CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Khái quát về nguyên tố Arsen

1.1.1 Tính chất vật lý của Arsen

Arsen hay còn gọi là thạch tín là một nguyên tố hóa học có ký hiệu là As, khối

lượng nguyên tử 74,92 đvC. Arsen nguyên tố được tìm thấy ở nhiều dạng thù

hình: dạng màu vàng mềm, d¢o như sáp và không ổn định, dạng màu đen, xám

có cấu trúc kết tinh thành lớp với các liên kết trải rộng khvp tinh thể, chúng

là chất bán dẫn cứng với ánh kim. Arsen (và một số hợp chất của nó) thăng

hoa khi bị nung nóng ở áp suất tiêu chuẩn, trạng thái lỏng chỉ xuất hiện ở áp suất

20 atm trở lên, do đó điểm nóng chảy của Arsen cao hơn điểm sôi. Một số thông

số vật lý của Arsen: nhiệt dung riêng: 328,88 J.(kg.K)-1 , bán kính nguyên tử:

119 pm, nhiệt thăng hoa: 6150C, t¤ trọng (dạng màu vàng): 1.97 g/cm3.

1.1.2 Tính chất hóa học của Arsen và các hợp chất của Arsen

Arsen là nguyên tố bán kim loại, có tính chất hoá học gần với tính chất của á kim,

cấu hình lớp vỏ điện tử hoá trị của arsen là 4s24p3. Trong cấu hình điện tử của

arsen có sự tham gia của các obital d vì vậy có khả năng mở rộng vỏ hoá trị, trong

các hợp chất arsen có 3 giá trị số oxi hoá: -3, +3, +5. Số oxi hoá -3 rất đặc trưng

cho arsen.

Khi đun nóng trong không khí arsen cháy tạo thành oxit, ngọn lửa màu xanh là của

As2O3. Về tính chất điện thế, arsen đứng giữa hidro và đồng nên nó không tác dụng

với các axit không có tính oxi hoá, nhưng dễ dàng phản ứng với các axit HNO3,

H2SO4 đặc…

3 As + 5 HNO3 + 2 H2O → 3 H3AsO4 + 5 NO

Khi phản ứng với các halogen, các halogenua arsen được tạo ra, hợp chất này trong

môi trường nước dễ bị thuỷ phân tạo axit tương ứng

2As + 5 Cl2 +8 H2O → 2 H3AsO4 + 10HCl

Các hợp chất của As3+ rất phổ biến như As2S3, H3AsO3, AsCl3, As2O3… chúng

đều tan tốt trong axit HNO3 đặc nóng, NaOH, NH4OH, (NH4)2S và (NH4)2CO3 .

As2S3 + 8 HNO3 + 4 H2O → 2 H3AsO4 +3 H2SO4 + 8 NO

hay As2S3 + (NH4)2S → (NH4)3AsS3

Khi cho khí H2S qua dung dịch AsCl3 có kết tủa màu vàng tươi, đó là As2S3.

Arsen không tạo pentaclorua mà chỉ có triclorua arsen, đây là một hợp chất quan

trọng của arsen, AsCl3 dễ bay hơi, dễ bị thuỷ phân trong môi trường nước.

AsCl3 + 3 H2O → 2 H3AsO3 + 3HCl

Khi khử H3AsO3 ta thu được khí asin:

H3AsO3 + 3 Zn + 6 HCl → 3 ZnCl2 + AsH3 + 3 H2O

H3AsO3 thể hiện tính chất như một axit khi tác dụng với muối tạo thành muối mới

và axit mới.

H3AsO3 + CuSO4 → CuHAsO3 + H2SO4

CuHAsO3 có kết tủa màu vàng lục trong môi trường kiềm nó tan trong dung dịch

màu xanh.

CuHAsO3 + NaOH → CuNaAsO3 + H2O

Một số hợp chất quan trọng của As5+ như As2S5, H3AsO4, Ag3AsO4,… Trong đó

As2S5 không tan trong nước và axit HCl, chỉ tan trong NaOH, HNO3, NH4OH, vì

vậy dựa vào tính chất này có thể xác định arsen bằng phương pháp phổ khối

lượng.

As2S5+ (NH4)2S → (NH4)3AsS4

Khi cho axit arsenic tác dụng với molipdat amoni trong môi trường axit HNO3

cho kết tủa màu vàng, muối này được dùng để định tính và định lượng arsen.

H3AsO4 +12(NH4)2MoO4+21HNO3 →

(NH4)3H4[As(Mo2O7)6]+21NH4NO3+10H2O

Trong hợp chất này As5+ có vai trò như P5+, nó làm ion trung tâm điển hình tạo phức

dị đa axit, và phức này cũng có thể khử về phức dị đa màu xanh.

Trong hợp chất AsH3, arsen thể hiện tính oxy hoá -3, liên kết trong asin là liên kết

cộng hoá trị, đây cũng là đặc điểm do cấu hình điện tử của arsen. AsH3 thể hiện tính

khử mạnh ví dụ như khi tác dụng với H2SO4 loãng:

2AsH3 + 6H2SO4 → 6SO2 + As2O3 + 9H2O

hay khi tác dụng với I2:

AsH3 + 4I2 + 4H2O → H3AsO4 +8HI

1.1.3 Các dạng tồn tại và chuyển hóa của Arsen trong môi trường

Arsen xuất hiện ở các dạng hữu cơ và vô cơ trong nguồn nước thiên nhiên.

Các hợp chất hữu cơ chứa Arsen thường gặp là monomethylarsonic acid và

kimethylarsinic acid (thường là do sự chuyển hóa của vi sinh vật, nấm, vi

khu„n…). Dạng hữu cơ của Arsen được phát hiện ở nước bề mặt nhiều hơn là

nước ngầm, và thường ở nồng độ thấp dưới giới hạn cho phép. Do đó, dạng

hữu cơ có vai trò không đáng kể khi so sánh với dạng vô cơ trong nước uống.

