Embed Size (px)
Citation preview
49
CHƢƠNG 8
PHƢƠNG PHÁP HẤP THU PHÂN TỬ UV – VIS
8.1 Tổng quan
Đầu thế kỷ 19, hầu hết phân tích hoá học định lượng đều sử dụng phương pháp trọng lượng
(gravimetry method) hoặc phương pháp chuẩn độ (titrimetry method). Với những phương
pháp này đều đạt được độ đúng (accuracy) cao, nhưng khó có thể xác định được những thành
phần hợp chất có nồng độ thấp trong nước. Trong suốt thời gian này nhiều nghiên cứu được
bắt đầu để mở rộng khả năng phân tích định lượng đặc biệt các các yếu tố vết trong môi
trường. Một trong số những phát minh đó là phương pháp so màu quang phổ.
Phương pháp so màu đầu tiên là phương pháp Nessler phân tích hàm lượng ammonia trong
nước vào năm 1856. Nessler khám phá ra rằng khi thêm HgI2 và KI vào trong môi trường có
chưa NH4+ sẽ tạo thành dung dịch màu từ màu vàng đến màu nâu đỏ tuỳ theo nồng độ của
NH4+. Màu của mẫu sẽ được so sánh với màu của mẫu chuẩn để xác đinh nồng độ tương ứng
trong mẫu. Cho đến ngày nay phương pháp này đã được nghiên cứu bổ sung để phân tích
nước mặt và nước thải trong Standard Methods. Cuối thế kỷ 19, một số phương pháp mới bắt
đầu được khám phá như phương pháp hấp thu, phát xạ, tán xạ, tia cực tím, điện từ hồng ngoại
phát xạ. Thế kỷ 20 là giai đoạn phát triển của tia X, microwave, và sóng radio, các hạt năng
lượng bao gồm hạt electron và ion.
8.2 Lịch sử nghiên cứu quang phổ học
Quang phổ học là một môn học chính yếu trong thiên văn học, nó đã được ứng dụng thành
công để nghiên cứu về khí quyển trong hành tinh chúng ta. Cách đây 200 năm, Joseph von
Fraunhofer (1787-1826) lần đầu tiên sản xuất loại máy đo quang phổ mà tính năng không có
gì sánh kịp lúc bấy giờ. Ông ấy đã khám phá ra rất nhiều các đường tối trong quang phổ của
ánh sáng mặt trời. Ông ấy có thể xác định chính xác độ dài bước sóng của nhiều “Fraunhofer
lines” (vạch) và thuật ngữ này ngày nay vẫn được dùng. Tuy nhiên, trong thời gian này ông ấy
không hiểu được những cơ sở vật lý và ý nghĩa về những vấn đề mà ông ấy khám phá ra.
Hình 8.1. Thiết bị Spektralapparat thiết kế bởi Kirchhoff và Bunsen (1833)
50
Thành tựu quan trọng kế tiếp về “Fraunhofer lines” là quá trình tìm ra nguyên lý vật lý của sự
hấp thu và phát xạ vào năm 1859 với sự cộng tác của nhiều nhà vật lý nổi tiếng như Gustav R.
Kirchhoff và Robert W. Bunsen tại Heidelberg. Thiết bị mà họ sử dụng là “Spektralapparat”,
họ ghi nhận được quá trình phát xạ rất đặc biệt của nhiều nguyên tố khác nhau. Với phương
pháp này họ đã tiếp tục khám phá ra 2 nguyên tố mới là Cäsium và Rubidium, họ chiết được
một lượng rất nhỏ (7g) từ 44.000 lít nước khoáng gần núi Bad Nauheim, Đức. Sự khám phá
này là nền tảng cho sự khám phá tiếp theo về sự hấp thu và phát xạ của hấp thu phân tử.
Năm 1879 Marie Alfred Cornu thấy rằng, những tia có bước sóng ngắn của bức xạ mặt trời
trên bề mặt trái đất bị hấp thụ bởi khí quyển. Một năm sau đó, Walther Noel Hartley mô tả rất
tỉ mỉ về sự hấp thụ UV của O3 với độ dài bước sóng 200 và 300 nm và nó trở nên rõ ràng hơn
khi họ phát hiện ra rằng O3 chứa đầy trong bầu khí quyển. Năm 1880, Chappuis khám phá ra
sự hấp thu trong vùng khả kiến (400 – 840nm). Năm 1925 Dobson phát triển một máy quang
phổ mới rất ổn định sử dụng lăng kính bằng thạch anh.
8.3 Đại cƣơng về quang phổ
Trong quang phổ học, ánh sáng nhìn thấy (ánh sáng khả kiến), tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia
Rơnghen, sóng radio... đều được gọi chung một thuật ngữ là bức xạ.
Theo thuyết sóng, các dạng bức xạ này là dao động sóng của cường độ điện trường và cường
độ từ trường, nên bức xạ còn được gọi là bức xạ điện từ.
Sau thuyết sóng, thuyết hạt cho thấy bức xạ gồm các “hạt năng lượng” gọi là photon chuyển
động với tốc độ ánh sáng (c = 3.108 m/s). Các dạng bức xạ khác nhau thì khác nhau về năng
lượng h của các photon. Ở đây, năng lượng của bức xạ đã được lượng tử hóa, nghĩa là năng
lượng của bức xạ không phải liên tục mà các lượng tử năng lượng tỉ lệ với tần số của dao
động điện từ theo hệ thức Planck.
h
h = 6,625.10 – 34
J.s: hằng số Planck.
Louis de Broglie đã đưa ra thuyết thống nhất cả khái niệm sóng và khái niệm hạt của sóng ánh
sáng. Ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Tổng quát hơn là bức xạ có bản
chất sóng hạt. Nội dung như sau:
Hạt có khối lượng m chuyển động với vận tốc v có bước sóng đi đôi với nó là cho bởi hệ
thức:
p
h
mv
h
Trong đó : p = mv là động lượng của hạt
λlà bước sóng (de Broglie)
h = 6,625.10-34
J.s là hằng số Planck.
51
8.3.1 Các đại lƣợng đo bức xạ điện từ
Bước sóng : Là quảng đường mà bức xạ đi được sau mỗi dao động đầy đủ.
Đơn vị: m, cm, m , nm, o
A . (1cm = 108
o
A = 10 7 m =10
4 m)
Tần số : Là số dao động trong một đơn vị thời gian (giây)
Trong 1 giây bức xạ đi được c cm và bức sóng cm, vậy:
c
Lưu ý: Bức xạ truyền trong chân không với vận tốc c = 2,9979.10 8 m/s (thường lấy tròn 3.10
8
m/s)
Đơn vị: CPS ( VÒNG DÂY), Hz, KHz, MHz. (1CPS=1Hz; 1MHz=103 KHz=10
6Hz)
Năng lượng bức xạ: Các dao động tử (phân tử chẳng hạn) chỉ có thể phát ra hoặc hấp thụ
năng lượng từng đơn vị gián đoạn, từng lượng nhỏ nguyên vẹn gọi là lượng tử năng lượng:
hchc
h
Đơn vị: Jun (J), Calo (Cal), electron von (eV).
8.3.2 Các dạng bức xạ
Bức xạ điện từ bao gồm 1 dãy các sóng điện từ có bước sóng biến đổi trong khoảng rất rộng:
từ cỡ mét ở sóng rađio đến cỡ o
A (10–10
m) ở tia Rơnghen hoặc nhỏ hơn nữa. Toàn bộ dãy
sóng đó được chia thành các vùng phổ khác nhau.
