2.1.1. Nguyên tắc của phương pháp trắc quang xác định hàm lượng asen bằng Safranin.
Safranin T (Tolusafranin; 3,6- diamino- 2,7- dimetyl-10 phenyl phenazin clohidrat (I); 3- 6- diamino- 2,7- dimetylphenazin (II)).
N+ N CH3 NH2 H3C H2N Cl- (I) M=350,8 N+ N CH3 NH2 H3C H2N Cl- (II) M=364,9 CH3
Safranin T là hỗn hợp của hai chất I và II
Safranin T là chất bột màu đỏ, rất độc, tan trong nƣớc cho dung dịch màu đỏ [2]. Dung dịch trong rƣợu etylic có màu đỏ, phát huỳnh quang màu đỏ vàng. Trong dung dịch rƣợu etylic hấp thụ cực đại với ánh sáng có λ = 539 và 503,2 nm
Phản ứng:
- Khi thêm HCl đặc vào dung dịch safranin trong nƣớc sẽ đƣợc dung dịch có màu tím xanh.
- Safranin tác dụng với NaOH sẽ tạo kết tủa màu đỏ nâu
- Trong dung dịch H2SO4 đặc cho dung dịch màu xanh lá cây, pha loãng dung dịch bằng nƣớc thì dung dịch sẽ chuyển thành xanh sau đó có màu đỏ.
Safranin là chất chỉ thị oxi hóa khử (có Eo = 0,289 V), khi bị oxi hóa thì nó tạo sản phẩm không màu
Sự làm mất màu của safranin khi có mặt iodate trong môi trƣờng axit xảy ra theo cơ chế nhƣ sau [21]:
+ As(III) phản ứng với KIO3 trong môi trƣờng axit để giải phóng ra I2 theo phản ứng:
2AsO2- + 2IO3- + 2H+ → 2AsO3- +I2 + 4H2O
+ I2 sinh ra sẽ oxi hóa làm mất màu thuốc thử safranin tạo ra sản phẩm không màu: N+ N CH3 NH2 H3C H2N I2,H+ N H N CH3 NH2 H3C H2N
Màu đỏ không màu
Vì vậy, bằng cách theo dõi sự giảm độ hấp thụ quang của Safranin theo nồng độ As(III) thì có thể định lƣợng đƣợc As(III) trong mẫu theo phƣơng pháp thời gian ấn định hoặc phƣơng pháp tg.
2.1.2. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận văn gồm:
- Tối ƣu hóa các điều kiện của phép xác định gồm nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố sau đến phản ứng chỉ thị:
+ Phổ hấp thụ của dung dịch chất màu và chọn cực đại hấp thụ để đo độ hấp thụ quang.
+ Ảnh hƣởng của thời gian phản ứng. Theo dõi biến thiên tốc độ phản ứng để chọn phƣơng pháp tg hay phƣơng pháp thời gian ấn định.
+ Ảnh hƣởng của nồng độ đầu các tác nhân phản ứng nhƣ KIO3, Safranine đến tốc độ phản ứng.
+ Ảnh hƣởng của môi trƣờng phản ứng .
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của các ion lạ đến phép xác định.
- Đánh giá phƣơng pháp phân tích : gồm khảo sát giới hạn phát hiện, giới hạn định lƣợng, khoảng tuyến tính; đánh giá độ chụm và độ chính xác của phƣơng pháp phân tích, tính hiệu suất thu hồi của phƣơng pháp phân tích.
- Xây dựng qui trình phân tích và ứng dụng phân tích mẫu thực tế.
2.2. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị
2.2.1. Dụng cụ, thiết bị
* Bình định mức thủy tinh loại A có dung tích 25, 50, 100, 250, 500 ml. * Cốc thuỷ tinh chịu nhiệt dung tích 100, 250 ml.
* Bình nón dung tích 250 ml, buret 25 ml.
* Các loại pipet chia vạch: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10; 25 ml.
* Máy trắc quang UV - VIS 1601 PC - Shimadzu (Nhật Bản), bƣớc sóng làm việc tử 190- 900 nm , cuvet thủy tinh chiều dày l = 1cm.
* Cân phân tích Scientech SA 210 độ chính xác 0,0001g. * Máy điều nhiệt.
* Đồng hồ bấm giờ. * Máy đo pH.
2.2.2. Hóa chất
Các hóa chất cần dùng là loại tinh khiết phân tích (p.a. và tinh khiết thuốc thử (p.R.). Các dung dịch đƣợc pha chế bằng nƣớc cất hai lần.
