Hóa đại cương chương i phổ hấp thụ phân tử uv vis 30

A = lg = lgNếu tăng nồng độ C lên I2 sẽ giảm và tăng C tới mức độ hấp thụ hoàn toàn I02 tức là I2 = 0 Khi đó độ hấp thụ quang A của dung dịch không đổi mặc dù C tăng Đường biểu diễn A=fC

Phần 1 QUANG HỌC

I Cơ sở lí thuyết

I 1 Vài nét lịch sử của phương pháp UV-VIS

Trong chiến tranh thế giới thứ II, nước Mỹ muốn quân lính của họ phải được

chăm sóc tốt nhưng các nhà khoa học vẫn chưa có ý tưởng nào về loại vitamin gì trong

thức ăn Chính phủ cần một phương pháp rẻ nhưng xác định được nhanh và hiệu quả

lạo vitamin chứa trong thức ăn Công nghệ mới của phổ UV được đề nghị nhưng các

công cụ rất đắt và phải được thực hiện bằng tay

Năm 1941, máy quang phổ khả kiến và tử ngoại Beckman DU đã được giới

thiệu và xác định sự có mặt của các vitamin trong thức ăn một cách nhanh chóng và dễ

dàng bằng cách hiện lên trên máy DU

Phổ tử hấp thụ phân tử UV-VIS là dạng phổ lâu đời nhất Nó liên quan đến phổ

của photon, sử dụng ánh sáng trong vùng nhìn thấy và vùng tử ngoại và gần hồng

ngoại (200 - 800nm)

Bánh xe màuUV-VIS nghĩa là “ beyond violet” ( xa hơn màu tím), violet là màu của bước

sóng ngắn nhất của ánh sáng nhìn thấy Một vài bước sóng UV thường gọi ánh sáng

đen, khi nó không thể nhìn thấy đối với mắt người Một vài động vật bao gồm: chim,

bò sát và côn trùng như ong có thể nhìn thấy vùng gần tử ngoại Nhiều trái cây, hoa và

hạt giống có thể chịu đựng được trong vùng tử ngoại Nhiều loài chim có nhiều phần

trên bộ lông của chúng không thể nhìn thấy ở bước sóng thường nhưng có thể thấy

được trong vùng tử ngoại

Các phân tử, nhóm phân tử của các chất, đơn chất hay hợp chất cũng đều được

cấu tạo từ những nguyên tử theo những cách, kiểu liên kết hoá học nhất định của các

điện tử hoá trị ( các electron lớp ngoài cùng ) của các nguyên tố Tuy có muôn vàn các

chất khác nhau được tạo thành từ các nguyên tử nhưng trong phân tử các chất chỉ có 3

loại liên kết hoá học Đó là liên kết xicma (σ), liên kết pi (π) và liên kết phối trí ( cho

nhận ) Ngoài ra nếu phân tử các chất chứa nguyên tố dị tố, như nitơ (N), oxi (O), lưu

huỳnh (S) thì ở nguyên tố này có thể còn đôi điện tử hoá trị chưa tham gia liên kết, kí

hiệu là n Ví dụ trong phân tử NH3 nguyên tử N có 5 electron hoá trị, mới đem 3

electron liên kết với 3 nguyên tử hiđro tạo ra 3 liên kết σ, do đó nó còn một đôi điện tử

tự do

Trong phân tử, hay nhóm nguyên tử, các liên kết σ có năng lượng nhỏ nhất, sau

đó lớn hơn là đến liên kết pi và cao hơn cả là đôi điện tử tự do n Các phân tử, nhóm

nguyên tử của các chất ở điều kiện bình thường chúng tồn tại ở trạng thái cơ bản, trạng

thái này bền vững và nghèo năng lượng Nhưng khi có chùm sáng (chùm photon) có

năng lượng thích hợp chiếu vào nó, kích thích nó thì các điện tử hoá trị trong liên kết

xicma, pi và đôi điện tử tự do n trong phân tử sẽ hấp thụ năng lượng của chùm sáng và

chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn Theo cơ học lượng tử, ở trạng

thái cơ bản của phân tử, các điện tử được sắp đầy vào các obitan liên kết σ, π, n (cặp

electron tự do) có mức năng lượng thấp trong phân tử Các điện tử hoá trị của liên kết

π này nằm trong các phân lớp p, d, f trong các liên kết loại p-p, d-d, f-f, d-p, d-f Các

electron hoá trị khi đi vào liên kết trong phân tử hình thành các loại liên kết loại σ và

π Đồng thời trong một số nguyên tử vẫn còn các đôi điện tử tự do n Khi bị kích thích

chúng sẽ có sự chuyển lên các mức năng lượng cao như sau:

σ → σ* ; π → π*

n → σ* ; n → π*

Lúc này phân tử đã bị kích thích Hiệu số giữa hai mức năng lượng cơ bản và

kích thích chính là năng lượng mà phân tử đã hấp thụ được từ nguồn sáng kích thích

tác dụng vào chúng theo biểu thức :

ΔEe = E n - Eo = ν h = h c

λSong trong quá trình kích thích đó, cùng với sự chuyển mức năng lượng của

electron liên kết trong phân tử (electron trong liên kết xicma và pi), còn kèm theo cả

sự quay và dao động của nguyên tử trong phân tử và cả phân tử, dưới tác dụng của

nguồn sáng kích thích (năng lượng của chùm photon) Vì thế tổng năng lượng mà mà

phân tử nhận được khi bị kích thích là bao gồm 3 thành phần:

E ts = ΔEe + ΔEd + ΔEq

Tổng năng lượng này là tương ứng với năng lượng của các chùm sáng nằm

trong vùng phổ VIS Vì thế phổ hấp thụ này được gọi là phổ hấp thụ phân tử

UV-VIS Trong 3 thành phần này thì ΔEe > ΔEd > ΔEq và chỉ có thành phần ΔEe được

lượng tử hoá, theo các mức năng lượng, các obitan của phân tử MO Vì thế phổ hấp

thụ phân tử trong vùng UV-VIS của các chất không phải phổ vạch, như phổ phát xạ

hay phổ hấp thụ của các nguyên tử Nghĩa là không có tính đơn sắc như trong phổ phát

xạ và hấp thụ các nguyên tử ở trạng thái khí tự do, mà ở đây là phổ băng, có độ rộng từ

