TT các PP PT CT và đl PT điện hoá

TT Các PP PT CT và ĐL PT Điện hoá 1 GIÁO TRÌNH THỰC TẬP CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VÀ ĐỊNH LƯỢNG Phần 1 Các phương pháp phân tích định lượng bằng công cụ BÀI 7 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CỰC PHỔ Xác định hàm lượng axit ascobic trong quả chanh 7 1 Mục đích thí nghiệm Phương pháp cực phổ là một phương pháp quan trọng và phổ biến trong phân tích điện hóa Nó không những được sử dụng nhiều trong nghiên cứu các quá trình điện hóa, động học các quá trình điện cực, điện tổng hợp mà còn được ứng dụng.

GIÁO TRÌNH THỰC TẬP CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VÀ ĐỊNH LƯỢNG

Phần 1 Các phương pháp phân tích định lượng bằng công cụ BÀI 7: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CỰC PHỔ

Xác định hàm lượng axit ascobic trong quả chanh

7.1 Mục đích thí nghiệm

Phương pháp cực phổ là một phương pháp quan trọng và phổ biến trong phân tích điện hóa Nó không những được sử dụng nhiều trong nghiên cứu các quá trình điện hóa, động học các quá trình điện cực, điện tổng hợp… mà còn được ứng dụng trong phân tích định lượng các chất vô cơ đặc biệt là các kim loại nặng như Cu, Pb, Zn, Cd,

Bi, Ni, As, Se, Sb và các chất hữu cơ ứng dụng trong y dược, thực phẩm, mĩ phẩm…

Ưu điểm của phương pháp cực phổ so với phương pháp quang phổ và phương pháp sắc

kí đó là thiết bị tương đối đơn giản, không đắt, xử lý mẫu đơn giản, tốn ít hóa chất, phân tích nhanh, độ nhạy, độ chọn lọc và độ chính xác cao

Axit ascobic hay còn gọi là vitamin C có nhiều trong các loại nước ép trái cây, sữa trái cây, mứt quả, hoa quả khô, viên uống thực phẩm chức năng, Với khí hậu nhiệt đới ẩm và thổ nhưỡng màu mỡ, Việt Nam ta có nhiều giống cây trồng chứa hàm lượng axit ascobic cao có thể kể đến như cam, chanh, ổi, đu đủ, dứa, là nguồn nguyên liệu cho các nhà máy chế biến và sản xuất Do vậy việc xác định hàm lượng axit ascobic trong giống cây trồng nào, tại vùng nào cao có ý nghĩa kinh tế lớn Do vậy, việc nghiên cứu quy trình xác định axit ascobic trong trái cây đóng vai trò quan trọng

Trong bài thực tập này, sinh viên xác định axit ascobic trong quả chanh bằng phương pháp cực phổ xung vi phân

7.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích

Phương pháp cực phổ là phương pháp điện hóa dựa trên việc nghiên cứu và sử dụng các đường dòng thế được ghi trong những điều kiện đặc biệt như nồng độ của chất phân tích khá nhỏ từ 10-3 M đến n10-6 M trong sự có mặt lượng lớn chất điện li trơ (với nồng độ lớn hơn 100 lần) Như vậy chất điện phân chỉ vận chuyển đến cực bằng quá trình khuếch tán

+ Điện cực làm việc còn gọi là điện cực chỉ thị là một điện cực phân cực có bề mặt rất nhỏ khoảng một vài mm2, trong cực phổ cổ điển người ta dùng điện cực chỉ thị

là điện cực giọt Hg

+ Điện cực so sánh là điện cực không phân cực, đầu tiên người ta dùng điện cực đáy Hg có diện tích bề mặt tương đối lớn, sau đó thay bằng điện cực calomen hay điện cực Ag/AgCl Đặt vào điện cực làm việc điện thế một chiều biến thiên liên tục nhưng tương đối chậm để có thể được coi là không đổi trong quá trình đo dòng I