Bước sóng λ (nm)
ĐỏCamVàngLụcTím Chàm Lam
(Khả kiến)
Vi sóng Sóng radioTia hồng ngoạiTia XTia γ UV
Vùng VIS
Hình 8.2. Các phổ của sóng điện từ
52
Mắt người chỉ cảm nhận được một vùng phổ điện từ rất nhỏ gọi là vùng nhìn thấy (khả kiến)
bao gồm các bức xạ có bước sóng từ 396 – 760 nm. Hai vùng tiếp giáp với vùng nhìn thấy là
vùng hồng ngoại và vùng tử ngoại UV.
8.3.3 Sự tƣơng tác giữa vật chất và bức xạ điện từ
Ở điều kiện bình thường, điện tử của phân tử nằm ở trạng thái liên kết, nên phân tử có mức
năng lượng thấp, gọi là trạng thái cơ bản Eo (Hình 8.3).
Khi chiếu một bức xạ điện từ vào một môi trường vật chất, sẽ xảy ra hiện tượng các phân tử
vật chất hấp thụ (absorption) hoặc phát xạ (emission) năng lượng, hay được gọi là trạng
thái kích thích (Hình 8.3). Năng lượng mà phân tử phát ra hay hấp thụ vào là:
E = E2 – E1 = h
Trong đó, E1 và E2 là mức năng lượng của phân tử ở trạng thái đầu và trạng thái cuối
(hay còn gọi là trạng thái kích thích) là tần số của bức xạ điện từ bị hấp thụ hay phát xạ ra.
Nếu E > 0 thì xảy ra sự hấp thụ bức xạ điện từ.
Nếu E < 0 thì xảy ra sự phát xạ năng lượng.
Hình 8.3. Sự hấp thụ (A) hoặc phát xạ (B) năng lƣợng của một photon
Theo thuyết lượng tử, các phân tử và các bức xạ điện từ trao đổi năng lượng với nhau không
phải bất kỳ và liên tục mà có tính chất gián đoạn. Phân tử chỉ hấp thụ hoặc phát xạ 0, 1, 2,
3,…n lần lượng tử h mà thôi. Khi phân tử hấp thụ hoặc phát xạ sẽ làm thay đổi cường độ
của bức xạ nhưng không làm thay đổi năng lượng của nó, bởi vì cường độ bức xạ điện từ xác
định bằng mật độ các hạt phôton có trong chùm tia, còn năng lượng bức xạ điện từ lại phụ
thuộc tần số của bức xạ.
Vì thế khi chiếu một chùm bức xạ điện từ với một tần số duy nhất đi qua môi trường vật chất
thì sau khi đi qua năng lượng của bức xạ không hề thay đổi mà chỉ có cường độ bức xạ thay
đổi. Các phân tử khi hấp thụ năng lượng của bức xạ sẽ dẫn đến thay đổi các quá trình trong
phân tử (quay, dao động, kích thích electron…) hoặc trong nguyên tử (cộng hưởng spin
electron, cộng hưởng từ hạt nhân)
Mỗi một quá trình như vậy đòi hỏi một năng lượng đặc trưng cho nó, nghĩa là đòi hỏi bức xạ
điện từ có tần số hay chiều dài sóng nhất định để kích thích. Do sự hấp thụ chọn lọc này mà
khi chiếu chùm bức xạ điện từ với một dãi tần số khác nhau đi qua môi trường vật chất thì sau
A B
53
khi đi qua chùm bức xạ này sẽ bị mất đi một số bức xạ có tần số xác định, nghĩa là các tia này
đã bị phân tử hấp thụ.
Bảng 8.1. Ứng dụng quang phổ điển hình do sự thay đổi năng lƣợng
Kiểu chuyển đổi năng lƣợng Vùng bƣớc sóng Thiết bị quang phổ
Hấp thụ (absorption)
Tia γ Máy quang phổ Mossbauer
Tia X Máy hấp thụ quang phổ tia X
UV/Vis Máy so màu quang phổ UV/Vis
Máy hấp thu nguyên tử AAS
Hồng ngoại Máy so quang phổ hồng ngoại
Máy so màu hiệu ứng Raman
Microwave Máy quang phổ vi sóng
Sóng radio Máy quang phổ từ hạt nhân
Phát xạ (emission)
UV/Vis Máy phát xạ nguyên tử
Tia X Máy phát xạ huỳnh quang tia X
UV/Vis
Máy quang phổ huỳnh quang
Máy phát lân quang
Máy quang phổ phát xạ huỳnh quang
nguyên tử
Bảng 8.2. Quang phổ điển hình không do sự thay đổi năng lƣợng
Vùng bước sóng Kiểu tương tác Thiết bị
Tia X Nhiểu xạ Máy nhiểu xạ tia X
UV/Vis Khúc xạ Máy khúc xạ
Tán xạ Máy đo độ đục
8.3.4 Sự hấp thụ bức xạ và màu sắc của các chất
Ánh sáng nhìn thấy bao gồm tất cả dải bức xạ có bước sóng từ 396 – 760 nm có màu trắng
(ánh sáng tổng hợp). Khi cho ánh sáng trắng (ánh sáng mặt trời) chiếu qua một lăng kính, nó
sẽ bị phân tích thành một số tia màu (đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím). Mỗi tia màu đó
ứng với một khoảng bước sóng hẹp hơn (xem Bảng 8.3). Cảm giác các màu sắc là một chuỗi
các quá trình sinh lý và tâm lý phức tạp khi bức xạ trong vùng khả kiến chiếu vào võng mạc
của mắt. Một tia màu với một khoảng bước sóng xác định. Chẳng hạn bức xạ với bước sóng
54
400–430 nm gây cho ta cảm giác màu tím, tia sáng với bước sóng 560 nm cho ta cảm giác
màu lục vàng.
Ánh sáng chiếu vào một chất nào đó nó đi qua hoàn toàn thì đối với mắt ta chất đó không
màu.
Thí dụ, thủy tinh thường hấp thụ các bức xạ với bước sóng nhỏ hơn 360 nm nên nó trong suốt
với các bức xạ khả kiến. Thủy tinh thạch anh hấp thụ bức xạ với bước sóng nhỏ hơn 160 nm,
nó trong suốt đối với bức xạ khả kiến và cả bức xạ tử ngoại gần.
Một chất hấp thụ hoàn toàn tất cả các tia ánh sáng thì ta thấy chất đó có màu đen. Nếu sự hấp
thụ chỉ xảy ra ở một khoảng nào đó của vùng khả kiến thì các bức xạ ở khoảng còn lại khi đến
mắt ta sẽ gây cho ta cảm giác về một màu nào đó. Chẳng hạn một chất hấp thụ tia màu đỏ
( = 610–730 nm) thì ánh sáng còn lại gây cho ta cảm giác màu lục (ta thấy chất đó có màu
lục). Ngược lại, nếu chất đó hấp thụ tia màu lục thì đối với mắt ta nó sẽ có màu đỏ. Người ta
gọi màu đỏ và màu lục là hai màu phụ nhau. Trộn hai màu phụ nhau lại ta sẽ có màu trắng.
Nói cách khác, hai tia phụ nhau khi trộn vào nhau sẽ tạo ra ánh sáng trắng. Quan hệ giữa màu
của tia bị hấp thụ và màu của chất hấp thụ (các màu phụ nhau) được ghi ở bảng sau:
Bảng 8.3. Quan hệ giữa màu của tia bị hấp thụ và màu chất hấp thụ
Tia bị hấp thụ Màu của chất hấp thụ
(màu của tia còn lại) (nm) Màu
400 – 430
430 – 490
490 – 510
510 – 530
530 – 560
560 – 590
590 – 610
610 – 750
Tím
Xanh
Lục xanh
Lục
Lục vàng
Vàng
Da cam
Đỏ
Vàng lục
Vàng da cam
Đỏ
Đỏ tía
Tím
Xanh
Xanh lục
Lục
Lưu ý: Giữa các tia màu cạnh nhau không có một ranh giới thật rõ rệt.
