- Tổng hợp kết quả:
1.4. Tổng quan về phƣơng pháp trắc quang
1.4.1. Đại cương về phương pháp trắc quang
Phân tích trắc quang là tên gọi chung của của các phƣơng pháp phân tích quang học dựa trên sự tƣơng tác chọn lọc giữa chất cần xác định với năng lƣợng bức xạ thuộc vùng tử ngoại gần (200 – 400 nm), khả kiến (400-800 nm) hoặc hồng ngoại( 800 – 2000 nm). Đây là phƣơng pháp hiện đại đƣợc áp dụng rãi trong nhiều
lĩnh vực. Nguyên tắc của phƣơng pháp trắc quang là dựa vào lƣợng ánh sáng đã bị hấp thu bởi chất hấp thu để tính hàm lƣợng chất hấp thu.
1.4.2. Các định luật hấp thu cơ bản 1.4.2.1. Định luật Bouguear- Lambert 1.4.2.1. Định luật Bouguear- Lambert
Khi chiếu một chùm bức xạ đơn sắc có cƣờng độ Io qua một lớp vật chất có bề dày l thì cƣờng độ bức xạ ló ra I bao giờ cũng nhỏ hơn Io.
Biểu diễn bằng biểu thức:
Io = I + IA + IR Trong đó: IA: cƣờng độ bị hấp thụ.
IR: cƣờng độ bị phản xạ. I: cƣờng độ ló ra.
Dựa vào các thực nghiệm, nhà bác học đã đƣa ra định luật hấp thụ ánh sáng biểu diễn bằng biểu thức: I = Io.ekl
Trong đó k là hệ số hấp thụ, giá trị của k phụ thuộc vào bản chất của vật chất và vào bƣớc sóng λ của bức xạ đơn sắc.
1.4.2.2. Định luật lambert – Beer
Định luật: Nếu chiếu 1 chùm sáng đơn sắc có cƣờng độ là Io qua 1 dung dịch có bề dày là l (cm) và nồng độ là C (mol/l) thì sau khi ra khỏi dung dịch nó bị hấp thụ 1 phần nên cƣờng độ chỉ còn lại là It ( It < Io ). Phƣơng trình định luật: εlC o t 10 I I
Trong đó: C: nồng độ ban đầu
I0: cƣờng độ ánh sáng tới dung dịch It: cƣờng độ ánh sáng đi qua dung dịch
L: chiều dày của lớp dung dịch hấp thụ ánh sáng (chiều dày của cuvet)
ε: hệ số hấp thụ ánh sáng, là đại lƣợng không đổi, đặc trƣng cho mỗi chất màu, phụ thuộc vào bản chất của nó
1.4.3. Phân loại các phương pháp trắc quang
Có thể phân phƣơng pháp trắc quang thành các nhóm chính nhƣ sau:
- Phƣơng pháp hấp thu quang: Đo cƣờng độ dòng ánh sáng bị chất màu hấp thu chọn lọc.
- Phƣơng pháp phát quang: Đo cƣờng độ dòng ánh sáng phát ra bởi chất phát quang khi ta chiếu một dòng ánh sáng vào chất phát quang.
- Phƣơng pháp đo độ đục: Đo cƣờng độ dòng ánh sáng bị hấp thu hoặc bị khuyết tán bởi hệ keo đƣợc điều chế từ chất cần phân tích.
1.4.4. Các đại lượng thường dùng trong phương pháp trắc quang 1.4.4.1. Mật độ quang (độ hấp thụ quang A)
Mật độ truyền quang (độ hấp thụ quang A) là đại lƣợng lg t 0 I I A= lg t 0 I I = εlC
A phụ thuộc tuyến tính vào C của chất phân tích. A là đại lƣợng không có thứ nguyên. A có giá trị từ 0 - ∞.
1.4.4.2. Độ truyền qua (T – Transmittance)
Độ truyền qua: T = o t
I I
Độ truyền qua (T – Transmittance) hay gọi là độ truyền quang, độ truyền suốt là tỷ số giữa hai cƣờng độ tia chiếu ló ra It và tia đến I0, ký hiệu là T. Độ truyền qua T phụ thuộc vào .