Pha các dung dịch tiêu chuẩn:
+ Pha 100,00 ml As(III) 1000ppm từ từ As2O3 tinh thể
Cân chính xác 0,1320 gam As2O3 tinh thể trên cân phân tích, hòa tan lƣợng cân này bằng dung dịch NaOH loãng, sau đó đun nóng dung dịch cho As2O3 tan
hết, chuyển vào bình định mức 100,00 ml, tráng rửa cốc cân vài lần bằng nƣớc cất hai lần rồi chuyển vào bình định mức trên, thêm nƣớc cất tới vạch mức, sóc trộn đều dung dịch ta đƣợc 100,00 ml dung dịch As(III) 1000ppm.
+ Thiết lập lại nồng độ As(III) bằng dung dịch Iot tiêu chuẩn
- Pha 100,00 ml dung dịch I2 0,0127 M từ Iot tinh thể
Cân 0,32g Iot trên cân kỹ thuật. Hòa tan sơ bộ lƣợng cân này bằng nƣớc cất, sau khi iot tan hết thêm khoảng 10g KI. Thêm nƣớc cất tới vạch mức, sóc trộn đều dung dịch đƣợc dung dịch I2 có nồng độ sấp sỉ 0,0127 M. Dung dịch vừa pha bảo quản trong chai thủy tinh màu nút nhám.
- Pha 100,00 ml dung dịch Na2S2O3 0,025M từ Na2S2O3 tinh thể
Cân 0,62g Natri thiosunfat trên cân kỹ thuật, hòa tan sơ bộ bằng nƣớc cất, chuyển vào bình dịnh mức 100,00 ml, tráng rửa cốc cân, thêm nƣớc cất tới vạch mức đƣợc 100,00 ml dung dịch Na2S2O3 có nồng độ sấp sỉ 0,025 M.
- Pha 100,00 ml dung dịch K2Cr2O7 4,17x10-3M
Cân chính xác 0,12270,0001g Kali dicromat loại tinh khiết hóa học trên cân phân tích, hòa tan sơ bộ bằng nƣớc cất chuyển vào bình định mức 100ml, tráng rửa cốc cân nhiều lần chuyển vào bình trên, thêm nƣớc cất đến vạch mức, sóc trộn đều dung dịch đƣợc 100,00 ml dung dịch K2Cr2O7 4,17x10-3M.
- Thiết lập lại nồng độ dung dịch Na2S2O3 theo K2Cr2O7
Phƣơngtrình chuẩn độ:
K2Cr2O7 + 6KI + 7H2SO4 Cr2(SO4)3 + 3I2 + 4 K2SO4 + 7H2O I2 + 2Na2S2O3 htb 2NaI + Na2S4O6
Hút chính xác 10,00ml dung dịch K2Cr2O7 4,17x10-3M vừa pha vào bình nón nút mài, thêm 10,0ml KI 10%; 5,0ml H2SO4 ½, pha loãng dung dịch bằng nƣớc cất tới khoảng 150,0 ml. Để bóng tối 5 phút, lấy ra đem chuẩn bằng dung dịch Na2S2O3 vừa pha tới màu vàng nhạt, thêm khoảng 1,0 ml hồ tinh
bột chuẩn đền mất màu xanh. Làm thí nghiệm song song, sai số giữa hai lần chuẩn không quá 0,1ml.
- Thiết lập lại nồng độ dung dịch I2 theo Na2S2O3
Phƣơng trình chuẩn độ:
I2 + 2Na2S2O3 htb 2NaI + Na2S4O6
Hút chính xác 10,00 ml dung dịch I2 vào bình nón, thêm một lƣợng nhỏ nƣớc cất, đem chuẩn bằng dung dịch Na2S2O3 tới vàng nhạt, thêm 1,0 ml hồ tinh bột 1% chuẩn tiếp tới mất màu xanh. Làm thí nghiệm song song, sai số giữa hai lần chuẩn không quá 0,1ml.
- Thiết lập lại nồng độ dung dịch As(III) bằng I2
Phƣơng trình chuẩn độ:
Na3AsO3 + I2 + H2O Na3AsO4 + 2HI
Hút chính xác 10,00 ml dung dịch asenit vào bình nón 250ml, thêm 2 giọt dung dịch phenolphtalein, dung dịch có màu hồng, thêm từng giọt dung dịch H2SO4 2M cho đến khi mất màu hồng. Cho tiếp vào bình chuẩn độ khoảng 1 gam NaHCO3, lắc đều (nếu dung dịch lại có mầu hồng thì thêm tiếp H2SO4 2M cho tới khi mất màu ). Thêm 1 – 2 ml hồ tinh bột, chuẩn độ mẫu vừa chuẩn bị bằng dung dịch iot cho tới khi xuất hiện màu xanh nhạt. Làm thí nghiệm song song, sai số giữa hai lần chuẩn không quá 0,1ml.
