Mục đích của phương pháp này là xác định hệ số của ion kim loại và hệ số của thuốc thử và xác định xem phức nghiên cứu là đơn hay đa nhân.
Cơ sở của phương pháp này dựa trên việc dùng phương trình tổng đại số các hệ số tỉ lượng của các cấu tử tham gia phản ứng, phương trình này đặc trưng cho thành phần của hỗn hợp cân bằng trong điểm có tỉ lệ cực đại của nồng độ phức so với nồng độ biến thiên ban đầu của một trong các cấu tử tạo phức.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Thị Anh Phương
16 Xét phản ứng:
mM + nR MmRn
Ở nồng độ hằng định của cấu tử M và nồng độ biến thiên của cấu tử R thì nồng độ phức tạo thành CK được xác định bằng phương trình Staric-Bacbanel.
CK =
Trong đó: m là hệ số ion kim loại đi vào phức, n là hệ số của thuốc thử hữu cơ đi vào phức. Để xác định thành phần của phức theo phương pháp này cần chuẩn bị hai dãy dung dịch:
- Dãy 1: cố định nồng độ kim loại M, thay đổi nồng độ thuốc thử R. - Dãy 2: cố định nồng độ thuốc thử R, thay đổi nồng độ kim loại M.
Sau đó đo mật độ quang của hai dung dịch, ta xác định được giá trị cực đại của mật quang (Agh) ứng với nồng độ cực đại của phức CKgh, CKgh= CM/m = CR/n.
Với dãy 1: CK/CR = f(CK/CKgh) hay Ai/CR = f(Ai/Agh). Với dãy 2: CK/CM = f(CK/CKgh) hay Ai/CM = f(Ai/Agh). Từ đồ thị ta có: Với dãy 1: = = khi Ai/CR max. Với dãy 2: = = khi Ai/CM max. Ta có: n =
khi CM = const và Ai/CR max. m =
khi CR = const và Ai/CM max. Nếu đồ thị không có cực đại thì m = n = 1.
1.9. Một số phƣơng pháp phân tích để xác định hàm lƣợng cadimi và chì
1.9.1. Các phương pháp phân quang phổ
Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Thị Anh Phương
17
Phương pháp trắc quang là phương pháp phân tích được sử dụng phổ biến trong các phương pháp phân tích hóa lý. Nguyên tắc chung của phương pháp phân tích trắc quang là muốn xác định một cấu tử X nào đó, ta chuyển nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo sự hấp thụ ánh sáng của nó và suy ra hàm lượng chất cần xác định X. Cơ sở của phương pháp này là định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer-Lambert-Beer. Biểu thức của định luật:
A = lg = ε.L.C Trong đó:
- Io, I lần lượt là cường độ ánh sáng đi vào và đi ra khỏi dung dịch. - L là bề dày của dung dịch ánh sáng đi qua.
- C là nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch.
- ε là hệ số hấp thụ quang phân tử, nó phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ ánh sáng và bước sóng của ánh sáng tới (ε = f(λ)).
Như vậy, độ hấp thụ quang A là một hàm của các đại lượng: bước sóng, bề dày của dung dịch và nồng độ chất hấp thụ ánh sáng.
A = f(λ, L, C)
Do đó nếu đo A tại một bước sóng λ nhất định với cuvet có bề dày L xác định thì đường biểu diễn A = f(C) phải có dạng y = a.x là một đường thẳng. Tuy nhiên, do những yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch (bước sóng của ánh sáng tới, sự pha loãng của dung dịch, nồng độ của H+, sự có mặt của các ion lạ) nên đồ thị không có dạng đường thẳng với mọi giá trị của nồng độ. Và ta có biểu thức:
Aλ = k.ε.L.(Cx)b Trong đó:
- Cx: nồng độ chất hấp thụ trong dung dịch. - k: hằng số thực nghiệm.
- b: một hằng số có giá trị 0 < b 1. Nó là một hệ số gắn liền với nồng độ Cx. Khi Cx nhỏ thì b = 1, khi Cx lớn thì b < 1.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Thị Anh Phương
18
Đối với một chất phân tích trong một dung môi xác định và cuvet có bề dày xác định thì ε = const và L = const. Đặt = k.ε.L ta có:
Aλ = K.Cb (*)
Với mọi chất có phổ hấp thụ phân tử vùng UV-VIS, thì luôn có một giá trị nồng độ giới hạn Co xác định, sao cho:
- Với mọi giá trị Cx< Co: thì b = 1, và quan hệ giữa độ hấp thụ quang A và nồng độ Cx là tuyến tính.
- Với mọi giá trị Cx > Co thì b < 1 (b tiến dần về 0 khi Cx tăng) và quan hệ giữa độ hấp thụ quang A và nồng độ Cx là không tuyến tính.