1.4.4.3. Hệ số tắt phân tử gam
Hệ số tắt phân tử gam đƣợc biểu diễn :
Trong đó : C (mol/L) ε (L.mol-1
.cm-1)
Hệ số tắt phân tử gam hay hệ số hấp phụ phân tử ε thể hiện bản chất của khả năng hấp thụ của dung dịch nên ε không phụ thuộc vào nồng độ C, bề dày lớp dung dịch I và thể tích của dung dịch mà chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất màu, bản
chất dung môi, độ dài sóng của bƣớc sóng ánh sáng chiếu tới, chiết suất của dung dịch hay chỉ số khúc xạ và nhiệt độ của dung dịch.
Ngƣời ta thƣờng dùng ε là đại lƣợng khách quan để đánh giá độ nhạy của phản ứng màu, vì ε và C tỷ lệ nghịch với nhau nghĩa là hợp chất màu có ε càng lớn ta sẽ đo đƣợc đến giá trị Cmin càng nhỏ, phản ứng càng nhạy. Đồng thời ε còn dùng để so sánh giữa các chất màu với nhau.
1.4.4.4. Phổ hấp thu
Ánh sáng là một chùm bức xạ có độ dài sóng khác nhau, có vùng sử dụng từ 2000 Ao – 11000 Ao. Sự hấp thu mang tính chất chọn lọc, mỗi một chất có khả năng hấp thu cực đại ở một bƣớc sóng nhất định. Những hợp chất có màu có nghĩa là những hợp chất đó hấp thu ánh sáng trong vùng nhìn thấy đƣợc từ 350 – 800 nm, chất không nhìn thấy màu nghĩa là hợp chất đó hấp thu ngoài vùng thấy đƣợc.
1.4.5. Nguyên tắc và cơ sở định lượng của phương pháp trắc quang 1.4.5.1. Nguyên tắc chung
Hòa tan chất phân tích vào trong một dung môi thích hợp, tác dụng định lƣợng với một thuốc thử chọn lọc với chất cần xác định trong một dung môi và điều kiện thích hợp để tạo ra một hợp chất có phổ hấp thu phổ có độ nhạy và độ chọn lọc cao. Nếu là mẫu khí thì thu trực tiếp khí vào trong cuvet đóng kín thích hợp hoặc hấp thụ khí đó vào một dung dịch hấp thụ thích hợp rồi tiến hành đo phổ. Chiếu vào dung dịch mẫu chứa hợp chất cần xác định một chùm tia photon đơn sắc, có bƣớc sóng phù hợp, có cƣờng độ đủ dƣ và ổn định để cho chất phân tích hay sản phẩm của nó hấp thu bức xạ, thực hiện các bƣớc chuyển để tạo ra phổ. Thu, phân ly phổ đó và chọn vùng sóng hấp thu cực đại của chất phân tích và đo độ hấp thu A của chất đó.
1.4.5.2. Cơ sở định lượng
Cơ sở định lƣợng trong phƣơng pháp trắc quang là dựa vào định luật Bougher - Lampere - Beer: Khi chiếu một chùm photon đơn sắc qua dung dịch thì mức độ hấp thụ của dung dịch tỉ lệ thuận với công suất chùm photon và nồng độ các phân tử hấp thụ. Công thức: A = .l.C
1.4.6. Các phương pháp phân tích định lượng dùng trong trắc quang 1.4.6.1. Phương pháp đường chuẩn
Dùng một đƣờng chuẩn so sánh không có chất cần xác định, cùng với một dãy các dung dịch chứa các chất cần xác định có nồng độ khác nhau đƣợc biết chính xác (gọi là dãy dung dịch chuẩn). Tiến hành đo mật độ quang dãy dung dịch này. Dựa vào C và A để dùng phƣơng pháp bình phƣơng cực tiểu để xây dựng đƣờng chuẩn theo dạng y = ax + b là C = a + b.A hay A = a + b.C
Ƣu điểm: Với một đƣờng chuẩn cho phép phân tích hàng loạt mẫu. Dung dịch cũng không đòi hỏi phải tuân theo định luật Beer một cách nghiêm ngặt
Nhƣợc điểm: Độ chính xác của phƣơng pháp không cao. Không loại đƣợc ảnh hƣởng của nền mẫu.
