2. Phương phỏp quang phổ hấp thụ phõn tử vựng tử ngoại và ỏnh sỏng nhỡn thấy
2.1. Cơ sở lớ thuyết của phương phỏp so màu
Giả sử tồn tại một mụi trường ủồng nhất cú chiều dày là l chứa chất màu cú khả năng hấp thụ ỏnh sỏng. Cho tia sỏng ủơn sắc cú bước súng λ và cường ủộ Io ủi qua mụi trường ủú (tia sỏng này khụng bị phản xạ, khỳc xạ và tỏn xạ). Sau khi bị mụi trường hấp thụ, dũng sỏng yếu ủi và chỉ cũn cường ủộ I. Quan hệ giữa Io và I ủược xỏc ủịnh theo ủịnh luật Bugơ - Lambe- Bia:
I/Io=10-εlC (IV- 1)
đặt A = -lg I/Io và gọi là ủộ hấp thụ quang, thỡ:
A = εlC (IV- 2) Trong ủú: - ε là hệ số hấp thụ nồng ủộ, hệ số này chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất màu và bước súng ỏnh sỏng hấp thụ, nếu nồng ủộ C ủược tớnh bằng mol/lớt thỡ ε là hệ số hấp thụ phõn tử gam và thường khụng lớn hơn 2.105, nếu C tớnh bằng nồng ủộ % thỡε là hệ số hấp thụ %Ầ
- l là chiều dày của tầng hấp thụ ỏnh sỏng, ủo bằng cm, - C là nồng ủộ chất màu, cú thể là nồng ủộ M, %, mg/mlẦ
Như vậy, ủịnh luật Bugơ - Lambe - Bia phỏt biểu như sau: ủộ hấp thụ quang của
dung dịch hấp thụ màu là tỉ lệ thuận với chiều dày của tầng hấp thụ màu và nồng ủộ chất màu cú trong tầng ủú.
định luật Bugơ - Lambe - Bia cũn ủược gọi là ủịnh luật Lambe - Bia, ủộ hấp thụ quang A cũn ủược gọi bằng một thuật ngữ khỏc ủú là mật ủộ quang D.
b. Tớnh chất của ủịnh luật Bugơ - Lambe - Bia:
Tớnh chất quan trọng nhất của ủịnh luật này ủú là tớnh cộng tớnh. Tớnh cộng tớnh này ủược thể hiện theo 3 hướng sau:
Nếu cú thể chia tầng hấp thụ màu thành n phần nhỏ thỡ tổng ủộ hấp thụ quang của cỏc tiểu phần là ủộ hấp thụ quang của toàn bộ dung dịch màu. Tức:
A = εlC = εl1C +εl2C + Ầ+ εlnC = εC∑ni=1 li, (IV- 3)
trong ủú: l = l1 + l2 + Ầ+ ln.
Ứng dụng tớnh chất này, cú thể tăng ủộ hấp thụ quang của dung dịch màu loóng bằng việc sử dụng ống màu (cuvet) cú kớch thước hơn lớn hoặc giảm ủộ hấp thụ quang của dung dịch màu ủặc bằng việc sử dụng cuvet cú kớch thước nhỏ lớn, ủể việc ủo ủộ hấp thụ quang ủạt ủộ chớnh xỏc cao. Trong thực tế, chỉ sản xuất cỏc cuvet cú ủộ dày từ 0,1 ủến 10cm, thường là cuvet 1cm. Khụng dựng cỏc loại cuvet nhỏ hơn 0,1cm, vỡ lỳc này rất khú rút dung dịch vào cuvet; khụng dựng cỏc loại cuvet lớn hơn 10cm, vỡ lỳc này sự khỳc xạ ỏnh sỏng quỏ lớn gõy sai số phõn tớch.