Việc phân chia ánh sáng trắng thành 7, 8 hay 9 tia màu… còn tùy thuộc vào lăng kính và sự
tinh tế của mắt người quan sát.
Một chất có màu, thí dụ như màu đỏ chẳng hạn là do nó đã hấp thụ chọn lọc trong vùng khả
kiến theo một trong các kiểu sau:
- Chất đó hấp thụ tia phụ của tia đỏ (tức là hấp thụ tia màu lục)
- Chất đó hấp thụ các tia trừ tia màu đỏ.
- Chất đó hấp thụ ở hai vùng khác nhau của ánh sáng trắng sao cho các tia còn lại cho
mắt ta cảm giác màu đỏ.
55
Để một hợp chất có màu, không nhất thiết max của nó phải nằm ở vùng khả kiến mà chỉ cần
cường độ hấp thụ ở vùng khả kiến đủ lớn. Nói một cách khác tuy giá trị cực đại của vân hấp
thụ nằm ngoài vùng khả kiến nhưng do vân hấp thụ trải rộng sang vùng khả kiến nên hợp chất
vẫn có màu. Tất nhiên để có được sự hấp thụ thấy được ở vùng khả kiến thì max của chất
cũng phải gần với ranh giới của vùng khả kiến.
Tương ứng với một bước chuyển điện tử, ta thu được phổ hấp thu có dạng:
Hai đại lượng đặc trưng của phổ hấp thu là vị trí và cường độ
Vị trí cực đại hấp thu, giá trị max tùy thuộc vào E mà hợp chất này hấp thu ở các
vùng phổ khác nhau. Bán chiều rộng của vân phổ điện tử dao động khá rộng khoảng
50 – 60 nm.
Cường độ thể hiện qua diện tích hoặc chiều cao của đỉnh biểu đồ (peak). Cường độ
vân phổ phụ thuộc vào xác xuất chuyển mức năng lượng của điện tử. Xác suất lớn cho
cường độ vân phổ lớn.
Một hợp chất màu có phổ hấp thu tốt khi đỉnh biểu đồ (peak) cao và bán chiều rộng vân phổ
hẹp.
Peak
Độ rộng
Bán vân phổ
λmax
56
Hình 8.4. Đỉnh (peak) và bán chiều rộng vân phổ
Khi bán chiều rộng vân phổ hẹp, khi thay đổi nhỏ thì độ hấp thu A thay đổi lớn. Điều này
rất có ý nghĩa trong phân tích định lượng. Giả sử hợp chất X có Amax ở 500 nm. Khi chúng ta
đo ở bước sóng 510 nm... thì độ hấp thu đo được sẽ khác rất xa đối với ở bước sóng 500 nm.
Từ đó ta thấy rằng ở mỗi hợp chất màu có một giá trị max nhất định và nó phản ánh độ nhạy
của phương pháp. Mặt khác, một hợp chất đòi hỏi đỉnh biểu đồ cao nghĩa là khi ta đo ở bước
sóng max thì ta được độ hấp thụ quang cực đại, khoảng làm việc rộng.
8.3.5 Định luật Lambert – Beer
Khi chiếu một chùm tia sáng đơn sắc đi qua một môi trường vật chất thì cường độ của tia sáng
ban đầu (Io) sẽ bị giảm đi chỉ còn là I
Tỉ số TI
I
o
00100 được gọi là độ truyền qua.
Tỉ số AI
IIo
00100 được gọi là độ hấp thụ.
Nguyên tắc của phương pháp biểu diễn theo sơ đồ :
Mẫu
Cuvette
Io IA I
IR
Io = IA + IR + I
Hình 8.5. Sơ đồ mô tả sự hấp thụ ánh sáng của một dung dịch
Trong đó:
Io: Cường độ ban đầu của nguồn sáng
IA: Cường độ ánh sáng bị hấp thu bởi dung dịch
I: Cường độ ánh sáng sau khi qua dung dịch.
IR: Cường độ ánh sáng phản xạ bởi thành cuvette và dung dịch, giá trị này được loại
bỏ bằng cách lặp lại 2 lần đo.
Giữa IA, I, độ dày truyền ánh sáng (l) và nồng độ (C) liên hệ qua quy luật Lambert – Beer là
định luật hợp nhất của Bouguer:
57
Lambert (1766) lKI
Io1lg
Beer (1852): CKI
Io1lg
Độ truyền quang (T) hay độ hấp thụ (A) phụ thuộc vào bản chất của vật chất, độ dày truyền
ánh sáng l và nồng độ C của dung dịch. Có thể viết:
Định luật Lambert – Beer : lCI
IA
)lg( 0
Trong đó: là hệ số hấp thu phân tử, C nồng độ dung dịch (mol/L), l độ dày truyền ánh sáng
(cm), A là độ hấp thụ quang. (Lưu ý phương trình trên chỉ đúng đối với tia sáng đơn sắc).
Trong phân tích định lượng bằng phương pháp trắc quang người ta chọn một bước sóng
nhất định, chiều dày cuvet l nhất định và lập phương trình phụ thuộc của độ hấp thụ quang A
vào nồng độ C.
Khảo sát khoảng tuân theo định luật Lambert – Beer:
Khi biểu diễn định luật Lambert – Beer trên đồ thị tùy theo cách thực hiện phép đo, ta thường
gặp đường biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thu A vào cường độ C của dung dịch có dạng: y =
ax + b
Hệ số góc a cho biết độ nhạy của phương pháp, trong phương pháp trắc quang người ta chỉ đo
dung dịch trong khoảng tuân theo định luật Lambert – Beer tức là khoảng nồng độ mà ở đó
giá trị không thay đổi. Hệ số góc a càng lớn và khoảng tuân theo định luật Beer càng rộng
là điều kiện thuận lợi cho phép xác định.
Sự lệch khỏi định luật Beer:
Sự lệch khỏi định luật Beer được biểu diễn bằng sơ đồ sau:
Hình 8.6. Giới hạn của định luật Beer về sự hấp thụ quang
Khoảng tuyến tính LOL (Limit of Linear Response) là khoảng nồng độ tuân theo định luật
Beer )( ClA nghĩa là khi nồng độ tăng thì độ hấp thụ quang A tăng. Ngoài giới hạn
LOL là sự lệch khỏi định luật Beer, nghĩa là khi nồng độ tăng thì độ hấp thụ quang A hầu như
58
không tăng nữa. Nguyên nhân của quá trình này là do nồng độ dung dịch quá lớn. Ngoài ra,
khoảng tuyến tính LOL còn bị ảnh hưởng của mức độ đơn sắc của ánh sáng sử dụng, pH của
dung dịch, lực ion, sự pha loãng...
Ý nghĩa của các đại lƣợng:
Hệ số hấp thu mol : phụ thuộc bản chất mỗi chất, bước sóng , nhiệt độ, chiết suất
(theo nồng độ). Giá trị tính lý thuyết của một bước chuyển được phép cho 1 electron là
= 105 mol
-1.cm
-1.
lC
A (l. mol
-1 cm
-1)
cao cho ta biết được độ nhạy của phản ứng, là thước đo độ nhạy của phương pháp.
Trong phân tích trắc quang, = 103 – 10
5 mol
-1. cm
-1 là đủ nhạy để dùng cho phương
pháp trắc quang, phụ thuộc vào chiết suất mà chiết suất lại phụ thuộc vào nồng độ.