Tín hiệu đo được của chất điện hoạt trên đường dòng thế (dòng phụ thuộc vào thế) ở dạng sóng được gọi là sóng cực phổ Các đại lượng đặc trưng trên đó là thế bán sóng (E1/2) và chiều cao sóng (h) Trong đó đại lượng thế bán sóng E1/2 phụ thuộc vào bản chất chất điện hoạt, điện cực, nồng độ và bản chất chất nền nhưng không phụ thuộc vào nồng độ chất điện hoạt E1/2 là đại lượng đặc trưng cho mỗi chất chất điện hoạt trong một nền xác định trên điện cực xác định Đây là cơ sở của phương pháp cực phổ định tính Trong khi đó đại lượng chiều cao sóng phụ thuộc một cách tỉ lệ với nồng độ chất điện hoạt, được sử dụng để định lượng hàm lượng chất điện hoạt (chất cần phân tích)

7.2.1 Các loại dòng trong cực phổ và cách loại trừ dòng tụ điện

Một số dòng xuất hiện trong phương pháp cực phổ là dòng khuếch tán, dòng tụ điện, dòng điện di Dòng chúng ta cần đo là dòng khuếch tán, dòng điện di được loại trừ bằng cách thêm chất điện li đủ lớn Dòng tụ điện là dòng không mong muốn, gây bất hại cho dòng khuếch tán, làm sai lệch sóng cực phổ nên giảm độ nhạy của phép đo

đi rất nhiều Chính vì vậy, các nhà khoa học đã nghiên cứu để triệt tiêu dòng tụ điện bằng phương pháp bổ chính nền và phương pháp chọn thời gian ghi

Chính vì vậy, trong phương pháp cực phổ hiện đại bằng kỹ thuật chọn thời gian ghi đã triệt tiêu được dòng tụ điện Đó là các kỹ thuật xung vi phân, sóng vuông, xung thường, xoay chiều

7.2.2 Các kỹ thuật ghi đo trong phương pháp cực phổ, phương pháp von-ampe hòa tan

- Trong phương pháp cực phổ dòng một chiều hay còn gọi là cực phổ cổ điển (DC), điện thế không đổi được áp vào trong suốt thời gian giọt rơi Đường biểu diễn dòng-thế được xây dựng trên cơ sở áp một dãy các bước thế khác nhau, mỗi bước thế

sẽ đồng bộ với một chu kỳ giọt rơi Tuy nhiên, trong hầu hết các thiết bị đều áp thế thay đổi tuyến tính với một tốc độ đủ chậm để sự thay đổi thế trong suốt thời gian giọt rơi là khoảng vài mili Von Dòng điện được đo ở cuối mỗi chu kỳ giọt

- Trong phương pháp cực phổ xung biến đổi đều (NP), điện cực giọt được phân cực bằng điện áp một chiều chọn trước và giữ không đổi trong suốt quá trình đo, điện

áp này được gọi là điện áp khởi điểm (Ein), tại đó không có phản ứng điện hóa nào xảy

ra dưới điều kiện thí nghiệm đã cho Điện thế Ep được áp vào cuối chu kỳ giọt trong khoảng thời gian ngắn tp (khoảng vài mili giây) Các giá trị của Ein và tp được giữ không đổi trong suốt quá trình ghi cực phổ đồ, còn Ep sẽ thay đổi giữa các chu kỳ giọt (biên

độ xung tăng dần theo thời gian với một tốc độ đều, giống như tốc độ quét thế tuyến tính trong cực phổ cổ điển) (Hình 7.1)

