Bài giảng phân tích công cụ (full)

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

HÓA HỌC PHÂN TÍCH CÔNG CỤ

Chương 1 MỞ ĐẦU PHÂN TÍCH CÔNG CỤ 1.1 Bản chất của phân tích công cụ:

- 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…

ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT

Nguyên tắc: Là các phương pháp phân tích dựa trên việc đo cường độ của đại lượng vật lý có liên quan đến nồng độ của cấu tử cần phân tích (hấp thụ ánh sáng, thế dung dịch,…)

1.2 Ƣu, nhƣợc điểm Khả năng 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 và vết

- Độ chọn lọc cao  Phân tích được các 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 năng ứng dụng:

b) Nhƣợc điểm:

- Thiết bị đắt tiền, có thiết bị hàng tỉ đồng

- Người phân tích cần có trình độ chuyên môn cao

c) Ứng dụng: Ứng dụng rộng rãi trong 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,…)

1.3 Phân loại các phương pháp phân tích công cụ:

1.3.1 Phương pháp phân tích quang học (spectroscopy):

Là các phương pháp phân tích dựa trên sự tương tác giữa bức xạ điện từ (ánh sáng) và vật chất (nguyên tử, phân tử) Có 3

dạng tương tác chính: hấp thụ, phát xạ và huỳnh quang

Các PP quang học tương ứng: Quang phổ hấp thụ

(absorption), phát xạ (emission), huỳnh quang (fluorescence)

1.3.2 Phương pháp phân tích điện hóa:

Là các phương pháp phân tích liên quan đến điện hóa, gồm:

- Phân tích điện thế

- Phân tích điện phân, điện lượng

- Phân tích cực phổ von - ampe

- Phân tích điện di, điện dẫn

1.3.3 Phương pháp chiết tách, phân chia:

Là phương pháp tách chất dựa trên khả năng phân bố/hấp

phụ khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp phân tích giữa hai pha không trộn lẫn (pha tĩnh, pha động) – gồm chiết và sắc ký

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ UV-VIS (PP TRẮC QUANG – SO MÀU)

Như vậy các dạng bức xạ điện từ khác nhau sẽ có năng lượng khác nhau, tỉ lệ nghịch với chiều dài bước sóng

2.1 Bản chất của bức xạ điện từ (ánh sáng)

- Để đo bước sóng  của ánh sáng (Vis, UV, IR…) và các

bức xạ có năng lượng lớn người ta thường dùng các đơn vị

nm, A o

- Đơn vị của tần số  là s -1, Hz (Hertz) và các bội số

- Đơn vị của năng lượng E là 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

2.2 Các hiện tƣợng cơ bản của bức xạ điện từ

a) Hiện tượng hấp thụ:

Nếu chiếu một chùm bức xạ điện từ vào mẫu hoá học thì có thể mẫu sẽ hấp thụ một phần của bức xạ, và chuyển từ trạng thái cơ bản (G) sang trạng thái kích thích (E)

- Năng lượng bức xạ h = E (giữa E và G)

2.2 Các hiện tƣợng cơ bản của bức xạ điện từ

b) Hiện tượng phát xạ:

Các cấu tử trong mẫu có thể được kích thích bởi các dạng năng lượng nhiệt, năng lượng điện và các dạng khác (các dạng không bức xạ) Nếu cấu tử bị kích thích trở về trạng thái cơ bản bằng cách giải phóng năng lượng dưới dạng bức

xạ điện từ thì quá trình đó gọi là hiện tượng phát xạ

ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT

2.2 Các hiện tƣợng cơ bản của bức xạ điện từ

c) Hiện tượng huỳnh quang:

Khi các cấu tử hấp thụ một năng

lượng bức xạ thì sẽ chuyển lên trạng

thái kích thích (E)

Để chuyển về trạng thái cơ bản (G),

cấu tử bị kích thích cần giải phóng

năng lượng bằng nhiều cách như:

chuyển sang năng lượng nhiệt, năng

lượng điện hoặc bức xạ ở dạng bức

xạ điện từ, gọi là bức xạ huỳnh quang

Ta có Eht > E hq  ht < hq

Tia bị hấp thụ Bước sóng

(nm)

