Bài giảng quang phổ UVVIS đầy đủ

Định luật Bugher – Lambert – Beer Bây giờ ta có thể áp dụng dễ dàng định luật Beer vào việc xác định nồng độ các chất tan bằng cách đo độ hấp thu A của chúng. Hệ số hấp thụ phân tử gam  đặc trưng cho bản chất hấp thụ ánh sáng và không phụ thuộc vào thể tích dung dịch, bề dày lớp dung dịch và chỉ phụ thuộc vào  của dòng sáng tới (I0). Do đó đại lượng  thường được coi là tiêu chuẩn khách quan quan trọng nhất để đánh giá độ nhạy của phép định lượng trắc quang,  =f(). Thứ nguyên của : Ta có: Mối quan hệ giữa A, b, C, λ Nếu đo độ hấp thu quang của một loạt dung dịch bằng một dòng sáng đơn sắc (tại một giá trị ) thì A = f(b,C) là hàm bậc nhất, đường biểu diễn là một đường thẳng, còn đường T = f(C) là một đường cong. Vì vậy trong phân tích trắc quang chỉ dùng đường A = f(C) mà không dùng T = F(C). Đường cong biểu diễn A = f(λ) gọi là phổ hấp thụ. Bề rộng của phổ hấp thụ càng lớn việc phân tích hỗn hợp nhiều chất màu càng khó dẫn đến sự xen lấn, chồng phổ ảnh hưởng đến phân tích.

CÁC PHƯƠNG PHÁP

PHÂN TÍCH QUANG

Định nghĩa – Nguyên tắc

Phân tích trắc quang là tên gọi chung của các phương pháp phân tích quang học dựa trên sự tương tác chọn lọc giữa chất cần xác định với năng lượng bức xạ thuộc vùng tử ngoại, khả kiến hoặc hồng ngoại.

Nguyên tắc của phương pháp trắc quang là dựa vào lượng ánh sáng đã bị hấp thu bởi chất hấp thu để tính hàm lượng của chất hấp thu.

c

CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG

PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC

Đặc trưng năng lượng của miền phổ

CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC

Đặc trưng năng lượng của miền phổ

Ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn 200nm, bị hấp thu bởi oxi không khí, hơi nước và nhiều chất khác, vì vậy chỉ có thể đo quang ở bước sóng nhỏ hơn 200 nm bằng máy chân không.

Ánh sáng có bước sóng từ 200 – 400 nm, được gọi là ánh sáng tử ngoại (UV), trong đó vùng từ 200 – 300 nm được gọi là miền tử ngoại xa, còn vùng từ 300 – 400 nm gần miền khả kiến được gọi là miền tử ngoại gần.

Ánh sáng có bước sóng trong khoảng từ 800 – 2000 được gọi là ánh sáng hồng ngoại (IR) Sự hấp thu ánh sáng ở miền phổ này ít được sử dụng để giải quyết trực tiếp các nhiệm vụ phân tích, nhưng được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu cấu tạo của phân tử.

CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

QUANG HỌC

 Ánh sáng vùng UV có bước sóng trong khoảng: 200 – 400 nm

 Ánh sáng vùng IR có bước sóng trong khoảng: 800 – 2000 nm

 Ánh sáng vùng VIS có bước sóng trong khoảng: 396 – 760 nmTrong phương pháp trắc quang – phương pháp hấp thu quang học, chúng ta thường sử dụng vùng phổ UV – VIS có bước sóng từ 200 –

800 nm

Đặc trưng năng lượng của miền phổ

CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG

PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC

Đặc trưng năng lượng của miền phổ

739 - 610 610 - 590 590 - 560 560 - 510

Sự tương tác giữa vật chất và bức xạ

điện từ

* Ở điều kiện bình thường, điện tử của phân tử nằm

ở trạng thái liên kết, nên phân tử có mức năng lượng thấp, gọi là trạng thái cơ bản Khi chiếu một bức xạ điện từ vào một môi trường vật chất, sẽ xảy

ra hiện tượng các phân tử vật chất hấp thụ hoặc phát xạ năng lượng, hay được gọi là trạng thái kích thích Năng lượng mà phân tử phát ra hay hấp thụ vào là:

