục khí đến khí không mùi H2S Phƣơng pháp Salicylate Nguyên lý NH3 + OCl- NH2Cl + OH- NH2Cl + OH Salicylate Fe (CN)5NO H2N COO- - + Cl- 5-amonisalicylate COO- H 2N OH OH + Nitroprusside 5-aminosalicylate COOCOON -O O Indosalicylate (màu xanh) COO- 8.7.2 Xác định NO2- Phƣơng pháp Ferrous Sulfate Nguyên lý Trong môi trường acid với tác dụng Fe(SO 4)2, NO2- chuyển thành NO (Nitrous oxide) Fe3+ liên kết với NO tạo thành phức màu nâu 2Fe2+ + 4H+ + 2NO2NO + FeSO4 2Fe3+ + 2NO + 2H2O FeSO4.NO (màu nâu) Phƣơng pháp tạo muối diazonium Nguyên lý NO2- môi trường acid mạnh hình thành HNO 2, HNO2 hình thành kết hợp với acid sulfanilique cho muối Diazonium sulfanilique Sau muối diazonium sulfanilique kết hợp với thuốc thử α-napthylammine cho α-napthylammine diazonium sulfanilique αnapthylammine diazonium sulfanilique hợp chất có màu hồng, cường độ đậm hay nhạt tùy thuộc vào hàm lượng NO2- có mẫu nước lúc ban đầu Nồng độ xác định máy so màu quang phổ bước sóng 543 nm Các chất gây nhiễu giới hạn phân tích NCl3 làm sai lệch màu đỏ phức màu Các ion sau gây kết tủa Sb3+, Au3+, Bi3+, Fe3+, Pb2+, Hg2+, Ag+, PtCl62-, VO32- Ion Cu làm giảm xúc tác phân hủy muối diazonium NO2- + HO3S + NH2 acid sulfanilique 2H+ + HO3S + NN 2H2O Diazonium sulfanilique OH OH + HO3S N N + HO3S OH α napthylammine OH N N HO3S 8.7.3 SO3H SO3H + H+ SO3H α napthylammine diazonium sulfanilique (hồng) Xác định NO3- Phƣơng pháp khử cột cadmium Nguyên lý NO3- bị khử thành NO2- qua cột cadmium (Cd), phương trình phản ứng xảy sau: NO3- + H2O + Cd ⇒ NO2- + Cd2+ + OH- NO2- hình thành xác định phương pháp so màu diazonium mô tả phần Các chất gây nhiễu giới hạn phân tích Hàm lượng vật chất lơ lửng cao làm giảm hiệu suất cột khử, lọc mẫu qua giấy lọc 0,45 µm trước cho qua cột khử Các ion kim loại Fe 2+, Cu2+ kim loại khác làm giảm hiệu suất cột khư hàm lượng đạt vài mg/L, dùng EDTA để loại trừ ảnh hưởng Dầu, mỡ mẫu nước bao quanh bề mặt hạt Cd giảm tiếp xúc mẫu nước với hạt Cd, mẫu nước cần loại dầu mỡ dung môi hữu trước cho qua cột khử Dư lượng chlorine oxy hóa Cd làm giảm hiệu suất cột khử, kiểm tra dư lượng chlorine thị DPD khử chlorine Na2S2O3 NCl3 làm sai lệch màu đỏ phức màu Các ion sau gây kết tủa Sb3+, Au3+, Bi3+, Fe3+, Pb2+, Hg2+, Ag+, PtCl62-, VO32- Ion Cu làm giảm xúc tác phân hủy muối diazonium Phƣơng pháp salicylate Nguyên lý Trong môi trường kiềm NO3- hình thành phức màu vàng anh với acid sulfanilic + NO - 3+ 2H+ Acid sulfanilic 8.7.4 Nitro-salicylate Xác định hàm lƣợng lân hoà tan PO43Phƣơng pháp Ascorbic acid Phương pháp so màu quang phổ ascorbic acid dựa nguyên tắc ammonium molydate potassium antimonyl phản ứng với PO43- tạo thành phosphomolybdate cộng với tham gia ascorbic acid khử thành hợp chất phức molydate có màu xanh hấp thu ánh sáng bước sóng 880nm 12MoO3 + H2PO4- (H2PMo12O40)Phức phosphomolybdate Phƣơng pháp Clo Thiếc (SnCl2) Nguyên lý Muối orthophosphate môi trường acid, ion PO43- phản ứng với thuốc thử Molybdate ammonium cho phức chất ammonium phosphomolybdate, màu vàng chanh PO43- + 12(NH4)2MoO4 + 24H+ = (NH4)2PO4.12MoO3 + 21NH4+ + 12H2O (Ammonium phosphomolybdate) Với diện chất khử SnCl 2, dạng ammonium phosphomolybdate bị khử thành dạng molybden blue có màu xanh Cường độ màu đậm hay nhạt phụ thuộc vào hàm lượng ion PO43- có mẫu nước lúc ban đầu (NH4)3PO4.12MoO3 + Sn2+ + 16H+ ⇒ (NH4)3PO4.