- Phương pháp cực phổ xung vi phân (DP): Trong DP, điện cực được phân cực

bằng một điện áp một chiều biến đổi đều (từng bước một) và thêm vào cuối mỗi chu kỳ

giọt một xung vuông góc với biên độ thay đổi (từ 10-100 mV) trong khoảng thời gian

ngắn (40-100 ms) như minh họa trong hình 4.1 Cường độ dòng cực phổ được ghi hai

lần trong một chu kỳ giọt: lần một tại t1, ngay trước khi nạp xung, và lần 2 tại t, ngay

trước khi giọt rơi Cực phổ đồ thể hiện hiệu số của hai giá trị đó Di = i(t) - i(t1) theo giá

trị thế nền Eb Đường cực phổ có dạng một píc cực đại, chiều cao píc tỉ lệ thuận với

nồng độ của chất phân tích

Hình 7.1 Một số kỹ thuật ghi tín hiệu trong phương pháp cực phổ

(a) Quy trình áp thế trong một cực phổ đồ (b) Quy trình áp thế trong một chu kỳ giọt ( thời điểm đo cường độ dòng)

(c) Dạng đường dòng - thế tương ứng với các kỹ thuật đo khác nhau của dung dịch Zn 2+ 1 mM trong KNO 3 1 M

- Phương pháp cực phổ sóng vuông (SqW) có độ nhạy cao và giới hạn phát hiện

thấp Tương tự như DP, điện cực giọt thủy ngân được phân cực bởi một điện áp một

-1.3 -1.2 -1.1 -1.0 -0.9 -0.8 -0.7 0 10 20 30

E, V vs SCE

0 10 20 30 40

SW

DP

0 50 100 150

0.0 2.5 5.0 7.5 10.0

NP

DC

c

~ ~

~ ~

~ ~

~ ~

~ ~

~ ~

DC

NP

DP

SW

drop

fall

drop fall

drop

1-50ms 0.5-5s

10-200Hz

2-5mV

2-5mV

2-5mV

2-5mV 10-100mV

DE = 10 - 100mV

t

có tần số khoảng 200 Hz và biên độ trong khoảng 1-50 mV Thế bắt đầu được áp vào chỉ vài giây sau khi giọt sinh ra nhằm tận dụng thời điểm diện tích bề mặt lớn hơn của giọt thủy ngân Hiệu số cường độ dòng điện được đo trước và sau khi áp xung Cực phổ

đồ thu được chỉ trong vài giây, ngắn hơn nhiều so với các kỹ thuật khác

Như vậy, trong phương pháp von- ampe hòa tan, tương ứng với kỹ thuật ghi đo nào ta sẽ có phương pháp von-ampe hòa tan catot (anot) xung vi phân (sóng vuông) tương ứng

Tín hiệu đo được trong phương pháp cực phổ hiện đại có dạng píc nên độ nhạy

và độ chọn lọc tăng lên rất nhiều Nhiều nghiên cứu và ứng dụng trong phân tích được

mở rộng

7.3 Nguyên tắc của phép phân tích

Trong môi trường axit yếu, axit ascobic là chất dễ bị oxy hóa khi phân cực anot theo phản ứng điện hóa sau:

Axit ascorbic Dạng đề hydro của axit ascobic

Phương trình để định lượng hàm lượng axit ascobic: I = KCx trong đó I là tín hiệu cường độ dòng, Cx là nồng độ axit ascobic trong mẫu Hàm lượng axit ascobic trong mẫu được xác định bằng phương pháp đường chuẩn hay thêm chuẩn

7.4 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị

7.4.1 Hóa chất

- Dung dịch chuẩn axit ascobic 0,1 M

- Dung dịch đệm axetat (CH3COOH 0,5M + CH3COONa 0,5M) pH = 4,6

7.4.2 Thiết bị

Thiết bị phân tích điện hoá đa năng Autolab ghép nối với thiết bị tính, phần mềm

757VA Computrace

Hệ đo gồm 3 điện cực của Metrohm:

Điện cực làm việc: Giọt thuỷ ngân Điện cực phụ trợ: thanh các bon Điện cực so sánh: Ag/AgCl

HO

HO

HO

+ 2H

Hình 7.2 Hệ đo của phương pháp von-ampe (1- Điện cực làm việc HMDE;

2- Điện cực so sánh Ag/AgCl/KCl 3M; 3- Điện cực phụ trợ là thanh cacbon)

