Nghiên cứu xác định tổng hàm lượng sắt trong nước bằng phương pháp trắc quang phân tử uv vis với thuốc thử o phenantrolin

Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thị Hoa GVHD: Ths Nguyễn Thị Hường Lớp 08CHP Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Ths Nguyễn Thị Hường MỞ ĐẦU Trong giai đoạn nay, việc thúc đẩy phát triển kinh tế với q trình cơng nghiệp hóa đại hóa ngày gia tăng, kinh tế phát triển đời sống người ngày nâng cao hơn, đại hơn, song song với mặt tích cực việc cơng nghiệp hóa hện đại hóa đem lại mặt trái làm cho mơi trường bị ô nhiễm, đặc biệt môi trường nước Như biết, nước nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá, yếu tố thiếu cho hoạt động sống trái đất, môi trường nước chiếm 2/3 diện tích trái đất, đóng vai trị quan trọng Tuy nhiên q trình thị hóa, cơng nghiệp hóa thâm canh nơng nghiệp ngày phát triển ảnh hưởng xấu đến nguồn tài nguyên Nhiều nơi nguồn nước bề mặt, chí nước ngầm bị nhiễm gây nguy hiểm sức khỏe người Việc môi trường nước bị ô nhiễm điều vô bất lợi, đánh giá mức độ ô nhiễm nguồn nước vấn đề cấp thiết để từ có biện pháp xử lí kịp thời, cần phải nghiên cứu giảm thiểu ô nhiễm mơi trường nước, với mục đích chúng tơi nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu xác định tổng hàm lượng sắt nước phương pháp trắc quang phân tử UV-VIS với thuốc thử o-phenantrolin” Đây phương pháp có độ nhạy độ xác cao, phù hợp với điều kiện thí nghiệm nhà trường Mục đích đề tài nhằm: Nghiên cứu điều kiện tối ưu xây dựng quy trình phân tích xác định hàm lượng sắt môi trường nước SVTH: Nguyễn Thị Hoa Lớp 08CHP Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Ths Nguyễn Thị Hường CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Sắt dư lượng mơi trường 1.1.1 Giới thiệu sắt [3] 1.1.1.1 Tính chất vật lí Sắt tên nguyên tố hóa học bảng hệ thống tuần hoàn Ký hiệu: Fe Số hiệu nguyên tử 26 Nằm phân nhóm VIIIB chu kỳ 4, có khối lượng ngun tử 55,847 Cấu hình electron: 1s22s22p63s23p63d64s2 Sắt kim loại màu trắng xám, dễ rèn, dễ dát mỏng, gia công học Trong tự nhiên sắt có đồng vị bền 54Fe, 56Fe (91,68%), 57Fe, 58Fe Nhiệt độ nóng chảy sắt 15360C, nhiệt độ sơi 28800C, tỉ khối 7,91 g/cm3 Sắt có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt (kém đồng nhơm) Dưới 8000C sắt có tính nhiễm từ, bị nam châm hút trở thành nam châm (tạm thời) Sắt có dạng thù hình (là dạng α, β, γ, δ) dạng bền nhiệt độ định Sắt kim loại tách từ mỏ quặng sắt, khó tìm thấy dạng tự Để thu sắt tự do, tạp chất phải loại bỏ phương pháp khử hóa học Sắt sử dụng sản xuất gang thép, hợp kim, hòa tan kim loại khác (và số kim hay phi kim, đặc biệt cacbon) 1.1.1.2 Tính chất hóa học Sắt chất có hoạt tính hóa học trung bình Ở điều kiện bình thường khơng có ẩm, nguyên tố họ sắt không phản ứng rõ rệt với kim điển O, S, Cl, Br có màng bảo vệ Nhưng đun nóng, phản ứng xảy mảnh liệt, kim loại trạng thái chia nhỏ, nguyên nhân tổng bề mặt tiếp xúc lớn hạt kim loại với khơng khí sai lệch mạng lưới tinh thể hạt so với cấu trúc bền kim loại SVTH: Nguyễn Thị Hoa Lớp 08CHP Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Ths Nguyễn Thị Hường Khi đun nóng khơng khí khơ sắt tạo nên Fe2O3 nhiệt độ cao tạo nên Fe3O4 3Fe + 2O2 = Fe3O4 Khí Cl2 phản ứng dễ dàng với Fe tạo thành FeCl3 chất dễ bay tạo nên không tạo màng bảo vệ 2Fe + 3Cl = 2FeCl3 Fe tác dụng với S đun nóng nhẹ tạo