Arsen tồn tại dưới dạng các hợp chất vô cơ trong nước chủ yếu là do sự hòa tan

các chất rvn (như As2O3, As2O5, As2S2…). Dạng hóa học của Arsen ở trong

nước rất phức tạp, bao gồm các hợp chất oxi hóa khử, trao đổi ligand, kết tủa…

Trong tự nhiên, Arsen hiếm khi tồn tại ở dưới dạng nguyên tố tự do, trạng thái

oxi hóa bền là: -3, 0, +3, +5, trong đó 2 dạng thường gặp nhất là Arsen hóa trị 3

và 5. Các dạng thường gặp của arsenate hóa trị 5 là AsO43-, HAsO42-, H2AsO43-,

và H3AsO4. Các dạng của arsenite hóa trị 3 là AsO33-, HAsO32-, H2AsO33-, và

H3AsO3.

Arsen là nguyên tố dễ oxi hóa khử, dạng tồn tại, trạng thái, sự phân bố phụ

thuộc rất nhiều yếu tố như: điều kiện pH, phản ứng oxi hóa khử, ảnh hưởng của

các ion, hoạt động của vi khu„n… Trong những yếu tố đó, thế oxi hóa khử và

pH là những nhân tố quan trọng nhất trong việc quyết định dạng tồn tại của

arsen.

Chu trình Arsen trong tự nhiên: Arsen và các hợp chất của nó di động trong

môi trường. Sự ăn mòn núi, đá đã chuyển arsenic sulfide thành arsenic trioxide,

có thể đi vào môi trường thông qua nước mưa, sông, nước ngầm. Dạng hóa

hơi của Arsen đi vào khí quyển từ đất và nước, sau đó quay trở lại bởi nước

mưa. Dạng oxi hóa của As được khử trở lại dạng sulfides trong điều kiện yếm

khí. Nước là con đường chủ yếu vận chuyển As trong môi trường. Nồng độ cao

của As xuất hiện ở những khu vực nước ngầm tiếp xúc với các loại quặng,

khoáng sản, nồng độ thấp ở nhũng vùng nước như sông, hồ….

Hình 1: Giản đồ Eh-pH của arsen ở 250C, 1 atm, trong đó tổng hàm lượng arsen là 10-5 mol/L và tổng lượng sulfur là 10-3 mol/L.

Hình 2 : Vòng tuần hoàn của Arsen trong môi trường.

1.1.4 Ứng dụng của Arsen

Arsen được biết đến và sử dụng rộng rãi tại Iraq và một vài nơi khác từ thời cổ

đại. Trong thời kì đồ đồng, Arsen thường được đưa vào đồng thiếc để làm cho

hợp kim trở nên cứng hơn (gọi là "đồng thiếc Arsen").

Albertus Magnus (1193-1280) là người đầu tiên tách được Arsen nguyên tố vào

năm 1250. Năm 1649, Johann Schroder công bố hai cách điều chế Arsen.

Chì Arsenat đã từng được sử dụng nhiều trong thế kỉ 20 làm thuốc trừ sâu cho

các loại cây ăn quả.

Lục Scheele hay Arsenit đồng, được sử dụng trong thế kỉ 19 như là tác nhân tạo

màu trong các loại sơn.

Ứng dụng có nhiều e ngại nhất đối với cộng đồng trong xử lí chống mối

mọt và bào mòn cho gỗ bằng Arsenat đồng cromat, còn gọi là CCA hay

tanalith. Gỗ xẻ xử lí bằng CCA vẫn còn phổ biến ở nhiều quốc gia, nó

được sử dụng nhiều trong nửa cuối thế kỉ 20, mặc dù gỗ xẻ xử lí bằng CCA

đã bị cấm ở nhiều khu vực. Việc hấp thụ trực tiếp hay gián tiếp do việc đốt

cháy gỗ xử lí bằng CCA có thể gây tử vong ở động vật cũng như gây ngộ độc

nghiêm trọng ở người, liều gây tử vong ở người là khoảng 20mg tro.

Trong các thế kỉ 18,19 và 20 một lượng lớn các hợp chất của Arsen đã được

sử dụng làm thuốc chữa bệnh. Arsphenamin và neosalvarsan là những hợp chất

của Arsen hữu cơ được chỉ định trong điều trị giang mai, nhưng đã bị loại bỏ

bởi các loại thuốc kháng sinh hiện đại.

Arsen(III) oxit đã được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau trong suốt 200

năm qua, nhưng phần lớn là đỉều trị ung thư. Cục thực phẩm và dược phẩm

Hoa kì (FDA) vào năm 2000 đã cho phép dùng hợp chất này trong điều trị các

bệnh nhân bị bạch cầu cấp tính.

Đồng axeto arsenit(Cu(C2H3O2)2.3Cu(AsO2)2) được sử dụng làm thuốc nhuộm

màu xanh lục dưới nhiều tên gọi khác nhau, như "lục pais" hay "lục ngọc

bảo". Nó gây ra nhiều ngộ độc Arsen.

Gali arsenua là một vật liệu bán dẫn quan trọng, sử dụng trong công nghệ chế

tạo mạch tích hợp (IC), các mạch này có nhiều ưu điểm hơn so với các mạch

dùng silic.

Arsenat hiđro chì đã từng được sử dụng nhiều trong thế kỷ 20, làm thuốc trừ sâu

cho các loại cây ăn quả. Việc sử dụng nó đôi khi tạo ra các tổn thương não đối

với những người phun thuốc này.

1.1.5 Độc tính và cơ chế gây độc của Arsen

Hầu hết các dạng hợp chất asin đều độc. Về đặc điểm sinh học, arsen có vai trò

quan trọng đối với sinh vật, ở hàm lượng nhỏ arsen có khả năng kích thích sự

phát triển của sinh vật. Nhưng ở nồng độ cao, arsen gây độc cho người, động,

thực vật. Nếu bị nhiễm độc cấp tính, arsen có thể gây tử vong trong vòng vài giờ

đến một ngày. Trong môi trường tiếp xúc thường xuyên với arsen ở nồng độ vượt

quá độ an toàn nhưng chưa có thể gây độc cấp tính, arsen gây nhiễm độc mãn tính

và thường biểu hiện ở các triệu trứng lâm sàng như: mệt mỏi, chán ăn, giảm

trọng lượng cơ thể, xuất hiện các bệnh về dạ dày, ngoài da (hội chứng đen da,

ung thư da), gan bàn chân, rối loạn chức năng gan.

