Phân tích công cụ là các phương pháp phân tích được đặc trưng bằng máy móc, thiết bị hiện đại, đắt tiền được áp dụng rộng rãi, hiệu quả cao trong nhiều ngành khoa học, kỹ thuật phân tích môi trường, đánh giá chất lượng sản phẩm… Phân tích công cụ là các phương pháp để nghiên cứu cấu trúc, xác định nhanh hàm lượng vết, siêu vết (cỡ ppm, ppb), liên kết hóa học…
Bài giảng HĨA HỌC PHÂN TÍCH CƠNG CỤ ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT Chương MỞ ĐẦU PHÂN TÍCH CƠNG CỤ 1.1 Bản chất phân tích cơng cụ: - Phân tích cơng cụ phương pháp phân tích đặc trưng máy móc, thiết bị đại, đắt tiền áp dụng rộng rãi, hiệu cao nhiều ngành khoa học, kỹ thuật phân tích mơi trường, đánh giá chất lượng sản phẩm… - Phân tích cơng cụ phương pháp để nghiên cứu cấu trúc, xác định nhanh hàm lượng vết, siêu vết (cỡ ppm, ppb), liên kết hóa học… ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT Nguyên tắc: Là phương pháp phân tích dựa việc đo cường độ đại lượng vật lý có liên quan đến nồng độ cấu tử cần phân tích (hấp thụ ánh sáng, dung dịch,…) ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 1.2 Ƣu, nhƣợc điểm Khả ứng dụng: a) Ƣu điểm: - Chính xác độ tin cậy cao - Độ nhạy cao lượng mẫu phân tích nhỏ phân tích cấu tử vi lượng vết - Độ chọn lọc cao Phân tích mẫu có thành phần phức tạp - Nhanh (tự động hóa) phân tích hàng loạt mẫu ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 1.2 Ƣu, nhƣợc điểm Khả ứng dụng: b) Nhƣợc điểm: - Thiết bị đắt tiền, có thiết bị hàng tỉ đồng - Người phân tích cần có trình độ chun mơn cao c) Ứng dụng: Ứng dụng rộng rãi phân tích cấu tử vi lượng hay cấu tử vết (phân tích thực phẩm, dược phẩm, môi trường, xét nghiệm y khoa, nghiên cứu khoa học,…) ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 1.3 Phân loại phƣơng pháp phân tích cơng cụ: 1.3.1 Phƣơng pháp phân tích quang học (spectroscopy): Là phương pháp phân tích dựa tương tác xạ điện từ (ánh sáng) vật chất (ngun tử, phân tử) Có dạng tương tác chính: hấp thụ, phát xạ huỳnh quang Các PP quang học tương ứng: Quang phổ hấp thụ (absorption), phát xạ (emission), huỳnh quang (fluorescence) E* + h - h E0 Sự phát xạ : E = E* - E0 = h Sự hấp thụ : E = E* - E0 = h ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 1.3.2 Phƣơng pháp phân tích điện hóa: Là phương pháp phân tích liên quan đến điện hóa, gồm: - Phân tích điện - Phân tích điện phân, điện lượng - Phân tích cực phổ von - ampe - Phân tích điện di, điện dẫn 1.3.3 Phƣơng pháp chiết tách, phân chia: Là phương pháp tách chất dựa khả phân bố/hấp phụ khác cấu tử hỗn hợp phân tích hai pha không trộn lẫn (pha tĩnh, pha động) – gồm chiết sắc ký ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ UV-VIS (PP TRẮC QUANG – SO MÀU) 2.1 Bản chất xạ điện từ (ánh sáng): Bức xạ điện từ bao gồm: ánh sáng nhìn thấy (visible), tia tử ngoại (UV), hồng ngoại (IR), tia Rơnghen (tia X), tia gamma (tia ), vi sóng, sóng radio… ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 