ΔE = E2 - E1 =

Trong đó, E1 và E2 là mức năng lượng của phân tử ở trạng thái đầu và trạng thái cuối (hay còn gọi là trạng thái kích thích) là tần số của bức xạ điện từ bị hấp thụ hay phát xạ ra.Nếu ΔE > 0 thì xảy ra sự hấp thụ bức xạ điện từ

Nếu ΔE < 0 thì xảy ra sự phát xạ năng lượng



h

 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 bức xạ thay đổi.

 Các phân tử khi hấp thụ năng lượng của bức xạ sẽ dẫn đến thay đổi các quá trình trong phân tử (quay, dao động, kích thích electron…) hoặc trong nguyên tử (cộng hưởng spin electron, cộng hưởng từ hạt nhân)

 Mỗi một quá trình như vậy đòi hỏi một năng lượng đặc trưng cho nó, nghĩa là đòi hỏi bức xạ điện từ có tần số hay chiều dài sóng nhất định để kích thích 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 mất đi một số bức xạ có tần số xác định, nghĩa là các tia này

Sự hấp thụ bức xạ và màu sắc của

các chất

 Ánh sáng nhìn thấy bao gồm tất cả dải bức 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 một lăng kính,

nó sẽ bị phân tích thành một số tia màu (đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím)

 Mỗi tia màu đó ứng với một khoảng bước sóng hẹp hơn

Cảm giác các màu sắc là một chuỗi các quá trình sinh lý và tâm lý phức tạp khi bức xạ trong vùng khả kiến chiếu vào võng mạc của mắt Một tia màu với một khoảng bước sóng xác định Chẳng hạn bức 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 một chất nào đó nó đi qua hoàn toàn thì

đối với mắt ta chất đó không màu

 Thí dụ, thủy tinh thường hấp thụ các bức xạ với bước sóng nhỏ hơn 360 nm nên nó trong suốt với các bức xạ khả kiến Thủy tinh thạch anh hấp thụ bức xạ với bước sóng nhỏ hơn 160 nm,

nó trong suốt đối với bức xạ khả kiến và cả bức xạ tử ngoại gần

 Một chất hấp thụ hoàn toàn tất cả các tia ánh sáng thì ta thấy chất đó có màu đen Nếu sự hấp thụ chỉ xảy ra ở một khoảng nào đó của vùng khả kiến thì các bức xạ ở khoảng còn lại khi đến mắt ta sẽ gây cho ta cảm giác về một màu nào đó

 Chẳng hạn một chất hấp thụ tia màu đỏ (= 610–730 m) thì ánh sáng còn lại gây cho ta cảm giác màu lục (ta thấy chất đó

có màu lục)

 Ngược lại, nếu chất đó hấp thụ tia màu lục thì đối với mắt ta nó

sẽ có màu đỏ Người ta gọi màu đỏ và màu lục là hai màu phụ nhau Trộn hai màu phụ nhau lại ta sẽ có màu trắng Nói cách khác, hai tia phụ nhau khi trộn vào nhau sẽ tạo ra ánh sáng trắng

Bảng 7-1 Quan hệ giữa màu của tia bị hấp thụ và màu chất hấp thụ



thụ (màu nhìn thấy)

Da camĐỏ

Vàng lụcVàng da cam

Đỏ

Đỏ tíaTímXanhXanh lụcLục

 Tương ứng với một bước chuyển điện tử, ta thu được phổ hấp thu có dạng:

