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 tử (đối với phức PAN-nước có λtối ưu = 470 nm, còn phức đa phối tử PAN-Cd(II)-SCN- có λtối ưu = 555 nm) và mật độ quang của phức đa phối tử PAN-Cd(II)-SCN- (Amax = 1.329) lớn hơn nhiều so với phức đơn phối tử PAN-Cd(II) (Amax = 0.542). Từ đó chọn bước sóng λ = 555 nm cho các thí nghiệm tiếp theo.
3.1.2. Các điều kiện tối ưu tạo phức đa phối tử PAN-Cd(II)-SCN-
3.1.2.1. Dung môi tối ưu chiết phức đa phối tử PAN-Cd(II)-SCN-
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 350 400 450 500 550 600 650 700 (3) (1) (2) λ (nm) Ai
Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Thị Anh Phương
27
Phương pháp chiết trắc quang là một phương pháp được sử phổ biến trong các phương pháp phân tích hóa lý. Nguyên tắc của phương pháp này là khi muốn xác định một cấu tử nào đó, ta chuyển nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo sự hấp thụ ánh sáng của nó. Tuy nhiên, để tăng độ hấp thụ ánh sáng ta cần lựa chọn dung môi chiết thích hợp. Có nhiều loại dung môi chiết có thể sử dụng như: CCl4, CHCl3, rượu iso amylic, rượu iso butylic, clorofom….Nhưng trong quá trình thí nghiệm ta chỉ chọn ba loại dung môi chiết: Rượu iso amylic, rượu iso butylic và clorofom vì đây là những dung môi phổ biến trong phòng thí nghiệm, có thể dùng làm dung môi chiết cho hầu hết các hợp chất hữu cơ, cho hiệu suất chiết cao…
Để lựa chọn dung môi chiết tối ưu chuẩn bị 3 dung dịch phức đa phối tử trong 3 bình định mức 10 ml với thành phần như sau:
CCd(II) = 2.10-5 M, CPAN = 4.10-5 M, CSCN- = 0.1 M, = 0.1 M. Các dung môi chiết: rượu iso butylic, rượu iso amylic, clorofom.
Điều chỉnh pH của 3 dung dịch ở 6.5 sau đó chiết bằng 5 ml các dung môi khác nhau ở trên và tiến hành đo mật độ quang của dung dịch chiết so với dung dịch so sánh ở cùng pH = 6.5. Ta thu được kết quả như sau:
Bảng 3.2. Sự phụ thuộc mật độ quang vào dung môi chiết phức của phức đa phối tử PAN- Cd(II)-SCN-
Stt Dung môi pH (nm) Aimax
1 rượu iso butylic 6.500 520 0.302
2 Clorofom 6.500 550 0.490
3 rượu iso amylic 6.500 555 1.161
Từ kết quả ở bảng 3.2 cho thấy rằng dung dịch phức có mật độ quang lớn nhất khi chiết bằng dung dịch chiết là rượu iso amylic ở bước sóng 555 nm. Vậy ở các thí nghiệm tiếp theo chọn dung dịch chiết là rượu iso amylic.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Thị Anh Phương
28
Chuẩn bị 6 dung dịch phức đa phối tử sau trong bình định mức ở 10 ml có thành như sau:
CCd(II) = 2.10-5 M, CPAN = 4.10-5 M, CSCN- = 0.1 M, = 0.1 M. Điều chỉnh pH của 6 dung dịch phức đến pH = 6.5.
Tiến hành lắc chiết với 5 ml rượu iso amylic ở những thời gian khác nhau, sau đó tiến hành đo mật quang dung dịch chiết ở bước sóng 555 nm so với dung dịch so sánh ở cùng điều kiện, kết quả thu được biểu diễn ở bảng 3.3.