2.1 Bản chất xạ điện từ (ánh sáng) Năng lượng xạ phụ thuộc vào tần số xạ biểu diễn theo công thức: E = h = hc/ Với h số Plank (6,625.10-34 J.s); tần số (s-1; Hz); c vận tốc ánh sáng (3.108 m/s); bước sóng, thường đo nm; Như dạng xạ điện từ khác có lượng khác nhau, tỉ lệ nghịch với chiều dài bước sóng ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 2.1 Bản chất xạ điện từ (ánh sáng) - Để đo bước sóng ánh sáng (Vis, UV, IR…) xạ có lượng lớn người ta thường dùng đơn vị nm, Ao - Đơn vị tần số s-1, Hz (Hertz) bội số - Đơn vị lượng E J/phân tử; ec/phân tử; J/mol; kcal/mol; eV; cm-1… với 1J = 107 ec; 1eV = 1,602.10-19J ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 8.4.2 Chiết phức chelat: - Nhiều thuốc thử hữu tạp phức chelat với ion kim loại PAN, PAR, XO Các phức chelat thường tan dung môi hữu CCl4, CHCl3, C6H6, C6H12, CS2, ete, ancol nên chuyển ion kim loại vào pha hữu - Oxin (8-oxiquinolin) dithizon hai thuốc thử dùng nhiều để tách ion kim loại cách chiết phức chelat hầu hết phức tan tốt CHCl3, CCl4 M2++ 2HQ(CCl4) MQ2 (CCl4) + 2H+ Ta thấy, cân phục thuộc vào pH, điều chỉnh pH ta tách phức MQn hay M(Dz)n khác ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ 9.1 Định nghĩa sắc ký: Sắc ký trình tách chất dựa phân bố liên tục cấu tử chất phân tích lên pha: - Pha tĩnh: Thường đứng cố định, có khả hấp thụ cấu tử chất phân tích - Pha động: dung môi hữu di chuyển qua pha tĩnh Do cấu tử chất phân tích có lực khác với pha tĩnh, chúng di chuyển với tốc độ khác nhau, từ tách khỏi ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 9.2 Các phương pháp thực tách sắc ký: 9.2.1 Phân tích rửa giải: - - - Nạp cột sắc ký chất mang thích hợp (pha tĩnh), ví dụ silicagen; xenlulozơ, Al2O3, nhựa trao đổi ion Sau bão hòa chất mang nước cho dung dịch phân tích chứa cấu tử A, B, C khác Giả sử khả hấp phụ theo thứ tự A > B > C, cấu tử phân bố cột từ xuống theo thứ tự A, B, C Sau rửa cột dung mơi thích hợp S, dung mơi S chuyển dịch đẩy C, B, A khỏi cột Trong dung dịch nước rửa đầu thu C, đến B, A Dung môi S’ gọi chất rửa giải ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 9.2.2 Phân tích tiền lưu: - Rửa cột dung môi S tinh khiết Sau cho dung dịch phân tích chứa cấu tử A, B (khả hấp phụ A >B) chảy qua cột hứng phần dung dịch chảy khỏi cột - Đầu tiên ta có dung mơi S nguyên chất khỏi cột, sau đến cấu tử hấp phụ (B) Khi khỏi cột bão hòa cột Khi cột bão hòa cấu tử A dung dịch chảy có B lẫn A - Phương pháp tiền lưu cho phép tách cấu tử hấp phụ với độ tinh khiết cao Ưu điểm nông độ chất thu không bị giảm sau qua cột (khơng bị pha lỗng) ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 9.2.3 Phân tích đẩy: - Cho dung dịch phân tích chứa cấu tử A, B (khả hấp phụ A > B) chảy qua cột, sau cho dung dịch chứa chất D có khả hấp phụ mạnh A B Chất D đẩy A, A đẩy B khỏi cột Các chất A, B chuyển dịch dọc theo cột với tốc độ tốc độ chất đẩy D tách dần khỏi - Nước rửa thu chất B đầu tiên, sau đến chất