10-100nm, và có các giá trị cực đại và cực tiểu tại những sóng nhất định

Như vậy, phổ hấp thụ phân tử UV-VIS là phổ do có sự tương tác của các điện

tử hoá trị ở trong phân tử hay nhóm phân tử với chùm tia sáng kích thích ( chùm tia

bức xạ trong vùng UV-VIS ) tạo ra Nó là phổ của tổ hợp sự chuyển mức của các điện

cực tiểu của phổ thường là nằm ở vùng sóng nhất định tuỳ theo cấu trúc và loại liên kết

của phân tử hay nhóm nguyên tử có trong hợp chất Phổ này chủ yếu nằm trong vùng

sóng từ 190-900nm Do đó được gọi là phổ hấp thụ UV-VIS ( tử ngoại và khả kiến)

của phân tử hay nhóm phân tử

I 3 Nguyên tắc của phương pháp

I 3 1 Định luật Bouguer-Lambert

Năm 1729, Bouguer đã thiết lập sự phụ thuộc giữa sự giảm cường độ chùm

sáng đơn sắc hướng song song và bề dày của lớp dung dịch hấp thụ Năm 1760,

Lambert đã xác nhận sự phụ thuộc này và thiết lập định luật thứ nhất của sự hấp thụ

ánh sáng

Khi ánh sáng đi qua lớp dung dịch thứ nhất, cường độ dòng sáng giảm đi n lần,

nên ở cuối lớp thứ nhất cường độ ánh sáng bằng:

I1 = In0 (n>1)Chùm ánh sáng khi qua lớp thứ hai:

I2 = I1 I

n nChùm ánh sáng khi qua toàn bộ bề dày lớp dung dịch (nghĩa là qua b lớp):

I= I0 I0 b

Đại lượng lg I0 gọi là độ hấp thụ quang của dung dịch, kí hiệu là A

A = lg = b lgn = k b

I

Nội dung định luật Bouguer-Lambert được phát biểu như sau:

“ Lượng tương đối của chùm sáng bị hấp thụ bởi môi trường mà nó đi qua

không phụ thuộc vào cường độ của tia tới Mỗi một lớp bề dày như nhau hấp thụ một

phần dòng ánh sáng đơn sắc đi qua dung dịch như nhau”

1 3 2 Định luật Beer

Năm 1852, Beer đã thiết lập định luật thứ hai của sự hấp thụ ánh sáng

“ Sự hấp thụ dòng quang năng tỉ lệ bậc nhất với số phân tử của chất hấp thụ

mà dòng quang năng đi qua nó ”

Hay : “ Độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch màu ( đại lượng mật độ quang A) tỉ lệ bậc

nhất với nồng độ của dung dịch chất hấp thụ ánh sáng”

“Khi đi qua hệ ( dung dịch màu ) một chùm photon đơn sắc thì mức độ hấp thụ

của dung dịch màu tỷ lệ thuận với công suất chùm photon và nồng độ các phần tử hấp

I 4 Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp loại trừ

I 4 1 Những dấu hiệu cho biết sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch không tuân

theo định luật cơ bản về sự hấp thụ ánh sáng

Biểu thức của định luật Bouguer-Lambert-Beer là A = ε b C cho thấy A là hàm

của λ, b, C hay A = f(λ, b, C)

Dựa vào hàm A = f(λ, b, C), tại một bước sóng và đo bằng một cuvét thì

A=f(C) là hàm bậc nhất, đường biểu diễn A=f(C) là một đường thẳng Khoảng nồng

độ tuân theo định luật Beer là khoảng nồng độ mà đường biểu diễn A theo C phải

tuyến tính Đối với những khoảng nồng độ quá loãng hoặc quá đặc, đường biểu diễn sẽ

bị cong Đó là những khoảng nồng độ mà sự hấp thụ ánh sángcủa dung dịch phức màu

không tuân theo định luật Beer

Dựa vào phổ hấp thụ: phổ hấp thụ của dung dịch phức màu ở những nồng độ

khác nhau (còn các điều kiện khác như: pH, thành phân dung môi, thành phần

muối giống nhau) mà có cực đại ở cùng bước sóng thì các dung dịch đó tuân theo

định luật cơ bản của sự hấp thụ ánh sáng Những dung dịch cùng điều kiện đó mà có

λmax lệch nhau đều là những dung dịch có sự hấp thụ ánh sáng không tuân theo định

luật cơ bản

I 4 2 Những nguyên nhân gây sai lệch định luật Bouguer-Lambert-Beer

Ảnh hưởng của ánh sáng không đơn sắc

Giả sử dòng sáng tới có cường độ là I0 không phải là tia đơn sắc mà là một

chùm tia, giả sử có 4 tia I01, I02, I03, I04 thì :

A = lg = lg

Nếu tăng nồng độ C lên I2 sẽ giảm và tăng C tới mức độ hấp thụ hoàn toàn I02

tức là I2 = 0 Khi đó độ hấp thụ quang A của dung dịch không đổi mặc dù C tăng

Đường biểu diễn A=f(C) sẽ không còn tuyến tính nữa

* Cách khắc phục:

Ngừời ta dùng ánh sáng đơn sắc bằng cách cho ánh sáng đa sắc đi qua kính lọc

sáng hoặc đi qua lăng kính, hoặc đi qua cách tử nhiễu xạ

Sự thay đổi trạng thái chất hấp thụ làm thay đổi phổ hấp thụ như: (158/2)