- Tớnh cộng tớnh theo nồng ủộ chất hấp thụ màu:
Nếu cú thể chia nồng ủộ chất hấp thụ màu thành n phần nhỏ thỡ tổng ủộ hấp thụ quang của cỏc tiểu phần là ủộ hấp thụ quang của toàn bộ dung dịch màu. Tức:
A = εlC = εlC1 +εlC2 + Ầ+ εlCn = εl∑ni=1 Ci, (IV- 4)
trong ủú: C = C1 + C2 + Ầ+ Cn
Ứng dụng tớnh chất này, cú thể tăng ủộ hấp thụ quang của dung dịch màu loóng bằng việc cỏch cho thờm chất màu hoặc giảm ủộ hấp thụ quang của dung dịch màu ủặc bằng pha loóng dung dịch màu hay lấy lượng chất màu ớt hơn làm phõn tớch, ủể việc ủo ủộ hấp thụ quang ủạt ủộ chớnh xỏc cao.
- Tớnh cộng tớnh theo thành phần cỏc chất hấp thụ màu:
Nếu trong dung dịch cú n chất hấp thụ màu và mỗi chất màu ủều tuõn thủ ủịnh luật Bugơ - Lambe - Bia thỡ tổng ủộ hấp thụ quang của cỏc chất màu là ủộ hấp thụ quang của toàn bộ dung dịch màu. Tức:
A = ε lC = ε1lC1 +ε2lC2 + Ầ+ εnlCn = l.∑ni=1 εi Ci (IV- 5)
Ứng dụng tớnh chất này cú thể cú thể giải bài toỏn phõn tớch nhiều chất màu trong dung dịch phõn tớch.
Dựng mỏy ủo ủể xỏc ủịnh ủộ hấp thụ quang. độ chớnh xỏc của mỏy ủo là cao nhất khi A = 0,4343. Song, trong khoảng A từ 0,15 - 0,7, sai số ủo là khụng ủỏng kể, do ủú khi ủo A cần ủiều chỉnh chiều dày tầng hấp thụ hay nồng ủộ chất màu ủể giỏ trị A ủo ủược nằm trong khoảng ủú.
Ngoài việc ủo A, cũn cú thể ủo truyền quang T%: T% = (I/Io).100. Tuy nhiờn, phộp ủo này ớt ủược sử dụng trong phõn tớch ủịnh lượng, vỡ hàm số T% = f(C) khụng tuyến tớnh như hàm số A = f(C). Thường chỉ dựng ủo T% khi căn chỉnh mỏy ủo. Lưu ớ: T% = 100 thỡ A = 0.
c. Phạm vi ứng dụng của ủịnh luật Bugơ - Lambe - Bia:
định luật Bugơ - Lambe - Bia chỉ tuyến tớnh trong cỏc ủiều kiện sau:
+ Ánh sỏng ủi qua dung dịch màu là ỏnh sỏng ủơn sắc, vỡ ủối với cỏc ỏnh sỏng cú cỏc bước súng khỏc nhau thỡ hệ số hấp thụ màu của chất màu khỏc nhau dẫn ủến ủộ hấp thụ quang ủo ủược sẽ khỏc nhau. Tức, ứng với hai bước súngλ1 vàλ2 cú: Aλ1 =
ελ1.l.C ≠ Aλ2 = ελ2.l.C.
+ Với một khoảng nồng ủộ chất màu. đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc A = f(C) thường cú cỏc dạng như trong cỏc hỡnh H.1a.4, H.1b.4.
Nguyờn nhõn tạo ra cỏc dạng này như sau:
- Dạng 1:
đõy là ủường lớ thuyết.
- Dạng 2:
Ở nồng ủộ quỏ cao, cỏc chất màu che khuất nhau dẫn ủến ủộ hấp thụ quang dung dịch bị giảm.
- Dạng 2, 3:
Ở nồng ủộ quỏ cao, cỏc chất màu cấu trỳc lại tạo ra chất mới cú hệ số hấp thụ khỏc với chất màu ở nồng ủộ thấp, dẫn ủến ủộ hấp thụ quang dung dịch tăng (dạng 3) hoặc giảm (dạng 2).
- Dạng 4:
đối với cỏc chất phõn tớch mà màu của nú cú ủược nhờ tạo phức chất màu, song, hằng số bền khụng ủủ lớn, thỡ ở nồng ủộ thấp của chất cần phõn tớch phản ứng tạo màu chưa xảy ra hoặc xảy ra khụng hoàn toàn, dẫn ủến ủộ hấp thụ quang bị giảm. Cũn ở nồng ủộ cao thỡ nguyờn nhõn lại nhưở cỏc dạng ủường 2, 3.