Phương trình (*) là cơ sở để định lượng các chất theo phép đo phổ hấp thụ quang phân tử UV-VIS (phương pháp trắc quang). Trong phân tích người ta chỉ sử dụng vùng nồng độ tuyến tính giữa A và C, vùng tuyến tính này rộng hay hẹp phụ thuộc vào bản chất hấp thụ quang của mỗi chất và các điều kiện thực nghiệm, với các chất có phổ hấp thụ UV-VIS càng nhạy, tức là giá trị ε của nó càng lớn thì giá trị nồng độ giới hạn Co càng nhỏ và vùng nồng độ tuyến tính càng hẹp.
Phương pháp phổ hấp thụ quang phân tử là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện, ít tốn kém mà lại có độ nhạy tương đối cao vì vậy phương pháp này được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên phương pháp này có một yếu ảnh hưởng làm sai lệch kết quả thí nghiệm như: tính đơn sắc của ánh sáng nghiên cứu, sự thay đổi một điều kiện hóa lý của dung dịch nghiên cứu (pH, ion lạ)…
1.9.1.2. Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử (EAS) [3,4]
Đây là kĩ thuật phân tích được sử dụng rộng rãi trong phép phân tích, nó cho phép xác định tính và định lượng hàm lượng đa lượng hoặc vi lượng của rất nhiều nguyên tố. Ưu điểm của phương pháp là phân tích nhanh, hàng loạt mẫu. Phân tích cả những đối tượng rất xa dựa vào ánh sáng phát xạ của chúng. Phương pháp này cho độ nhạy và độ chính xác cao. Độ nhạy cỡ 0.001 %.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Thị Anh Phương
19
AAS là một trong những phương pháp hiện đại, được áp dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm. Phương pháp này xác định được hầu hết các kim loại trong mẫu sau khi đã chuyển hóa chúng về dạng dung dịch.
Sergio Luis Costa Ferreira và các cộng sự đã sử dụng phép đo FAAS để xác định lượng vết kim loại Cu, Pb, Cd, Ni, Mn… trong nước sau khi làm giàu với độ lệch chuẩn và giới hạn phát hiện trong vùng 0.006-0.277 ppm là 0.8-2.9 %.
1.9.2. Các phương pháp điện hóa [3,4]
1.9.2.1. Phương pháp phân tích đo điện thế
Phương pháp phân tích đo điện thế là phương pháp phân tích xác định nồng độ các ion dựa vào sự thay đổi thế điện cực chỉ thị nhúng vào dung dịch nghiên cứu. Phương pháp này ra đời từ cuối thế kỷ XIX sau khi Nerst đưa ra phương trình Nerst chỉ rõ mối quan hệ giữa thế điện cực với hoạt độ của cấu tử của một hệ oxy hóa - khử thuận nghịch:
Ex = E0 +
= E0 +
Trong đó: E0 – điện thế oxy hóa – khử tiêu chuẩn của hệ; R là hằng số khí lý tưởng; T là nhiệt độ tuyệt đối; F là hằng số Faraday; n là số điện tử tham gia trong phản ứng điện cực; aox, akh là hoạt độ của dạng oxy hóa và dạng khử; γox, γkh là hoạt độ của các dạng oxy hóa và khử tương ứng.
Ưu điểm của phương pháp này có thể xác định được nhiều kim loại, với độ chính xác cao, tuy nhiên phương pháp này có nhiều thiết bị, vận hành phức tạp nên khó thực hiện tại phòng thí nghiệm.
1.9.2.2. Phương pháp Von-Ampe hòa tan [3,4]
Đây là phương pháp phân tích điện hóa dựa vào việc nghiên cứu đường cong (I-E) trong quá trình điện phân dung dịch khảo sát ở điều kiện điện phân đặc biệt. Một trong hai điện cực có diện tích bề mặt khá nhỏ nên rất dễ bị phân cực và quá trình khử ion kim loại sẽ xảy ra trên điện cực này. Đo cường độ dòng điện chạy trong bình điện phân ứng với các giá trị điện thế khác nhau áp vào hai cực, vẽ I = f(E) ta sẽ nhận một đường cong gọi là đường cong phân cực.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Thị Anh Phương
20
Ưu điểm nổi bậc của phương pháp này là có thể định tính và định lượng được hầu hết các ion vô cơ, hàng chục vạn chất hữu cơ một cách nhanh chóng, chính xác và rẻ tiền khi nồng độ dung dịch nằm trong khoảng 10-3-10-5 M.