Bảng 3.3. Sự phụ thuộc của mật độ quang vào thời gian lắc trước khi chiết của phức đa phối tử PAN-Cd(II)-SCN-
t (phút) 1.000 3.000 5.000 7.000 9.000 11.000
Ai 1.103 1.209 1.315 1.320 1.325 1.322
Hình 3.2. Sự phụ thuộc của mật độ quang vào thời gian lắc trước khi chiết của phức đa phối tử PAN-Cd(II)-SCN- 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 0 2 4 6 8 10 12 t(phút) Ai
Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Thị Anh Phương
29
Từ biểu đồ ta thấy mật độ quang của dung dịch chiết không thay đổi nhiều sau khi tiến hành lắc chiết từ 5-11 phút. Vậy các thí nghiệm tiếp theo ta chọn thời gian lắc trước khi chiết phức là trong khoảng thời gian 5 phút để tiết kiệm thời gian cho thí nghiệm khác.
3.1.2.3. Sự phụ thuộc của mật độ quang vào thời gian lắc sau khi chiết của phức đa phối tử PAN-Cd(II)-SCN-
Để tiến hành nghiên cứu khoảng thời gian sau khi chiết tối ưu của phức ta cần chuẩn bị dung dịch trong bình định mức 10 ml có thành phần như sau:
CCd(II) = 4.10-5 M, CPAN = 4.10-5 M, CSCN- = 0.1 M, = 0.1 M.
Ta tiến hành lắc chiết với 5 ml dung dịch rượu iso amylic trong khoảng thời gian là 5 phút, sau đó tiến hành đo mật độ quang của dung dịch chiết phức tại các thời điểm thời gian khác nhau, ta thu được kết quả như sau:
Bảng 3.4. Sự phụ thuộc của mật độ quang vào thời gian lắc sau khi chiết của phức đa phối tử PAN-Cd(II)-SCN-
t (phút) 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 40.000
Ai 1.142 1.239 1.324 1.331 1.326 1.340 1.332
Hình 3.3. Sự phụ thuộc của mật độ quang vào thời gian lắc sau khi chiết của phức đa phối tử PAN-Cd(II)-SCN- 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 5 10 15 20 25 30 35 40 45 t(phút) Ai
Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Thị Anh Phương
30
Dựa vào đồ thị hình 3.3 ta thấy mật độ quang ít thay đổi sau khi chiết từ 15 đến 40 phút. Ở 15 phút dung dịch phức qua quan sát đã hoàn toàn ổn định, cho mật độ quang cao, cho nên các thí nghiệm tiếp theo ta chọn thời gian đo mật độ quang sau chiết là 15 phút để tiết kiệm thời gian cho các thí nghiệm tiếp theo.
3.1.2.4. Xác định pH tối ưu
Để tiến hành xác định pH tối ưu của quá trình tạo phức đa phối tử PAN-Cd(II)- SCN- ta tiến hành thí nghiệm trong 9 bình định mức 10 ml có thành phần như sau:
CCd(II) = 2.10-5 M, CPAN = 4.10-5 M, CSCN- = 0.1 M, = 0.1 M.
Điều chỉnh pH các dung dịch phức tại các giá trị pH khác nhau bằng KOH và HNO3. Sau đó tiến hành lắc và chiết dung dịch phức bằng 5 ml rượu iso amylic. Đo mật quang của dịch chiết tại λmax = 555 nm so với dung dịch so sánh. Ta thu được kết quả như sau:
Bảng 3.5. Sự phụ thuộc mật độ quang của phức đa phối tửPAN-Cd(II)-SCN- vào pH pH 4.500 5.000 5.500 6.000 6.300 6.500 6.700 7.000 7.500
Ai 0.659 0.882 1.061 1.189 1.252 1.259 1.204 1.180 0.738
Hình 3.4. Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc mật độ quang của phức đa phối tử PAN-Cd(II)- SCN- vào pH
Từ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc mật độ quang của phức đa phối tử PAN-Cd(II)- SCN- vào pH. Cho thấy mật độ quang tăng lên khi độ pH tăng tuy nhiên tăng cực đại từ
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2