Do ủú khi ủo cần kiểm tra sự tuyến tớnh của ủịnh luật ủể xỏc ủịnh khoảng dung
dịch cần ủo. đối với cỏc dạng ủường 2, 3, nồng ủộ ủo là từ 0 ủến C1, cũn với dạng ủường 4 là từ C1ủến C2.
a b
Hỡnh H.1a.4, H.1b. 4: Một số dạng ủường A = f(C)
+Dung dịch màu là dung dịch thật, tức trong dung dịch khụng cú kết tủa, huyền phự hay nhũ tương, vỡ cỏc hạt này tỏn xạ mạnh ỏnh sỏng và làm thay ủổi cường ủộ ỏnh sỏng ủi ra khỏi cuvet chiếu vào bộ phõn ủo.
+ điều kiện ủo là thống nhất ở mọi mẫu, vỡ ủo so màu là phộp ủo so sỏnh. Khi ủiều kiện ủo thay ủổi cú thể dẫn ủến:
- Nồng ủộ chất màu thay ủổi. Vớ dụ: Khi sử dụng dung mụi là cỏc chất dễ bay hơi, nếu thời gian ủo khụng như nhau, lượng dung mụi bay ủi khụng như nhau dẫn ủến nồng ủộ biến ủổi khỏc nhau, tạo nờn sai số phõn tớch.
- Thay ủổi dạng chất màu. Vớ dụ: Khi ủo màu vàng của ion CrO42-, nếu pH dung dịch thay ủổi chuyển sang mụi trường axit, trong dung dịch hỡnh thành ion Cr2O72- cú màu da cam:
2 CrO42- + 2H+ = Cr2O72- + H2O, vàng da cam
+ Khụng pha loóng dung dịch màu, nhất là ủối với cỏc phức chất màu khụng bền vỡ khi pha loóng phức chất màu bị phõn li, vớ dụ: ML ⇆ M + L làm cho phức chất màu thay ủổi về cường ủộ màu cũng như dạng màu (màu của dạng ML sang màu của dạng L)
2.2. Những yờu cầu ủối với phức chất màu
Trong nhiều trường hợp chất cần phõn tớch khụng cú màu hoặc cường ủộ màu khụng ủủ lớn, phải tạo màu cho chỳng bằng cỏc phản ứng thớch hợp. Việc tạo màu thường dựa trờn cỏc phản ứng tạo phức chất cú màu. Phản ứng ủược lựa chọn phải thoả món cỏc yờu cầu sau:
* Phức chất phải cú ủộ bền lớn:
Phức chất càng bền thỡ ảnh hưởng của sự pha loóng và cỏc phản ứng phụ càng giảm nờn phộp ủo ủạt ủộ chớnh xỏc cao. Ngoài ra, khụng cần phải dựng quỏ dư thuốc thử, cho phộp giảm chi phớ phõn tớch.
* Phức chất phải cú hệ số hấp thụ phõn tử gam lớn:
Phức chất cú hệ số hấp thụ gam lớn thỡ phộp ủo sẽ nhạy cao, cho phộp phõn tớch lượng nhỏ với ủộ chớnh xỏc cao hơn, vớ dụ: phức chất [Cu((NH3)4]2+ cúε = 500, cũn phức chất của ion Cu2+ với dithizon cúε = 5000, do ủú, phộp ủo với phức chất Cu - dithizon sẽ nhạy hơn 10 lần.
*Phức chất phải cú thành phần xỏc ủịnh:
Tức trong dung dịch chỉ cú một phức chất màu hỡnh thành, bởi vỡ mỗi chất màu cú một giỏ trị ε và như vậy, khi trong dung dịch hỡnh thành nhiều chất màu thỡ tớnh tuyến tớnh của ủịnh luật Lamba - Bia sẽ bị vi phạm khi qui nồng ủộ chất phõn tớch về một dạng chất màu nào ủú.