Khi chiết suất tăng lên thì giảm và để không thay đổi thì phải thực hiện C 10-2
mol/L.
Độ hấp thụ quang A: Là đại lượng không có đơn vị, có tính chất quan trọng là tính
cộng độ hấp thụ quang.
Giả sử 2 chất A và B có nồng độ CA và CB, độ hấp thu tại bước sóng là:
A = AA + AB = l × (ACA + BCB)
Nếu một chất tan X nào đó có độ hấp thụ quang là AX, dung môi có độ hấp thụ quang là Adm,
ta có:
A = Ax + Adm
Để đo được chính xác Ax thì Adm = 0, có nghĩa là phải chọn max của dung môi khác xa với
max chất tan. Những chất được chọn làm dung môi thường có hấp thu ở miền ranh giới tử
ngoại chân không.
Bảng 8.4. Các dung môi thƣờng sử dụng trong vùng UV – VIS
Dung môi Bước sóng (nm) Dung môi Bước sóng (nm)
Nước cất 190 Benzen 280
HCl 190 Cloroform 245
Etanol, metanol 210 Tetra Clorocarbon 265
n- Butanol 210 Dietyl Eter 218
n- Hexan 210 Aceton 330
Cyclohexan 210 1,4 Dioxan 215
Trong hỗn hợp có nhiều cấu tử không làm thay đổi tương tác, không phản ứng hóa học, không
dịch chuyển cân bằng, thì có thể xác định hỗn hợp các cấu tử theo hệ thức sau:
59
nnii lClClClCA
.............2211
Độ truyền quang T:
oI
IT mà )lg( 0
I
IA do đó TA lg
Vì T tính theo % nên: TA lg2
Nếu T = 100% thì A = 0 (nghĩa là không hấp thụ ánh sáng (I = Io)
Nếu T = 1% thì A = 2
Nếu T = 0 % thì A (hấp thu hoàn toàn ánh sáng)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Độ
hấ
p t
hụ
A
Độ truyền quang T (%)
Hình 8.7. Mối quan hệ giữa Độ truyền quang (T) và Độ hấp thụ (A)
Ví dụ 8.1:
Một mẫu có độ truyền quang là 50%, tính độ hấp thu A của mẩu?
Giải quyết vấn đề:
Ta có : A = -lg T = -lg(0,5) = 0,301
Ví dụ 8.2:
Một dung dịch có nồng độ 5 × 10-4
M được phân tích và đo bằng cuvette 1 cm ở bước sóng
490 nm được độ hấp thu là 0,338. Hãy tính độ hấp thu phân tử của chất ở bước sóng này ?
Giải quyết vấn đề:
lC
A =
Mcm 410.51
338,0
= 676 cm-1
M-1
8.3.6 Nguyên lý cấu tạo của máy quang phổ
Nguồn sáng
Nguồn sáng cho máy quang phổ là chùm bức xạ phát ra rừ đèn. Máy quang phổ dùng đèn
hydro hay đèn Deuterium cho phổ phát xạ liên tục trong vùng UV tử 160 – 380nm (nhưng
thường sử dụng 200 - 340 nm) và đèn tungsten halogen đo vùng 380 – 1000 nm. Để làm việc
60
cho cả hai vùng thì phải có đủ 2 loại đèn trên. Một yêu cầu đối với nguồn sáng là phải ổn
định, tuổi thọ cao và phát bức xạ liên tục trong vùng phổ cần đo.
Đèn Deuterium: cấu tạo sồm một sợi đốt phủ ôxit và một cực kim loại đặt trong một bóng
thuỷ tinh chứa khí Deuteri hoặc hydro có cửa sổ bằng thạch anh để bức xạ tử ngoại đi ra vì nó
không truyền qua được thủy tinh. Khi sợi đốt được đốt nóng, electron sinh ra kích thích các
phân tử khí Deuteri (hoặc hidro) biến thành nguyên tử và phát ra phôton theo phản ứng:
D2 + Ee *
2D D’ + D + h
Ee = *2D
E = ED’ + ED’’ + h
Ở đây là năng lượng electron kích thích, bức xạ phát ra là một phổ có bước sóng từ 160 nm
đến vùng khả kiến.
Bảng 8.5. Nguồn phát năng lƣợng trong các thiết bị quang phổ
Nguồn Vùng bước sóng Sử dụng cho
Đèn H2 và D2 160 – 380 nm Hấp thụ phân tử tử ngoại
ĐènTungsten 320 – 2400 nm Hấp thu phân tử khả kiến
Đèn hồ quang Xe 200 – 1000 nm Phát xạ huỳnh quang phân tử
Đèn Nernst 0,4 – 20 µm Hấp thụ phân tử hồng ngoại
Đèn cực âm hallow UV/Vis Hấp thụ nguyên tử
Đèn hơi nước Hg UV/Vis Phát xạ huỳnh quang phân tử
Laser UV/Vis Hấp thụ phân tử, nguyên tử, huỳnh
quang, tán xạ
Bộ đơn sắc
Bộ đơn sức có chức năng tách bức xạ đa sắc thành bức xạ đơn sắc, bao gồm kính lọc, lăng
kính hay cách tử.
Cách tử là một bảng nhôm hay các kim loại Cu, Ag, Au... được vạch thành những rãnh hình
tam giác song song. Khi chiếu ánh sáng qua cách tử, phần còn lại có tác dụng tạo nên vân
nhiễu xạ có bước sóng khác nhau, khi quay cách tử sẽ tạo ra phổ nhiễu xạ giống như trường
hợp ánh sáng qua lăng kính. Ưu điểm là cho độ phân giải tốt, tán sắc tuyến tính, độ rộng của
dải ổn định, chọn bước sóng đơn giản, gọn nhẹ, dễ chế tạo nên hiện nay sử dụng cách tử tạo
ánh sáng đơn sắc được ưa chuộng. Cách tử dùng cho UV/Vis có 1200 vạch/ mm (thường dao
động từ 300 – 3600 vạch/mm, số vạch càng nhiều thì năng suất phân giải càng cao.
61
Hình 8.8 Sơ đồ mô phỏng cấu tạo của máy quang phổ
Lăng kính của máy quang phổ dùng lăng kính littrow (lăng kính 30o) bằng thạch anh, có đặc
điểm ánh sáng đi qua lăng kính hai lần do phản xạ ở mặt sau. Khi phân tích, để hạn chế mức
độ nhiểu của vân phổ, tốt nhất nên chọn bước nhảy của bước sóng (bandwidth) ở mức thích
hợp tuỳ vào hợp chất (Hình 8.9)
Bandwidth 0,25 nm Bandwidth 1,0 nm
Bandwidth 2,0 nm Bandwidth 4,0 nm
Hình 8.9. Mức độ nhiểu ở các độ dài Bandwidth khác nhau
Cuvet đựng mẫu
Cuvet phải làm bằng chất liệu cho bức xạ ở vùng cần đo đi qua. Cuvet thủy tinh không thích
hợp cho vùng UV. Cuvet thạch anh cho bức xạ đi qua từ 190 – 1000 nm. Cuvet nhựa chỉ dùng
trong vùng Vis và chỉ sử dụng được 1 vài lần.
62
Detector
Detector là bộ phận đo tín hiệu ánh sáng trước và sau khi đi qua dung dịnh (đựng trong cuvet).
Các tín hiệu sau khi đi ra Detector sẽ được sẽ được khuếch đại bằng processor tín hiệu (signal
processor), lưu giữ và xử lý trên máy tính. Có 2 loại detector là: bộ cảm biến photon
(photon transducer) và bộ cảm biến nhiệt (thermal transducer) Bảng 8.6.