Qua các thử nghiệm với động vật, các nhà khoa học đã tìm ra giới hạn gây tử

vong với một số loài khác nhau là từ 11-150 mg/kg trọng lượng cơ thể. Đối với

người liều gây tử vong là từ 70-180mg/kg trọng lượng cơ thể. Kết quả này đã

được rút ra qua những trường hợp bị ngộ độc As và đã tử vong trong các bệnh

viện.

Arsen đi vào cơ thể bằng tất cả các con đường có thể như: hít thở, ăn uống và

thẩm thấu qua da. Trong đó, uống nước nhiễm arsen là con đường chính để arsen

xâm nhập vào trong cơ thể. Khi vào trong cơ thể, đặc biệt là các As (III) tấn công

ngay lập tức vào các enzym có chứa nhóm -SH và cản trở hoạt động của chúng.

Arsenat cũng giống như photphat, dễ tủa với các kim loại và ít độc hơn so với

arsenit, vào cơ thể arsenat sẽ thế chỗ của photphat trong chuỗi phản ứng tạo

adenozintriphotphat (ATP) do đó ATP sẽ không được hình thành.

Khi có mặt của arsenat, tác dụng sinh hoá chính mà chính nó tạo ra đông tụ

protein, tạo ra phức với coenzym và phá huỷ quá trình hoạt động photphat hoá để

tạo ra ATP

1.1.6 Tình hình ô nhiễm Arsen

Những nguyên nhân chủ yếu làm cho nước bị nhiễm Arsen:

Nước chảy qua các v a quặng chứa Arsen đã bị phong hóa.

Sự suy thoái nguồn nước ngầm làm cho các tầng khoáng chứa Arsen bị phong

hóa, Arsen từ dạng khó tan chuyển sang dạng có thể tan được trong nước.

Sự khử các oxihydroxid của svt và mangan bởi vi khuẩn yếm khí. Arsen đã hấp

thụ trên các hạt mịn của oxihydroxit svt hoặc mangan bị vi khuẩn yếm khí khử

thành dạng tan được.

Các ngành công nghiệp sử dụng Arsen như luyện đồng và hợp kim chì, sơn,

pháo hoa, sản xuất thủy tinh, chất bán dẫn… Arsen thường được sử dụng rộng

rãi trong sản xuất thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, bảo quản … Những chất này

làm tăng hàm lượng Arsen trong nước.

Nhiễm bẩn Arsen trong nước ngầm đã dẫn tới đại dịch ngộ độc Arsen tại

Bangladesh và các nước láng giềng. Người ta ước tính khoảng 57 triệu

người đang sử dụng nước uống là nước ngầm có hàm lượng Arsen cao hơn tiêu

chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới là 10 ppm. Tây tạng, Trung Quốc và nhiều

quốc gia ở Đông Nam Á như Việt Nam, Campuchia… được coi là có các

điều kiện địa chất thích hợp cho quá trình tạo nước

ngầm giàu Arsen.

Hình 3: Bản đồ nhiễm bẩn arsen trên thế giới

Tại Việt Nam, do cấu tạo địa chất, nhiều vùng ở nước ta có nước ngầm bị

nhiễm Arsen. Khoảng 13,5% dân số Việt Nam đang sử dụng nước uống từ

nước giếng khoan, rất dễ bị nhiễm Arsen.

Theo thống kê chưa đầy đủ, cả nước hiện có khoảng hơn 1 triệu giếng khoan,

trong đó nhiều giếng có nồng độ Arsen cao hơn từ 20-50 lần nồng độ cho phép,

ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ, tính mạng của cộng đồng.

Tại châu thổ sông Hồng, những vùng bị nhiễm nghiêm trọng nhất là phía Nam

Hà Nội, Hà Nam, Hà Tây, Hưng Yên, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình và

Hải Dương. Đồng bằng sông Cửu Long, cũng phát hiện nhiều giếng khoan

có nồng độ Arsen cao nằm ở Đồng Tháp và An Giang.

Vì vậy, việc nghiên cứu về các phương pháp xử lí Arsen đang là vấn đề cấp

bách hiện nay.

Hình 4: Biểu đồ nhiễm bẩn Arsen tại các tỉnh Việt Nam.

1.2 Các phương pháp phân tích Arsen

1.2.1 Phương pháp đo hiện trường với chất nhuộm Thủy Ngân

Brommua

+Nguyên tắc: Arsen(III) và Arsen(V) được chuyển thành khí AsH3 nhờ hỗn

hợp khử mạnh : NH2SO3H- axit sunfamic và NaBH4 - (Natri bohiđrua). Khí

Arsin tạo thành sẽ tạo phức với thủy ngân bromua được tẩm trên giấy và

chuyển thành màu vàng. Việc định lượng dựa vào màu trên giấy thử hoặc độ

đậm nhạt của màu.

+ Giới hạn phát hiện: 10ppb.Tuy nhiên, độ hấp thụ quang có thể bị ảnh

hưởng bởi khí H2S, Cần dùng bông lọc chứa chì axetat để hấp thụ khí này.

+ Ứng dụng: Đo hiện trường với số lượng mẫu lớn, chủ yếu cho mục đích

sàng lọc trên diện rộng.

1.2.2 Phương pháp phát xạ nguyên tử cảm ứng cộng hưởng plasma

(ICP-AES)

+ Nguyên tắc: Dung dịch mẫu được phun ở dạng sol tới vùng plasma argon

có nhiệt độ từ 60000K đến 80000K, tại đó , Arsen được nguyên tử hóa và phát xạ

bước sóng đặc trưng. Nồng độ Arsen trong mẫu được xác định dựa trên cường

độ của các vạch phát xạ.

+ Giới hạn phát hiện: 35 -50 ppb.