Muốn cho trong dung dịch chỉ tồn tại một chất màu cần chọn cỏc ủiều kiện phản ứng thớch hợp như:
- Dựng thuốc thử phải cú tớnh chọn lọc cao, tức chỉ tạo màu với một ion nhất ủịnh. Vớ dụ: xỏc ủịnh ion Fe3+ trong hỗn hợp với cỏc ion Al3+, Ca2+, Mg2+, thỡ chọn thuốc thử là KCNS và tiến hành phản ứng ở mụi trường axit pH = 2, vỡ chỉ cú ion Fe3+ tạo phức chất màu, cũn cỏc ion khỏc khụng phản ứng.
- Thuốc thử phải cú nồng ủộ xỏc ủịnh ủể bảo ủảm chỉ cú một phức chất màu ủược hỡnh thành, bởi vỡ phản ứng tạo phức chất thường xảy ra theo nhiều bậc. Vớ dụ: phản ứng tạo phức chất màu giữa ion Fe3+ và ion CNS- xảy ra như sau:
Fe3+ + 2CNS- = [Fe(CNS)2 ]+, khi [CNS-]dư = 1,2.10- 2M Fe3+ + 3CNS - = [Fe(CNS)3], khi [CNS-]dư = 4.10-2M Fe3+ + 4CNS - = [Fe(CNS)4]-, khi [CNS-]dư = 1,6.10- 1M Fe3+ + 5CNS - = [Fe(CNS)5]2-, khi [CNS-]dư = 7.10-1M Theo sự biến ủổi của nồng ủộ thuốc thử mà màu sắc của phức chất biến ủổi từ màu vàng sang màu ủỏ. Do ủú, ủể chỉ cú một loại phức chất màu hỡnh thành phải cho lượng dư thuốc thử như nhau ở cả dung dịch phõn tớch và dung dịch tiờu chuẩn.
- pH mụi trường phải ổn ủịnh ở một giỏ trị nhất ủịnh, bởi vỡ cỏc ion kim loại trong dung dịch chịu sự thuỷ phõn:
M(OH)(m-1)+ + H2O ⇄ M(OH)2 (m-2)+ + H +Ầ
và ligand (phối tử) (L) thường là cỏc axit, bazơ nờn sự tạo phức chất giữa cỏc cation Mm+ và cỏc phối tử L phụ thuộc vào pH mụi trường. Vớ dụ:
Phản ứng tạo phức chất màu giữa cỏc ion Fe3+ và CNS- chỉ xảy ra ở pH < 2,5, vỡ ở pH cao hơn thỡ ion Fe3+ bị thuỷ phõn:
Fe3++ 3H2O = Fe(OH)3 + 3H+
Hay phản ứng tạo phức chất màu giữa ion Fe3+ và axit salyxilic (sal) xảy ra như sau: Fe3+ + sal = [Fe(sal)]+ + 2H+ pH < 4 tớm ủỏ Fe3+ + 2sal = [Fe(sal)2]- + 4H+ pH 4 → 9 ủỏ Fe3+ + 3sal = [Fe(sal)3]3- + 6H+ pH > 9 vàng
Nờn, trong phõn tớch so màu ion Fe3+ với thuốc thử axit salyxilic thường tiến hành tại pH = 2 Ờ 2,5.
* Phức chất màu phải bền với thời gian ủể kịp ủo ủộ hấp thụ quang:
Thời gian thớch hợp ủể ủo là khi ủộ hấp thụ quang dung dịch ủạt cực ủại và khụng ủổi. Thời gian bền của chất màu càng dài càng tốt, ớt nhất phải ủạt từ 5 Ờ 10 phỳt. đường biểu diễn sự phụ thuộc A = f(t) thường cú 2 dạng H.2a.4 và H.2b.4.
Như vậy, với dạng ủường nhưở hỡnh H.2a.4 thỡ thời gian ủo là từ 0 Ờ t1, ở hỡnh H.2b.4 là từ t1 Ờ t2, cỏc khoảng thời gian này ủều phải ủạt từ 5 ủến 10 phỳt trở lờn.