+ Pha 100,00 ml As(III) 100ppm từ dung dịch As(III) 1000ppm
Hút chính xác 10,00 ml dung dịch As(III) 1000ppm chuyển vào bình định mức 100 ml, thêm nƣớc cất tới vạch mức, sóc trộn đều dung dịch ta đƣợc 100,00 ml dung dịch As(III) 100ppm.
+ Pha 100,00 ml As(III) 10ppm từ dung dịch As(III) 1000ppm
Hút chính xác 1,00 ml dung dịch As(III) 1000ppm chuyển vào bình định mức 100 ml, thêm nƣớc cất tới vạch mức, sóc trộn đều dung dịch ta đƣợc 100,00 ml dung dịch As(III) 10ppm.
+ Pha 100,0 ml dung dịch Safranine 0,02 %
Cân 0,02 gam Safranine, hòa tan bằng nƣớc cất tới thể tích 100 ml, khuấy đều ta đƣợc 100,0 ml dung dịch Safranine 0,02 %.
+ Pha 500,0 ml dung dịch HCl 1M
Đong khoảng 42,0 ml dung dịch HCl đặc 37% chuyển vào bình chứa có dung tích 500 ml đã có chứa sẵn 1/3 nƣớc cất, thêm nƣớc cất tới thể tích 500,0 ml, khuấy đều ta đƣợc 500,0 ml dung dịch HCl 1M.
+ Pha 250,0 ml dung dịch KIO3 2%
Cân 5 gam tinh thể KIO3, hòa tan bằng nƣớc cất tới thể tích 250,0 ml, khuấy đều ta đƣợc 250,0 ml dung dịch KIO3 2%.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu phƣơng pháp xác định As (III) dựa trên hệ phản ứng oxi hóa khử As(III), KIO3 và Safranin. ứng oxi hóa khử As(III), KIO3 và Safranin.
3.1.1. Nghiên cứu chọn điều kiện tối ưu của phản ứng chỉ thị
3.1.1.1. Phổ hấp thụ của sản phẩm phản ứng chỉ thị
Chuẩn bị 04 bình định mức dung tích 25 ml, lấy vào 02 bình định mức 3 và 4 các lƣợng As (III) đƣợc lấy từ dung dịch As (III) 100,00 ppm nhƣ sau:
Bình 1-2: mẫu trắng
Bình 3: 1,25 ml dung dịch As (III) 100,00 ppm. Bình 4: 2,50 ml dung dịch As (III) 100,00 ppm.
Thêm vào các bình từ 1- 4 mỗi bình 2,50 ml dung dịch KIO3 2%, thêm vào tất cả các bình, mỗi bình 2,50 ml dung dịch HCl 1M; cuối cùng thêm vào các bình 2, 3 và 4 mỗi bình 1,50 ml dung dịch safranine 0.02 %. Sau đó định mức bằng nƣớc cất đến vạch mức. Sóc trộn đều dung dịch, đem đo độ hấp thụ quang của các dung dịch trong khoảng bƣớc sóng từ 400 – 700 nm với dung dịch so sánh là dung dịch trong bình 1. Kết quả thu đƣợc nhƣ hình 3.1.
Hình 3.1: Phổ hấp thụ quang của dung dịch Safranine khi có mặt As(III), KIO3, HCl (Nồng độ cuối của các tác nhân trong dung dịch lần lượt là: Safranine
Đƣờng 1: Phổ hấp thụ của dung dịch có Safranine, KIO3, HCl
Đƣờng 2: Phổ hấp thụ của dung dịch có As(III) 5ppm,Safranine, KIO3, HCl Đƣờng 3: Phổ hấp thụ của dung dịch có As(III) 10ppm, Safranine, KIO3, HCl Safranine là thuốc thử có màu đỏ, có bƣớc sóng hấp thụ cực đại ở bƣớc sóng λ = 519 nm trong môi trƣờng axit mạnh (đƣờng 1). Khi giữ nguyên nồng độ KIO3 2% và cho thêm As (III) với nồng độ khác nhau 5,0 ppm (đƣờng 2), As (III) 10,0 ppm (đƣờng 3) thì thực nghiệm cho thấy, càng tăng nồng độ của As (III) thì độ hấp thụ quang A của dung dịch phản ứng càng giảm mà không làm chuyển dịch cực đại. Điều đó chứng tỏ khi có As(III) và khi nồng độ As(III) càng lớn thì phản ứng giữa As(III) và KIO3 trong môi trƣờng axit xảy ra càng triệt để, giải phóng ra càng nhiều I2 và I2 oxi hóa safranin tạo ra sản phẩm không màu. Do đó trong các thí nghiệm tiếp theo chúng tôi chọn bƣớc sóng λ = 519 nm để khảo sát.