Để xác định hàm lượng kim loại nặng trong rau có rất nhiều phương pháp như đã nêu ở phần trên. Nhưng vì điều kiện thiết bị của phòng thí nghiệm nên trong đề tài này chỉ sử dụng “phương pháp chiết trắc quang” (phương pháp hấp thụ phân tử) đồng thời kết hợp với việc chiết phức bằng dung môi hữu cơ để tăng độ nhạy, độ chọn lọc khi xác định hàm lượng Cadimi và Chì.
1.10. Xử lý số liệu thực nghiệm theo phƣơng pháp thống kê [4,5]
Để thu được kết quả chính xác cao thì ngoài việc lựa chọn các điều kiện tối ưu của phương pháp thực nghiệm thì xử lí để đánh giá kết quả là một bước có ý nghĩa hết sức quan trọng. Để xử lí kết quả thông thường người ta dùng toán học thống kê.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Thị Anh Phương
21
CHƢƠNG 2: DỤNG CỤ, THIẾT BỊ, HÓA CHẤT THÍ NGHIỆM 2.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị
2.1.1. Hóa chất
+ Thuốc thử 1-(2 pydilazo)-2 napthol (PAN) tinh khiết.
+ Muối Pb(NO3)2, Cd(NO3)2.4H2O, KSCN, KNO3 được bảo quản trong lọ kín. + Dung dịch HNO3 65 %, OH được pha với nồng độ khác nhau để điều chỉnh pH.
+ Các muối dùng để xét sự ảnh hưởng của các ion gây cản: Cu(NO3)2.6H2O, Fe(NO3)3.9H2O, Zn(NO)3…
+ Các dung môi chiết: clorofom, rượu iso butylic, rượu iso amylic. + Nước cất.
2.1.2. Dụng cụ
+ Các loại pipet: 1 ml, 2 ml, 5 ml, 10 ml. + Cốc thủy tinh: 50 ml, 250 ml mỗi thứ 2 cái. + Cuvet thủy tinh: 2 cái.
+ Bình định mức: 100, 250, 500, 1000. + Buret: 25 ml, phểu chiết.
+ Ống nghiệm thủy tinh, bình xịt nước cất, đũa thủy tinh, bóp cao su, muổng cân, chén cân…
2.1.3. Thiết bị nghiên cứu
+ Máy đo pH, máy lắc. + Máy đo quang.
+ Cân phân tích chính xác 10-4 gam…
2.2. Pha hóa chất
2.2.1. Dung dịch thuốc thử PAN 10-3M
Thuốc thử PAN được pha bằng cách cân chính xác trên cân phân tích 0.0623 gam PAN, sau đó hòa tan PAN trong bình định mức 250 ml bằng một lượng axeton là 25 ml,
Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Thị Anh Phương
22
lắc đều cho PAN tan hết rồi định mức bằng nước cất đến vạch mức ta thu được dung dịch PAN có nồng độ 10-3 M. Các dung dịch có nồng độ nhỏ hơn được pha chế từ dung dung dịch gốc này.
2.2.2. Dung dịch kim loại nặng (Cd(II), Pb(II) 10-3M)
Dung dịch Cd(II), Pb(II) được pha chế muối Cd(NO3)2.4H2O, Pb(NO3)2. Dùng cân phân tích cân chính xác một lượng muối ứng với nồng độ và thể tích cần pha, hòa tan một lượng nhỏ axit HNO3 trong ống đong, chuyển vào bình định mức, định mức bằng nước cất đến vạch mức ta thu dung dịch muối kim loại nặng cần pha. Các dung dịch có nồng độ nhỏ hơn được pha chế từ hai dung dịch gốc này.
2.2.3. Dung dịch hóa chất khác
+ Dung dịch nền KNO3 1 M. + Dung dịch KSCN 1 M.
+ Dung dịch các ion gây cản Cu(II), Fe(III), Zn(II) 10-3 M, được pha chế từ từ các muối Cu(NO3)2.6H2O, Fe(NO3)3.9H2O, Zn(NO)3.
+ Các dung môi hữu cơ: Clorofom, rượu iso butylic, rượu iso amylic dùng để chiết phức đều thuộc loại tinh khiết.
2.3. Cách tiến hành thí nghiệm 2.3.1. Chuẩn bị dung dịch so sánh 2.3.1. Chuẩn bị dung dịch so sánh
Hút chính xác 0.4 ml PAN 10-3 M cho vào cốc, thêm 1 ml dung dịch KNO3 1 M để lực ion bằng hằng định và 1 ml dung dịch KSCN 1 M. Chuyển vào bình định mức 10 ml, định mức bằng nước cất đến vạch định mức, đều chỉnh đến pH tối ưu giống như dung dịch đã nghiên cứu. Sau đó cho dung dịch vào phễu chiết và chiết lên pha hữu cơ, loại bỏ phần nước, lấy phần dịch chiết để làm dung dịch so sánh khi đo mật độ quang của phức trong dung môi hữu cơ.