Bảng 8.6. Đặc tính của một số bộ chuyển đổi tín hiệu (transducer)
Detector Lớp Vùng bƣớc sóng
Đèn quang điện (phototube) Photon 200 – 1000 nm
Điện kế nhân (Photomultiplier) Photon 110 – 1000 nm
Quang diot Silic (Si photodiode) Photon 250 – 1100 nm
Quang dẫn (photoconductor) Photon 750 – 6000 nm
Pin quang voltaic (photovoltaic cell) Photon 400 – 5000 nm
Cặp nhiệt điện (thermocouple) Nhiệt 0,8 – 40 µm
Nhiệt điện trở (thermistor) Nhiệt 0,8 – 40 µm
Hoả điện (pyroelectri) Nhiệt 0,3 – 1000 µm
8.4 Sử dụng phƣơng pháp trắc quang trong định lƣợng hóa học
Yêu cầu về các hợp chất cần xác định là phải bền, ít phân ly, ổn định, không thay đổi thành
phần trong khoảng thời gian nhất định để thực hiện phép đo (10–20 phút).
Hệ số lớn có giá trị từ 103 – 5.10
4 L. mol
-1 cm
-1, có thể thực hiện phản ứng tạo màu với các
thuốc thử vô cơ và hữu cơ.
Nồng độ các chất xác định theo định luật Lambert – Beer. Khoảng xác định nồng độ theo
phương pháp là 10-2
– 10-6
mole. Giới hạn phát hiện của phương pháp 10-7
mole.
Các hợp chất là phức cần đo phải có max khác xa với max của thuốc thử trong cùng điều kiện
tức là > 2 lần nửa bán chiều rộng của vân phổ (khoảng 80 – 100 nm). Thí dụ, khi phân
tích Fe2+
bằng phương pháp O-phenanthroline. Sau khi thêm thuốc thử ta được phức màu
vàng cam (max = 510 nm), trong khi đó thuốc thử 1,10- Orthophenanthroline có max = 250
nm.
Bảng 8.7 Một số ứng dụng phƣơng pháp trắc quang trong phân một số yếu tố thông
thƣờng trong ao nuôi thuỷ sản
Chỉ tiêu Phƣơng pháp Phức màu λmax (nm)
Al Phản ứng với Eriochrome cyanide R ở pH 6,0 Hồng 535
Cu Phản ứng với Neocuprine, ly trích bằng CHCl3 Vàng 457
63
Fe2+
Phản ứng với O-phenanthroline, pH = 5 Cam – đỏ 510
NH3 Phenate, tạo phức Indophenol Xanh 630
NO2- Tạo muối diazonium, pH = 2 – 3 Hồng – đỏ tía 543
NO3- Tạo muối salicylate, pH > 9 Vàng 410
PO43-
Tạo phức moybden Xanh 690
SO42-
Tạo phức với sodium rhodizonate Đỏ 520
SiO2 Tạo phức heteropoly Xanh 815
8.4.1 Phƣơng pháp so sánh
So sánh cường độ màu của dung dịch cần xác định với cường độ màu của dung dịch chuẩn đã
biết nồng độ.
Điều kiện: cả hai dung dịch trên phải có nồng độ nằm trong khoảng tuân theo định luật Beer.
Cx ----------------------- A
x
Ctc
---------------------- Atc
Ta cần xác định Cx :
tc
tcxx
A
CAC
Khi sử dụng 2 dung dịch chuẩn:
)( 1
12
121 AA
AA
CCCC xx
Với A1, A2, C1, C2 là độ hấp thu và nồng độ của dung dịch chuẩn tương ứng sao cho A1 <
Ax < A2 có nghĩa C1 < Cx < C2
8.4.2 Phƣơng pháp thêm chuẩn
Phạm vi ứng dụng là xác định các chất có hàm lượng vi lượng hoặc siêu vi lượng, loại bỏ ảnh
hưởng của chất lạ. Có 2 phương pháp là phương pháp sử dụng công thức và phương pháp đồ
thị.
Phương pháp sử dụng công thức
xax
xax
AA
ACC
Trong đó: Ax: độ hấp thu của dung dịch xác định tương ứng với thể tích Vx.
Ax+ a: Độ hấp thu của dung dịch có thêm chuẩn.
Ca: Nồng độ chất chuẩn thêm vào.
64
Cx: Nồng độ chất cần xác định trong thể tích Vx
Công thức được thiết lập từ: Ax = × l × Cx
A(x+a) = × l × (Cx + Ca)
Cx được biểu diễn theo đơn vị của Ca.
Cách thực hiện:
Lấy 3 lần của dung dịch cần xác định nồng độ cho vào 3 bình định mức có thể tích VmL.
Bình 1: Thêm thuốc thử và các chất để tạo môi trường pH cho dung dịch, dung dịch gọi là
dung dịch xác định Cx, độ hấp thu quang tương ứng là Ax.
Bình 2: Thêm một lượng chính xác dung dịch tiêu chuẩn đã biết chính xác nồng độ Ca, tiến
hành phản ứng tạo màu giống như bình 1. Dung dịch có độ hấp thu tương ứng là A(x+a).
Bình 3: chỉ thêm các chất để tạo pH cho dung dịch, lấy dung dịch này làm dung dịch so sánh.
Áp dụng công thức: xax
xax
AA
ACC
. Từ Cx có trong thể tích Vx (mL) có thể qui về thể tích
ban đầu của mẫu Vo (mL): x
oxo
V
VCC mg/L
Phương pháp sử dụng đồ thị
Có ít nhất 3 dung dịch thêm chuẩn. Lấy ít nhất 4 lần của dung dịch cần xác định nồng độ cho
vào 4 bình định mức V(mL). Sau đó thêm chính xác một lượng V1, V2, V3 mL dung dịch tiêu
chuẩn có nồng độ tương ứng Ca1, Ca2, Ca3 vào 3 bình định mức trên. Tiến hành phản ứng tạo
màu. Bình còn lại để làm dung dịch so sánh, cũng chuẩn bị giống như phương pháp công
thức.
Độ hấp thu của các dung dịch thêm so với dung dịch so sánh.
Hình 8.10. Tƣơng quan của phƣơng pháp thêm chuẩn sử dụng đồ thị.
Có thể đọc kết quả trên đồ thị hoặc sử dụng phương trình hồi qui có dạng:
A = aC + b (hồi quy tuyến tính y = ax + b)
Ax = b
65
Cx = b/a
8.4.3 Phƣơng pháp đƣờng chuẩn
Ưu điểm là chính xác, thực hiện được nhiều lần.
Chuẩn bị từ 6 dung dịch chuẩn (trong khoảng tuân theo định luật Beer).
Thực hiện phản ứng màu với thuốc thử.
Đo độ hấp thụ quang A của dung dịch ở max so với các dung dịch so sánh được chuẩn bị
giống như dung dịch tiêu chuẩn nhưng không chứa ion cần xác định.
Biểu diễn sự phụ thuộc A theo C trên đồ thị hoặc tính theo phương trình hồi qui A= aC +
b (a và b là hệ số cần tìm của phương trình hồi quy – tương quan) (xem Bảng 8.8)
Dung dịch xác định: chuẩn bị và phản ứng tạo màu với thuốc thử giống như mẫu chuẩn.