3.1.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Chuẩn bị 03 bình định mức dung tích 25 ml, lấy vào bình 2 và 3 lần lƣợt thứ tự thuốc thử nhƣ sau:
Bình 1: Mẫu trắng
Bình 2-3: 1,25 – 2,5 ml dung dịch As (III) 100,0 ppm
Thêm vào các bình từ 1-3 mỗi bình 2,50 ml dung dịch KIO3 2%; 2,50 ml dung dịch HCl 1M; 1,50ml dung dịch Safranine 0,02 %, định mức bằng nƣớc cất tới vạch mức. Sóc trộn đều dung dịch. Khảo sát sự giảm độ hấp thụ quang sau 2 phút tính từ khi nhỏ giọt Safranin cuối cùng vào hệ phản ứng, ở bƣớc sóng λ = 519 nm trong khoảng 60 phút với dung dịch so sánh là mẫu trắng . Kết quả thu đƣợc nhƣ hình 3.2.
Hình 3.2: Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang theo thời gian
(Nồng độ cuối của các tác nhân trong dung dịch lần lượt là: Safranine 0,0012%, KIO3 0,2%, HCl 0,1M)
Đƣờng 1: Dung dịch phân tích khi có KIO3, HCl, Safranine.
Đƣờng 2: Dung dịch phân tích khi có As(III) 5ppm, KIO3, HCl, Safranine. Đƣờng 3: Dung dịch phân tích khi có As(III) 10ppm, KIO3, HCl, Safranine.
Từ đồ thị khảo sát thời gian ta thấy khi không có mặt As(III) độ hấp thụ quang của dung dịch phân tích không thay đổi theo thời gian. Khi có mặt As (III) thì độ hấp thụ quang của dung dịch phân tích giảm so với khi không có mặt As (III) nhƣng cũng không thay đổi theo thời gian. Nồng độ As (III) càng cao thì độ hấp thụ quang của dung dịch phân tích càng giảm, có nghĩa là khi nồng độ As(III) càng cao thì phản ứng giữa nó với KIO3 trong môi trƣờng axit giải phóng ra càng nhiều I2, do đó cƣờng độ màu của thuốc thử safranin càng bị giảm.
3.1.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ KIO3
Ảnh hƣởng của nồng độ KIO3 đƣợc khảo sát trong khoảng nồng độ từ 0,04% đến 0,36%
Chuẩn bị 27 bình định mức 25,0 ml, lấy vào các bình thứ tự các thuốc thử sau: Bình 1 - 9: 0,50 – 4,50 ml KIO3 2%; 2,50 ml HCl 1M. Bình 10 - 18: 0,50 – 4,50 ml KIO3 2%; 2,50 ml HCl 1M; 1,50 ml Safranine 0,02 %. Bình 19 - 27: 1,50 ml As(III) 100 ppm ; 0,50 – 4,50 ml KIO3 2%; 2,50 ml HCl 1M; 1,50 ml Safranine 0,02 %.
Định mức bằng nƣớc cất tới vạch mức, sóc trộn đều dung dịch. Đem đo độ hấp thụ quang của dung dịch ở bƣớc sóng 519 nm, với dung dịch so sánh là dung dịch trong các bình 1- 9. Kết quả thu đƣợc biểu diễn dƣới bảng 3.1:
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của nồng độ KIO3 đến phép phân tích
(Nồng độ cuối của Safranin là 1,2x10-3%; HCl là 0,1M; As(III) là 6ppm)
Nồng độ KIO3 (%) 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 A nền 0,948 0,952 0,952 0,954 0,953 0,949 A mẫu 0,655 0,637 0,608 0,607 0,607 0,605 ∆A 0,286 0,315 0,344 0,347 0,346 0,344
Hình 3.3: Ảnh hưởng của nồng độ KIO3 đến độ hấp thụ quang của dung dịch
Anền là độ hấp thụ quang của dung dịch phân tích khi có KIO3, HCl, Safranine. Amẫu là độ hấp thụ quang của dung dịch phân tích khi có As(III), KIO3, HCl, Safranine.
