Matlab là 1 phần mềm nổi tiếng của công ty MathWorks, là một ngôn ngữ hiệu năng cao cho tính toán kỹ thuật. Nó tích hợp tính toán, hiển thị và lập trình trong một môi trường dễ sử dụng. Matlab đầu tiên được viết bằng Fortran để cung cấp truy nhập dễ dàng tới phần mềm ma trận được phát triển bởi các dự án Linpack và Eispack. Sau đó, nó được viết bằng ngôn ngữ C trên cơ sở các thư viện nêu trên và phát triển thêm nhiều lĩnh vực của tính toán khoa học và các ứng dụng kỹ thuật.
Matlab là chương trình phần mềm hỗ trợ đắc lực cho tính toán với ma trận và hiển thị. Nó có thể chạy trên hầu hết các hệ máy tính, từ máy tính cá nhân đến các hệ super computer. Matlab được điều khiển bằng tập các lệnh, tác động qua bàn phím trên cửa sổ điều khiển. Nó cũng cung cấp khả năng lập trình với cú pháp dịch lệnh còn gọi là scrip file.
Các lệnh của Matlab rất hiệu quả, nó cho phép giải các loại bài toán khác nhau và đặc biệt hữu dụng cho các hệ phương trình tuyến tính hoặc tính toán với hàm toán học phức tạp.
Ngoài ra, Matlab còn có thể xử lý dữ liệu, biểu diễn đồ hoạ một cách linh hoạt, đơn giản và chính xác trong không gian 2 chiều cũng như 3 chiều, kể cả khả năng tạo hoạt cảnh, bởi những công cụ như các tệp lệnh ngày càng được mở rộng với 25 thư viện trợ giúp (Toolboxs – các gói chương trình (thư viện) cho các lĩnh vực ứng dụng rất đa dạng như xử lý tín hiệu, nhận dạng hệ thống, xử lý ảnh, mạng nơron, logic mờ, tài chính, tối ưu hóa, phương trình đạo hàm riêng, tin sinh học) và bản thân các hàm ứng dụng được tạo lập bởi người sử dụng. Không cần nhiều đến kiến thức về máy tính cũng như các kĩ thuật lập trình phức tạp, mà chỉ cần đến những hiểu biết cơ bản về lý thuyết số, toán ứng dụng, phương pháp tính và khả năng lập trình thông dụng, người sử dụng có thể dùng Matlab như công cụ hữu hiệu cho lĩnh vực chuyên ngành của mình.
Đối với hoá học phân tích, việc ứng dụng tiện ích của hàm M- file giúp tính toán dễ dàng và thuận tiện, do chỉ cần nhập đúng hàm và Matlab sẽ cho ra kết quả của hàm.
• Các quy luật và thuộc tính của hàm M- file
- Tên hàm và tên file phải là một ví dụ hàm flipud, file lưu là flipud.m
- Lần đầu tiên Matlab thực hiện hàm M- file nó sẽ mở file văn bản tương ứng và dịch lệnh của file đó ra một dạng mã lưu trong bộ nhớ nhằm mục đích tăng tốc độ thực hiện các lời gọi.
- Việc thi hành hàm M- file sẽ kết thúc khi gặp dòng cuối cùng của file đó hoặc gặp dòng lệnh return. Lệnh return giúp ta kết thúc một hàm mà không cần phải thi hành hết các lệnh của hàm đó.
- Hàm Error của Matlab sẽ hiển thị một chuỗi lên cửa sổ lệnh và dừng thực hiện hàm, trả điều khiển về cho cửa sổ lệnh và bàn phím.
- Một M- file có thể chứa nhiều hàm. Hàm chính trong M- file này phải đặt trùng với tên của M- file như đề cập đến ở trên. Các hàm khác được khai báo thông qua câu lệnh function được viết sau hàm đầu tiên.
- Các dòng ghi lời chú thích cho tới dòng đầu tiên không phải là chú thích trong hàm M- file là những dòng văn bản nó sẽ hiện ra khi sử dụng lệnh help.
Mỗi hàm có một không gian làm việc riêng tách biệt so với môi trường MATLAB, mối quan hệ giữa biến và hàm với môi trường MATLAB là các biến vào và ra của hàm đó. Nếu trong thân hàm giá trị bị thay đổi thì sự thay đổi này chỉ tác động bên trong của hàm đó mà không làm ảnh hưởng đến các biến của môi trường MATLAB. Các biến được tạo ra bên trong hàm thì chỉ nằm trong không gian làm việc của hàm đó và được giải phóng khi hàm kết thúc. Vì vậy, không thể sử dụng thông tin của lần trước gọi cho lần sau.