+ Ứng dụng: Phương pháp này có thể xác định nhiều nguyên tố cùng

một lúc và được áp dụng đối với tất cả các loại nền màu khác nhau, tuy nhiên,

các mẫu rắn và mẫu lỏng chứa nhiều kết tủa phải xử lý trước khi phân tích.

1.2.3 Phương pháp quang phổ hấp thu nguyên tử kết hợp kỹ thuật

Hydride (HVG-AAS)

Quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) là một kỹ thuật phân tích lượng

vết các nguyên tố phổ biến, được sử dụng nhiều trong các phòng thí nghiệm

với độ chọn lọc độ lặp lại cao, có thể phân tích hàng loạt mẫu trong thời gian

ngắn, giá thành thiết bị không quá đắt. Phương pháp này được áp dụng rộng

rãi trong phân tích định lượng Arsen kết hợp với thiết bị tạo khí Hiđrua.

+ Nguyên tắc: Arsen vô cơ hòa tan trong nước có thể ở dạng As(III) hay

As(V), hiệu suất tạo khí Hiđrua của hai dạng này khác nhau nên tất cả các

Arsen trong mẫu phải được khử về As(III) nhờ tác nhân khử của KI hoặc NaI.

Sau đó As(III) phản ứng với hiđro mới sinh (tạo thành khi tác nhân khử Zn

hoặc NaBH4 gặp môi trường axit) tạo ra hợp chất Arsin - AsH3. Khí Arsin sẽ

được dẫn vào bộ phận nguyên tử hóa mẫu nhờ khí Argon tạo ra các đám hơi

nguyên tử tự do. Các nguyên tử này sẽ hấp thụ các tia sáng có bước sóng đặc

trưng và cho kết quả độ hấp thụ.

+ Giới hạn phát hiện: Phương pháp này có thể xác định hàm lượng Arsen

trong mẫu cỡ 0,5ppb.

1.2.4 Phương pháp dùng vi khuẩn phát sáng

Nhóm nghiên cứu thuộc Viện khoa học và Công nghệ môi trường Thụy Sĩ đã lợi

đụng khả năng nhạy cảm với Arsen của vi khuẩn Escherichia coli để biến đổi

gen sao cho chúng phát sáng khi dò thấy Arsen trong nước.

E. Coli hiện đang được thử nghiệm tại Việt Nam, có ưu điểm vượt trội so với

các phương pháp khác là chi phí thấp mà không giải phóng các hóa chất độc

hại vào môi trường.

1.2.5 Phương pháp phân tích thể tích

Dùng dung dịch chuẩn I2 + KI chuẩn dung dịch Arsenic (AsO33-) trong môi

trường kiềm có thêm vài giọt hồ tinh bột. Tại điểm cuối của phép chuẩn độ

dung dịch có mau xanh hồ tinh bột + iôt. Để đảm bảo độ chính xác của phép

chuẩn độ cần đưa mọi dạng tồn tai của Arsen về As(III).

I2 + AsO33- + 2OH- → AsO43- + 2I- + H2O

1.2.6 Phương pháp cực phổ Von-Ampe hòa tan

Cơ sở của phương pháp Von- Ampe hòa tan là xây dựng đường cong phụ thuộc

giữa cường độ dòng điện và hiệu điện thế giữa hai điện cực được đặt trong bình

điện phân chứa chất cần nghiên cứu. Phương pháp Von- Ampe hòa tan gồm có

các giai đoạn chính như sau:

Khi điện phân làm giàu cần chọn thế thích hợp và giữ không đổi trong suốt quá

trình điện phân. Thông thường người ta chọn thế ứng với dòng khuyếch tán

giới hạn của chất cần phân tích và tại thế đó chỉ có một số tối thiểu các chất

bị oxi hóa hoặc khử trên điện cực.

Các loại phản ứng có thể dùng để kết tủa lên bề mặt điện cực có thể là:

Khử ion kim loại trên điện cực thủy ngân

Men+ + ne + Hg → Me(Hg) ↓

Khử ion kim loại trên điện cực rắn trơ:

Men+ + ne → Me ↓

Phản ứng làm giàu chất điện cực dưới dạng hợp chất khó tan hoặc với ion kim

loại dùng làm điện cực hoặc với một ion nào đó trong dung dịch.

Hấp thụ điện hóa các chất lên bề mặt điện cực làm việc bằng cách

thêm vào dung dịch một thuốc thử có khả năng bị hấp phụ lên bề mặt điện

cực, sau khi bị hấp phụ nó sẽ tạo phức với ion cần xác định để tập trung ion

đó lên bề mặt điện cực.

Phương pháp Von- Ampe hòa tan được phân chia thành dạng VonAmpe hòa

tan anot và Von- Ampe hòa tan catot.

Nếu điện phân là quá trình khử catot ở thế không đổi ETL thì khi hòa tan cho

quét thế với tốc độ không đổi, đủ lớn từ giá trị ETL về phía dương hơn. Quá

trình hòa tan là quá trình anot và phương pháp gọi là "Von- Ampe hòa tan

anot" hay viết tắt là ASV (Anodic Stripping Vontammestry).

Nếu điện phân là quá trình oxi hóa anot ở thế không đổi ETL thì khi hòa

tan cho quét thế với tốc độ không đổi, đủ lớn từ giá trị ETL về phía thế âm

hơn. Quá trình hòa tan là quá trình catot và phương pháp gọi là "Von- Ampe

hòa tan catot" hay viết tắt là CSV (Catotdic Stripping Vontammestry).

1.2.7 Phương pháp trắc quang

Nguyên tắc : Để quan sát được phổ hấp thụ trong vùng UV - VIS ta phải

có chất nghiên cứu ở dạng có màu. Các chất xác định cần chuyển vào dung

dịch dưới dạng hợp chất màu với một thuốc thử thích hợp có độ nhạy lớn

trong vùng phổ UV - VIS trong các điều kiện tối ưu ( pH, nhiệt độ, thời gian,

tỉ lệ thuốc thử...).

Chụp phổ hấp thụ electron của hợp chất màu ở dải sóng 200 - 1000 nm. Tại

điểm độ hấp thụ quang đạt giá trị cực đại ta tìm được bước sóng mà chất màu

hấp thụ ánh sáng cực đại.