1.4.6.2. Phương pháp thêm chuẩn
Theo phƣơng pháp này thì mật độ quang của dung dịch mẫu chứa chất cần xác định đƣợc so sánh với chính dung dịch đó có thêm những lƣợng xác định của chất cần xác định. Trong phƣơng pháp thêm chuẩn, ta thêm vào dung dịch xác định một lƣợng dung dịch tiêu chuẩn. Ứng dụng cho trƣờng hợp chất cần xác định có nồng độ nhỏ. Thực hiện một bình dung dịch so sánh và hai dung dịch xác định với một thể tích chính xác chất cần xác định đã biết rõ nồng độ. Cũng tiến hành đo mật độ quang cho cả ba bình này. Có hai cách thực hiện:
- Dùng công thức tính: Pha một dung dịch có thể V chứa ion cần xác định có hàm lƣợng rất nhỏ. Sau đó tiến hành pha 3 dung dịch nhƣ sau:
Công thức tính: x x a (x+a) x A C = C A -A
Trong đó: A(x+a): độ hấp thụ của các dung dịch thêm Ax: Độ hấp thu của các dung dịch xác định
Ca: Nồng độ dung dịch chuẩn thêm vào bình định mức 50mL Cx: Nồng độ của Titan trong dung dịch kiểm tra sau khi xác định lại
- Dùng đồ thị: Pha một dãy chuẩn cũng chính là dung dịch nghiên cứu có cho thêm những lƣợng chính xác ai của chất cần xác định để nồng độ của dãy chuẩn là Cx + Ca1, Cx + Ca2… ít nhất là 3 dung dịch và một dung dịch so sánh. Đo mật độ quang A tƣơng ứng. Dựng đồ thị Ax + ai – Ci
Kết quả càng chính xác nếu Cai càng bé để Ax + ai càng gần nhau và gần Ax
1.4.6.3. Phương pháp vi sai
Nguyên tắc: phƣơng pháp vi sai là một biến dạng của phƣơng pháp so sánh. Trong phƣơng pháp, dung dịch so sánh chính là 1 trong các dung dịch :
- Nếu lấy dung dịch tiêu chuẩn có nồng độ thấp nhất là dung dịch so sánh thì C0 < Cx, gọi là phƣơng pháp vi sai nồng độ lớn.
- Nếu lấy dung dịch tiêu chuẩn có nồng độ cao nhất là dung dịch so sánh thì C0 > Cx, gọi là phƣơng pháp vi sai nồng độ nhỏ.
1.4.6.3.1. Phương pháp vi sai nồng độ lớn
Pha ba dung dịch gồm: dung dịch chuẩn có nồng độ Ca, dung dịch chứa chất cần xác định Cx, dung dịch so sánh có nồng độ C0.