(4MoO2.2MoO3)2 + Sn4+ + 8H2O Phức màu hấp thụ ánh sáng tối đa (λmax) bước sóng 690 nm Các chất gây nhiễu giới hạn phân tích SiO2 AsO43- gây nhiễu dương mẫu nước bị đun nóng Các chất AsO 43-, F-, thorium (Th), bismuth (Bi), sulfide, thiosulfate, thiocyanate gây nhiễu âm Fe 2+ gây nhiễu hàm lượng lớn 100 mg/L Cl - gây nhiễu hàm lượng lớn 75 mg/L có sử dụng HNO3 trình phân tích Hàm lượng lượng thấp phát phương pháp µg/L 8.7.5 Xác định hàm lƣợng H2S nƣớc Phƣơng pháp Methylence blue Nguyên lý Nguyên lý phương pháp dựa phản ứng hydrogen sulfide (H 2S) với FeCl3 N,N-dimethyl-p-phenylenediamine tạo nên methylene blue (màu xanh) Ammonium phosphate thêm vào sau màu để khử màu FeCl Methylene blue hấp thụ ánh sáng tối đa (λmax) bước sóng 664 nm NH2 + HCl (CH2)2N + 6FeCl3 + H2S (Dimethyl-p-phenylenediamine) N (CH2)2N S + Cl - N(CH3)2 (Methylene xanh) Các chất gây nhiễu Sulfite (SO32-) làm chậm phản ứng màu hàm lượng lớn 10 mg/L hàm lượng H2S cao Để khắc phục gây nhiễu SO 32-, tăng lượng Fe3+ tham gia phản ứng lên 2-6 lần 8.7.6 Xác định hàm lƣợng Fe2+ Phƣơng pháp Thiocyanate Nguyên lý Phương pháp dựa nguyên tắc: môi trường acid, Fe 2+ bị oxy hóa thành Fe3+ tác nhân oxy hóa thích hợp Fe 3+ hình thành Fe 3+ có sẳn mẫu nước kết hợp với ion SCN- hình thành phức chất có màu đỏ máu, cường độ màu phụ thuộc hàm lượng ion Fe3+ có mẫu nước 10 Fe2+ + 10H+ + K2S2O8 = 10 Fe3+ + K2S2O3 + 3H2O Fe3+ + 3SCN- = Fe(SCN)3 Phƣơng pháp chuẩn độ Nguyên lý Phương pháp sử dụng trường hợp hàm lượng sắt tổng môi trường nước cao Fe2+ mẫu nước bị oxi hóa thành Fe 3+, Fe3+ phát acid sulfosalicylic (tạo thành phức màu đỏ) Ta dùng dung dịch chuẩn độ EDTA (không màu) dung dịch chuyển sang màu vàng Phương trình phản ứng hóa học: Fe2+ + 3HNO3 Fe(NO3)3 + 3/2H2 OH CO2H + SO 3H SO3 H Fe3+ O H OO Fe O HO SO3H O O O OH SO3H Phƣơng pháp O-phenanthroline Nguyên lý Sắt bị khử thành dạng Fe2+ cách đun sôi với acid hydroxylamine xử lý với 1,10 phenanthroline pH 3,2 – 3,2 Ba phân tử phenanthroline tạo hợp chất cua với nguyên tử Fe2+ thành dạng phức chất có màu đỏ-cam Phức màu hấp thụ ánh sáng tối đa (λmax) bước sóng 510nm N N O-phenanthroline + Fe2+ N N N Fe N N N Màu đỏ gạch Các chất gây nhiễu giới hạn Các chất gây nhiễu phân tích gồm: chất oxy hóa, cyanide, nitrite, polyphosphate, Cr Zn (lớn 10 lần Fe), Co Cu ( lớn mg/L), Ni (lớn mg/L Bi, Cd, Hg, Mo, Ag gây kết tủa phenanthroline Đun mẫu với acid để chuyển polyphosphate thành orthophosphate loại bỏ cyanide, nitrite Xử lý hydroxylamine để loại bỏ chất oxy hóa Trong trường hợp bị nhiễu kim loại cao nên tăng thêm lượng phenanthroline phân tích Hàm lượng Fe nhỏ 10µg/L xác định máy quang phổ với độ dài truyền quang cm lớn Phƣơng pháp TPTZ Nguyên lý 2,4,6-tripyridyl-s-triazin (TPTZ) phản ứng với Fe2+ tạo thành phức màu xanh tía (bluepurple) N N N N + Fe2+ N N N N Fe N N N N N N N NN N 8.7.7 Xác định hàm lƣợng SiO2 Phƣơng pháp Molybdosilicate Trong môi trường pH từ – 4, SiO2 dẫn suất tồn