Số các tham số vào và ra khi một hàm được gọi thì chỉ có tác dụng bên trong hàm đó, biến nargin chứa tham số đa vào, biến narout chứa các tham số đưa ra. Thường dùng biến narin hơn biến narout.
Các hàm có thể dùng chung các biến với các hàm khác với môi trường Matlab là có thể đệ quy nếu như các biến được khai báo là toàn cục.
Đặc biệt, phần mềm này có cả một Toolbox với các hàm toán học dành riêng để thiết lập các mô hình tính toán, người sử dụng có thể tạo ra vô số các mô hình sao cho phù hợp với mục đích sử dụng. Với những ưu điểm nổi trội như vậy, Matlab có thể giải quyết mọi vấn đề tính toán phức tạp trong hoá phân tích.
PHẦN
THỰC
CHƯƠNG 5. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5.1.Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm
5.1.1.Hóa chất
• Muối đồng nitrat Cu(NO3)2.6H2O (Merck)
• Muối coban nitrat Co(NO3)2.6H2O (Merck)
• Thuốc thử 5 – bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone (5 – BSAT)
• Muối kali nitrat KNO3 • Axit axetic CH3COOH
• Muối natri axetat CH3COONa
• Muối amoni clorua NH4Cl
• Amoniac NH3
• Dung môi dimethylformamide (CH3)2NCHO (DMF)
• Nước cất hai lần
5.1.2.Dụng cụ
• Pipet loại 1ml, 2ml, 5ml, 10ml, 25ml. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Bình định mức loại 25ml, 50ml, 100ml, 250ml, 500ml, 1000ml.
• Cốc thủy tinh, phễu.
• Cân điện tử Satorius Basic.
• Máy quang phổ tử ngoại khả kiến (UV/VIS Spectrophotometer)
5.2.Chuẩn bị các dung dịch gốc
5.2.1.Các dung dịch gốc
• Dung dịch Cu2+
10-2 M: Cân chính xác 0,2963g Cu(NO3)2.6H2O cho vào bình định mức 100 ml, định mức đến vạch bằng nước cất.
• Dung dịch Cu2+
5.10-4 M: Hút chính xác 5ml dung dịch Cu2+
10-2 M cho vào bình định mức 100 ml, định mức đến vạch bằng nước cất.
• Dung dịch Co2+ 10-2 M: Cân chính xác 0,2915g Co(NO3)2.6H2O cho vào bình định mức 100 ml, định mức đến vạch bằng nước cất.
• Dung dịch Co2+ 5.10-4 M: Hút chính xác 5ml dung dịch Co2+ 10-2 M cho vào bình định mức 100 ml, định mức đến vạch bằng nước cất.
• Dung dịch 5-BSAT 10-2
M: Cân chính xác 0,2743g 5-BSAT cho vào bình định mức 100 ml, định mức đến vạch bằng dung môi DMF.
• Dung dịch 5-BSAT 5.10-4
M: Hút chính xác 2,5ml dung dịch 5-BSAT 10-2
M cho vào bình định mức 50 ml, định mức đến vạch bằng dung môi DMF.
• Dung dịch KNO3 1M: Cân chính xác 101,1004g KNO3 cho vào bình định mức 1000 ml, định mức đến vạch bằng nước cất.
• Dung dịch CH3COONa 0,2M: Cân chính xác 8,2005g CH3COONa cho vào bình định mức 500 ml, định mức đến vạch bằng nước cất.
• Dung dịch CH3COOH 0,2M: Hút chính xác 5,8 ml CH3COOH cho vào bình định mức 500 ml, định mức đến vạch bằng nước cất.