Màu của chất hấp thụ (màu bổ sung)

2.3 Bức xạ hấp thụ UV – Vis và màu sắc dung dịch:

ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT

2.3 Bức xạ hấp thụ UV – Vis và màu sắc dung dịch:

2.4 Các định luật đo quang UV-Vis

a) Độ truyền quang T

b) Mật độ quang:

c) Quan hệ giữa A và T:

A = - lgT  T = 10 -A

d) Định luật Bouguer – Lambert (1729):

A = k.b (với b là bề dày dung dịch)

Thứ nguyên của hệ số hấp thụ (  )

* Các yếu tố ảnh hưởng đến : 2 yếu tố quan trọng

- Bản chất phân tử chất hấp thụ (cấu trúc electron phân tử)

- Bước sóng của bức xạ bị hấp thụ (λ): sự hấp thụ ánh sáng mang tính chọn lọc Đồ thị biểu diễn  = f (λ) được gọi là phổ hấp thụ ánh sáng của phân tử chất hấp thụ

Ngoài ra  còn phụ thuộc bản chất dung môi, nhiệt độ…nhưng

không phụ thuộc vào nồng độ chất hấp thụ

2.5 Các nguyên nhân làm sai lệch định luật Beer:

Mật độ quang A phụ thuộc nhiều yếu tố: , b, C… Trong thực

hành phân tích trắc quang, có nhiều trường hợp có sự lệch khỏi định luật Beer, tức là không có sự tuyến tính của A và C Các nguyên nhân gây ra sự sai lệch đó gồm:

- Hiệu ứng ion lạ

- Hiệu ứng solvat hóa

- Hiệu ứng liên hợp, polime hóa

- Ánh sáng không đơn sắc (có nhiều  khác nhau)

- Ảnh hưởng của pH

- Ảnh hưởng của sự pha loãng

2.6 Phổ hấp thụ UV – Vis:

2.6.1 Cách biểu diễn phổ hấp thụ:

Phổ hấp thụ của các phức màu thường được biểu diễn dưới dạng A = f() (thông dụng) hoặc lg = f()

Giá trị  tại đó Amax được gọi là max (Xem lại)

ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT

2.6.2 Sự xen kẽ hai phổ hấp thụ Điểm đẳng quang

Trong phân tích trắc quang thường gặp các hệ hai cấu

tử màu, ví dụ:

- Hệ gồm 1 thuốc thử hữu cơ HiR và phức của nó với 1 ion

kim loại MRn Thuốc thử và phức thường có màu khác nhau:

M n+ + H i R  MR n + iH +

- Hệ chứa chất chỉ thị pH HInd có dạng axit và dạng base liên

hợp có màu khác nhau: HInd  H + + Ind -

- Khi thay đổi pH hoặc nồng độ thuốc thử có sự thay đổi

2.6.3 Đo mật độ quang khi hệ có 2 cấu tử màu

Trong phân tích trắc quang thường nghiên cứu phản ứng: M n+ + HR  MR + H +  có xen phủ phổ

Vì vậy cần tìm bước sóng tối ưu tƣ (có thể tư  max)

để đo mật độ quang của dung dịch màu, giảm thiểu tối đa sự hấp thụ của thuốc thử Thông thường người ta chọn tư ứng với Amax

ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT

2.6.4 Các tiêu chuẩn của một thuốc thử hữu cơ dùng trong phân tích trắc quang

+ max = |MR - HR|  80nm + Tại tư:  = |MR - HR| càng lớn càng tốt

+ Tỉ lệ MR/HR  2 lần, càng lớn càng tốt

2.6.5 Phương pháp nghiên cứu phức màu:

Phức màu trong phân tích trắc quang cần thỏa mãn:

- Độ bền cao để pứ tạo phức hoàn toàn (Kpứ lớn)