A, cuối chất đẩy D Mức độ phân tách phụ thuộc vào điều kiện thực nghiệm ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 9.3 Phân loại phương pháp sắc ký: - Dựa trạng thái tập hợp hệ cần tiến hành (hệ pha), ta có: sắc ký khí; sắc ký lỏng; sắc ký phẳng (giấy ) - Dựa hình thức tiến hành sắc ký: sắc ký bề mặt (giấy, mỏng); sắc ký cột; sắc ký mao quản - Dựa chế tách (tức dựa đặc điểm tương tác cấu tử với pha động, pha tĩnh), chia thành loại: sắc ký hấp phụ; sắc ký phân bố; sắc ký trao đổi ion; sắc ký rây phân tử (quan trọng nhất) ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 9.3.1 Sắc ký hấp phụ: - Sắc ký hấp phụ phương pháp sắc ký dựa sở phân bố chất phân tích pha tĩnh pha động nhờ lực tương tác phân tử (lực Van der Waals) thông qua trung tâm hấp phụ pha tĩnh - Pha tĩnh chất rắn lỏng có diện tích bề mặt lớn, bền vững mặt hóa học Chúng hấp phụ chất phân tích bề mặt chúng mức độ khác cho pha động chứa chất phân tích tiếp xúc với chúng ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 9.3.2 Sắc ký phân bố lỏng – lỏng: - Sắc ký phân bố lỏng – lỏng có pha tĩnh chất lỏng, pha động chất lỏng, phân bố chất phân tích chất lỏng giống q trình chiết - Sắc ký phân bố lỏng – lỏng có đường đẳng nhiệt có đường tuyến tính khoảng nhiệt độ lớn, có độ nhạy cao có nhược điểm pha tĩnh khơng bền vững, có tượng pha tĩnh bị trôi làm cho độ lặp lại bị giảm ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 9.3.3 Sắc ký ion: Sắc ký trao đổi ion thường có pha tĩnh chất rắn có khả trao đổi ion Chất có khả trao đổi cation / anion gọi cationit / anionit - Lực liên kết ion chất phân tích pha tĩnh chủ yếu lực liên kết tĩnh điện, phụ thuộc nhiều vào điện tích ion chất phân tích, pH dung dịch bán kinh hidrat hóa ion chất phân tích Ví dụ 1: Phản ứng trao đổi cationit axit mạnh Ca2+: 2R-SO3H + Ca2+ (R-SO3)2Ca + 2H+ Ví dụ 2: Phản ứng trao đổi anionit axit mạnh Cl-: R4N+OH- + Cl- R4N+Cl- + 2OH- Pha tĩnh dùng sắc ký trao đổi ion ionit tổng hợp từ hợp chất hữu silicagen biến tính - ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 9.3.4 Sắc ký rây phân tử: - - - Sắc ký rây phân tử có pha tĩnh chất rắn có diện tích bề mặt lớn, có đường lòng chất rắn, gọi mao quản có kích thước cỡ phân tử Các phân tử chất phân tích thấm vào chất rắn mức độ khác tùy theo kích thước chúng Các phân tử chất phân tích có kích thước lớn khơng thể sâu vào pha tĩnh được, bị rửa giải nhanh Còn phân tử chất phân tích có kích thước nhỏ phân bố sâu vào pha tĩnh bị rửa giải chậm Thời gian lưu chất tỉ lệ nghịch với kích thước phân tử chúng Tuy nhiên, chất phân tích có tương tác khác với pha tĩnh Như vậy, phép sắc ký tách theo hay nhiều chế khác ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 9.4 Sắc ký trao đổi ion: 9.4.1 Cấu tạo nhựa trao đổi ion (ionit) - Lúc đầu người ta dùng silicat tự nhiên (zeolit), sau sử dụng silicat tổng hợp (các permutit chứa Na2CO3 + SiO2 + Al2O3) Tuy nhiên, ionit có nhiều nhược điểm độ bền học hóa