5.3.Nội dung thực nghiệm
Để xây dựng quy trình xác định đồng thời Cu2+
và Co2+ bằng phương pháp trắc quang kết hợp với các thuật toán hồi quy đa biến như: bình phương tối thiểu thông thường (CLS), bình phương tối thiểu riêng phần (PLS) và hồi quy cấu tử chính (PCR), trong khóa luận này chúng tôi tiến hành khảo sát:
• Khảo sát các điều kiện tối ưu của phản ứng tạo phức màu giữa ion Cu2+
và Co2+ với thuốc thử 5 – BSAT (bước sóng tối ưu, pH tối ưu, thể tích dung môi, độ bền phức màu theo thời gian, lượng dư thuốc thử …)
• Khảo sát tính cộng tính và khoảng tuyến tính xác định nồng độ của từng cấu tử trên với thuốc thử 5 – BSAT, từ đó xây dựng nồng độ ma trận có mặt đồng thời hai cấu tử.
• Xây dựng các thuật toán CLS, PLS, PCR và kiểm tra độ chính xác của các thuật toán đó.
• Đánh giá, so sánh kết quả thu được từ các thuật toán với nhau áp dụng đối với mẫu chuẩn, mẫu kiểm tra và mẫu tự pha.
5.4.Khảo sát các điều kiện tối ưu của quá trình tạo phức màu giữa ion Cu2+và Co2+ với thuốc thử 5 – BSAT và Co2+ với thuốc thử 5 – BSAT (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
5.4.1.Khảo sát bước sóng tối ưu cho quá trình tạo phức
Tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của mật độ quang các phức màu và thuốc thử trong khoảng bước sóng 385 – 500 nm, từ đó xác định bước sóng tối ưu cho quá trình tạo phức của ion Cu2+ và Co2+
Tiến hành thí nghiệm: pha các dung dịch để khảo sát phổ
• Dung dịch 5 – BSAT 2.10-5
M: Hút chính xác 1 ml dung dịch 5-BSAT 5.10-4 M, 5ml dung dịch đệm, 2,5ml DMF, 5ml dung dịch KNO3 cho vào bình định mức 25 ml, định mức đến vạch bằng nước cất. Dung dịch so sánh là nước cất.
• Dung dịch Cu (II) – 5-BSAT 2.10-5 M: Hút chính xác 1 ml dung dịch Cu2+ 5.10-4 M, 1ml dung dịch 5 – BSAT 10-2
M, 5ml dung dịch đệm, 2,5ml DMF, 5ml dung dịch KNO3 cho vào bình định mức 25 ml, định mức đến vạch bằng nước cất.
• Dung dịch Co (II) – 5-BSAT 2.10-5 M: Hút chính xác 1 ml dung dịch Co2+ 5.10-4 M, 1ml dung dịch 5 – BSAT 10-2
M, 5ml dung dịch đệm, 2,5ml DMF, 5ml dung dịch KNO3 cho vào bình định mức 25 ml, định mức đến vạch bằng nước cất.
• Dung dịch so sánh: Hút chính xác 1 ml dung dịch 5 – BSAT 10-2
M, 5ml dung dịch đệm, 2,5ml DMF, 5ml dung dịch KNO3 cho vào bình định mức 25 ml, định mức đến vạch bằng nước cất.
5.4.2.Khảo sát khoảng pH tối ưu cho quá trình tạo phức
Pha dãy dung dịch màu của 2 phức Cu(II) – 5-BSAT và Co(II) – 5-BSAT có nồng độ xác định (trong đó thuốc thử dư) nhưng pH thay đổi từ 4,6 đến 7,0 bằng cách sử dụng dung dịch đệm (chú ý sao cho thành phần của đệm phải trơ với phản ứng màu).
Tiến hành thí nghiệm: chuẩn bị các dung dịch có pH trong khoảng tử 4,6 – 7,0, sau đó pha các dung dịch để khảo sát khoảng pH tối ưu.
Bảng 2: Dãy các dung dịch phức Cu (II) – 5-BSAT để khảo sát pH tối ưu pH 4,6 4,8 5,0 5,2 5,5 5,8 6,0 6,2 6,5 6,8 7,0 V𝑪𝒖+𝟐𝟓.𝟏𝟎−𝟒𝑴(ml) 1 V 5-BSAT 10−2M 1 V đệm (ml) 5 V DMF (ml) 2,5 V 3 KNO (ml) 5 Định mức đến vạch bằng nước cất
Bảng 3: Dãy các dung dịch phức Co (II) – 5-BSAT để khảo sát pH tối ưu
pH 4,6 4,8 5,0 5,2 5,5 5,8 6,0 6,2 6,5 6,8 7,0 V𝑪𝒐+𝟐𝟓.𝟏𝟎−𝟒𝑴(ml) 1 V 5-BSAT 10−2M 1 V đệm (ml) 5 V DMF (ml) 2,5 V 3 KNO (ml) 5 Định mức đến vạch bằng nước cất
Đo mật độ quang của các dung dịch đó tại λmax của chúng với dung dịch so sánh là thuốc thử 5 – BSAT có cùng điều kiện nhưng không có ion kim loại.