Nếu phức chất kộm bền với thời gian thỡ cú thể dựng thang màu giả. Thang màu giả là dóy dung dịch cú màu và cường ủộ màu giống màu dung dịch khảo sỏt nhưng màu bền hơn. Thang màu giả thường ủược pha từ cỏc hợp chất vụ cơ. Vớ dụ: khảo sỏt màu da cam của caroten cú thể dung dịch K2Cr2O7ủể pha thang màu giả.
a b
Hỡnh H.2a.4 và H.2b.4: đường biểu diễn phụ thuộc A= f(t)
2.3. Phổ hấp thụ và chọn bước súng ủo
* Phổ hấp thụ:
Phổ hấp thụ là ủường biểu diễn sự phụ thuộc của giỏ trị ủộ hấp thụ quang A hoặcε vào bước súng ỏnh sỏng. Trong vựng ỏnh sỏng nhỡn thấy, thường gặp phổ hấp thụ với một cực ủại (hỡnh H.3.4).
Hỡnh H.3.4: Phổ hấp thụ của thuốc thử và phức chất màu: 1- Thuốc thử, 2- Phức chất màu
Phổ hấp thụ là thụng tin rất quan trọng ủược ứng dụng trong phõn tớch ủịnh tớch và ủịnh lượng.
Trong phõn tớch ủịnh tớnh: Phổ hấp thụ là một thụng số ủặc trưng cho mỗi chất nờn qua việc xỏc ủịnh phổ hấp thụ cú thể xỏc ủịnh ủược thành phần ủịnh tớnh của dung dịch phõn tớch. Tuy vậy, khụng sử dụng phổ hấp thụ trong phõn tớch ủịnh tớnh cỏc chất vụ cơ. Trong phõn tớch cỏc hợp chất hữu cơ, cũng chỉ dựng phổ hấp thụủể kiểm tra ủộ sạch của cỏc chất thụng qua so sỏnh phổ hấp thụ của chất cần phõn tớch với phổ hấp thụ của chất chuẩn.
Trong phõn tớch ủịnh lượng: Dựng phổ hấp thụủể chọn bước súng ủo ủộ hấp thụ quang.
* Chọn bước súng ủo ủộ hấp thụ quang:
Chọn bước súng ủo ủộ hấp thụ quang là một khõu rất quan trọng trong phõn tớch ủịnh lượng bằng phương phỏp so màu, vỡ nú cú ảnh hưởng lớn ủến ủộ chớnh xỏc và ủộ nhạy của phộp phõn tớch. Việc chọn bước súng ủo dựa trờn cỏc nguyờn tắc sau:
+ Trường hợp dung dịch chỉ cú chất phõn tớch hấp thụ màu cũn thuốc thử khụng hấp thụ màu, thỡ chọn bước súng ủo (λ), ởủú ủộ hấp thụ quang ủạt giỏ trị cực ủại, vỡ ở ủõy ảnh hưởng của bước súng ủo ủến kết quả phõn tớch là nhỏ nhất. Bước súng ủoλứng với giỏ trị A cực ủại gọi làλmax.
+ Trường hợp thuốc thử cũng hấp thụ màu, thỡ cú thể chọn bước súng ủo theo 1 trong 2 cỏch sau:
- Cỏch thứ nhất: chọn bước súng ủo sao cho ởủú hiệu hệ số hấp thụ phõn tử gam của phức chất màu và của thuốc thử (∆ε) ủạt giỏ trị cực ủại.
- Cỏch thứ hai: chọn bước súng ủo sao cho ở ủú ủồng thời hiệu hệ số hấp thụ phõn tử gam của phức chất màu và của thuốc thử (∆ε) ủạt giỏ trị cực ủại và tỉ số εphức chất màu/εthuốc thử cũng ủạt cực ủại. Trong trường hợp này, ủụi khi cũng phải hài lũng với
∆ε gần với giỏ trị cực ủại.
Dựa trờn sự cộng tớnh của ủịnh luật Lambe - Bia (biểu thức IV- 5), cú thể xỏc ủịnh n chất màu cựng một lỳc nếu ủo ủộ hấp thụ quang của dung dịch phõn tớch ở n bước súng λi ( i = 2, 3,Ầ, n) khỏc nhau. Như vậy, khi biểu diễn ủộ hấp thụ quang ở từng bước