Khi thay đổi nồng độ C có thể xảy ra sự trùng hợp hoặc khử trùng hợp phân tử

mà dạng trùng hợp và không trùng hợp hấp thụ chọn lọc ở những vùng phổ khác nhau

Thường C của chất màu khoảng 103mol/l trở nên sẽ có sự trùng hợp phân tử

Sự solvat và hyđrat hoá các phân tử chất màu xảy ra không giống nhau khi thay

đổi nồng độ chất hấp thụ

Sự tạo thành các hợp chất trung gian, phức phụ, chuyển các đồng phân, tạo hệ

keo cũng ảnh hưởng đến độ hấp thụ của dung dịch

Sự có mặt các chất điện li mạnh làm biến dạng các phân tử hoặc ion màu làm

thay đổi phổ hấp thụ

Ảnh hưởng của pH

Đa số thuốc thử trong phức màu trắc quang là muối của axit hay bazơ ( vô cơ

hoặc hữu cơ ):

Như vậy điều kiện cần để chuyển hết X thành phức màu là giá trị pH của dung

dịch

HR là axit mạnh hay R là anion của axit mạnh

Phối tử R là anion của axit mạnh nên độ axit dung dịch không cản trở phản ứng

phân li của thuốc thử HR Trong trường hợp này nên tiến hành phản ứng tạo phức

trong môi trường axit, tăng độ axit sẽ tránh được sự thuỷ phân của ion kim loại Tuy

nhiên tăng axit quá sẽ gây nên các hiện tượng phụ như tăng lực ion trong dung dịch

dẫn đến làm tăng độ phân li của phức Nhưng nếu giảm độ axit ( tăng pH ) của dung

 R.XOH

 

So sánh 2 biểu thức trên ta thấy K1>>K2 nên ở giá trị pH mà X không bị thuỷ

phân thì cũng giữ được XR không bị thuỷ phân

HR là axit yếu, R là anion của axit yếu

Trong thực tế, thuốc thử dùng trong phân tích trắc quang (HR) thường là những

chất chỉ thị pH Khi thực hiện phản ứng tạo phức thường phải dùng thuốc thử dư nên

ta phải tiến hành thí nghiệm ở pH tạo phức nào để màu của thuốc thử dư khác màu của

phức

Bằng tính toán thấy rằng thường có khoảng cách giữa giá trị pH tạo phức với

pH bắt đầu có sự chuyển màu của thuốc thử Khoảng cách giữa hai giá trị pH này rất

có ý nghĩa quan trọng trong phân tích trắc quang, khoảng cách đó càng lớn thì càng lợi

cho việc lựa chọn pH thích hợp cho sự tạo phức và loại được ảnh hưởng của thuốc

thửu dư

Thuốc thử HR là axit yếu nên khi pH dung dịch tăng thì thuốc thử phân li dễ

dàng hơn, do đó làm tăng R, điều này có thể dẫn tới sự hình thành phức có số phối trí

lớn hơn có màu khác hẳn ( XR2, XR3 ) Mặc khác khi tăng pH, những phức kém bền

có thể bị thuỷ phân tạo thành hợp chất hydroxo ( X(OH), X(OH)2 )

Ảnh hưởng của độ phân li chất màu khi pha loãng:(33/4)

Khi pha loãng các dung dịch phức màu thì có hiện tượng phân li của các phức

màu và gây ra sự lệch khỏi định luật Bia Sau đây ta xét 3 trường hợp pha loãng dung

dịch phức màu thường gặp trong phân tích trắc quang:

Pha loãng phức màu bằng dung môi không có lượng thừa của thuốc thử

Giả sử dung dịch phức màu có nồng độ ban đầu là C, và độ điện li là α Ta pha

loãng dung dịch phức màu các lần khác nhau bằng một thể tích dung môi như nhau

Sau lần pha loãng thứ nhất ta có C1 và α1, thứ hai C2 và α2 cho đến thứ n có

Cn và αn

Ta có cân bằng:

C

XRC

Nếu phức khá bền thì α <<1 và ta có : Kkb = α2C

Suy ra α = K kb

CNgoài ra ta có : Cn = Cn

n  αn = α nMật độ quang tỉ lệ thuận với [XR] tức là tỉ lệ với (1-α )

Dung dịch ban đầu có A = ε b C (1- α)

Dung dịch sau khi pha loãng n lần : A = ε b C (1- αn )

Gọi độ lệch của định luật Beer là Δ ta có :

Muốn làm giảm được độ lệch khỏi định luật Beer ta cần dùng phức màu bền

(β↑, Kkb↓), nồng độ dung dịch màu C khá lớn và số lần pha loãng n vừa phải Phức

càng bền thì độ lệch khỏi định luật Beer càng lớn

b Pha loãng phức màu bằng dung môi có lượng thừa thuốc thử ( thừa P lần )

Δ = α n -α = nα- α = α (n-1)

Δ %= K kb

C P (n -1) 100

Từ công thức trên ta thấy rằng ngoài việc dùng phức màu bền (β↑, Kkb↓), nồng

độ dung dịch màu C đủ lớn và số lần pha loãng n hợp lí thì lượng thừa thuốc thử (P) có

tác dụng làm giảm độ lệch khỏi định luật Beer Phức màu càng kém bền thì lượng

thừa thuốc thử càng phải nhiều để đảm bảo giảm đến tối thiểu sự lệch khỏi định luật

Beer

Pha loãng phức màu bằng một dung dịch thuốc thử có nồng độ hằng định :

Trong trường hợp này ta dùng một dung dịch thuốc thử CHR có nồng độ hằng

định để làm dung môi pha loãng phức Xuất phát từ cân bằng phân li phức :

Trong biểu thức trên vế trái Kkb là đại lượng hằng định : Kkb = α [R]

Vế phải cũng phải là đại lượng hằng định α [R] = const

Nhưng vì [R] = const nên trong trường hợp này α = const

Mặc khác : Δ = αn - α và αn = α = const nên Δ = 0

Như vậy nếu dùng một dung dịch thuốc thử có nồng độ hằng định để pha loãng

dung dịch phức màu thì đảm bảo triệt tiêu được sự lệch khỏi định luật Beer

Ảnh hưởng của các cấu tử lạ : (46/2)