Dựng đồ thị A – pH từ những giá trị mật độ quang thu được, từ đó chọn giá trị pH thích hợp cho cả 2 phản ứng tạo phức.
5.4.3.Khảo sát lượng dung môi DMF cần dùng
Pha hai dãy dung dịch phức Cu(II) – 5-BSAT và Co(II) – 5-BSAT có cùng nồng độ 2.10-5M trong đó có dư thuốc thử, ở pH tối ưu nhưng thể tích dung môi DMF thay đổi từ 0,5ml đến 5,0ml.
Tiến hành thí nghiệm: chuẩn bị các dung dịch để khảo sát lượng dung môi DMF cần dùng
Bảng 4: Dãy dung dịch phức Cu(II) – 5-BSAT khảo sát lượng dung môi DMF cần dùng V DMF (ml) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 V𝑪𝒖+𝟐𝟓.𝟏𝟎−𝟒𝑴(ml) 1 V 5-BSAT 10−2M 1 V đệm (ml) 5 V 3 KNO (ml) 5 Định mức đến vạch bằng nước cất
Bảng 5: Dãy dung dịch phức Co(II) – 5-BSAT khảo sát lượng dung môi DMF cần dùng V DMF (ml) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 V𝑪𝒐+𝟐𝟓.𝟏𝟎−𝟒𝑴(ml) 1 V 5-BSAT 10−2M 1 V đệm (ml) 5 V 3 KNO (ml) 5 Định mức đến vạch bằng nước cất
Đo mật độ quang của các dung dịch đó ở λmax của chúng với dung dịch so sánh là thuốc thử 5 – BSAT ở cùng điều kiện.
Dựng đồ thị A – VDMF từ những giá trị mật độ quang thu được, từ đó chọn giá trị VDMF cần dùng cho quá trình tạo phức nhưng cũng vừa tiết kiệm.
5.4.4.Khảo sát độ bền của phức theo thời gian
Pha hai dung dịch phức màu của phức Cu(II) – 5-BSAT và Co(II) – 5-BSAT ở các điều kiện tối ưu và đo mạt độ quang A ở λmax sau 5 phút một lần.
Tiến hành thí nghiệm: lấy 2 bình đinh mức 25ml, cho vào mỗi bình 1 ml dung dịch 5 – BSAT 10-2M, 5 ml đệm, 2,5 ml DMF, 5 ml KNO3. Sau đó, cho vào bình thứ
nhất 1 ml dung dịch Cu2+ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
5.10-4M, bình thứ hai 1 ml dung dịch Co2+
5.10-4M, rồi định mức đến vạch bằng nước cất.
Từ kết giá trị mật độ quang thu được, lập đồ thị A – t, từ đó chọn khoảng thời gian thích hợp để đo mật độ quang. Khoảng thời gian thích hợp để đo mật độ quang là khoảng thời gian tại đó mật độ quang A ổn định nhất.
5.4.5.Khảo sát lượng dư thuốc thử cần thiết để chuyển hoàn toàn ion Cu2+
và Co2+ thành phức
Pha hai dãy dung dịch phức màu Cu(II) – 5-BSAT và Co(II) – 5-BSAT có nồng độ xác định ở các điều kiện tối ưu nhưng nồng độ của thuốc thử tăng dần.