Bảng 8.8. Dung dịch chuẩn dùng để xây dựng đƣờng chuẩn
Dung dịch chuẩn C (mg/L) A
1 0,00 0,010
2 0,05 0,480
3 0,10 0,930
4 0,15 1,370
5 0,20 1,830
6 0,25 2,281
Sau khi đo được giá trị độ hấp thụ quang của các dung dịch chuẩn, chúng ta có thể tiến hành
xây dựng đường chuẩn và tìm ra phương trình hồi quy tương quan:
y = 9.0543x + 0.0184
R2= 0.9999
0.000
0.500
1.000
1.500
2.000
2.500
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
Nồng độ
Độ
hấ
pth
ụA
Hình 8.11. Biểu đồ xác định phƣơng trình hồi quy của phƣơng pháp đƣờng chuẩn
Sau khi thiết lập đường chuẩn, ta được dạng phương trình y = ax + b với y là độ hấp thụ
quang, x là nồng độ. Đối với dung dịch xác định, ta tiến hành phản ứng và đo được hệ số hấp
thu của mẫu (A mẫu = y), ta có thể tính được nồng độ của mẫu cần xác định theo phương trình:
a
byx
66
Sự tương quan giữa độ hấp thụ quang A và nồng độ C khi constl là nội dung của định luật
Beer. Khoảng nồng độ thỏa mãn định luật này khi R > 0,999.
Hệ số tương quan r biến đổi trong khoảng -1 R 1 (R2 = 0 1)
Khi R 1 có sự tương quan chặt chẻ giữa x và y theo tỉ lệ thuận.
Khi R -1 có sự tương quan chặt chẻ giữa x và y theo tỉ lệ nghịch.
Khi R 0 hai đại lượng này không còn tương quan.
8.5 Độ chính xác trong phƣơng pháp trắc quang:
Trong phân tích trắc quang cũng như bất kỳ phương pháp nào khác có thể chia sai số thành 2
nhóm:
Sai số do tiến hành phản ứng hóa học (hóa chất, thao tác, dụng cụ...)
Sai số của tín hiệu đo độ hấp thu của dung dịch (do hệ thống đo).
Độ chính xác trong phương pháp này phụ thuộc vào hàng loạt nguyên nhân khác nhau rất
phức tạp bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống, trong đó sai số quan trọng nhất là sai
số của tín hiệu trong quá trình đo độ hấp thu quang học.
8.6 Một số ví dụ áp dụng phƣơng pháp định lƣợng trắc quang
Ví dụ 8.3:
Độ hấp thụ quang A của dung dịch anilin 2 × 10-4
M trong nước đo ở bước sóng = 280 nm
là 0,252. Chiều dài ánh sáng đi qua cuvet là 1cm. Tính độ truyền quang của anilin 1,03.10-3
M
khi đo ở cùng độ dài bước sóng nhưng dùng cuvet 0,5cm.
Giải quyết vấn đề:
Áp dụng công thức lCI
IA ××)lg( 0
với dung dịch 1 ta có:
= 0.252/(2.10-4
× 1) = 1,26.103 l. mol
-1 cm
-1.
Áp dụng công thức lCI
IA ××)lg( 0
với dung dịch 2 ta có:
A = 1,26.103 × 0,5 × 1,03.10
-3 = 0.649
Mà: A = -lg T suy ra: lg T = -A = -0,649, do đó T = 0,224 = 22,4%
Vậy độ truyền quang T = 22,4%
Ví dụ 8.4:
Độ hấp thụ quang A đo được từ các mẫu chuẩn và mẫu nước thu từ ao nuôi cá chứa ion PO43-
như sau:
Nồng độ mẫu chuẩn (mg/L) 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
67
Độ hấp thụ quang A 0,010 0,480 0,930 1,370 1,830 2,281
Độ hấp thụ quang A của mẫu nước ao của 3 lần lặp lại là: 1,256; 1,245; 1,264. Tính nồng độ
PO43-
trong mẫu nước ao.
Giải quyết vấn đề:
Từ các nồng độ mẫu chuẩn và độ hấp thụ quang A. Từ kết quả thiết lập phương trình hồi qui
ta có: 0184,00543,9 XY (R2 = 0,9999).
Từ kết quả của 3 lần phân tích lặp lại ta có yA = 1,255
Từ đó ta có 137,00543,9
0184,0255,1
0543,9
0184,0
yx mg/L
Vậy nồng độ PO43-
trong mẫu nước ao là 0,137 mg/L.
Ví dụ 8.5:
Để xác định hằng số phân ly của Methyl da cam (kí hiệu HIn), người ta đo độ hấp thụ quang
A của 3 dung dịch cùng nồng độ Methyl da cam ở các pH khác nhau:
- Dung dịch 1 trong HCl 0,1M; A1 = 0,475.
- Dung dịch 2 trong NaOH 0,1 M; A2 = 0,130.
- Dung dịch 3 có pH = 4,34; A3 = 0,175
Cho biết đo ở bước sóng = 510 nm và chiều dài ánh sáng đi qua cuvet là 1cm. Tính hằng số
phân ly K của Metyl da cam?
Giải quyết vấn đề:
Độ hấp thụ quang của dung dịch 3:
lHInlInA HInIn
3 (8.1)
Với [In-] = x; [HIn] = y ta có: x + y = CHIn = C (8.2)
lC
AIn
2 vì toàn bộ chất chỉ thị ở dạng In- (8.3)
lC
AHin
1 vì toàn bộ chất chỉ thị ở dạng HIn (8.4)
Thay (8.3) và (8.4) vào (8.1) ta được:
C
yA
C
xAA 123 (8.5)
Qui ước: )1(; C
y
C
x 0,175 = 0,130 + 0,475 (1-) = 0,869
Hằng số phân ly của HIn:
68
HIn H+ + In
- ; Ka
1lglg
]][[pH
HIn
InpHpK
HIn
InHK
pK = 4,34 - 689,01
869,0lg
= 7,34 – 0,82 = 3,52 K = 3,02.10
-4.
Vậy hằng số phân ly của methyl da cam là K = 3,02.10-4
.
8.7 Nguyên lý phân tích các yếu tố môi trƣờng nƣớc bằng phƣơng pháp quang phổ
8.7.1 Xác định tổng đạm amoni TAN (Total Ammonia Nitrogen)
Phƣơng pháp Nessler
Nguyên lý
Trong môi trường bazơ mạnh NH4+ sẽ biến thành NH3. NH3 mới hình thành và NH3 sẵn có
trong mẫu nước sẽ tác dụng với phức chất Indo-mercurate kalium (K2HgI4), hình thành phức
chất có màu vàng nâu, cường độ màu đậm hay nhạt tùy thuộc vào hàm lượng NH3 có trong
mẫu nước.
Phương trình phản ứng:
2 K2HgI4 + NH3 + 3KOH Hg(HgIONH2) + 7KI + 2 H2O
(màu vàng)
K2HgI4 + NH3 + KOH Hg(HgI3NH2) + 5KI + H2O
(màu nâu)
Phƣơng pháp Indophenol blue (Phenate)
Nguyên lý
Trong môi trường kiềm mạnh, NH4+ sẽ chuyển thành NH3. Ammonia phản ứng với
hypochlorite và phenol với chất xúc tác là sodium nitroprusside sẽ tạo thành phức indophenol
có màu xanh, phức này hấp thụ ánh sáng tối đa (max) ở bước sóng 640nm.
NH3 + ClO-
NH2Cl + OH-
NH2Cl + 2 OH + 2ClO-
O N OH + 3HCl + 2OH-
O N OH O N O- + H+
Indophenol
NH3 + ClO-
NH2Cl + OH-
NH2Cl + 2 OHOH + 2ClO-
O N OHO N OH + 3HCl + 2OH-
O N OHO N OH O N O- + H+
Indophenol
Các chất gây nhiễu và giới hạn phân tích
Ca và Mg bị kết tủa trong môi trường pH cao (do NaOH cho vào mẫu nước trong quá trình
phân tích) làm dung dịch bị đục làm ảnh hưởng đến kết quả đo độ hấp thụ quang. Cho vào
mẫu nước trisodium citrate để tránh hiện tượng kết tủa của Ca và Mg. Nếu mẫu nước chứa
69
H2S với hàm lượng cao, cần phải loại bỏ H2S bằng cách giảm pH xuống 3 bằng HCl và sục
khí đến khí không còn mùi của H2S.