Khi phân tích các mẫu thực tế, trong mẫu phân tích ngoài chất cần chất xác định

X còn có mặt hàng loạt các ion lạ do có sẵn trong mẫu phân tích và do đưa thêm vào

trong quá trình chế hoá mẫu, các chất lạ đó có thể gây ảnh hưởng cho quá trình tạo

phức XR và cho sự hấp thụ ánh sáng của nó Nhiệm vụ của người phân tích là phải tìm

được ảnh hưởng của cấu tử lạ để không được thêm nó vào trong quá trình phân huỷ

mẫu, hoặc nếu có cấu tử lạ trong mẫu thì phải tìm cách ngăn cản ảnh hưởng của nó

trước khi tiến hành xác định

a Cấu tử lạ là các cation :

Giả sử trong dung dịch phân tích sau khi chế hoá, ngoài chất cần xác định X

còn nhiều cation lạ M1, M2, M3 …

Để định lượng X trong trường hợp này phải chọn được thuốc thử và các điều

kiện tiến hành thí nghiệm thích hợp để thuốc thử chỉ tác dụng với X tạo thành hợp chất

hấp thụ ánh sáng mà không tác dụng với chất lạ Đó là điều kiện lí tưởng nhất và khi

đó thuốc thử dùng có tính chọn lọc cao đối với X

Nhưng trong thực tế khó có thuốc thử nào chỉ phản ứng với một ion, mà thườngthuốc thử tạo phức màu với cả các ion lạ khác trong dung dịch Đây là một khó khăn

và gây sai số ion trong phân tích trắc quang Tuy nhiên ta có thể thiết lập điều kiện cho

phản ứng trở thành đặc trưng :

tại bước sóng đo phức XR

Thay đổi hoá trị ion lạ

* Giới hạn nồng độ thuốc thử :

Nếu phức của ion cần xác định XR bền hơn phức của các cation lạ với thuốc

thử (MR) thì có thể thiết lập nồng độ thuốc thử để chỉ tạo thành XR mà không đủ để

tạo được các ion lạ M

XR

MR

Trong phân tích trắc quang, phản ứng tạo phức coi như hoàn toàn khi 99% ion

cần định lượng X chuyển thành phức màu XR Nếu dung dịch có chứa ion lạ M có

nồng độ xấp xỉ bằng nồng độ của X thì có thể bỏ qua ảnh hưởng của ion M nếu trong

điều kiện đó không quá 1% M tham gia phản ứng với thuốc thử tạo thành MR :

 ;

100 1Suyra X

Dĩ nhiên là tính toán trên chỉ có tính chất gần đúng Nếu là lượng ion lạ M lớn

hơn đáng kể lượng ion cần định lượng X thì chỉ có thể loại trừ ảnh hưởng của M khi

các hằng số không bền khác nhau nhiều hơn nữa Ngược lại nếu hệ số hấp thụ của MR

bé hơn của XR thì các hằng số không bền có thể khác nhau ít hơn

*Điều chỉnh pH của dung dịch :

Thuốc thử R thường là anion của axit yếu, do đó có thể giới hạn nồng độ R

bằng cách đơn giản thiết lập giá trị pH Có thể tính được giá trị pH cần thiết nếu biết

hằng số phân li của axit HR

*Che các cation lạ :

Ta có thể tách loại ion cản bằng cách kết tủa hay chiết hoặc chuyển chúng thànhphức không màu Như vậy ion cản được che và không tạo phức màu với thuốc thử

dùng Trong nhiều trường hợp người ta còn dùng phản ứng oxi hoá khử để chuyển hoá

trị của các ion lạ thành hoá trị mà ở hoá trị đó nó không phản ứng với thuốc thử

Thường phương pháp che được nghiên cứu một cách ban thực nghiệm vì cáctính toán lí thuyết rất phức tạp bởi thường không biết hết các hằng số cân bằng Thamgia cân bằng ít nhất có bốn hệ tạo phức :

-

-Hệ ion kim loại cần định lượng X với thuốc thử R

Hệ ion cản M và thuốc thử R

Hệ ion cản trở với thuốc thử dùng để che (chất che A)

Hệ ion cần định lượng X với chất che A Thuốc thử R và chất che A nói chung là các anion của đa axit Do đó muốn tínhảnh hưởng của pH đến sự che cần biết dạng khác nhau của thuốc thử tham gia vào cầuphối trí Các ion OH- trong dung dịch cũng có thể tham gia vào cầu phối trí tạo nên cácphức hiđroxo Cuối cùng với các cation có hoá trị cao thường thấy hiện tượng tạo nênphức hỗn tạp

Do hệ phức tạp và không biết các hằng số cần thiết nên nói chung không thểtính bằng lí thuyết được Song nghiên cứu thực nghiệm có thể tìm ra được những điềukiện thực nghiệm có thể tìm được những điều kiện tối ưu cho phản ứng che Nói chungkhông thể tìm một chất che để có thể laọi trừ ảnh hưởng của cấu tử lạ đến phép địnhlượng cấu tử X ở mọi điều kiện

Một số chất che :

b Cấu tử lạ là các anion :

Khi có mặt một số anion có khả năng tạo phức ( như CN-, C2O42-, C4H4O62-) thìmột số phương pháp định lượng kim loại bằng trắc quang không dùng được Khi đó taphải tách các cation ra khỏi anion cản bằng kết tủa dưới dạng hyđroxit hay bằng traođổi trên ionit

Các ion Cl-, SO42-, PO43- thường có trong dung dịch phân tích, ảnh hưởng củacác anion này thường giống nhau ở chỗ chúng tạo phức với cation cần định lượng Xlàm cho phản ứng tạo phức màu XR xảy ra không hoàn toàn

Niken Dimetylglioxim +

Molybden Các thuốc thử khác

Bitmut Xylenol da cam Thiếc, sắt Axit xitric và ascobic

Phương pháp tổng quát để loại trừ ảnh hưởng của các anion chưa có Để loại trừảnh hưởng của các anion lạ người ta thường chuyển chúng thành phức bền hơn, nhưng

cũng chỉ sử dụng khi nồng độ của ion lạ không lớn

Trong trường hợp ảnh hưởng của anion không lớn lắm, ta có loại trừ ảnh hưởng

của chúng bằng cách thêm vào dung dịch chuẩn một lượng anion lạ bằng lượng anion

lạ có trong dung dịch nghiên cứu

I 4 2 6 Ảnh hưởng của yếu tố thời gian :