Tiến hành thí nghiệm : pha các dãy dung dịch để khảo sát lượng dư thuốc thử để chuyển hoàn toàn ion kim loại thành phức
Bảng 6: Dãy dung dịch phức Cu(II) – 5-BSAT khảo sát lượng dư thuốc thử để chuyển hoàn toàn ion Cu2+ thành phức
𝐕𝐂𝐮𝟐+ 𝟓.𝟏𝟎−𝟒𝐌(ml) 1 𝐕𝟓−𝐁𝐒𝐀𝐓𝟓.𝟏𝟎−𝟒𝐌 (ml) 1 2 3 4 5 6 7 8 𝐂𝟓−𝐁𝐒𝐀𝐓.106M 20 40 60 80 100 120 140 160 Vđệm (ml) 5 VDMF (ml) 2,5 V 3 KNO (ml) 5 Định mức đến vạch bằng nước cất
Bảng 7: Dãy dung dịch phức Co(II) – 5-BSAT khảo sát lượng dư thuốc thử để chuyển hoàn toàn ion Co2+
thành phức 𝐕𝐂𝐨𝟐+ 𝟓.𝟏𝟎−𝟒𝐌(ml) 1 𝐕𝟓−𝐁𝐒𝐀𝐓𝟓.𝟏𝟎−𝟒𝐌 (ml) 1 2 3 4 5 6 7 8 𝐂𝟓−𝐁𝐒𝐀𝐓.106M 20 40 60 80 100 120 140 160 Vđệm (ml) 5 VDMF (ml) 2,5 V 3 KNO (ml) 5 Định mức đến vạch bằng nước cất
Đo mật độ quang của các dung dịch đó tại λmax của chúng với dung dịch so sánh là dung dịch thuốc thử có cùng nồng độ nhưng không có ion kim loại.
Dựng đồ thị A – C thuốc thử, từ đó chọn lượng dư thuốc thử cần thiết để chuyển hoàn toàn ion Cu2+ và Co2+ thành phức.
5.4.6.Khảo sát thành phần của phức Cu(II) – 5-BSAT và Co(II) – 5-BSAT
Pha hai dãy dung dịch phức Cu(II) – 5-BSAT và Co(II) – 5-BSAT trong đó 5 – BSAT có nồng độ là 2.10-5M, ion đồng và coban có nồng độ tăng dần.
Tiến hành thí nghiệm : pha các dãy dung dịch để khảo sát thành phần của phức Cu(II) – 5-BSAT và Co(II) – 5-BSAT
Bảng 8: Dãy dung dịch phức Cu(II) – 5-BSAT để xác định thành phần phức
𝐕𝐂𝐮𝟐+ 𝟓.𝟏𝟎−𝟒𝐌(ml) 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 𝐕𝟓−𝐁𝐒𝐀𝐓𝟓.𝟏𝟎−𝟒𝐌 (ml) 1 C Cu/C 5 - BSAT 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Vđệm (ml) 5 VDMF (ml) 2,5 V 3 KNO (ml) 5 Định mức đến vạch bằng nước cất 𝐕𝐂𝐮𝟐+ 𝟓.𝟏𝟎−𝟒𝐌 (ml) 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 4,0 5,0 𝐕𝟓−𝐁𝐒𝐀𝐓𝟓.𝟏𝟎−𝟒𝐌 (ml) 1 C Cu/C 5 - BSAT 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 4,0 5,0 Vđệm (ml) 5 VDMF (ml) 2,5 V 3 KNO (ml) 5 Định mức đến vạch bằng nước cất
Bảng 9: Dãy dung dịch phức Co(II) – 5-BSAT để xác định thành phần phức 𝐕𝐂𝐨𝟐+ 𝟓.𝟏𝟎−𝟒𝐌(ml) 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 𝐕𝟓−𝐁𝐒𝐀𝐓𝟓.𝟏𝟎−𝟒𝐌 (ml) 1 C Co/C 5 - BSAT 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Vđệm (ml) 5 VDMF (ml) 2,5 V 3 KNO (ml) 5 Định mức đến vạch bằng nước cất 𝐕𝐂𝐨𝟐+ 𝟓.𝟏𝟎−𝟒𝐌(ml) 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 4,0 5,0 𝐕𝟓−𝐁𝐒𝐀𝐓𝟓.𝟏𝟎−𝟒𝐌 (ml) 1 C Co/C 5 - BSAT 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 4,0 5,0 Vđệm (ml) 5 VDMF (ml) 2,5 V 3 KNO (ml) 5 Định mức đến vạch bằng nước cất
Đo mật độ quang của các dung dịch tại λ max của mỗi phức. Dung dịch so sánh là dung dịch thuốc thử 5 – BSAT nồng độ 2.10-5
M ở cùng điều kiện.
Vẽ đồ thị A – CCu/C5 – BSAT (CCo/C5 – BSAT) từ đó xác định thành phần của mỗi phức.
5.4.7.Khảo sát khoảng nồng độ tuân theo định luật Bougher – Lambert – Beer của dung dịch phức Cu(II) – 5-BSAT và Co(II) – 5-BSAT