Hai đại lượng đặc trưng của phổ hấp thu là vị trí và cường độ

Vị trí cực đại hấp thu, giá trị max tùy thuộc vào mỗi hợp chất này hấp thu ở các vùng phổ khác nhau Bán chiều rộng của vân phổ điện tử dao động khá rộng khoảng 50–60m

Cường độ thể hiện qua diện tích hoặc chiều cao của đỉnh biểu đồ (peak) Cường độ vân phổ phụ thuộc vào xác xuất chuyển mức năng lượng của điện tử Xác suất lớn cho cường độ vân phổ lớn

 Một hợp chất màu có phổ hấp thu tốt khi đỉnh biểu đồ (peak) cao và bán chiều rộng vân phổ hẹp

- Khi bán chiều rộng vân phổ hẹp, thì khi  thay đổi nhỏ thì độ hấp thu A thay đổi lớn Điều này rất có ý nghĩa trong phân tích định lượng Giả sử hợp chất X có Amax ở 500nm Khi chúng ta đo ở bước sóng 510nm thì

độ hấp thu đo được sẽ khác rất xa đối với ở bước sóng 500nm Từ đó ta thấy rằng ở mỗi hợp chất màu có một giá trị

- Mặt khác, một hợp chất đòi hỏi đỉnh biểu đồ cao nghĩa là khi ta đo ở bước sóng thì ta được độ hấp thụ quang cực đại, khoảng làm việc rộng

Phân loại các phương pháp trắc quang

 Phương pháp phát quang (hoặc huỳnh quang): phương pháp này dựa trên

việc đo cường độ dòng ánh sáng phát ra bởi chất phát quang khi ta chiếu một dòng ánh sáng vào chất phát quang

- Một chất khi hấp thụ năng lượng ánh sáng thì hệ điện tử trong phấn tử bị kích thích, ta nói phân tử ở trạng thái kích thích Tuy nhiên trạng thái này không bền vững nó chỉ tồn tại trong khoảng 10 -8 giây sau đó có xu hướng trở về trạng thái ban đầu Khi trở về trạng thái ban đầu nó giải tỏa ra một phần năng lượng đã hấp thụ Năng lượng giải tỏa dưới dạng ánh sáng nên được gọi

là hiện tượng phát quang.

CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG PHÁP

PHÂN TÍCH QUANG HỌC

- So với phương pháp trắc quang thì phương pháp phát quang có những nét đặc trưng quan trọng sau:

Một phần năng lượng hấp thụ tất yếu phải chuyển thành nhiệt Do đó phần năng lượng còn lại giải tỏa dưới dạng ánh sáng phải nhỏ hơn năng lượng hấp thụ hay λhấp thụ < λphátquang Do vậy phổ huỳnh quang bao giờ cũng được chuyển về vùng sóng dài hơn so với phổ hấp thụ

- Cường độ của bức xạ huỳnh quang phụ thuộc vào các yếu tố sau: Bước sóng của ánh sáng kích thích; ảnh hưởng của nồng độ; ảnh hưởng của ion H+ và dung môi; ảnh hưởng của nhiệt độ; ảnh hưởng của các ion lạ

- Nguyên tắc chung để xác định các chất vô

cơ bằng phương pháp huỳnh quang

+ Các chất hữu cơ dễ phát huỳnh quang hơn các chất vô cơ Trong

số các chất vô cơ chỉ có một số chất có khả năng phát quang trong dung dịch dưới dạng các ion đơn giản( ví dụ như các muối Urani

và ion một số nguyên tố đất hiếm) Đối với các chất vô cơ cần phải chuyển chúng thành phức thích hợp với các thuốc thử hữu cơ.