Khả năng hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu được xác định bởi biểu thức

định lượng của định luật Buger - Lambe - Beer:

A = ε.l.C

Trong đó:

A: Mật độ quang - Khả năng hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu.

ε : Hệ số hấp thụ phân tử mol.

l: Bề dày cuvet có đơn vị cm.

C: Nồng độ của dung dịch màu.

Trong thực hành phân tích trắc quang, người ta thường xây dựng đường cong

biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ chất màu trong dung

dịch:

A = f(C).

Thực nghiệm cho thấy, mật độ quang chỉ phụ thuộc tuyến tính theo

nồng độ ở một giới hạn C0 nhất định. Do đó, ta thường xác định nồng độ chất

nghiên cứu trong mẫu ở khoảng nồng độ tuyến tính OA (hình 1.1), nếu nồng

độ lớn hơn C0thì ta phải pha loãng mẫu, kết quả nhân với hệ số pha loãng.

Phương pháp đường chuẩn trong phân tích trắc quang:

Trong thực tế người ta chỉ sử dụng vùng tuyến tính (Đoạn OA hay còn gọi là

đường chuẩn), khoảng tuyến tính này rộng hay hẹp tùy thuộc vào độ nhạy của

hợp chất màu. Các chất càng nhạy trong vùng phổ UV - VIS thì vùng tuyến

tính càng hẹp và lùi về phía nồng độ thấp, thuận lợi cho việc định lượng vết

chất.

Các bước xây dụng đường chuẩn:

Phương pháp này dựa trên cơ sở xây dựng đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc

tuyến tính của mật độ quang vào nồng độ, sau đó đo mẫu trong cùng điều

kiện, từ đó xác định được hàm lượng chất cần phân tích dựa vào đường chuẩn.

Phương pháp này bao gồm các bước như sau:

Bước 1: Chụp phổ hấp thụ phân tử của thuốc thử và hợp chất màu.

Bước 2: Khảo sát, chọn các điều kiệ tối ưu cho sự tạo hợp chất màu như: thời

gian, độ pH, tỉ lệ thuốc thử...

Bước 3: Chuẩn bị một dãy dung dịch chuẩn chứa chất cần phân tích với hàm

lương tăng dần, cho vào mỗi dung dịch một lượng thuốc thử như nhau, các điều

kiện để tạo phức như: pH, thời gian, nhiệt độ và các điều kiện khác như nhau.

Sau đó, xác định mật độ quang của hợp chất màu trong khoảng nồng độ

tuyến tính.

Bước 4: Từ giá trị mật độ quang và nồng độ, ta thiết lập được đường

chuẩn trong hệ tọa độ xy, xác định được hàm lượng chất cần nghiên cứu trong

mẫu thực(Cx) bằng đường chuẩn khi biết giá trị mật độ quang của mẫu(Ax).

Phương pháp trắc quang với phép phân tích Arsen

Trong phép phân tích Arsen bằng phương pháp trắc quang, nhiều công

trình nghiên cứu đã sử dụng nhiều loại thuốc thử, trong phạm vi của luận văn

này chúng tôi sử dụng thuốc thử là Bạc đietylđithiocacbamat để tạo phức

với

khí Arsin - AsH3, đây là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để phân tích

Arsen bằng phương pháp trắc quang. Qui trình của phương pháp có thể tóm tắt

như sau:

Nguyên tắc: Toàn bộ lượng Arsen trong mẫu được khử về As(III) bằng

KI. Sau đó Arsen được khử tiếp thành khí Arsin - AsH3 bằng hiđro mới sinh

trong môi trường axit. Arsin tác dụng với dung dịch Bạc

đietylđithiocacbamat trong pyridine hoặc clorofom tạo phức màu đỏ tím. Sau

đó, đo độ hấp thụ quang của phức màu được tạo thành ở bước sóng 520nm (nếu

thuốc thử pha trong clorofom) hoặc 535nm (nếu thuốc thử pha trong pyridine).

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1Thiết bị, dụng cụ và hóa chất

2.1.1 Thiết bị và dụng cụ

- Máy đo quang:

- Cân phân tích chính xác 0,0001g

- Tủ sấy, lò nung, tủ hút,

- Bình định mức: 500ml, 250ml, 100ml, 50ml, 25ml.

- Cốc thủy tinh: 500ml, 250ml, 100ml, 50ml.

- Pipet các loại: 1ml, 2ml, 5ml, 10ml, 20ml.

- Đũa thủy tinh, giấy lọc, bình tia.

- Phễu lọc, giấy siêu lọc, các bình PVE, chai thủy tinh tối màu...

- Dụng cụ thí nghiệm bằng teflon, thạch anh...

- Hệ tạo phức của Arsen với thuốc thử Bạc đietylđithiocacbamat.

- Bình đựng mẫu...

Tất cả các dụng cụ dùng để phân tích đều được ngâm bằng HNO3 10%

trong 24 giờ, sau đó được rửa sạch và tráng bằng nước cất hai lần.

2.1.2 Hóa chất

- Axit HNO3.

- Axit H2SO4

- Axit HCl.

- Zn hạt hoặc Zn bột sạch.

- Dung dịch chuẩn Arsen 1000 ppm.

- Thuốc thử Bạc đietylđithiocacbamat.

- Pyridine

- Clorofom

- (CH3COO)2Pb.2H2O

2.1.3 Chuẩn bị hóa chất và dung dịch chuẩn

2.2Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp xác định arsen

Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hydrua là một trong

những phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để phân tích arsen, do giá

thành thiết bị cao, cùng với quy trình vận hành phức tạp, nên chỉ có ít

phòng thí nghiệm ở Việt Nam sử dụng phương pháp này để xác định arsen. Vì

vậy, trong nghiên cứu này, chúng tôi xác định hàm lượng arsen trong các mẫu

hải sản bằng phương pháp trắc quang.