Phƣơng pháp Salicylate
Nguyên lý
NH3 + OCl- NH2Cl + OH-
OH
COO-
NH2
OH
COO-
-O
COO-
N O
COO-
NH2Cl + + Cl-
Fe (CN)5NO2- + OH
COO-
NH2
Salicylate5-amonisalicylate
Nitroprusside
5-aminosalicylate
Indosalicylate (màu xanh)
8.7.2 Xác định NO2-
Phƣơng pháp Ferrous Sulfate
Nguyên lý
Trong môi trường acid với tác dụng của Fe(SO4)2, NO2- chuyển thành NO (Nitrous oxide).
Fe3+
liên kết với NO tạo thành phức màu nâu.
2Fe2+ + 4H+ + 2NO2- 2Fe3+ + 2NO + 2H2O
NO + FeSO4 FeSO4.NO (màu nâu)
Phƣơng pháp tạo muối diazonium
Nguyên lý
NO2- trong môi trường acid mạnh sẽ hình thành HNO2, HNO2 mới hình thành sẽ kết hợp với
acid sulfanilique cho ra muối Diazonium sulfanilique. Sau đó muối diazonium sulfanilique sẽ
kết hợp với thuốc thử -napthylammine cho ra -napthylammine diazonium sulfanilique. -
napthylammine diazonium sulfanilique là một hợp chất có màu hồng, cường độ đậm hay nhạt
tùy thuộc vào hàm lượng NO2- có trong mẫu nước lúc ban đầu. Nồng độ được xác định bởi
máy so màu quang phổ ở bước sóng 543 nm.
Các chất gây nhiễu và giới hạn phân tích
70
NCl3 làm sai lệch màu đỏ của phức màu. Các ion sau đây gây kết tủa như Sb3+
, Au3+
, Bi3+
,
Fe3+
, Pb2+
, Hg2+
, Ag+, PtCl6
2-, VO3
2-. Ion Cu làm giảm xúc tác và phân hủy muối diazonium.
NH2
HO3S
HO3S N
+N
NO2- + + 2H+
+ 2H2O
OH OH
SO3HHO
3S
N
OH OH
SO3HHO
3S
N SO3H
HO3S N
+N +
+ H+
. napthylammine
. napthylammine diazonium sulfanilique (hồng)
acid sulfanilique
Diazonium sulfanilique
8.7.3 Xác định NO3-
Phƣơng pháp khử bằng cột cadmium
Nguyên lý
NO3- bị khử thành NO2
- khi đi qua cột cadmium (Cd), phương trình phản ứng xảy ra như sau:
NO3- + H2O + Cd NO2
- + Cd
2+ + OH
-
NO2- hình thành được xác định bằng phương pháp so màu diazonium được mô tả ở phần trên
Các chất gây nhiễu và giới hạn phân tích
Hàm lượng vật chất lơ lửng quá cao làm giảm hiệu suất của cột khử, lọc mẫu qua giấy lọc
0,45 m trước khi cho qua cột khử. Các ion kim loại như Fe2+
, Cu2+
và các kim loại khác
cũng làm giảm hiệu suất của cột khư khi hàm lượng đạt vài mg/L, dùng EDTA để loại trừ ảnh
hưởng này. Dầu, mỡ trong mẫu nước sẽ bao quanh bề mặt các hạt Cd là giảm sự tiếp xúc của
mẫu nước với hạt Cd, do đó mẫu nước cần loại dầu mỡ bằng dung môi hữu cơ trước khi cho
qua cột khử. Dư lượng chlorine sẽ oxy hóa Cd cũng làm giảm hiệu suất của cột khử, có thể
kiểm tra dư lượng chlorine bằng chỉ thị DPD và khử chlorine bằng Na2S2O3.
NCl3 làm sai lệch màu đỏ của phức màu. Các ion sau đây gây kết tủa như Sb3+
, Au3+
, Bi3+
,
Fe3+
, Pb2+
, Hg2+
, Ag+, PtCl6
2-, VO3
2-. Ion Cu làm giảm xúc tác và phân hủy muối diazonium.
Phƣơng pháp salicylate
Nguyên lý
71
Trong môi trường kiềm NO3- sẽ hình thành phức màu vàng anh với acid sulfanilic.
+ NO3- + 2H+
Nitro-salicylate
Acid sulfanilic
8.7.4 Xác định hàm lƣợng lân hoà tan PO43-
Phƣơng pháp Ascorbic acid
Phương pháp so màu quang phổ ascorbic acid dựa trên nguyên tắc ammonium molydate và
potassium antimonyl phản ứng với PO43-
tạo thành phosphomolybdate cộng với sự tham gia
của ascorbic acid khử thành hợp chất phức của molydate có màu xanh được hấp thu ánh sáng
ở bước sóng 880nm.
Phức phosphomolybdate
12MoO3 + H2PO4- (H2PMo12O40)-
Phƣơng pháp Clo Thiếc (SnCl2)
Nguyên lý
Muối orthophosphate trong môi trường acid, ion PO43-
sẽ phản ứng với thuốc thử Molybdate
ammonium cho một phức chất ammonium phosphomolybdate, màu vàng chanh.
PO43-
+ 12(NH4)2MoO4 + 24H+ = (NH4)2PO4.12MoO3 + 21NH4
+ + 12H2O
(Ammonium phosphomolybdate)
Với sự hiện diện của các chất khử như SnCl2, dạng ammonium phosphomolybdate bị khử
thành dạng molybden blue có màu xanh. Cường độ màu đậm hay nhạt phụ thuộc vào hàm
lượng ion PO43-
có trong mẫu nước lúc ban đầu.
(NH4)3PO4.12MoO3 + Sn2+
+ 16H+ (NH4)3PO4.(4MoO2.2MoO3)2 + Sn
4+ + 8H2O
Phức màu này hấp thụ ánh sáng tối đa (max) ở bước sóng 690 nm.
Các chất gây nhiễu và giới hạn phân tích
SiO2 và AsO43-
gây nhiễu dương khi mẫu nước bị đun nóng. Các chất AsO43-
, F-,
thorium (Th), bismuth (Bi), sulfide, thiosulfate, thiocyanate gây nhiễu âm. Fe2+
gây
nhiễu khi hàm lượng lớn hơn 100 mg/L. Cl- gây nhiễu khi hàm lượng lớn hơn 75 mg/L
và có sử dụng HNO3 trong quá trình phân tích. Hàm lượng lượng thấp nhất có thể phát
hiện bằng phương pháp này là 3 g/L.
8.7.5 Xác định hàm lƣợng H2S trong nƣớc
72
Phƣơng pháp Methylence blue
Nguyên lý
Nguyên lý của phương pháp này dựa trên phản ứng của hydrogen sulfide (H2S) với FeCl3 và
N,N-dimethyl-p-phenylenediamine tạo nên methylene blue (màu xanh). Ammonium
phosphate được thêm vào sau khi hiện màu để khử màu của FeCl3. Methylene blue hấp thụ
ánh sáng tối đa (max) ở bước sóng 664 nm.
NH2
(CH2)2N
+ HCl + 6FeCl3 + H2S
S
N
N(CH3)2
(CH2)2N
Cl -+
(Methylene xanh)
(Dimethyl-p-phenylenediamine)
2
Các chất gây nhiễu
Sulfite (SO32-
) làm chậm phản ứng hiện màu nếu hàm lượng lớn hơn 10 mg/L ngay cả khi
hàm lượng H2S cao. Để khắc phục sự gây nhiễu của SO32-
, tăng lượng Fe3+
tham gia phản ứng
lên 2-6 lần.