+ Chuyển nguyên tố cần xác định thành hợp chất phát huỳnh quang, khả năng phát quang của các phức khác khả năng phát quang của thuốc thử

+ Chiết các phức huỳnh quang ra khỏi nước để loại trừ ảnh hưởng của các chất lạ, thuốc thử…

+ Xác định theo độ tắt huỳnh quang

+ Có ba thuốc thử huỳnh quang phổ biến nhất: 8-Oxyquinolin, đihiđrocxiazobenzen và dibenzoilmetan tuy nhiên độ chọn lọc kém

2,2-ứng dụng của phương pháp huỳnh quang

- Phân tích huỳnh quang các chất thuốc: Ví dụ xác định huỳnh quang chất đietylamin của axit lizerginic (LCD) trong các mẫu máu, mẫu nước tiểu.

- Phân tích huỳnh quang ô nhiễm không khí: ví dụ một

số chất độc hại làm ô nhiễm có liên quan đến các chất canxerogen ( hợp chất gây ung thư) Trong hợp chất này có chứa nhiều các hidrocacbon thơm được tạo ra khi cháy và có nồng độ đáng kể trong khí thải ô tô,

khói thuốc lá.

- Phân tích huỳnh quang các chất vô cơ: Ga, pd, Te, Zr,

Au, Al

 Phương pháp hấp thu quang: phương pháp

này dựa trên việc đo cường độ dòng ánh sáng bị chất màu hấp thu chọn lọc

 Phương pháp đo độ đục: Cơ sở của

phương pháp dựa trên hiện tượng hấp thụ ánh sáng bởi các tiểu phân hạt huyền phù ( dung dịch keo) Phương pháp khuyếch đục dựa trên sự khuyếch tán ánh sáng bởi các hạt huyền phù còn phương pháp hấp đục dựa trên sự hấp thụ ánh sáng bởi chính các phân

tử này

- Khi phân tích bằng phương pháp đo độ đục cần tuân thủ nghiêm ngặt các điều kiện thực nghiệm:

+ các hạt huyền phù phải ít tan

+ các hạt huyền phù điều chế phải đồng nhất, muốn vậy chúng phải được điều chế từ các điều kiện thực nghiệm nghiêm ngặt giống nhau về: nồng độ của ion và nồng độ thuốc thử khi cho phản ứng với nhau để tạo thành kết tủa; tỷ số nồng độ của các dung dịch lúc trộn vào nhau; thứ tự tốc độ trộn; thời gian; độ

ổn định của các hạt keo; nhiệt độ; sự có mặt của chất bảo vệ

- Phương pháp này chỉ được áp dụng với các ion có khả năng tạo thành các hợp chất ít tan

Các đại lượng đặc trưng của ánh sáng

Bước sóng  là khoảng cách giữa hai điểm dao động đồng pha gần nhất, đơn vị đo là A 0, m, , nm (1nm=1m=10A0 =10 -9 m).

CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG PHÁP

PHÂN TÍCH QUANG HỌC

Tần số sóng  = trong đó tốc độ ánh sáng trong chân không bằng

3.1010 m/gy hoặc 3.1017 nm/gy, khi  và c ở đơn vị cm thi đơn vị của  là gy-1

Các đại lượng đặc trưng của

bức xạ điện từ

 gọi là số sóng = 1/ λ

 h – hằng số Plank

 Năng lượng E được đo bằng đơn vị eV (electron

von), kcal/mol, cal/mol.



Các đại lượng đặc trưng của

bức xạ điện từ

 Giữa các đơn vị năng lượng, chiều dài bước sóng và số sóng liên hệ với nhau qua các biểu thức dưới đây:

eV E

mol

kcal E

cm

nm

81 , 1239 /

2 , 28591

mol kcal

mol kcal

400

81 , 1239 /

5 , 71

/ 400

2 ,

Đơn vị của các đại lượng bức xạ

điện từ

 §¬n vÞ n¨ng l îng: th êng dïng eV, kcal/mol, kJ/mol oooo â ă ê

 1 eV=23 kcal/mol~96,5 kJ/mol

• Khi các phân tử hấp thụ năng l ợng từ bên

ngoài, dẫn đến quỏ trỡnh kớch thớch phõn tử

• Tùy theo năng l ợng kích thích lớn hay nhỏ

có thể xảy ra quá trình quay, dao động

hay kích thích electron

Bức xạ điện từ kớch thớch phõn tử

Kớch thớch phõn tử

 Kích thích các quá trình quay, dao động và kích thích electron là bức xạ nằm trong

vùng quang phổ gồm phổ vi sóng (MW), phổ hồng ngoại (IR), phổ khả kiến (VIS) và tử

ngoại (UV)