Nguyên tắc của phương pháp được tóm tắt như sau: Các dạng arsen vô cơ hòa

tan trong dung dịch, có thể ở dạng As (III) hoặc As (V) được khử về dạng

As(III) bằng dung dịch KI vì hiệu suất tạo hydrua của As(V) thấp hơn nhiều

so với As(III). Dạng arsen này sẽ phản ứng với hidro mới sinh tạo thành khí

(AsH3) bởi NaBH4 hoặc kẽm hạt trong môi trường axit (pH=1). Khí Arsin giải

phóng được hấp thụ trong dung dịch bạc đietylđithiocarbamat, tạo thành hợp

chất màu đỏ tím có cực đại hấp thụ tại bước sóng 520 nm.

AsO43-+ 2I- + 2H+ → AsO33- + I2+ H2O

3Zn + As3+ + 3H+ → 3Zn2+ + AsH3

AsH3+6AgSCSN(C2H5)2 → 6Ag +3(C2H5)2SCSNH + [(C2H5)2SCSN]As.

2.2.2 Gì đó

2.3Đối tượng nghiên cứu

Arsen là nguyên tố độc hại, có thể gây chết người nếu nhiễm độc cấp tính, và

nếu nhiễm độc mãn tính có thể dẫn đến nhiều loại bệnh nguy hiểm. Bệnh

nhiễm độc mãn tính là một tai họa môi trường đối với sức khỏe con người. Vì

vậy, phân tích đánh giá hàm lượng As trong các nguồn nước là việc làm cấp

bách và là vấn đề quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học. Do đó, đối tượng

nghiên cứu của đồ án này là sự phân bố As trong một số nguồn nước ngoài

môi trường.

2.4Nội dung nghiên cứu

Chúng tôi tiến hành nghiên cứu xác định hàm lượng arsen trong các mẫu nước

với nội dung như sau

2.4.1 Nghiên cứu các điều kiện tối ưu để xác định arsen bằng phương pháp

đo quang:

- Khảo sát sự hình thành hợp chất phức màu của Arsin với thuốc thử

- Khảo sát cực đại hấp thụ của hợp chất màu.

- Khảo sát thời gian phản ứng.

- Khảo sát ảnh hưởng của thể tích mẫu, thể tích thuốc thử.

- Xây dựng đường chuẩn để xác định Arsen.

2.4.2 Xây dựng quy trình phân tích cho các đối tượng mẫu nghiên cứu.

- Nghiên cứu, khảo sát và lựa chọn phương pháp xử lý mẫu thích hợp để định

lượng Arsen.

- Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ axit đến qui trình

xử lý mẫu.

- Xác định qui trình phân tích Arsen tổng số, qui trình phân tích dạng Arsen

hữu cơ và vô cơ trong các mẫu hải sản.

- Phân tích định lượng Arsen tổng số, xác định hàm lượng các dạng Arsen

hữu cơ và vô cơ trong các mẫu hải sản theo qui trình đã xây dựng và xác

định được.

- Xử lý và đánh giá kết quả thực nghiệm.

- Kết luận về tính độc của các hải sản đã phân tích.

2.5Lấy mẫu và bảo quản mẫu

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1Khảo sát các điều kiện tối ưu cho quá trình tạo hợp chất phức màu

Để nghiên cứu sự tạo thành hợp chất màu của bạc Đietylđithiocacbamat với khí

Arsin- AsH3 bằng phương pháp trắc quang, trước hết phải biết được phổ hấp

thụ của thuốc thử và của phức. Vì vậy, công việc đầu tiên là khảo sát phổ của

chúng.

3.1.1 Khảo sát phổ hấp thụ của thuốc thử

Dùng pipet lấy chính xác 50ml dung dịch HCl đậm đặc vào bình phản ứng,

thêm 2g Zn, đồng thời lắp bình hấp thụ của hệ tạo phức đã có sẵn 5ml dung

dịch bạc Đietylđithiocacbamat vào bình phản ứng và đợi 30 phút. Sau đó đem

đo mật độ quang của dung dịch thuốc thử với cuvet 1cm ở dải sóng 300nm-

800nm. Dung dịch so sánh là Clorofom.

3.1.2 Khảo sát phổ hấp thụ của hợp chất màu

Lấy 50 ml dung dịch Arsen(III) 50 µg/l vào bình phản ứng của hệ

tạohợp chất màu, thêm 1ml dung dịch KI 10%, 5ml HCl đậm đặc , và 2g Zn,

đồng thời lắp bình hấp thụ của hệ tạo phức đã có sẵn 5ml dung dịch Bạc

Đietylđithiocacbamat vào bình phản ứng, lắc nhẹ trong thời gian 30 phút. Dạng

arsen này phản ứng với hidro mới sinh tạo thành khí

(AsH3) trong môi trường axit (pH=1). Khí Arsin giải phóng được hấp thụ trong

dung dịch bạc đietylđithiocarbamat tạo hợp chất màu, sau đó, lấy phần hợp

chất màu vừa tạo được đem đo phổ ở dải sóng 300nm - 800nm, với dung dịch

so sánh là Clorofom, ta thu được phổ hấp thụ của hợp chất màu nghiên cứu ở

hình 3.1.

Dựa vào phổ hấp thụ của thuốc thử và phổ hấp thụ của phức màu của Arsen cho

thấy hợp chất màu có đỉnh hấp thụ đạt cực đại tại bước sóng λ max=

520nm. Cũng tại bước sóng này thuốc thử Bạc đietylđithiocacbamat và dung

dịch clorofomkhông có đỉnh hấp thụ, vì vậy, để đảm bảo độ chính xác và độ

nhạy của phép phân tích, chúng tôi chọn bước sóng λ = 520nm, khi khảo sát mật

độ quang trong các phép đo về sau.

Dung dịch so sánh được sử dụng trong các phép đo là Clorofom vì tuy thuốc

thử Bạc đietylđithiocacbamat có màu, song vì thuốc thử Bạc

đietylđithiocacbamat và dung dịch clorofom đều không có đỉnh hấp thụ tại

bước sóng 520nm. Vì thế, trong các phép đo về sau chúng tôi sử dụng dung

dịch so sánh là clorofom.