Chú ý: Kiểm tra các điện cực (HMDE, Ag/AgCl/KCl 3M), khí nito (ít nhất 1 atm) trước

khi tiến hành đo Rửa, tráng kĩ hệ điện cực bằng nước cất 2 lần

Các bước tiến hành trên thiết bị đo sau khi chuẩn bị xong dung dịch đo:

+ Bật thiết bị tính và bật “ON” hai nút ở bộ phận điều khiển

+ Mở phần mềm chạy chương trình 757 computrace

+ Mở cửa sổ đặt các thông số đo và cửa sổ tín hiệu đo hiển thị (các thông số xem Hình 7.3)

+ Tráng rửa bình điện phân cẩn thận, cho dung dịch đo vào (25,0 mL)

+ Ấn nút chạy start để bắt đầu đo

+ Lưu kết quả vào thiết bị tính (save file)

+ Vào signal bên Exploratory curves để đo giá trị cường độ dòng và thế đỉnh píc (chọn peak search)

Hình 7.3 Cửa sổ đo xác định axit ascobic bằng phương pháp cực phổ xung vi phân

7.5 Nội dung thí nghiệm

7.5.1 Tối ưu hóa các điều kiện xác định axit ascobic trong quả chanh

Thành phần dung dịch đo: Lấy vào bình định mức 2,5 mL dung dịch đệm axetat 0,5 M và 2,5 mL dung dịch chuẩn axit ascobic 0,001 M rồi dùng nước cất định mức đến vạch bình 25,0 mL, lắc đều Cho hết dung dịch vào bình điện hóa, các điện cực được đặt vào dung dịch đo, sục khí N2 vào dung dịch đo 05 phút

Ghi cực phổ xung thường (NP), cực phổ dòng một chiều (DC Sampled), cực phổ xung

vi phân (DPP), cực phổ sóng vuông (SqW) của các dung dịch này với các điều kiện như sau:

Thế ban đầu: -150 mV Thế kết thúc: +200 mV Bước thế 0,001V

Biên độ xung: 20mV Tốc độ quét: 25 mV/s

Từ các đường cực phổ thu được, cho nhận xét về các giá trị thu được

7.5.2 Xây dựng đường chuẩn xác định axit ascobic bằng phương pháp cực phổ sóng vuông

Chuẩn bị 5 bình định mức 25,0 mL để pha 5 dung dịch chuẩn Thêm vào mỗi bình định mức này 2,5 ml dung dịch đệm axetat 0,5 M và các thể tích khác nhau của dung dịch chuẩn axit ascobic sao cho nồng độ axit ascobic trong dung dịch đo từ 5.10-6 M đến 1.10-4 M Dùng nước cất định mức đến vạch, lắc đều Sau đó cho dung dịch đó vào bình điện hóa, và chọn kỹ thuật đo sóng vuông để ghi tín hiệu với các điều kiện: Thời gian sục khí nito 300s, thế bắt đầu quét -150 mV, thế kết thúc: +200 mV, biên độ xung:

20 mV, tốc độ quét: 100 mV/s Đo giá trị cường độ dòng píc phụ thuộc vào nồng độ axit ascobic, dựng đường chuẩn, đánh giá kết quả đo được

7.5.3 Xác định axit ascobic trong quả chanh bằng phương pháp thêm chuẩn

Vắt quả chanh lấy khoảng 10 mL nước ép, lọc qua giấy lọc kích thước 1 mm Lấy 0,5 mL nước ép chanh sau khi đã lọc cho vào bình định mức 25,0 mL, thêm vào đó 5,0 mL dung dịch đệm axetat 0,5 M Định mức đến vạch, lắc đều, cho vào bình điện hóa và tiến hành đo với các điều kiện như trong xây dựng đường chuẩn Từ giá trị cường độ dòng thu được, áp vào đường chuẩn xem khoảng nồng độ axit ascobic trong dung dịch đo bao nhiêu Trên cơ sở đó, tiến hành xác định hàm lượng axit ascobic trong quả chanh bằng phương pháp thêm chuẩn với các điều kiện tương tự như đo mẫu Kết quả đo cường độ dòng của axit ascobic trong chanh được ghi vào Bảng 7.1:

Bảng 7.1 Kết quả đo cường độ dòng mẫu theo phương pháp thêm chuẩn

STT Bình 1 Bình 2 Bình 3 Bình 4 Bình 5

V nước ép chanh (mL) 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

Cường độ dòng I (A) Ix Ix+1 Ix+2 Ix+3 Ix+4

Chú ý: Cường độ dòng của Ix+4 lớn gần gấp đôi giá trị cường độ dòng của mẫu (~ 2

Ix)

7.6 Câu hỏi chuẩn bị bài

Câu 1 Vai trò của dung dịch đệm axetat trong dung dịch đo, có thể thay thế được bằng

các dung dịch chất khác không? Tại sao?

Câu 2 Tại sao phải loại trừ oxi hoà tan trong dung dịch đo? Các cách loại trừ?

Câu 3 Hạn chế của phương pháp cực phổ so với phương pháp von-ampe hòa tan?

7.7 Tường trình thí nghiệm

• So sánh các đường cực phổ ghi được, giải thích các kỹ thuật ghi đo đường cực phổ

• Xây dựng đường chuẩn xác định axit ascobic bằng phương pháp cực phổ sóng vuông, đánh giá kết quả đo được về độ đúng và độ chính xác

• Khi xác định hàm lượng axit ascobic trong quả chanh, các yếu tố nào có thể ảnh hưởng đến kết quả xác định hàm lượng axit ascobic trong quả chanh?

• Đường chuẩn xác định axit ascobic có tuyến tính không? Có bị sai số hệ thống không? Nguyên nhân và cách khắc phục?

• Tín hiệu cường độ dòng đo được có dạng gì? Có gì khác so với phương pháp cực phổ cổ điển?

• Đo dịch chiết chanh không lọc có được không? Tại sao việc định lượng axit chanh được tiến hành theo phương pháp thêm chuẩn?

• Đề xuất các quy trình xác định axit ascobic trong mẫu chanh, so sánh giữa các phương pháp đó

Tài liệu tham khảo

1 Từ Vọng Nghi, Trần Chương Huyến, Phạm Luận (1990), Một số phương pháp phân tích điện hóa hiện đại, (Tài liệu giảng dạy của chương trình VH2, Đại học tổng hợp Hà Nội

2 Douglas A.Skoog, F.James Holler, Stanley R Crouch, Princples of instrumental Analysis, Sixth edition, chapter 25

3 Bond A.M (1980), Modern polarographic methods in analytical chemistry, New York

4 Bard A.J., Faulkner L.R (2000), “Electrochemical method, Fundamentals and applicationS, USA

5 Wang J (2000), Analytical electrochemistry, VCH publishers Inc., USA

BÀI 8: PHƯƠNG PHÁP VON-AMPE HÒA TAN Xác định hàm lượng Pb 2+ , Cd 2+ , Zn 2+ , Cu 2+ trong mẫu nước mặt

8.1 Mục đích thí nghiệm

Hiện nay nguồn nước đang bị nhiễm kim loại nặng khá trầm trọng, nguyên nhân

là do nước thải công nghiệp và nước thải độc hại không xử lý hoặc xử lý không đạt yêu cầu đổ thẳng trực tiếp vào nguồn nước (ao, hồ, sông…) Ô nhiễm nước bởi kim loại nặng có tác động tiêu cực tới môi trường sống của sinh vật và con người Kim loại nặng tích lũy theo chuỗi thức ăn đi vào cơ thể người Mặt khác, khi nước mặt bị ô nhiễm sẽ lan truyền các chất ô nhiễm vào nước ngầm, vào đất và các thành phần môi trường liên quan khác Để hạn chế ô nhiễm nước, cần phải tăng cường biện pháp xử lý nước thải công nghiệp, quản lý tốt vật nuôi trong môi trường có nguy cơ bị ô nhiễm như nuôi cá, trồng rau bằng nguồn nước thải Để kiểm soát được chất lượng môi trường nước cần có phương pháp phân tích đơn giản, hiệu quả kinh tế, chính xác, chọn lọc Do vậy, phương pháp von-ampe hòa tan anot được lựa chọn để xác định một số kim loại nặng độc hại trong mẫu nước mặt