Đo mật độ quang của dung dịch chuẩn và dung dịch nghiên cứu so với dung dịch so sánh(dung dịch có nồng độ C0), ta có: ' x x 0 x 0 ' tc tc 0 tc 0 A =A -A =εl(C -C )>0 A =A -A =εl(C -C )>0 Công thức tính: ' x x 0 ' tc 0 tc A C = C + (C -C ) A 1.4.6.3.2. Phương pháp vi sai nồng độ nhỏ
Pha ba dung dịch gồm: dung dịch chuẩn có nồng độ Ca, dung dịch chứa chất cần xác định Cx, dung dịch so sánh có nồng độ C0. Đo mật độ quang của dung dịch chuẩn Ca so với dung dịch so sánh (dung dịch có nồng độ C0) và dung dịch chuẩn C0 so sánh với dung dịch so sánh (dung dịch có nồng độ Cx), ta có:
' x x 0 ' tc 0 tc A C =C - (C -C ) A
1.4.6.4. Phương pháp thêm vi sai
Pha ba dung dịch gồm: dung dịch chứa chất cần xác định Cx, dung dịch nghiên cứu nhƣ trên nhƣng có một lƣợng chính xác chất chuẩn để có nồng độ Cx +a = Cx + Ca; dung dịch nghiên cứu có đƣợc pha loãng n lần để có nồng độ Cx/n
Đo mật độ quang của dung dịch Cx so với dung dịch so sánh (dung dịch có nồng độ Cx/n) và dung dịch chuẩn Cx +a so với dung dịch so sánh (dung dịch có nồng độ Cx), ta có:
1.4.6.5. Phương pháp chuẩn độ trắc quang
Chuẩn độ trắc quang là phƣơng pháp xác định nồng độ của chất thuộc vào phƣơng pháp định lƣợng thể tích, trong đó điểm tƣơng đƣơng đƣợc xác định bởi sự thay đổi của mật độ quang phụ thuộc vào thể tích của thuốc thử VR khi chuẩn độ chất cần xác định bằng thuốc thử ở điều kiện tối ƣu của phản ứng tạo chất màu ở bƣớc sóng nhất định. Để khảo sát quá trình chuẩn độ trắc quang, ngƣời ta dựng đƣờng cong phụ thuộc giữa A và lƣợng thuốc thử thêm vào.
1.4.6.4. Phương pháp so sánh 1.4.6.4.1. So sánh một chuẩn
Pha một dung dịch chuẩn có Ctc. Tiến hành đo A hoặc T của dung dịch chuẩn so với dung dịch so sánh (Atc).
Theo định luật Lambert – Beer :
Atc = εlCtc
Pha dung dịch mẫu với nồng độ cần xác định Cx (chƣa biết). Tiến hành đo A hoặc T của dung dịch chuẩn so với dung dịch so sánh (Ax).
Theo định luật Lambert – Beer :
Khi dung dịch xác định và dung dịch chuẩn có cùng bản chất, ε có thể xem nhƣ nhau, và l = const. x x tc tc A C = ×C A 1.4.6.4.2. So sánh hai chuẩn
Thực hiện khá đơn giản, hàm lƣợng mẫu tuân theo định luật Beer. Chọn các dung dịch chuẩn sao cho C1 < CX <C2 sau đó so sánh cƣờng độ dung dịch xác định với cƣờng độ dung dịch chuẩn.
Công thức tính: x 1 3 1 x 1
3 1
C -C
C = C + ×(A -A )
A -A
Trong đó: C1, A1 là nồng độ và mật độ quang của bình thứ 1 C3, A3 là nồng độ và mật độ quang của bình thứ 3
Cx, Ax là nồng độ và mật độ quang của bình cần kiểm tra
1.4.7. Các yếu tố ảnh hưởng
Vì phổ hấp thu UV – VIS là phổ của phân tử, nhóm phân tử, là phổ đám chứ không phải phổ vạch. Các giải phổ đám có độ rộng từ 10 – 50 nm. Nhiều chất hay hợp chất của nó với một thuốc thƣờng có vùng phổ hấp thu cực đại không cách xa nhau, có thể trùng cực đại, có thể nằm sát bên nhau. Do đó UV – VIS không có tính chọn lọc cao và ảnh hƣởng của phổ là rất lớn. Vì thế ta phải luôn chú ý phát hiện và tìm cách loại trừ chất có phổ ảnh hƣởng. Muốn thế trƣớc tiên phải quét phổ toàn vùng của từng chất và so sánh chúng với nhau thì sẽ phát hiện đƣợc các vùng phổ kề nhau hay trùng nhau.
Để loại trừ chất có phổ ảnh hƣởng ta có thể thực hiện các biện pháp: Thêm chất che, tạo phức kết tủa, oxi hóa khử để tạo ra những chất không ảnh hƣởng. Ngoài ra chúng ta có thể chọn vùng đo khác của chất phân tích. Nếu bằng tất cả các biện pháp trên mà vẫn không có kết quả tốt thì bắt buộc ta phải tách bỏ chất ảnh hƣởng ra khỏi mẫu trƣớc khi đo chất phân tích.