nên hợp chất khơng hợp thức FeS Fe tan dễ dung dịch axit tính oxi hóa giải phóng khí H2 Axit sulfuric đặc axit nitric đặc không tác dụng không tác dụng với Fe mà cịn thụ động hóa nguội, người ta vận chuyển axit xitec thép Sắt hòa tan axit H2SO4 loãng Fe + H2SO4 = FeSO4 Trong dung dịch H2SO4 đặc nóng sắt bị oxy hóa đến Fe (III) 2Fe + 6H2SO4 = Fe2(SO)3 + 3SO2 + H2 O Fe tinh khiết bền khơng khí nước, ngược lại sắt có lẫn tạp chất bị ăn mịn tác dụng đồng thời ẩm, khí CO2 khí O2 khơng khí tạo nên rỉ sắt 2Fe + 3/2O2 + nH2O = Fe2O3.nH2O Rỉ sắt tạo nên bề mặt lớp xốp giịn khơng bảo vệ sắt khỏi tiếp tục tác dụng q trình ăn mịn sắt tiếp tục xảy Fe bền với kiềm trạng thái dung dịch nóng chảy oxit khơng thể tính lưỡng tính 1.1.2 Nguồn gốc xuất sắt nước Nguồn gốc xuất sắt nước nguồn gốc tự nhiên nhân tạo Sự xuất sắt nước tự nhiên mỏ khoáng vật sắt, sắt phân tán nước mưa, tuyết tan, nước mưa rơi xuống mặt đất, đường phố, khu công nghiệp… kéo theo kim loại sắt xuống hồ, sông … SVTH: Nguyễn Thị Hoa Lớp 08CHP Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Ths Nguyễn Thị Hường Sắt có thiên nhiên dạng hợp chất oxit, sunfua, cacbonat silicat Sự xuất sắt nước nhân tạo nguồn nước thải, xả nước thải sinh hoạt, sản xuất công nghiệp thải nhiều loại bụi kim loại, có sắt khơng gây nhiễm mơi trường khơng khí, đất mà cịn gây nhiễm mơi trường nước 1.1.3 Vai trị sắt [6] Sắt kim loại sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 95% tổng khối lượng kim loại sản xuất toàn giới Sự kết hợp giá thành thấp đặc tính tốt chịu lực, độ dẻo, độ cứng làm cho trở thành nguyên vật liệu thay được, đặc biệt ứng dụng sản xuất ô tô, thân tàu thủy lớn, khung cho cơng trình xây dựng Thép hợp kim tiếng sắt, ngồi cịn có số hình thức tồn khác sắt như: Oxit sắt (III) sử dụng để sản xuất lưu từ tính máy tính Chúng thường trộn lẫn với hợp chất khác, bảo tồn thuộc tính từ hỗn hợp Sắt chất xúc tác hình thành nên diệp lục hoạt động chất mang oxy Sắt có vai trị cần thiết thể sống, ngoại trừ số vi khuẩn Nó chủ yếu liên kết ổn định bên protein kim loại, dạng tự sinh gốc tự nói chung độc với tế bào Nói sắt tự khơng có nghĩa tự di chuyển chất lỏng thể Sắt liên kết chặt chẽ với phân tử sinh học gắn với màng tế bào, axit nucleic, protein … Trong thể động vật sắt liên kết tổ hợp heme (là thành phần thiết yếu cytochromes), protein tham gia vào phản ứng oxi hóa-khử (bao gồm khơng giới hạn q trình hơ hấp) protein chun chở ơxy hemoglobin myoglobin Sắt vô tham gia phản ứng oxi hóa-khử tìm thấy cụm sắt-lưu huỳnh nhiều enzyme, chẳng hạn enzyme nitrogenase (tham gia trình tổng hợp ammoniac từ nitow hydro) hydrogenase Tập hợp SVTH: Nguyễn Thị Hoa Lớp 08CHP Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Ths Nguyễn Thị Hường protein sắt phi-heme có trách nhiệm cho dãy chức số loại hình thể sống, chẳng hạn enzyme metan monoxygenase (oxi hóa metan thành metalnol), ribonucleotidequ reductase (khử ribose thành deoxyribose; tổng hợp sinh học DNA), hemerythrins (vận chuyển oxy ngưng kết cá động vật khơng xương sống biển) axit phosphates tía (thủy phân este photphat) Khi thể chống lại nhiễm khuẩn, có để riêng sắt protein vận chuyển transferring vi khuẩn khơng thể sử dụng sắt 1.1.4 Tác hại sắt [1,6] Việc hấp thụ nhiều sắt gây ngộ độc, sắt (II) dư thừa phản ứng với peroxit thể để sản xuất gốc tự Khi sắt số lượng bình thường thể có chế