3.1.3 Khảo sát thời gian tối ưu cho việc tạo hợp chất màu

Để xét đến khoảng thời gian nào thì phức có độ quang ổn định, chúng tôi

tiến hành khảo sát ảnh hưởng của thời gian tới sự tạo hợp chất màu như sau:

Lấy 50 ml dung dịch Arsen(III) 50 µg/l vào bình phản ứng của hệ tạo

Arsin, thêm 1ml dung dịch KI 10%, 5ml HCl đậm đặc , và 2g Zn,

đồng thời lắp bình hấp thụ đã có sẵn 5ml dung dịch bạc Đietylđithiocacbamat

vào bình phản ứng. Lắc nhẹ bình phản ứng với thời gian thay đổi như

trong bảng 3.1 tạo ra hơi Arsin, hơi Arsin giải phóng ra được dẫn vào bình hấp

thụ của hệ tạo phức và phản ứng với 5ml dung dịch thuốc thử Bạc

đietylđithiocacbmat trong bình hấp thụ tạo hợp chất màu, tiếp theo, đo mật độ

quang của hợp chất màu thu được ở các thời gian trên tại bước sóng 520nm

với dung dịch so sánh là clorofom, kết quả thu được trong bảng 3.1 và được

biểu diễn trên hình 3.2.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

sự phụ thuộc mật độ quang vào thời gian

Thời gian (phút)

Abs

Dựa vào kết quả thu được trên bảng 3.1 và đồ thị hình 3.2 cho thấy mật độ

quang tăng dần trong 20 phút đầu tiên, sau 30 phút mật độ quang ổn định và

hầu như không thay đổi. Như vậy, hợp chất màu ổn định sau 30 phút và bền

trong thời gian dài, do đó chúng tôi chọn thời gian tối ưu để khảo sát mật độ

quang sau khi tạo phức là 30 phút.

3.1.4 Ảnh hưởng của pH đến quá trình khử arsen

3.1.5 Ảnh hưởng của lượng chất khử KI tới độ hấp thụ quang

Để phân tích hàm lượng Arsen tổng số trong các mẫu hải sản thì mẫu

phải được vô cơ hóa với hỗn hợp Axit. Các dạng Arsen trong mẫu bị oxi hóa

và tồn tại ở dạng As(V). Động học của phản ứng tạo hiđrua(AsH3) của As(V)

rất chậm so với As(III), do đó cần khử As(V) về As(III) trước khi tiến hành định

lượng. Tác nhân khử As(V) về As(III) đã được nhiều tác giả nghiên cứu[15,16]

cho thấy hiệu suất khử As(V) về As(III) đạt 100% khi sử dụng 1ml dung dịch KI

10% cho 50ml dung dịch, do vậy, trong các nghiên cứu tiếp theo trước khi thực

hiện phản ứng tạo Arsin thì mẫu được thêm 1ml dung dịch KI 10%.

3.1.6 Ảnh hưởng của lượng chất khử Zn tới độ hấp thụ quang

Qua tham khảo một số tài liệu, xác định Arsen bằng phương pháp trắc

quang người ta thường sử dụng hai loại chất khử là: Natribohidrua (NaBH4)

và Kẽm (Zn).Việc sử dụng NaBH4 được ứng dụng nhiều trong phương pháp

quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hóa hơi lạnh, do phản ứng khử của

NaBH4 diễn ra nhanh nên đáp ứng được thời gian đo phổ hấp thụ nguyên tử

của Arsen. Đối với kẽm, phản ứng khử các dạng Arsen vô cơ về Arsin diễn ra

chậm hơn nên ít được sử dụng trong phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên

tử. Tuy nhiên, đối với phương pháp phân tích trắc quang do cần thời gian

phản ứng dài để quá trình tạo hợp chất màu được triệt để, nên kẽm thường

được sử dụng trong phương pháp đo quang. Trong nghiên cứu này, chúng tôi

sử dụng kẽm là chất khử để khử As(III) thành Arsin khi tiến hành xây dựng

đường chuẩn cũng như phân tích xác định Arsen trong mẫu hải sản. Để khảo sát

ảnh hưởng của nồng độ chất khử Zn đến quá trình tạo hợp chất màu chúng tôi

tiến hành thí nghiệm với dãy mẫu chuẩn As(III) có cùng nồng độ là 20µg/l

trong nền 1ml dung dịch KI 10%, 5ml HCl đậm đặc, và lượng Zn thay đổi

như trong bảng. Lắc nhẹ bình phản ứng trong thời gian 30 phút tạo ra hơi

Arsin, hơi Arsin được dẫn vào bình hấp thụ của hệ tạo phức và với phản ứng

5ml dung dịch thuốc thử Bạc đietylđithiocacbmat tạo hợp chất màu, sau đó,

đo mật độ quang của hợp chất màu tại bước sóng 520nm với dung dịch so

sánh là clorofom. Các kết quả khảo sát được đưa ra trong bảng 3.2 và được

biểu diễn trên hình 3.3

0 1 2 3 4 5 60

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

ảnh hưởng của lượng Zn tới độ hấp thụ quang

lượng Zn (g)

Abs

Dựa vào kết quả thu được trên bảng 3.2 và đồ thị hình 3.3. cho thấy:

Mật độ quang tăng khi tăng lượng chất khử (Zn) từ 0,1-1 gam. Khi tiếp tục tăng

lượng chất khử đến 1g thì mật độ quang ổn định và hầu như không thay đổi. Như

vậy, độ hấp thụ quang của hợp chất màu ổn định và bền khi lượng chất khử từ

1gam trở lên. Tuy nhiên, khi tiến hành xây dựng đường chuẩn cũng như khi

phân tích mẫu nồng độ của Arsen có thể cao hơn, do đó, chúng tôi chọn lượng

chất khử để tạo phức màu của Arsen là 2gam trong tất cả các phép đo về sau.

3.2Ảnh hưởng của các yếu tố khác đến sự tạo hợp chất phức màu

Ngoài thời gian và lượng chất khử, còn có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ

hấp thụ quang của hợp chất màu như: ảnh hưởng của thể tích thuốc thử, thể

tích mẫu, ảnh hưởng của các ion cản… Vì vậy, để thu được kết quả tin cậy,

chúng tôi tiến hành các thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố này.