 Năng l ợng cần thiết cho quá trình quay nhỏ hơn quá trình dao dộng và quá trình kích thích electron

 Vựng phổ quang học: UV-VIS-IR –MW

CHƯƠNG 2: SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA DUNG DỊCH CHẤT MÀU

Cở sở lý thuyết của phương pháp

 Nếu dung dịch hấp thu bức xạ vùng tử ngoại, ánh sáng trắng truyền suốt hoàn toàn đến mắt, dung dịch không màu

 Dung dịch có màu khi chứa cấu tử có khả năng hấp thu bức xạ vùng thấy được, do đó khi định lượng bằng phương pháp quang phổ hấp thu thấy được còn được gọi là phương pháp so màu hay đo màu

 Dung dịch mẫu có nồng độ càng cao, khả năng hấp thu của mẫu càng mạnh, cường độ ánh sáng đến mắt càng yếu, dung dịch có màu càng sẫm

Định luật Bughe – Lambert

 Chiếu một chùm sáng có bước sóng xác định đi qua b lớp dung dịch Do hấp thụ, sau mỗi lớp dung dịch, ánh sáng giảm đi n

lần Gọi cường độ ánh sáng ban đầu là I0, sau khi đi qua lớp

b) Hai cuvet cùng chứa một lượng chất màu được quan sát từ trên xuống

Định luật Bughe – Lambert

Khi đi qua lớp thứ hai, ánh sáng giảm đi n2 lần, ta có: I2 = I0/n2 , tiếp tục với b lớp ta có Ib = I0/nb = I hay I0/I = nb



Lấy logarit hai vế: lg I0/I= blgn = kb

Đại lượng lg I0/I được gọi là độ hấp thụ quang, kí hiệu là A; k là hệ số

lg I0/I = A = kb (2.1)

Phương trình (2.1) mô tả sự phụ thuộc của mật độ quang vào bề dày lớp dung dịch Được gọi là định luật Bughe-lambert

I n

I

I ob

Định luật Beer

* Ta xét sự hấp thụ ánh sáng bởi 1 chất màu có thành phần và cấu trúc không đổi khi thay đổi nồng độ, chẳng hạn dd

kalicromat trong dd đệm tetraborat.

Ta đổ ít dd này vào ống hình trụ và quan sát độ hấp thụ ánh

sáng của dd từ trên xuống nghĩa là qua toàn bộ dd

* Nếu pha loãng dd n lần thì nồng độ giảm n lần nhưng bề dày lớp dd trong ống trụ lại tăng lên n lần, do đó số trung tâm hấp thụ ánh sáng cũng không đổi, nghĩa là mật độ quang không

thay đổi

ta có: K C1b1 = K C2 b2 hay C1b1 = C2b2 hay C1/C2 = b2/b1 (2.2)

Định luật Buguer – Lambert – Beer

Như vậy độ hấp thụ quang của một chất màu phụ thuộc vào:

 Bản chất của chất màu với hệ số K tương ứng

(2.3) được gọi là phương trình bugher-lambert-beer

Trong đó :  là một hằng số tỉ lệ có tên độ hấp thu phân tử biểu thị độ hấp thu của dung dịch có nồng độ chất tan là 1M được đựng trong bình dày 1cm

và có đơn vị là l.mol -1 cm -1

Định luật Bugher – Lambert – Beer

Bây giờ ta có thể áp dụng dễ dàng định luật Beer vào việc xác định nồng độ các chất tan bằng cách đo độ hấp thu A của chúng