Có nhiều hợp chất phức màu có độ hấp thụ UV-VIS tăng theo thời gian, và đến

một lúc thì hằng định Song cũng có những chất sau một thời gian thì giảm nhanh Có

chất vừa sinh ra hấp thụ tốt, song chỉ sau một thời gian ngắn khả năng hấp thụ đã mất

Vì thế phải chọn thời gian đo phù hợp đối với mỗi chất cụ thể Muốn thế ta phải khảo

sát sự phụ thuộc của mật độ quang A vào thời gian t Rồi từ đó chọn thời gian đo là

bao nhiêu sau phản ứng tạo phức màu

I 4 2 7 Ảnh hưởng của nhiệt độ :

Nhiệt độ cũng có ảnh hưởng đến cường độ sự hấp thụ UV-VIS của các chất,

nhưng ảnh hưởng này không lớn Nhiều chất trong vùng nhiệt độ từ 25-400C thường

có phổ hấp thụ UV-VIS ổn định, lúc đầu nhiệt độ tăng, độ hấp thụ có tăng theo nhưng

chậm và đến một giá trị nhất định thì không đổi, nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì khả năng

hấp thụ có khi bị mất Yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ, chủ yếu và thường là gắn liền

với độ bền của các hợp chất phức Vì khi nhiệt độ tăng các phức, nhất là các phức của

ion kim loại với các phối tử hữu cơ thường dễ bị phân hủy, hay thay đổi dạng Vì thế

phải khống chế nhiệt độ không đổi

I 4 2 8 Ảnh hưởng của chất nền của mẫu :

Các chất nền trong một số trường hợp cũng ảnh hưởng đến độ hấp thụ quang

của chất phân tích hay hợp chất phức đo quang Sự ảnh hưởng này thường thể hiện qua

hai yếu tố:

- Tạo ra phổ nền và gây nhiễu làm giảm độ nhạy của chất chính

- Có phổ chen lấn với phổ của chất chính cần đo quang, làm việc đo khó khăn

và có khi không thể đo được ở vùng có sự hấp thụ nhạy Trong trường hợp này, chúng

ta phải tìm cách che chất nền, hay phải tách chúng ra khỏi mẫu phân tích, để loại trừ

ảnh hưởng

I 4 2 9 Ảnh hưởng của dung môi hữu cơ :

Một số dung môi hữu cơ cũng có tác dụng nhất định đến sự hấp thụ quang của

các chất, đặc biệt là các dung môi chiết được các hợp chất phức cần đo quang Các

dung môi này thường làm tăng độ nhạy của phép đo và tính chọn lọc của sự hấp thụ

Vì thế nhiều dung môi hữu cơ, như MIBK,CHCl3, CCl4,… được dùng làm dung môi

chiết trong phép đo phổ hấp thụ UV-VIS Nói chung các dung môi hữu cơ có tác dụng:

- Để chiết các hợp chất phức cần đo quang

- Tạo ra sự hấp thụ chọn lọc và tăng độ nhạy, loại trừ chất cản trở

II Sơ đồ máy và qui trình phân tích :

II 1 Sơ đồ máy (24/1)

Máy quang phổ dù đơn giản hay hiện đại nó cũng cần có các bộ phận chính sau

đây :

- Nguồn cung cấp chùm tia sáng (photon) UV-VIS hay UV hoặc VIS

- Buồng đặt cuvet và cuvet chứa mẫu để đo

- Bộ đơn sắc (hệ quang học) để thu phổ, phân ly và chọn tia sáng để đo

- Detector và modul điện tử

- Máy hay trang bị ghi nhận và chỉ thị kết quả đo phổ

a Nguồn sáng :

Trong các máy đo phổ UV-VIS ( trắc quang ) thường là đèn hồ quang hiđro nặng

D2-Lamp, cho phổ ở vùng tử ngoại (UV : 190-360 nm) và đèn W-Halid cho phổ ở

vùng khả kiến (380-1000 nm), hay đèn xenon (260-600 nm) Hiện nay phổ biến nhất là

hai loại đèn D2 và W cho vùng phổ UV-VIS Các loại đèn này là các nguồn sáng

điểm Nó là nguồn năng lượng kích thích các chất sinh ra phổ hấp thụ UV hay VIS

b Bộ phận detector :

Là bộ phận nhận và phát hiện chùm sáng Trong các máy đơn giản người ta dùng tế

bào quang điện Trong các máy hiện đại có độ nhạy cao thường dùng các nhân quang

điện kiểu ống có độ nhạy cao và hiện nay một số máy đã dùng Detector Diod Array

c Hệ quang học :

Với các máy đơn giản chỉ là các bộ kính lọc màu cho một vùng phổ nhất định Còntrong các máy hiện đại có độ phân giải và độ nhạy cao nó phải là một bộ đơn sắc là

một cách tử phân giải cao, để có được độ chọn lọc của phổ cần đo đến đơn vị 1nm,

hơn nhỏ hơn nữa ( 0,2nm) Có hệ quang học 1 chùm tia và hệ quang học 2 chùm tia

Hệ quang học 2 chùm tia có độ ổn định cao hơn hệ quang học 1 chùm tia Bộ phân giải