Từ đồ thị khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ KIO3 ta thấy độ hấp thụ quang của phản ứng nền gần nhƣ không thay đổi khi ta cố định nồng độ của HCl và Safranine, tăng dần nồng độ của KIO3. Khi có mặt As(III) cùng với sự tăng nồng độ của KIO3-
từ 0,01 đến 0,36% thì độ hấp thụ quang của hỗn hợp phản ứng ban đầu giảm nhẹ, sau đó gần nhƣ không đổi làm cho hiệu số độ hấp thụ quang giữa tín hiệu đo của phản ứng nền và tín hiệu đo của phản ứng có As(III) cũng gần nhƣ không thay đổi khi nồng độ KIO3 trong khoảng nồng độ từ 0,12 – 0,24 %. Điều này phù hợp với cơ chế của phản ứng cho rằng khi tăng nồng độ As(III) thì phản ứng giải phóng ra nhiều I2 dẫn đến độ hấp thụ quang của hệ phản ứng giảm.Vì vậy ta chọn nồng độ KIO3 là 0,16 % để khảo sát các thí nghiệm tiếp theo.
3.1.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ thuốc thử Safranine:
Ảnh hƣởng của nồng độ thuốc thử Safranine đƣợc khảo sát trong khoảng nồng độ từ 0,4x10-3 đến 4x10-3
Chuẩn bị 21 bình định mức 25 ml, lấy vào các bình thứ tự các thuốc thử sau: Bình 1: 2,00 ml KIO3 2%; 2,50 ml HCl 1M (dung dịch so sánh ) Bình 2- 11: 2,00 ml KIO3 2%; 2,50 ml HCl 1M; 0,50 – 5,00 ml Safranine 0,02 % (dung dịch nền )
Bình 12-21: 1,50 ml As(III) 100 ppm ; 2,00 ml KIO3 2%; 2,50 ml HCl 1M; 0,50 – 5,00 ml Safranine 0,02 % (dung dịch mẫu )
Định mức bằng nƣớc cất tới vạch mức, sóc trộn đều dung dịch. Đem đo độ hấp thụ quang của dung dịch ở bƣớc sóng 519 nm, với dung dịch so sánh là dung dịch trong bình 1. Kết quả thu đƣợc biểu diễn dƣới bảng 3.2:
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ Safranine đến phép phân tích (Nồng độ cuối của KIO3 là 0,16%; HCl là 0,1M; As(III) là 6ppm)
Nồng độ Safranine (x10-3 %) 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 A nền 0,325 0,641 0,945 1,229 1,489 A mẫu 0,234 0,420 0,572 0,752 0,920 ∆A 0,091 0,221 0,373 0,477 0,569 Nồng độ Safranine (x10-3 %) 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 A nền 1,753 1,995 2,214 2,482 2,709 A mẫu 1,089 1,240 1,419 1,601 1,761 ∆A 0,701 0,755 0,795 0,881 0,948
Hình 3.4: Ảnh hưởng của nồng độ Safranine đến độ hấp thụ quang của dung dịch
Từ bảng kết quả thu đƣợc ở hình trên ta thấy với phản ứng nền, khi cố định nồng độ KIO3 và HCl , thay đổi nồng độ của Safranine thì độ hấp thụ quang phải tăng tuyến tính với nồng độ của Safranine. Khi có mặt As(III), theo cơ chế phản ứng sẽ giải phóng ra I2, khi tăng nồng độ Safranine thì sự giảm độ hấp thụ quang xảy ra tỷ lệ thuận với nồng độ Safranine và độ hấp thụ quang A của dung dịch giảm nên đƣờng biểu diễn có hệ số góc thấp hơn đƣờng 1 (phản ứng nền). Hiệu số của đƣờng Anền và đƣờng Amẫu biểu thị tốc độ phản ứng oxi hóa khử cho thấy ở nồng độ Safranin 0,8 x10-3
÷ 1,2 x10-3% thì tín hiệu đo A rất lớn và hiệu số độ hấp thụ quang là cao nhất. Vì vậy nồng độ cuối của Safranine đƣợc chọn cho các thí nghiệm tiếp theo là 1,2 x10-3