3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của thể tích thuốc thử

Lấy 50 ml dung dịch Arsen(III) 20 µg/l vào bình phản ứng hệ tạo Arsin, thêm

1ml dung dịch KI 10%, 5ml HCl đậm đặc , và 2g Zn. Lắc nhẹ bình phản ứng

trong thời gian 30 phút tạo ra hơi Arsin, hơi Arsin sẽ được dẫn vào bình hấp

thụ của hệ tạo phức và phản ứng với dung dịch thuốc thử Bạc

đietylđithiocacbmat có thể tích thay đổi như trong bảng 3.3 tạo được hợp chất

màu, sau đó, đo mật độ quang của hợp chất màu tại bước sóng 520nm với

dung dịch so sánh là clorofom , kết quả được chỉ ra trong bảng 3.3, và được

biểu diễn trên hình 3.4.

1 2 3 4 5 6 7 8 90

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Ảnh hưởng của thể tích thuốc thử

thể tích thuốc thử (mL)

Abs

Dựa vào kết quả thu được trong bảng 3.3 và đồ thị hình 3.4 cho thấy, ở

thể tích thuốc thử là 3ml hợp chất màu có độ hấp thụ quang là lớn nhất, và

phép đo đạt độ nhạy cao nhất, sau đó mật độ quang giảm dần khi tăng thể tích

thuốc thử. Tuy nhiên, khi sử dụng thể tích thuốc thử là 3ml, thì sau thời gian

phản ứng 30 phút thì thể tích thể tích thuốc thử bị thay đổi nhiều do dung môi

bay hơi, dẫn đến độ lặp lại của phép đo thấp, do vậy, vừa để đạt độ nhạy cao

và độ lặp lại tốt chúng tôi sử dụng thể tích thuốc thử trong quá trình tạo hợp

chất màu là 5ml .

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của thể tích mẫu

Để xác định được thể tích mẫu thích hợp nhất cho quá trình phân tích,

chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của thể tích mẫu theo các thí nghiệm

sau:

Lấy lượng dung dịch chuẩn As(III) 20 µg/l với các thể tích thay đổi là 50ml,

75ml, 100ml vào bình phản ứng của hệ tạo Arsin, thêm 1ml dung dịch KI

10%, 5ml HCl đậm đặc, và 2g Zn. Lắc nhẹ bình phản ứng trong thời gian 30

phút tạo ra hơi Arsin, hơi Arsin được dẫn vào bình hấp thụ và phản ứng với

2ml dung dịch thuốc thử Bạc đietylđithiocacbmat tạo hợp chất màu, sau đó,

lấy phần hợp chất màu vừa tạo được đem đo mật độ quang của hợp chất màu

tại bước sóng 520nm, dung dịch so sánh là clorofom, kết quả thu được trong

bảng 3.4 và được biểu diễn trên hình 3.5.

20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

Ảnh hưởng của thể tích mẫu

thể tích mẫu (mL)

Abs

Dựa vào kết quả thu được ở bảng 3.4 và đồ thị trên hình 3.5, ta thấy mật độ

quang của phức màu tăng tuyến tính khi thể tích mẫu tăng. Do phân tích mẫu

phải qua quá trình vô cơ hóa mẫu và do toàn bộ lượng Arsin giải phóng

được phản ứng với dung dịch Bạc đietylđithiocacbamat, vì vậy để phù hợp với

quá trình vô cơ hóa mẫu chúng tôi sử dụng thể tích mẫu là 50ml trong suốt

quá trình nghiên cứu.

3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của các chất đến sự tạo màu

3.2.4 Xây dựng đường chuẩn xác định arsen

Sau khi khảo sát các điều kiện và các yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo hợp chất màu,

chúng tôi chọn các điều kiện tối ưu để xây dựng đường chuẩn như sau:

+ Bước sóng tối ưu: 520nm.

+ Thời gian tối ưu: 30 phút.

+ pH tối ưu: 1.

+ Thể tích của thuốc thử Bạc đietylđithiocacbamat: 5ml.

+ Thể tích dung dịch Arsen chuẩn: 50ml.

Xây dựng đường chuẩn xác định Arsen

Chuẩn bị một dãy dung dịch có nồng độ Arsen thay đổi được ghi trong bảng

2.5. Các dung dịch trên được pha từ dung dịch chuẩn gốc Arsen 10ppm, cho vào

bình phản ứng của hệ tạo Arsin, thêm 1ml dung dịch KI 10%, 5ml

HCl đậm đặc , và 2g Zn. Lắc nhẹ bình phản ứng trong thời gian 30 phút tạo ra

hơi Arsin, hơi Arsin được dẫn vào bình hấp thụ phản ứng với 5ml dung dịch thuốc

thử Bạc đietylđithiocacbmat tạo hợp chất màu, sau đó, đo mật độ quang của hợp

chất màu tại bước sóng 520nm với dung dịch so sánh là clorofom. Sự phụ thuộc

giữa độ hấp thụ của các hợp chất màu vào nồng độ Arsen được đưa ra trong bảng

3.5 và đường chuẩn được biểu diễn trên hình 3.6.

0 20 40 60 80 100 1200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

As

hàm lượng As (µg/L)

Abs

Khoảng nồng độ As tuân theo định luật Lambabe là từ 0 – 80µg/L nên chúng

tôi chọn đường chuẩn xác định As nằm trong khoảng này.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

f(x) = 0.00861345407503234 x + 0.0147296248382924R² = 0.998883550103987

Đường chuẩn xác định As

hàm lượng As (µg/L)

Abs

3.2.5 Giới hạn phát hiện của phương pháp

3.3Quy trình phân tích arsen

3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của thành phần và nồng độ axit đến quá trình

vô cơ hóa mẫu

3.3.2 Quy trình phân tích arsen tổng số

3.3.3 Đánh giá độ chính xác của phương pháp

3.3.4 Kết quả phân tích hàm lượng arsen trong một số mẫu nước