chống ơxi hóa để kiểm sốt q trình Khi dư thừa sắt lượng dư thừa khơng thể kiểm sốt gốc tự sinh Một lượng gây chết người sắt trẻ tuổi ba gam sắt Một gam sinh ngộ độc nguy hiểm Danh mục DRI mức chấp nhận cao sắt người lớn 45 mg/ngày Đối với trẻ em 14 tuổi mức cao 40 mg/ngày Nếu sắt nhiều thể (chưa đến mức gây chết người) loạt hội chứng rối loạn tải sắt phát sinh, chẳng hạn hemochromatosis Khi thiếu sắt hàm lượng hemoglobin bị giảm làm cho lượng oxi tới tế bào giảm theo, người bị mắc chứng bệnh thiếu máu thiếu hụt sắt 1.2 Các phương pháp xác định vi lượng sắt 1.2.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) [2] Phương pháp phân tích dựa sỡ đo phổ hấp thụ nguyên tử nguyên tố gọi phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (phép đo AAS) Khi nguyên tử tồn tự thể khí trạng thái lượng bản, nguyên tử không thu hay không phát lượng Tức nguyên tử trạng thái Song nguyên tử tồn trạng thái mà kích thích SVTH: Nguyễn Thị Hoa Lớp 08CHP Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Ths Nguyễn Thị Hường chùm tia sáng đơn sắc có lượng phù hợp, có độ dài sóng trùng với vạch phổ phát xạ đặc trưng nguyên tố đó, chúng hấp thụ tia sáng sinh loại phổ nguyên tử Phổ gọi phổ hấp thụ nguyên tử Phương pháp phân tích lượng vết hầu hết kim loại hợp chất hữu hay anion khơng có phổ hấp thụ ngun tử Do sử dụng rộng rãi nghành: địa chất, cơng nghiệp hố học, hố dầu, y học, sinh hố, cơng nghiệp dược phẩm, nơng nghiệp thực phẩm … 1.2.2 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử (AES) [2] Khi điều kiện thường, nguyên tử không thu hay phát lượng bị kích thích điện tử hố trị nhận lượng chuyển lên trạng thái có lượng cao (trạng thái kích thích) Trạng thái khơng bền, chúng có xu hướng giải phóng lượng để trở trạng thái ban đầu bền vững dạng xạ Các xạ gọi phổ phát xạ nguyên tử Phương pháp AES dựa xuất phổ phát xạ nguyên tử tự nguyên tố phân tích trạng thái khí có tương tác với nguồn lượng phù hợp Hiện nay, người ta dùng số nguồn lượng để kích thích phổ AES lửa đèn khí, hồ quang điện, tia lửa điện, plasma cao tần cảm ứng (ICP)… Nhìn chung, phương pháp AES đạt độ nhạy cao (thường từ n.10-3 đến n.104 %), lại tốn mẫu, phân tích đồng thời nhiều nguyên tố mẫu Vì vậy, phương pháp dùng để kiểm tra đánh giá hố chất, ngun liệu tinh khiết, phân tích lượng vết ion kim loại độc nước, lương thực, thực phẩm Tuy nhiên, phương pháp lại cho biết thành phần nguyên tố mẫu mà không trạng thái liên kết mẫu 1.2.3 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS [2] Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử hay gọi phương pháp đo quang, phương pháp phân tích trắc quang phân tử phương pháp phân tích cơng cụ thơng dụng với nhiều hệ máy khác nhau, từ máy đơn giản hệ trước gọi máy so màu đến máy đại tự động hóa nay, SVTH: Nguyễn Thị Hoa Lớp 08CHP Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Ths Nguyễn Thị Hường gọi máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS Các máy đo quang làm việc vùng tử ngoại (UV) khả kiến (VIS) từ 190 nm đến khoảng 900 nm Ở điều kiện thường, phân tử, nhóm phân tử chất bền vững nghèo lượng Đây trạng thái Nhưng có chùm sáng với lượng thích hợp chiếu vào điện tử hoá trị liên kết (л, ∂, n) hấp thụ lượng chùm sáng, chuyển lên trạng thái kích thích với lượng cao Hiệu số hai mức lượng (cơ E0 kích thích Em) lượng mà phân tử hấp thụ từ nguồn sáng để tạo