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là khảo sát, tối ƣu hóa quy trình xác định Photpho bằng phƣơng pháp so màu xanh Molybden.
2.2. Thiết bị và hóa chất
2.2.1. Thiết bị
- Máy quang phổ UV/Vis. - Cân phân tích
- Các dụng cụ thủy tinh thƣờng sử dụng trong phòng thí nghiệm
2.2.2. Hóa chất
- Axit ascorbic 99(%) ( Trung Quốc)
- Dung dịch acid sunfuric 98% ( Trung Quốc) - NaOH 99% (Trung Quốc)
- Amoni molybdate ((NH4)6Mo7O24.4H2O) p=99% ( Merck) - Mono Potassium Photsphat (KH2PO4) p=99% ( Trung Quốc)
- Potassium antimonyl tartrat (K(SbO)C4H4O6.1/2H2O) p=99% ( Trung Quốc) - Nƣớc cất dùng trong phân tích.
- Axit sunfuric 2.5M: pha 35mL axit sunfuric đậm đặc d = 1.84 thành 250mL bằng nƣớc cất.
- Dung dịch Amonimolybdat 0.1042M: hòa tan 4.6035g thành 250mL bằng nƣớc cất.
- Dung dịch Potassium antimonyl tartrat 8.2mM: hòa tan 0.686g thành 250mL bằng nƣớc cất.
- Dung dịch Photpho chuẩn gốc 50mg/L: hòa tan 219.5mg KH2PO4 thành 1000mL
- Dung dịch Photpho làm việc 10mg/L: hút 50mL dung dịch Photpho chuẩn gốc 50mg/L, định mức 250mL.
- Dung dịch chuẩn Silic nồng độ 1000mg/L: Hòa tan 4.730g Na2SiO3.9H2O với nƣớc cất và định mức thành 1L. Dung dịch chuẩn Si nồng độ 50mg/L đƣợc pha từ dung dịch chuẩn 1000mg/L.
2.3. Nội dung thực nghiệm
2.3.1. Khảo sát bước sóng tối ưu của phương pháp.
Xác định hàm lƣợng photpho bằng phƣơng pháp trắc quang, trƣớc tiên chúng ta thực hiện khảo sát phổ hấp thu của phức màu xanh molypden để xác định bƣớc sóng tối ƣu nhất(λmax) của phức. Sau đây tôi tiến hành quét phổ chất chuẩn, các thành phần trong dung dịch thuốc thử :
Bảng 2.1. Khảo sát phổ hấp thu của phức màu của P và thuốc thử
Bình 1 2 3 4 _ P PO C 0.4ppm 1ppm CH2SO4 0.15M CAmonimolypdat 4.168 3 10 M CK(SbO)C4H4O6.1/2H2O 8.2 5 10 M Caxit ascobic 0.056M 4.48 3 10 M Nƣớc cất Định mức thành 50mL Quét phổ từ 200 – 1000nm
Từ dữ liệu quét phổ của phức giữa P_PO43- ta rút ra đƣợc bƣớc sóng tối ƣu cho phƣơng pháp.
2.3.2. Khảo sát vai trò của K(SbO)C4H4O6.1/2H2O
Qua việc tìm hiểu các tài liệu về phƣơng pháp xác định photpho thì đƣợc biết antimol thêm vào trong hỗn hợp thuốc thử không những đóng vai trò làm chất xúc tác mà còn tham gia vào thành phần phức dị đa màu xanh molypden. Để kiểm chứng điều này, tôi tiến hành khảo sát ở nồng độ P_PO43- 0.4ppm và 1ppm có và không có antimon trong quy trình.
Sau khi cho thuốc thử vào các dung dịch chuẩn, chờ các dung dịch này lên màu ổn định thì tiến hành quét bƣớc sóng của dung dịch từ 200 – 1000nm nhằm xác định vai trò của antimon trong quy trình xác định photpho.
2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng H2SO4
Xác định hàm lƣợng photpho bằng phƣơng pháp trắc quang, hàm lƣợng H2SO4 là yếu tố rất quan trọng, nó ảnh hƣởng đến quá trình tạo màu xanh molypden.