học kém, dung lượng trao đổi thấp - Hiện nay, chủ yếu người ta sử dụng chất nhựa trao đôi ion Nền ionit phenol, andehit, complexon, sunfonic, axit poli cacboxylic, amoni bậc ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 9.4.2 Phân loại ionit: a) Ionit loại 1: ionit thể tính chất axit mạnh (cationit) base mạnh (anionit) - Cationit: Dowex 50 (Mỹ); Amberlite IR-200 (Anh); Wofatit KPS (Đức) - Anionit: Dowex (Mỹ); Amberlite IRA-400 (Anh); Wofatit SBR (Đức) b) Ionit loại 2: ionit thể tính chất axit yếu (cationit) base yếu (anionit) - Cationit: Amberlite IRC-50 (chứa nhóm -COOH; -OH); Wofatit CP (chứa nhóm –COOH) - Anionit: Amberlite IR-4B (chứa nhóm =NH; -NH2); Wofatit AD-40 (chứa nhóm ≡N; =NH) c) Ionit loại 3: ionit thể tính chất hỗn hợp đa axit – base yếu (có nhiều Ka, Kb khác nhau) Vì hấp dung ionit thay đổi liên tục ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 9.4.3 Tính chất nhựa ionit: a) Tính trương nhựa ionit: - Khi cho nhựa ionit tiếp xúc với nước, chúng trương lên ngậm nước vào lỗ xốp nhựa - Độ xốp nhựa phụ thuộc vào thành phần làm cầu nối mạch polime dài với tạo nên cấu trúc không gian phụ thuộc vào chất nhóm chức khung b) Tính chọn lọc nhựa ionit: - Tính chọn lọc nhựa ionit biểu lực nhựa với ion Nhựa ionit trao đổi với ion dễ ion dung dịch Ái lực tương đối ion với nhựa tùy thuộc chất nhựa ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 9.4.4 Ứng dụng sắc ký trao đổi ion: a) Tách xác định chất có đặc tính ion: - Tách sở sử dụng tính chất khác chất phân tích điện tích ion (tỉ lệ thuận), bán kính ion (tỉ lệ nghịch), khả tạo phức - Tách sở thay đổi điện tích ion có hỗn hợp chất phân tích - Phương pháp đơn giản để tách ion cho hấp phụ cấu tử hỗn hợp ionit, sau tiến hành rửa giải cấu tử dung mơi thích hợp ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT 9.4.4 Ứng dụng sắc ký trao đổi ion: b) Xác định nồng độ dung dịch: - Một ứng dụng quan trọng sắc ký trao đổi ion xác định nồng độ dung dịch, thông qua việc xác định nồng độ H+ giải phóng q trình trao đổi ion Ví dụ: R-SO3H + Na+ R-SO3Na + H+ c) Điều chế chất tinh khiết: - Điều chế dung dịch axit – base chuẩn từ muối tinh khiết (dùng NaCl làm chất chuẩn chuẩn độ axit – base) - Điều chế nước cất hóa chất tinh khiết - Loại tạp chất kim loại khỏi dung dịch Ví dụ: Điều chế NaOH, H2SO4 cách điện phân dung dịch Na2SO4 ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT ... 1.3.2 Phƣơng pháp phân tích điện hóa: Là phương pháp phân tích liên quan đến điện hóa, gồm: - Phân tích điện - Phân tích điện phân, điện lượng - Phân tích cực phổ von - ampe - Phân tích điện di,...Chương MỞ ĐẦU PHÂN TÍCH CƠNG CỤ 1.1 Bản chất phân tích cơng cụ: - Phân tích cơng cụ phương pháp phân tích đặc trưng máy móc, thiết bị đại, đắt tiền áp dụng... ĐHĐT 1.3 Phân loại phƣơng pháp phân tích cơng cụ: 1.3.1 Phƣơng pháp phân tích quang học (spectroscopy): Là phương pháp phân tích dựa tương tác xạ điện từ (ánh sáng) vật chất (nguyên tử, phân tử)