(bộ đơn sắc) của các hệ quang điện nay các hãng thường dùng các cách tử loại

1200-1800 vạch/mm, có khi đến 2400 vạch/mm để có độ phân giải cao

d Máy hay trang thiết bị ghi nhận và hiển thị kết quả đo

Các thế hệ máy phổ hiện nay thường được nối với máy tính do đó việc ghi phổ hết

sức thuận lợi nhờ có những chương trình đo tự động theo các chế độ khác nhau Ngoài

ra còn có thể lưu phổ, đối chiếu và so sánh khi cần thiết

Để phát bức xạ tử ngoại người ta dùng đèn đơteri (D2) còn để phát bức xạ khả

kiến người ta dùng đèn W/I2 Bộ tạo đơn sắc (thường dùng lăng kính thạch anh hoặc

cách tử) có nhiệm vụ tách riêng từng dải sóng hẹp (đơn sắc) Bộ chia chùm sáng sẽ

hướng chùm sáng đơn sắc luân phiên đến cuvet đựng dung dịch mẫu và cuvet đựng

dung môi Detector sẽ so sánh cường độ chùm tia đi qua dung dịch (I) và dung môi

(I0) Tín hiệu quang sẽ chuyển thành tín hiệu điện Sau khi được phóng đại, tín hiệu sẽ

chuyển sang bộ phận ghi để vẽ đường cong sự phụ thuộc của lg(I0/I) vào bước sóng

Dung môi dùng để đo trong phổ UV-VIS phải thỏa mãn điều kiện không hấp

thụ ở vùng cần đo Để nghiên cứu vùng tử ngoại gần, người ta dùng dung môi như

n-xiclohexan, methanol, ethanol, nước là những chất chỉ hấp thụ ở vùng tử ngoại xa Khi

chỉ quan tâm đến sự hấp thụ ở vùng khả kiến thì ngoài các dung môi kể trên, còn có

thể dùng các dung môi không màu bất kì như chloroform, dioxan, benzen Dung môi

dùng để đo phổ UV-VIS cần được tinh chế một cách cẩn thận vì một lượng rất nhỏ của

tạp chất trong đó cũng làm sai lệch kết quả đo

Người ta cũng có thể đó phổ UV-VIS của các chất ở trạng thái lỏng hoặc khí

Đối với các muối vô cơ phân li trong dung dịch thì phổ thu được là phổ của các ion

solvat hóa Để có được thông tin về các ion không solvat hóa, người ta đo phổ của

chúng ở dạng rắn: hoặc dùng các đơn tinh thể hoặc dùng cách ép viên với KCl hoặc

NaCl hoặc đo ở trạng thái huyền phù…

Dưới đây là một số máy quang phổ :

Loại UV160-U

Perkin-Elmer Lambda 3B

II 2 Qui trình phân tích :

Phổ hấp thụ phân tử vùng UV-VIS (200 - 800nm) là phổ hấp thụ của các chất

tan ở trạng thái dung dịch đồng thể của một dung môi nhất định như nước, methanol,

benzen, toluen, chloroform… hay một số chất mà phân tử chất trong điều kiện bình

thường ở trạng thái hơi, như khí CH4, NH3… Vì thế muốn thực hiện được phép đo phổ

này ta phải thực hiện các bước sau:

- Nếu chất phân tích có phổ hấp thụ UV-VIS, thì phải hòa tan nó vào trong dung

môi phù hợp, như một số chất hữu cơ: phenol, naphtalen, anthracene Các chất vô cơ

như I2, các muối cromat, pemanganat…) Còn những chất cần xác định mà chúng

không có phổ UV-VIS có thể cho tác dụng với thuốc thử R trong điều kiện thích hợp

để tạo hợp chất phức để tăng độ nhạy trong phép đo phổ UV-VIS, sau đó cho dung

dịch này vào cuvet đo phổ Nếu mẫu phân tích là chất khí thì phải đưa mẫu vào một

ống cuvet đóng kín để đặt vào buồng đo phổ

- Chiếu vào cuvet có dung dịch mẫu chứa hợp chất phân tích một chùm tia sáng có

năng lượng phù hợp để chất phân tích hay sản phẩm phức của nó hấp thụ bức xạ đó để

tạo ra phổ hấp thụ phân tử

- Thu chùm sáng đi qua cuvet, phân ly phổ đó và chọn một hay hai bước sóng hấp

thụ cực đại của chất phân tích và đo cường độ hấp thụ quang A của chất đó trong các

điều kiện đã chọn

- Ghi giá trị độ hấp thụ quang Việc này có thể thực hiện bằng nhiều công cụ khác

nhau như đồng hồ đo năng lượng hấp thu, máy tự ghi…

Đó chính là nguyên tắc của phép đo phổ UV-VIS Từ nguyên tắc này, các trang

thiết bị đã được chế tạo và nhiều quy trình cụ thể đã được nghiên cứu xây dựng nhằm

phân tích định lượng các chất khác nhau bao gồm vô cơ, kim loại lẫn các chất hữu cơ

và các á kim trong các đối tượng mẫu của thực tế

Một ví dụ về quá trình đo phổ UV-VIS của mẫu:

mirror : gương

sample cuvette : cuvet chứa mẫu

reference cuvette : cuvet chứa mẫu

nghiên cứu

Slit : kẽ hở

Half mirror : gương nửa

Lens : thấu kínhLight source vis : nguồn ánh sáng trôngthấy

Light source UV : nguồn ánh sáng tửngoại

Differaction grating : con cách nhiễu xạ

III Các phương pháp định lượng :

1 Nguyên tắc chung :

Nguyên tắc chung của phương pháp phân tích định lượng dựa trên phép đo

quang của dung dịch màu và so sánh cường độ màu (hoặc độ hấp thụ quang) của dung

dịch nghiên cứu với dung dịch chuẩn là dung dịch có nồng độ cần xác định đã biết

trước

Để tiến hành phép phân tích trắc quang phải qua các bước sau :

1 Pha chế dung dịch chuẩn của chất cần xác định dùng để pha dung dịch màu

chuẩn

2 Chọn dung môi thích hợp để chuyển chất cần xác định trong mẫu phân tích thành

dung dịch ở dạng có khả năng tạo chất màu với thuốc thử

3 Chọn thuốc thử thích hợp dựa trên những tiêu chuẩn đánh giá thuốc thử của

A K Bapko

4 Thực hiện phản ứng tạo chất màu ở những điều kiện tối ưu giữa chất cần xác

định và thuốc thử đã chọn để pha chế dung dịch màu chuẩn và dung dịch màu nghiên

cứu

5 So sánh, cân bằng màu của dung dịch màu nghiên cứu và dung dịch màu chuẩn,

hoặc đo mật độ quang Anc và Ach từ đó suy ra hàm lượng của chất cần xác định theo

những phương pháp khác nhau

Đối với những chất cần xác định nhưng không có khả năng tạo chất màu với một

thuốc thử nào thì có thể dùng phương pháp gián tiếp sau :