- Phức có thành phần không đổi

- Hệ số hấp thụ mol càng lớn càng tốt

2.6.5 Phương pháp nghiên cứu phức màu:

Việc nghiên cứu phức màu gồm các bước:

1 Nghiên cứu hiệu ứng tạo phức: Chụp phổ hấp thụ của

thuốc thử và phức màu

2 Nghiên cứu các điều kiện tối ưu về thời gian, nhiệt độ, pH,

lực ion, thứ tự tạo phức, nồng độ thuốc thử và ion kim loại

3 Khảo sát khoảng nồng độ tuân theo định luật Beer

4 Khảo sát khả năng chiết phức màu bằng các dung môi hữu

cơ

ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT

2.6.5 Phương pháp nghiên cứu phức màu:

5 Xác định thành phần phức theo các phương pháp độc lập

6 Xác định các tham số định lượng của phức như hệ số , hằng số cân bằng KCB, hằng số bền …

7 Nghiên cứu các nguyên tố cản trở phép phân tích

8 Xây dựng đường chuẩn A = f(C) = a + bC

9 Xác định nguyên tố trong mẫu nhân tạo (mẫu giả)

10 Xác định nguyên tố trong mẫu thật (mâu phân tích)

2.7 Các phép đo quang định lƣợng vùng UV-Vis: 2.7.1 Máy đo quang UV – Vis :

a) Phân loại máy đo quang UV – Vis: Có 2 loại

- Máy 1 chùm sáng (single beam) – CLIP 1

- Máy 2 chùm sáng (dual beam) – CLIP 2

ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT

b) Thiết bị trong máy đo quang UV – Vis:

- Nguồn bức xạ: Cung cấp bức xạ tương thích với quá trình

đo, là chùm bức xạ đa sắc, bao trùm một khoảng rộng của phổ

+ Đèn tungsten (W): Bước sóng 380–1000 nm (Vis + IR) + Đèn deuterium (D2): Bước sóng 160 – 380 nm (UV) + Đèn xenon (Xe): 190 – 1100 nm (UV + Vis + IR)

- Bộ đơn sắc: Là thiết bị tạo bức xạ đơn sắc Có 2 thiết bị phổ biến là lăng kính (tách ánh sáng do khúc xạ - xem vật lý lớp 11)

và cách tử (phản xạ ánh sáng bằng nhiều khe rất nhỏ, khoảng

300 – 2000 khe/mm)

ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT

b) Thiết bị trong máy đo quang UV – Vis:

- Cuvet : Là bộ phận chưa mẫu, thường được làm bằng nhựa,

thủy tinh (có chữ G – rẻ tiền) hoặc thạch anh (chữ Q – đắt tiền)

- Tế bào quang điện (detectors): Là bộ phận cảm nhận bức

xạ điện từ và chuyển chúng thành dòng điện

- Bộ khuếch đại tín hiệu: Là bộ phận khuếch đại tín hiệu và loại

bỏ nhiễu

- Bộ ghi nhận tín hiệu: Máy tính kết nối với máy UV – Vis

Cuvet thạch anh

bề dày 1cm

Cuvet thạch anh

bề dày 5cm Cuvet thủy tinh bề dày 1cm

Cuvet nhựa, bề dày 1cm

Các loại cuvet,

có bề dày khác nhau

ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT

ở các điều kiện tối ưu như nhau (thời gian, pH, lực ion…)

+ Đo mật độ quang của 2 dung dịch trên  ATC, Ax

Ta có: ATC = .b.CTC (1) Ax = .b.Cx (2)

Từ (1) và (2)  C x = C TC A x /A TC

có độ chính xác cần tìm C  C

b) Phương pháp đường chuẩn:

phân tích tăng dần, còn các điều kiện khác (pH, lực ion, dung môi…) như nhau Đo mật độ quang của dãy dung dịch chuẩn:

phép phân tích hàng loạt mẫu, kết quả phân tích nhanh

Việc xử lý toán học thống kê có thể được thực hiện máy tay, máy tính casio hoặc sử dụng các phần mềm chuyên dụng như Origin hay MS-Excel của MS-Office

ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT

c) Phương pháp thêm chuẩn (pha loãng về cùng V) :

+ Cho cùng một lượng (V x) ddpt (Cx) vào 2 BĐM 1 – 2

+ Thêm vào bình 2 một lượng (V S) dd chuẩn của chất phân tích (Cs đã biết)

+ Thực hiện phản ứng tạo phức trong cả 2 bình với các điều kiện tối ưu như nhau, rồi định mức đến vạch

+ Đo mật độ quang của 2 dung dịch Theo định luật Beer và định luật cộng tính ta có:

Ax = bCx (1) As = b(Cx + CS) (2)

Từ (1), (2) ta có: Ax / AS = Cx / (Cx + CS)  Cx

tích kể cả khi có mặt các ion cản trở, do thành phần 2 dung dịch chỉ khác nhau về nồng độ chất phân tích

ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT

d1) Phương pháp vi sai nồng độ lớn:

- Nội dung:

+ Chuẩn bị 3 dung dịch phức màu: 2 d/dịch chuẩn (C1 < C2) và ddpt (Cx > C1) ở cùng các điều kiện tối ưu Coi C1 là mẫu so sánh

+ Đo MĐQ của dd C2 so với C1: AS = b(C2 – C1) (1)

+ Đo MĐQ của ddpt Cx so với C1: Ax = b(Cx – C1) (2)

Từ (1), (2) ta có: AS / Ax = (C2 – C1) / (Cx – C1)  C x

d2) Phương pháp vi sai nồng độ bé:

- Nội dung:

+ Chuẩn bị 3 dung dịch phức màu: 2 d/dịch chuẩn (Co << C1) và ddpt (Cx << C1) ở cùng các điều kiện tối ưu Dd C1 phải nằm trong khoảng tuân theo định luật Beer

+ Đo MĐQ của dd C1 so với Co: AS = b(C1 – Co) (1)

+ Đo MĐQ của dd C1 so với Cx: Ax = b(C1 – Cx) (2)

Từ (1), (2) ta có: AS / Ax = (C1 – Co) / (C1 – Cx)  C x

ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT

2.8 Ứng dụng phép đo quang vùng UV – Vis:

2.8 Ứng dụng phép đo quang vùng UV – Vis: 2.8.2 Xác định thành phần phức

a) Phương pháp tỉ số mol (đường cong bão hòa)

b) Phương pháp hệ đồng phân tử gam

c) Phương pháp Staric – Bacbanel (tự nghiên cứu)

2.8.3 Xác định xác tham số ,  (tự nghiên cứu)

a) Xác định ,  theo phương pháp tỉ sổ mol

b) Xác định ,  theo phương pháp hệ đồng phân tử gam

c) Xác định ,  theo phương pháp Komar

ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ

HẤP THỤ NGUYÊN TỬ (AAS)

2.1 Nguyên tắc:

Dựa trên hiện tượng hấp thụ bức xạ của các nguyên tử

- Định tính: Dựa vào tần số, bước sóng bức xạ bị hấp thụ

- Định lượng: Dựa vào sự phụ thuộc của cường độ hấp thụ (A) vào nồng độ nguyên tử trong mẫu đo (C) :

A = - lg (Il / I 0 ) = k.a.C

I0, Il : cường độ tia tới và tia ló

k : hệ số hấp thụ (phụ thuộc bản chất nguyên tử hấp thụ)

3.3 Sơ đồ cấu tạo thiết bị AAS – Nguyên lý hoạt động :

 Các kỹ thuật AAS :

 Quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS): nguyên tử hóa ở 2000 – 30000C  Phân tích Cd, Pb

 Kỹ thuật lò graphite (GF-AAS): nhiệt độ nguyên tử hóa 30000C

 phân tích các chất bền nhiệt (Fe, Mn, Cr, Ni )

 Kỹ thuật hóa hơi lạnh (CV-AAS / HG-AAS): hydride hóa các ion kim loại  hóa hơi ở nhiệt độ thường  phân tích các nguyên tố

dễ bay hơi (Hg, Sb, As, Se, Bi, Te, Zn, )

ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT

Chương 4 MỞ ĐẦU VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐIỆN HÓA 4.1 Một số khái niệm:

- Phản ứng oxi hóa – khử hóa học: Là phản ứng mà sự trao

đổi electron xảy ra trực tiếp giữa chất oxi hóa và chất khử

- Phản ứng điện hóa: Là phản ứng oxi hóa – khử có sự trao

đổi electron trên bề mặt điện cực, thông qua dây dẫn

+ Điện cực xảy ra quá trình oxi hóa được gọi là anot

+ Điện cực xảy ra quá trình khử được gọi là catot

- Thế điện cực: là sức điện động của một nguyên tố gồm điện

cực nghiên cứu và điện cực hidro tiêu chuẩn như sau

H 2 (Pt) | H+ || M n+ | M

- Phương trình Nersnt: Biểu diễn sự phụ thuộc thế điện cực vào nồng độ chất oxi hóa – khử

 

4.2 Các loại điện cực:

Để đo sức điện đôgj của một pin cần phải có 1 điện cực chỉ thị

làm việc thuận nghịch với ion cần xác định và 1 điện cực so sánh có thế không đổi đã được xác định chính xác

a) Điện cực so sánh (E = const) :

Các điện cực dùng làm điện cực so sánh phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Phản ứng điện cực quyết định thế phải thuận nghịch

- Điện cực phải rất ít bị phân cực, tức là thế rất ít thay đổi khi

có dòng điện chạy qua

- Phải có độ lặp lại cao và có thể ổn định khi bảo quản lây dài,

cùng như khi làm việc ở nhiều điều kiện khác nhau

Một số điện cực so sánh thường dùng: Điện cực calomen (

(Pt)Hg, Hg2Cl2 | KCl); Điện cực Ag, AgCl (Ag, AgCl | KCl/NaCl)

ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT

4.2 Các loại điện cực:

b) Điện cực chỉ thị:

Điện cực chỉ thị là điện cực làm việc thuận nghịch với ion cần xác định, phải thỏa mãn 3 yêu cầu sau:

- Điện cực phải thuận nghịch

- Thế phải thiết lập nhanh, có độ lặp lại cao

- Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng

Điện cực chỉ thị được chia thành 4 loại:

- Điện cực trơ: Là điện cực đóng vai trò dây dẫn, làm nhiệm

vụ chuyển electron, không tham gia phản ứng điện hóa

- Điện cực chỉ thị axit – base: Là các điện cực làm việc thuận nghịch với ion H+ Thường dùng:

+ Điện cực hidro (Pt)H2 | H+ với o = 0,0 V   = - 0,059pH

+ Điện cực quinhidron (Pt)Q,H2Q | H+ với [Q] = [H2Q], o = 0,6994V   = o – 0,059pH

- Điện cực kim loại: Là điện cực làm việc thuận nghịch với cation kim loại (M | Mn+), có thể dưới dạng hỗn hống

- Điện cực màng chọn lọc ion: gồm điện cực màng lỏng, điện

cực màng rắn và dị thể; Điện cực thủy tinh (TT | H+/M+)

./

ThS Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT

CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH ĐIỆN THẾ

5.1 Đặc điểm chung về phân tích điện thế:

- Phân tích điện thế là phương pháp xác định nồng độ các ion dựa vào sự thay đổi thế điện cực khi nhúng vào dung dịch phân tích Tại điểm tương đương xảy ra sự thay đổi đột ngột thế của điện cực chỉ thị

- Để tiến hành phương pháp phân tích điện thế, bao giờ cũng dùng mạch pin:

Điện cực chỉ thị | DDPT || Điện cực so sánh

- Điều kiện để áp dụng phương pháp phân tích điện thế:

+ Phản ứng phải xảy ra nhanh, hoàn toàn

+ Phải có cấu tử tham gia phản ứng điện cực (X, R hoặc Z) + Để xác định điểm tương đương, ta dựa vào số liệu đo điện thế của dung dịch trong quá trình chuẩn độ rồi xây dựng đồ thị