dạng H 2SiO3 (Silicic acid), H2SiO3 kết hợp với (NH 4)2MoO4 (Molybdate ammonium) hình thành phức chất Molybdosilicate có màu vàng, cường độ đậm nhạt phụ thuộc vào hàm lượng H 2SiO3 có mẫu H2SiO3 + 12(NH4)2MoO4 + 24HCl H8Si(Mo2O7)6 + 24NH4Cl + 9H2O Phƣơng pháp Heteropoly blue Nguyên lý Trong môi trường pH thấp (~1) ammonium molybdate phản ứng với silic hòa tan (reactive silica) nước tạo thành molybdosilicic acid (silicomolybdic acid) màu vàng SiO2 + H2O → H2SiO3 (Silicic acid) H2SiO3 + 3H2O → H8SiO6 (silicic acid hydrate) H8SiO6 + 12(NH4)2MoO4 + 18 H2SO4 ⇒ H8[Si(Mo2O7)6] + 12 (NH4)2SO4 + 12 H2O Molybdosilicic acid bị khữ ascorbic acid aminonaphtholsulfonic acid thành heteropoly blue (màu xanh) Heteropody blue hấp thụ ánh sáng tối đa (λmax) bước sóng 815 nm Phosphate phản ứng với ammonium molybdate tạo thành phosphomolybdic acid (màu vàng) Vì vậy, phosphate có mẫu nước gây nhiễu phân tích silic Dùng oxalic acid citric acid để phá hủy phosphomolybdic acid trước khử Molybdosilicic acid thành heteropoly acid khắc phục nhiễu phosphate Giới hạn phân tích 50 µg/L với phương pháp so màu quang phổ Các chất gây nhiễu Dụng cụ thủy tinh hóa chất chứa silic gây nhiễu, nên dùng hóa chất dụng cụ có hàm lượng silic thấp Tanin, phosphate, sắt, màu, nước đục gây nhiễu, oxalic acid loại trừ nhiễu phosphate tanin Nếu cần thiết hiệu chỉnh độ hấp thụ quang mẫu nước đục có màu 8.7.8 Xác định hàm lƣợng Phenol Phƣơng pháp 4-Aminoantipyrine Trong môi trường pH = 10, với diện Fe(CN) phenol phản ứng với 4aminoantipyrine hình thành phức màu vàng ly trích trong dịch CHCl (chloroform) So màu bước sóng λ = 500nm H3C OH H3C H3C N N O H3C N NH2 4-Aminoantipyrine O N N O Phenol 8.8 Một số thiết bị phân tích quang phổ Cuvette thạch anh cm Cuvette nhựa cm Cuvet thuỷ tinh 1cm Máy so màu trường Máy so màu chùm tia Máy so mày chùm tia TÀI LIỆU THAM KHẢO APHA, AWWA, WEF 2001 Standard moethods for the examination of water and wastewater, 19th edition American Public Health Association 1015 Fifteenth Street, NW Washington, DC 20005 Gauglitz, G., Vo-Dinh, T., 2003 Handbook of Spectroscopy Wiley-VCH Verlag GmbH and Co KGaA, Weinheim ISBN 3-527-29782-0 1156 pp Harvey, D., 2000 Modern analytical chemistry McGraw-Hill Higher Education The International Edition 816 pp Laitenen, H.A., Ewing, G.W., 2003 A history of analytical chemistry The Division of Analytical Chemistry of the American Chemical Society: Washington, D.C pp 103– 243 Lykos, P., 1992 The Beer–Lambert Law Revisited: A development without calculus J Chem Educ 69, 730-732 ... sáng trắng Quan hệ màu tia bị hấp thụ màu chất hấp thụ (các màu phụ nhau) ghi bảng sau: Bảng 8.3 Quan hệ màu tia bị hấp thụ màu chất hấp thụ Tia bị hấp thụ Màu chất hấp thụ λ (nm) Màu (màu tia lại)... Một chất có màu, thí dụ màu đỏ chẳng hạn hấp thụ chọn lọc vùng khả kiến theo kiểu sau: - Chất hấp thụ tia phụ tia đỏ (tức hấp thụ tia màu lục) - Chất hấp thụ tia trừ tia màu đỏ - Chất hấp thụ. .. ngoại gần Một chất hấp thụ hoàn toàn tất tia ánh sáng ta thấy chất có màu đen Nếu hấp thụ xảy khoảng vùng khả kiến xạ khoảng lại đến mắt ta gây cho ta cảm giác màu Chẳng hạn chất hấp thụ tia màu