1 Dùng phản ứng oxi hóa khử trong đó chất cần xác định đóng vai trò là chất oxi

hóa, nó sẽ oxi hóa thuốc thử thành chất màu

2 Dùng phản ứng phân hủy màu

3 Dùng phản ứng tạo chất màu trong đó chất cần xác định tham gia với vai trò là

chất xúc tác

4 Làm kết tủa hoàn toàn chất cần xác định bằng thuốc thử dư, tách bỏ kết tủa, sau

đó xác định lượng thuốc thử còn dư bằng phương pháp trắc quang, từ đó suy ra nồng

độ cần xác định

2 Phân tích định lượng bằng phương pháp so màu bằng mắt :

Trong phương pháp này, mắt người quan sát là công cụ để cân bằng cường độ màu

hay cường độ dòng sáng đã đi qua dung dịch nghiên cứu và dung dịch chuẩn Để cân

bằng cường độ màu và cường độ dòng sáng có thể bằng cách thay đổi nồng độ chất

màu ; thay đổi chiều dày lớp dung dịch hoặc thay đổi cường độ dòng sáng chiếu qua

lớp dung dịch chuẩn và dung dịch so sánh bằng cách thay đổi các màng chắn Nhưng

phương pháp so màu bằng mắt thông dụng là :

2 1 Phương pháp dãy chuẩn :

- Pha dãy chuẩn :

Lấy khoảng 10 ống nghiệm thủy tinh không màu, đồng cỡ và cùng chất liệu thủy

tinh có đánh số lần lượt từ 1 đến 10

Cho lần lượt vào ống nghiệm những lượng chính xác dung dịch tiêu chuẩn của chất

cần xác định theo chiều tăng dần sao cho Cch sẽ không quá lớn và gần nhau

Cho tiếp vào mỗi ống nghiệm những lượng bằng nhau của dung dịch thuốc thử,

dung dịch tạo môi trường

Sau đó cho thêm dung môi để đưa thể tích cuối cùng của cả dãy chuẩn đến một thể

tích bằng nhau và lắc đều

- Pha dung dịch nghiên cứu :

Dung dịch màu nghiên cứu cũng được pha chế như dung dịch màu tiêu chuẩn,

nhưng phải lấy lượng dung dịch phân tích sao cho nồng độ chất cần xác định Cx trong

dung dịch nghiên cứu nằm trong thang chuẩn ở trên từ C1 đến C10 mà không vượt khỏi

thang

- Cân bằng màu :

Đặt dãy chuẩn với nồng độ lần lượt là C1, C2, C3 ,C10 lên giá ống nghiệm theo

thứ tự tăng dần của Cch Đặt phía sau giá của thang một tờ giấy trắng

Tiến hành so sánh cân bằng màu của dung dịch nghiên cứu với dãy chuẩn dưới ánh

sáng khuếch tán để tìm ra ống chuẩn số n (Cn) có cường độ màu bằng với cường độ

màu của dung dịch nghiên cứu (Cx) Vì cường độ màu bằng nhau nên Cx= Cn Nếu như

cường độ màu của dung dịch cần nghiên cứu nằm trung gian giữa hai dung dịch chuẩn

số n và n+1 thì :

Cx = Cn + C2 n+1

* Ưu điểm của phương pháp dãy chuẩn là :

- Không đòi hỏi dung dịch phải tuân theo định luật Beer nghiêm ngặt

- Có thể phân tích hàng loạt mẫu một cách nhanh chóng

* Nhược điểm :

- Độ chính xác không cao, sai số khoảng 10%

- Thang chuẩn có thể thay đổi màu theo thời gian Để khắc phục điều này người ta

có thể dùng các dung dịch màu chất vô cơ có màu tương ứng để thay thế cho dãy

chuẩn thực

2 2 Phương pháp chuẩn độ so màu :

* Dụng cụ cần thiết :

- Hai ống nghiệm bằng thủy tinh

không màu, đồng cỡ, cùng chất liệu

thủy tinh (Φ 2-2,5 cm, cao 25-30cm, thể

tích khoảng 50-70ml) được đặt vào giá

ống nghiệm và đặt sau giá một tờ giấy

trắng

- Hai đũa thủy tinh hoàn toàn giống

nhau về kích thước dùng để khuấy đều

hai dung dịch và không được nhấc ra

khỏi mỗi ống nghiệm trong suốt thời

gian chuẩn độ

- Một microburet để chuẩn độ

Dụng cụ để chuẩn độ so màu

*Cách chuẩn độ so màu :

Trong ống nghiệm thứ nhất cho vào Vx ml dung dịch mẫu phân tích với nồng độ Cx

chưa biết, cho thêm lượng thuốc thử cần thiết và chất tạo môi trường đưa đến thể

tích cuối cùng bằng dung môi và quấy đều

Trong ống nghiệm thứ hai cho vào những lượng thuốc thử, chất tạo môi

trường hoàn toàn giống như khi chuẩn bị dung dịch màu nghiên cứu trong ống

nghiệm thứ nhất, chỉ trừ chất cần xác định và đưa thể tích đến gần bằng thể tích của

dung dịch nghiên cứu bằng dung môi và quấy đều

Sau đó dùng microburet để cho từ từ dung dịch chuẩn của chất cần xác định với

nồng độ Cch vào ống thứ hai cho đến khi đạt được sự cân bằng màu của hai ống trong

điều kiện thể tích hai ống bằng nhau ( phải điều chỉnh bằng dung môi và dung dịch

chuẩn) Lúc đó hàm lượng chất cần xác định trong hai dung dịch phải bằng nhau và

nếu kí hiệu qx là hàm lượng chất cần xác định trong Vx(ml) thì :