8.7.6 Xác định hàm lƣợng Fe2+
Phƣơng pháp Thiocyanate
Nguyên lý
Phương pháp này dựa trên nguyên tắc: trong môi trường acid, Fe2+
bị oxy hóa thành Fe3+
bằng
một tác nhân oxy hóa thích hợp. Fe3+
mới được hình thành và Fe3+
có sẳn trong mẫu nước sẽ
kết hợp với ion SCN- hình thành một phức chất có màu đỏ máu, cường độ màu phụ thuộc hàm
lượng ion Fe3+
có trong mẫu nước.
10 Fe2+ + 10H+ + K2S2O8 = 10 Fe3+ + K2S2O3 + 3H2O
Fe3+ + 3SCN- = Fe(SCN)3
Phƣơng pháp chuẩn độ
Nguyên lý
Phương pháp này chỉ sử dụng trong trường hợp hàm lượng sắt tổng trong môi trường nước
cao. Fe2+
trong mẫu nước sẽ bị oxi hóa thành Fe3+
, Fe3+
sẽ được phát hiện bởi acid
sulfosalicylic (tạo thành phức màu đỏ). Ta dùng dung dịch này chuẩn độ EDTA (không màu)
cho đến khi dung dịch chuyển sang màu vàng. Phương trình phản ứng hóa học:
Fe2+ + 3HNO3 Fe(NO3)3 + 3/2H2
73
OH
CO2H
SO3H
Fe3+
SO3H
O
OHO
SO3H
O
OH
O
Fe
SO3H
O
OH
O
+
Phƣơng pháp O-phenanthroline
Nguyên lý
Sắt bị khử thành dạng Fe2+
bằng cách đun sôi với acid và hydroxylamine và được xử lý với
1,10 phenanthroline ở pH 3,2 – 3,2. Ba phân tử phenanthroline tạo hợp chất càng cua với mỗi
một nguyên tử Fe2+
thành dạng phức chất có màu đỏ-cam. Phức màu hấp thụ ánh sáng tối đa
(max) ở bước sóng 510nm.
NN
+
N
N
Fe
NN
N
N
Fe2+O-phenanthroline
3
Màu đỏ gạch
Các chất gây nhiễu và giới hạn
Các chất gây nhiễu trong phân tích gồm: chất oxy hóa, cyanide, nitrite, polyphosphate, Cr và
Zn (lớn hơn 10 lần của Fe), Co và Cu ( lớn hơn 5 mg/L), Ni (lớn hơn 2 mg/L. Bi, Cd, Hg, Mo,
và Ag gây kết tủa phenanthroline. Đun mẫu với acid để chuyển polyphosphate thành
orthophosphate và loại bỏ cyanide, nitrite. Xử lý hydroxylamine để loại bỏ các chất oxy hóa.
Trong trường hợp bị nhiễu do kim loại cao nên tăng thêm lượng phenanthroline khi phân tích.
74
Hàm lượng Fe nhỏ hơn 10g/L có thể xác định bằng máy quang phổ với độ dài truyền quang
5 cm hoặc lớn hơn.
Phƣơng pháp TPTZ
Nguyên lý
2,4,6-tripyridyl-s-triazin (TPTZ) phản ứng với Fe2+
tạo thành phức màu xanh tía (blue-
purple).
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
Fe
2 + Fe2+
8.7.7 Xác định hàm lƣợng SiO2
Phƣơng pháp Molybdosilicate
Trong môi trường pH từ 3 – 4, SiO2 và các dẫn suất của nó sẽ tồn tại dưới dạng H2SiO3
(Silicic acid), H2SiO3 sẽ kết hợp với (NH4)2MoO4 (Molybdate ammonium) hình thành phức
chất Molybdosilicate có màu vàng, cường độ đậm nhạt phụ thuộc vào hàm lượng H2SiO3 có
trong mẫu.
H2SiO3 + 12(NH4)2MoO4 + 24HCl
H8Si(Mo2O7)6 + 24NH4Cl + 9H2O
Phƣơng pháp Heteropoly blue
Nguyên lý
Trong môi trường pH thấp (~1) ammonium molybdate phản ứng với silic hòa tan (reactive
silica) trong nước tạo thành molybdosilicic acid (silicomolybdic acid) màu vàng.
SiO2 + H2O H2SiO3 (Silicic acid)
H2SiO3 + 3H2O H8SiO6 (silicic acid hydrate)
H8SiO6 + 12(NH4)2MoO4 + 18 H2SO4 H8[Si(Mo2O7)6] + 12 (NH4)2SO4 + 12 H2O
Molybdosilicic acid bị khữ bởi ascorbic acid hoặc aminonaphtholsulfonic acid thành
heteropoly blue (màu xanh). Heteropody blue hấp thụ ánh sáng tối đa (max) ở bước sóng 815
nm.
75
Phosphate cũng phản ứng với ammonium molybdate tạo thành phosphomolybdic acid (màu
vàng). Vì vậy, phosphate có trong mẫu nước sẽ gây nhiễu khi phân tích silic. Dùng oxalic acid
hoặc citric acid để phá hủy phosphomolybdic acid trước khi khử Molybdosilicic acid thành
heteropoly acid có thể khắc phục sự nhiễu do phosphate. Giới hạn phân tích là 50 g/L với
phương pháp so màu quang phổ.
Các chất gây nhiễu
Dụng cụ thủy tinh và hóa chất chứa silic có thể gây nhiễu, nên dùng hóa chất và dụng cụ có
hàm lượng silic thấp. Tanin, phosphate, sắt, màu, nước đục có thể gây nhiễu, oxalic acid có
thể loại trừ nhiễu do phosphate và tanin. Nếu cần thiết thì có thể hiệu chỉnh độ hấp thụ quang
đối với mẫu nước đục và có màu.
8.7.8 Xác định hàm lƣợng Phenol
Phƣơng pháp 4-Aminoantipyrine
Trong môi trường pH = 10, với sự hiện diện của Fe(CN)3 phenol phản ứng với 4-
aminoantipyrine hình thành phức màu vàng và được ly trích trong trong dịch CHCl3
(chloroform). So màu ở bước sóng = 500nm.
NN O
NH2
CH3
CH3
OH
NN OCH
3
CH3
N O
4-Aminoantipyrine Phenol
8.8 Một số thiết bị chính trong phân tích quang phổ
Cuvette thạch anh 1 cm Cuvette nhựa 1 cm Cuvet thuỷ tinh 1cm
76
Máy so màu đi hiện trường Máy so màu 1 chùm tia Máy so mày 2 chùm tia
TÀI LIỆU THAM KHẢO
APHA, AWWA, WEF. 2001. Standard moethods for the examination of water and
wastewater, 19th
edition.. American Public Health Association 1015 Fifteenth Street,
NW Washington, DC 20005.
Gauglitz, G., Vo-Dinh, T., 2003. Handbook of Spectroscopy. Wiley-VCH Verlag GmbH and
Co. KGaA, Weinheim. ISBN 3-527-29782-0. 1156 pp.
Harvey, D., 2000. Modern analytical chemistry. McGraw-Hill Higher Education. The
International Edition. 816 pp.
Laitenen, H.A., Ewing, G.W., 2003. A history of analytical chemistry. The Division of
Analytical Chemistry of the American Chemical Society: Washington, D.C. pp. 103–
243.
Lykos, P., 1992. The Beer–Lambert Law Revisited: A development without calculus. J. Chem.
Educ. 69, 730-732.