phổ hấp thụ phân tử chất * Nguyên tắc: Phương pháp xác định dựa việc đo độ hấp thụ ánh sáng dung dịch phức tạo thành ion cần xác định với thuốc thử vô hay hữu mơi trường thích hợp chiếu chùm sáng Phương pháp định lượng phép đo: A = K.C Trong đó: A: độ hấp thụ quang K: số thực nghiệm C: nồng độ nguyên tố phân tích Phương pháp cho phép xác định nồng độ chất khoảng 10-5 - 10-7M phương pháp sử dụng phổ biến Phương pháp trắc quang có độ nhạy, độ ổn định độ xác cao, sử dụng nhiều phân tích vi lượng Tuy nhiên với việc xác định Cd, Pb lại gặp nhiều khó khăn ảnh hưởng số ion kim loại tương tự Khi phải thực công đoạn che, tách phức tạp 1.3 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS 1.3.1 Giới thiệu phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS [2] Là phương pháp phân tích dựa so sánh cường độ màu dung dịch nghiên cứu với cường độ màu dung dịch tiêu chuẩn có nồng độ xác định SVTH: Nguyễn Thị Hoa Lớp 08CHP Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Ths Nguyễn Thị Hường 1.3.1.1 Sự hấp thụ ánh sáng dung dịch màu Dung dịch có màu thân dung dịch hấp thụ phần quang phổ (một vùng quang phổ) ánh sáng trắng, phần lại ló cho ta màu dung dịch, màu phần ánh sáng trắng bị hấp thụ Dung dịch có màu xác định hấp thụ bước sóng đơn sắc tương ứng thể qua: Hình 1.1 Dãy màu ánh sáng trắng Bảng 1.1 Sự hấp thụ màu dung dịch màu TIA SÁNG ĐƠN SẮC BỊ HẤP THỤ MÀU CỦA DUNG DỊCH 400nm ÷ 450nm : vùng tím Lục ánh vàng 450nm ÷ 480nm : vùng chàm Vàng 480nm ÷ 490nm : vùng chàm lục Da cam 490nm ÷ 510nm : vùng lục chàm Đỏ 510nm ÷ 560nm : vùng lục Đỏ tía 560nm ÷ 575nm :vùng lục ánh vàng Tím 575nm ÷ 590nm : vùng vàng Chàm 590nm ÷ 640nm : vùng da cam Chàm lục 640nm ÷ 720nm : vùng đỏ Lục chàm 720nm ÷ 800nm : vùng đỏ tía Lục SVTH: Nguyễn Thị Hoa Lớp 08CHP Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Ths Nguyễn Thị Hường Sự hấp thụ xạ đơn sắc mạnh (màu đậm) dung dịch có nồng độ lớn Sự hấp thụ dung dịch theo màu phụ thuộc vào nồng độ chất hấp thụ sở phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS 1.3.1.2 Các định luật hấp thụ ánh sáng *Định luật Bugơ-Lamber (Định luật hấp thụ ánh sáng): Lượng tương đối chùm ánh sáng bị hấp thụ mơi trường mà qua không phụ thuộc vào nồng độ tia tới Mỗi lớp bề dày hấp thụ phần dòng sáng đơn sắc qua dung dịch Biểu thức: I=I0.e-kl Trong k: hệ số hấp thụ l: bề dày lớp vật chất * Định luật Lamber-Beer: Với bề dày lớp dung dịch, hệ số hấp thụ K tỉ lệ với nồng độ chất hấp thụ dung dịch Biểu thức: I=I0.e-ɛ*cl Với C: Nồng độ dung dịch (mol/l) l: Bề dày cuvet đựng dung dịch (cm) ε: Hệ số hấp thụ phân tử 1.3.1.3 Các đại lượng hay sử dụng Độ truyền quang T(%): tỉ lệ cường độ chùm sáng đơn sắc I sau qua dung dịch với cường độ chùm sáng đơn sắc I0 chiếu vào T=I/I0= 10-ε.l.c * Mật độ quang D hay độ hấp thụ A hay độ tắt E I  D  A  E   lg T  lg  I  SVTH: Nguyễn Thị Hoa Lớp 08CHP Trang 10 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Ths Nguyễn Thị Hường Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng Cr3+ xác định Fe2+ Dựa vào kết khảo sát ta thấy Cr3+ ảnh hưởng không đáng kể đến việc xác định sắt nước phương pháp trắc quang phân tử UV-VIS thuốc thử o-phenantrolin SVTH: Nguyễn Thị Hoa Lớp 08CHP Trang 36 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Ths Nguyễn Thị Hường 3.4 Quy trình phân tích xác định hàm lượng sắt mẫu nước Axit hóa đến pH