* Hệ số hấp thụ phân tử gam  đặc trưng cho bản chất hấp thụ ánh sáng và không phụ thuộc vào thể tích dung dịch, bề dày lớp dung dịch và chỉ phụ thuộc vào  của dòng sáng tới (I0)

Do đó đại lượng  thường được coi là tiêu chuẩn khách quan

quan trọng nhất để đánh giá độ nhạy của phép định lượng trắc quang,  =f()

A

Cường độ hấp thu bức xạ của cấu tử được xác định bằng 2 đại lượng

 Độ truyền suốt T (Transmittance)

Là tỷ số giữa hai cường độ tia chiếu ló ra I và tia tới I0 (là đại lượng không có thứ nguyên, không có tính

Mối quan hệ giữa A, b, C, λ

• Nếu đo độ hấp thu quang của một loạt dung dịch bằng một dòng sáng đơn sắc (tại một giá trị ) thì

A = f(b,C) là hàm bậc nhất, đường biểu diễn là một đường thẳng, còn đường T = f(C) là một đường cong

• Vì vậy trong phân tích trắc quang chỉ dùng đường

A = f(C) mà không dùng T = F(C)

• Đường cong biểu diễn A = f(λ) gọi là phổ hấp thụ

Bề rộng của phổ hấp thụ càng lớn việc phân tích

hỗn hợp nhiều chất màu càng khó dẫn đến sự

xen lấn, chồng phổ ảnh hưởng đến phân tích

• Đo mật độ quang của một dãy dung dịch có nồng độ

khác nhau bằng một cuvét tại một bước sóng λ nhất

định ( l, λ = const ) thì đường biểu diễn D = f(C) sẽ là

đường thẳng

Mật độ quang

Nồng độ

 Không thể xác định được bề rộng của phổ hấp thụ vì cường độ hấp thụ

về hai phía của λ(max) giảm đến tiệm cận “không” và choãi Do đó người ta dùng đại lượng đặc trưng cho phổ hấp thụ là nửa bề rộng của phổ hấp thụ (a): λ3/2 - λ1/2 = a (tính bằng nm) Trong đa số trường

hợp, nửa bề rộng phổ hấp thụ của phân tử đơn giản bằng khoảng 80 ÷ 100nm

a

Tính chất cộng tính của A

Tính cộng của mật độ quang hay độ hấp thu A

A = A1 + A2 = 1bC1 + 2bC2

 Giả sử có một chùm bxđs có cường độ I0 đi qua 2 dung dịch có hai cấu tử X ,

Y không tương tác với nhau; bề dày dung dịch b tương ứng với hai bước

38 01/07/19

 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 phần còn lại, đó chính là mật độ quang của dung dịch

trống hay dung dịch so sánh

Dung dịch trống hay dung dịch so sánh là dung dịch chứa tất cảc 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 kể thì người ta có thể thay bằng

nước cất

 Mật độ quang đo được khi chất tan hoà tan trong một dung môi là mật

độ quang tổng cộng của dung dịch đó

A = AX + Adm

Để A phản ánh đúng AX thì Adm rất nhỏ ( 0) Để thoả mãn điều kiện này, ta nên chọn dung môi có phổ hấp thu rất xa phổ hấp thu của

Bảng tóm tắt tính chất các đại lượng trắc quang

Đại lượng Công thức Đơn vị Yếu tố phụ

thuộc

Yếu tố không phụ thuộc

Ghi chú

Không có tính cộng tính

A (hay D) ,C,b I0 Có tính cộng

tính

 cm 2 /mol

, bản chất chất màu, bản chất dung môi, t 0

I0,C,b Đặc trưng

cho độ nhạy

và phản ứng

màu

MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ PHỔ TỬ

NGOẠI – KHẢ KIẾN