Qx= Vch Cch hoặc C x = Vch Cch

* Ưu điểm :

- Không đòi hỏi dung dịch phải tuân theo định luật Beer nghiêm ngặt

- Thường dùng để phân tích những mẫu lẻ tẻ khi không có nhu cầu phân tích hàng

loạt

* Nhược điểm :

- Độ chính xác không cao, sai số khoảng 10%

2 3 Phương pháp cân bằng màu :

a Phương pháp pha loãng :

Cân bằng màu bằng phương pháp pha loãng :

Dụng cụ cần thiết gồm hai ống nghiệm đồng cỡ, giống nhau về chất liệu thủy tinh,

có chia độ được đặt lên giá ống nghiệm có đặt sau một tờ giấy trắng và có hai đũa thủy

tinh giống nhau để quấy đều dung dịch trong mỗi ống

Pha chế dung dịch màu nghiên cứu và dung dịch màu tiêu chuẩn ở những điều kiện

tối ưu như nhau, cho mỗi loại vào mỗi ống nghiệm Sau đó cho thêm dần dung môi

vào ống có màu đậm hơn cho đến khi có sự cân bằng màu giữa hai ống nghiệm Lúc

hx, hch là chiều cao của dung dịch trong mỗi ống có đáy bằng nhau, đo cùng đơn vị

Phương pháp này chính xác hơn hai phương pháp trên và nó cũng được dùng cho

dung dịch không phải tuân theo định luật Beer nghiêm ngặt

b Phương pháp sắc kế tháo :

Sự cân bằng màu bằng cách thay đổi chiều dày của lớp dung dịch

Dụng cụ cần thiết đơn giản chỉ cần hai ống nghiệm có chia độ, kích thước và chất

liệu như nhau, có vòi để tháo dung dịch như hình :

Pha dung dịch màu nghiên cứu có nồng độ chất cần xác định Cx

Pha dung dịch màu chuẩn có nồng độ chất cần xác định Cch

Cho mỗi loại dung dịch vào mỗi ống Quan sát màu từ trên xuống Điều khiển vòi

để tháo bớt dung dịch trong ống có màu đậm hơn cho đến lúc có sự cân bằng màu của

hai ống, lúc đó mật độ quang của hai dung dịch phải bằng nhau cho nên :

Sắc kế tháo

c Phương pháp sắc kế nhúng :

Sự cân bằng màu của phương pháp này cũng bằng cách thay đổi chiều dày của lớp

dung dịch

Cách tiến hành hoàn toàn như sắc kí tháo, chỉ khác là thay vì tháo bớt dung dịch để

giảm chiều dày của lớp dung dịch có màu đậm hơn thì ở đây dùng trụ thủy tinh quang

học nhúng sâu vào để giảm chiều dày của lớp dung dịch ở phía dưới

Tương tự phương pháp sắc kí tháo, ta có:

d Phương pháp dùng các thiết bị có màng che :

Theo phương pháp này có sự cân bằng màu được thực hiện bằng màn che (hoặc

bản chắn) để làm giảm cường độ dòng sáng sau khi đi qua dung dịch so sánh Máy so

màu Punfrit hoặc FM-56 dùng phương pháp màn che để cân bằng màu Trong các loại

máy này thường dùng hai cuvet đựng dung dịch màu nghiên cứu hoặc tiêu chuẩn và

dung dịch so sánh, có hai màng che gắn với hai trụ có chia độ theo độ mở của màng

che Vì vậy tuy cân bằng màu bằng mắt nhưng máy cho phép đo T và A nên có thể xác

định các chất bằng các phương pháp khác nhau sau khi đã đo được A Ví dụ dùng

phương pháp mẫu chuẩn ta được :

Ach= ε Cch l và Ax= ε Cch l

Suy ra : C x = C ch A x

3 Phân tích định lượng bằng phương pháp so màu quang điện :

Thiết bị dùng trong phương pháp này là các quang sắc kế cho ánh sáng gần như

đơn sắc, cho phép đo được mật độ quang của dung dịch nghiên cứu và dung dịch

chuẩn so sánh với dung dịch ‘không’ (hay là dung dịch so sánh) Sau đây chúng ta sẽ

3 1 Phương pháp so sánh :

a So sánh với một mẫu chuẩn :

Pha dung dịch màu chuẩn với Cch, pha dung dịch nghiên cứu với Cx

Đo Dx, Dch so sánh với dung dịch so sánh

b So sánh với hai mẫu chuẩn thì kết quả sẽ chính xác hơn :

Pha hai dung dịch chuẩn với Cch1 và Cch2

Pha dung dịch nghiên cứu sao cho Cch1< Cx < Cch2

Lúc đó : Ach1<Ax<Ach2 và ta đo ở điều kiện l = const nên :

=

Suy ra : C x = C ch1 + (C ch2 -C ch1 ) A x -A ch1

Kết quả của phương pháp so sánh càng chính xác nếu :

- Dung dịch màu tuân theo định luật Beer

- So sánh với nhiều mẫu chuẩn

- Các đại lượng Cx và Cch(i) không xa nhau nhiều

- Cch1< Cx < Cch2

Phương pháp này là một dạng khác của phương pháp so sánh, nhưng ở đây cần tínhtrực tiếp đại lượng ε λ và từ đó tính nồng độ của dung dịch nghiên cứu Pha chế các

dung dịch màu chuẩn với Cch(i) trong đó Cch(i) phải tính theo mol/l Do Ai(ch) tương ứng

với cuvet có l(cm) Từ đó suy ra :

ε=

ε=

A ch

Cch lε

1 +ε 2 +ε 3 + +ε n

n

Pha dung dịch màu nghiên cứu với Cx (mol/l) và đo Ax trong cùng cuvet có l(cm) ở

kính lọc đã chọn, để có Ax ta có thể lập lại vài ba lần thí nghiệm này :

A x = ε l Cx hay Cx = A x

ε lPhương pháp này đòi hỏi dung dịch phải tuân theo đinh luật Beer