8.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích

Phương pháp von-ampe là nhóm các phương pháp quan trọng nhất trong phân tích điện hóa, là phương pháp có độ nhạy và độ chọn lọc cao Đây là phương pháp phân tích dựa vào việc nghiên cứu đường cong von-ampe hay còn gọi là đường cong phân cực, là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dòng điện vào điện thế khi tiến hành điện phân dung dịch phân tích Trong quá trình điện phân, các chất điện hoạt (các chất phân tích) khuếch tán từ trong lòng dung dịch đến bề mặt điện cực làm việc và xảy

ra quá trình khử (hay oxi hoá) Để thực hiện quá trình này, thường sử dụng hệ đo ba điện cực:

- Điện cực làm việc (WE): Điện cực làm việc là điện cực trên đó xảy ra phản ứng oxi hóa (hoặc khử) chất cần phân tích Điện cực làm việc có thể là điện cực thuỷ ngân tĩnh (SMDE), điện cực giọt thuỷ ngân treo (HMDE), điện cực đĩa quay (RDE), điện cực rắn (SSE)

- Điện cực so sánh (RE): Điện cực so sánh là điện cực có thế không đổi trong suốt quá trình đo, thường sử dụng điện cực calomen hoặc điện cực bạc clorua

- Điện cực phụ trợ (AE): Điện cực phụ trợ được lắp thêm vào để giúp cho quá trình điện phân đảm bảo ở thế không đổi, thường sử dụng điện cực platin (Pt), điện cực thanh cacbon

8.2.1 Phương pháp von-ampe vòng (CV)

Phương pháp von-ampe vòng là cơ sở để nghiên cứu tính chất điện hóa của một chất mới và lựa chọn phương pháp phân tích điện hóa phù hợp Qua đường von-ampe vòng sẽ cung cấp cho chúng ta thông tin về các đặc tính điện hóa của đối tượng nghiên cứu như tính oxy hóa khử, tính thuận nghịch, khả năng làm giàu trên điện cực làm việc

và là cơ sở để tính toán các thông số động học của đối tượng cần nghiên cứu

Hình 8.1 Đường cong von-ampe vòng của quá trình oxi hóa - khử của chất điện hoạt

Hình 8.1 cho thấy, trên đường phân cực catot xuất hiện píc khử và trên đường phân cực anot đều xuất hiện píc oxi hóa, tín hiệu cường độ dòng của píc khử, píc oxi hóa là tương đương và thế đỉnh píc đối xứng nhau Điều này có thể khẳng định chất điện hoạt nghiên cứu là chất thuận nghịch

Đường von-ampe vòng phụ thuộc rất nhiều vào cơ chế của quá trình điện cực Khi đảo phân cực, động học của sự chuyển electron đến và từ điện cực là rất nhanh và các dạng oxi hóa và khử đều ổn định Trong trường hợp này, giá trị trung bình của Epc và

Epa là giá trị cơ bản E0’, và Epc và Epa cách nhau khoảng 60/n mV Cả hai điện thế này đều không phụ thuộc vào tốc độ quét và nồng độ Cường độ dòng điện của píc thu được tuân theo phương trình Randles-Sevcik:

I = (2,69 x 105) n3/2 A D1/2 v1/2 C*

Trong đó:

I: cường độ dòng điện (ampe),

n: số electron trao đổi trong phân tử chất điện phân,

A: diện tích bề mặt điện cực (cm2),

D: hệ số khuếch tán của các chất điện hoạt (cm2/s),

v: tốc độ quét (V/s),