2.3.2. Dung dịch nghiên cứu
Hút chính xác một lượng thuốc thử và chính xác một lượng ion kim loại nặng nghiên cứu vào bình định mức 10 ml, thêm dung dịch nền KNO3, thêm dung dịch KSCN
Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Thị Anh Phương
23
đối với phức đa phối tử định mức tới 10 ml, sau đó điều chỉnh đến pH tối ưu. Để cho dung dịch phức ổn định sau đó tiến hành lắc và chiết dung dịch phức lên dung môi hữu cơ, lấy phần dịch chiết của phức đo mật độ quang với dung dịch so sánh là dịch chiết thuốc thử PAN.
2.3.3. Phương pháp nghiên cứu
Khảo sát phổ hấp thụ của phức đa phối tử của của một số dung dịch phức trong dung môi hữu cơ. Từ đó tìm ra các điều kiện tối ưu để thu được kết quả tốt nhất như: xác định bước sóng tối ưu, thời gian lắc tối ưu, độ pH tối ưu, dung môi chiết tối ưu, thể tích hữu cơ chiết tối ưu, tỷ lệ các cấu tử trong phức…để xác định hàm lượng kim loại trong mẫu giả và mẫu thật.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Thị Anh Phương
24
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1. Nghiên cứu hiệu ứng tạo phức đa phối tử PAN-Cd(II)-SCN- [2,8] 3.1.1. Khảo sát phổ hấp thụ của phức đa phối tử PAN-Cd(II)-SCN-
Trong quá trình nghiên cứu, tiến hành khảo sát như sau: Chuẩn bị 3 dung dịch có nồng độ và thành phần như sau:
+ Dung dịch 1: CPAN = 4.10-5 M
+ Dung dịch 2: CCd(II) = 2.10-5 M, : CPAN = 4.10-5 M
+ Dung dịch 3: CCd(II) = 2.10-5 M, : CPAN = 4.10-5 M,: CSCN- = 0.1 M.
Ba dung dịch này được đựng trong 3 bình định mức 10 ml, cố định lực ion bằng KNO3, điều chỉnh pH bằng KOH và KNO3 đến pH bằng 6.5. Sau đó tiến hành chiết các dung dịch bằng 5 ml rượu iso amylic. Sau đó tiến hành đo mật độ quang và kết quả như sau:
Bảng 3.1. Sự phụ thuộc mật độ quang vào bước sóng của phức đa phối tử PAN-Cd(II)- SCN- Stt λ (nm) Ai (PAN-nước) Ai (Phức đơn-PAN) Ai (Phức đa-PAN) 1 350 0.241 2 360 0.276 3 370 0.356 4 380 0.400 5 390 0.418 6 400 0.478 0.153 0.106 7 410 0.513 0.176 0.228 8 420 0.573 0.210 0.299 9 430 0.591 0.289 0.309 10 440 0.610 0.326 0.331 11 450 0.670 0.342 0.344
Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Thị Anh Phương 25 Stt λ (nm) Ai (PAN-nước) Ai (Phức đơn-PAN) Ai (Phức đa-PAN) 12 460 0.726 0.367 0.393 13 470 0.747 0.380 0.420 14 480 0.729 0.387 0.492 15 490 0.711 0.398 0.569 16 500 0.632 0.407 0.638 17 510 0.586 0.424 0.812 18 520 0.437 0.436 0.903 19 530 0.316 0.452 0.939 20 540 0.208 0.491 1.098 21 550 0.202 0.516 1.208 22 555 0.109 0.542 1.329 23 560 0.099 0.504 1.202 24 570 0.074 0.490 1.104 25 580 0.450 1.016 26 590 0.399 0.910 27 600 0.326 0.804 28 610 0.251 0.712 29 620 0.197 0.531 30 630 0.115 0.412 31 640 0.102 0.304 32 650 0.092 0.212
Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Thị Anh Phương
26
Hình 3.1. Sự phụ thuộc mật độ quang vào bước sóng của phức đa phối tử PAN-Cd(II)- SCN-
Chú thích:
(1): là thể hiện sự phụ thuộc của mật quang vào bước sóng của thuốc thử PAN với nước.
(2): là thể hiện sự phụ thuộc của mật độ quang vào bước sóng của phức đơn phối tử PAN-Cd(II).
(3): là thể hiện sự phụ thuộc của mật độ quang vào bước sóng của phức đa phối tử PAN-Cd(II)-SCN-.
Từ bảng 3.1 cho thấy rằng có sự chuyển dịch bước sóng lớn khi hình phức đa phối