PHÂN TÍCH BẰNG CÔNG CỤ pot

Mở đầu Trước kia, thuật ngữ “quang phổ” đề cập tới một nhánh của khoa học ở đó ánh sáng đó là các bức xạ nhìn thấy được phân giải thành các bước sóng của nó để tạo thành phổ, được biểu

CH3320 PHÂN TÍCH BẰNG CÔNG CỤ

Phần 1 Các phương pháp phân tích quang học 2

Chương 1 Mở đầu 2

1.1 Mở đầu 2

1.2 Tính chất cơ bản của bức xạ điện từ 2

1.2.1 Tính chất sóng của bức xạ điện từ 3

1.2.2 Tính chất hạt của bức xạ điện từ 5

1.3 Phổ bức xạ điện từ 5

Chương 2 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử 6

2.1 Sự hình thành phổ phân tử 6

2.1.1 Sự hấp thụ bức xạ điện từ và sự hình thành các loại phổ hấp thụ phân tử 6

2.1.2 Phổ hấp thụ 8

2.2 Định luật cơ bản về hấp thụ bức xạ điện từ 9

2.2.1 Định luật Lambert-Beer 9

2.2.2 Tính chất cộng tính của độ hấp thụ quang 11

2.2.3 Các yếu tố làm sai lệch định luật Lambert-Beer 12

2.2.4 Độ chính xác của phép đo độ hấp thụ và phép đo nồng độ 13

2.2.5 Điều kiện để tiến hành phân tích đo quang UV-VIS 13

2.3 Các thủ tục thực nghiệm trong phân tích đo quang 14

2.3.1 Phương pháp đường chuẩn 14

2.3.2 Phương pháp tính 15

2.3.3 Phương pháp thêm tiêu chuẩn 15

2.4 Phương pháp đo quang vi sai 15

2.5 Thiết bị quang phổ hấp thụ phân tử 17

2.5.1 Sơ đồ thiết bị 17

2.5.2 Nguồn sáng 17

2.5.3 Bộ tán sắc: 18

2.5.4 Cuvet đựng mẫu 21

2.5.5 Detector 21

2.6 Một số ứng dụng phương pháp đo quang 22

2.6.1 Phân tích các chất trong hỗn hợp 22

2.6.2 Xác định thành phần phức chất trong dung dịch bằng phương pháp dãy đồng phân tử gam (phương pháp biến thiên liên tục_Continuous Variation) 24 2.6.3 Xác định thành phần phức chất trong dung dịch bằng phương pháp đường cong bão hòa (mole-ratio method) 26

Phần 1 Các phương pháp phân tích quang học

Chương 1 Mở đầu

1.1 Mở đầu

Trước kia, thuật ngữ “quang phổ” đề cập tới một nhánh của khoa học ở đó ánh sáng (đó

là các bức xạ nhìn thấy) được phân giải thành các bước sóng của nó để tạo thành phổ, được biểu diễn dưới dạng hàm của cường độ bức xạ và bước sóng hoặc tần số Ngày nay,

ý nghĩa của quang phổ được mở rộng bao gồm việc nghiên cứu không chỉ ở trong vùng trông thấy mà còn các loại phổ điện từ khác, chẳng hạn như phổ tia X, phổ tử ngoại, hồng ngoại, sóng viba và radio Thực tế, việc sử dụng hiện nay mở rộng ý nghĩa của quang phổ

ra hơn cả việc bao gồm các kỹ thuật mà không bao gồm bức xạ điện từ, ví dụ như phổ âm thanh, phổ khối và phổ điện tử

Quang phổ đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển lý thuyết nguyên tử hiện đại Ngoài ra, các phương pháp phổ hóa cung cấp công cụ sử dụng rộng rãi cho việc dự đoán cấu trúc của các phần tử phân tử cũng như việc xác định định tính và định lượng các hợp chất vô cơ và hữu cơ

Chương mở đầu này giới thiệu các tính chất của bức xạ điện từ và sự tương tác đa dạng trong vấn đề này

1.2 Tính chất cơ bản của bức xạ điện từ

Bức xạ điện từ là một dạng năng lượng tồn tại ở rất nhiều dạng hình thức, dạng có thể dễ dàng nhận ra là ánh sáng vùng trông thấy và bức xạ nhiệt Biểu hiện ít rõ ràng hơn bao gồm tia gamma, tia X, tử ngoại, viba, và bức xạ tần số radio Nhiều tính chất của bức xạ điện từ là thuận tiện được mô tả bởi mô hình cổ điển dạng sóng hình sin, cái mà được sử dụng các tham số như bước sóng, tần số, vận tốc và biện độ Ngược với hiện tượng sóng,

chẳng hạn âm thanh, bức xạ điện từ không đòi hỏi môi trường khi truyền và nó có thể dễ dàng truyền qua môi trường chân không

Mô hình sóng bị lỗi khi tính tới hiện tượng hấp thụ và phát xạ bức xạ điện từ Để hiểu các quá trình này, cần thiết sử dụng mô hình hạt, trong đó bức xạ điện từ được xem như là một dòng của các hạt rời rạc hay các gói sóng của năng lượng được gọi là photon với năng lượng của một photon tỉ lệ với tần số của bức xạ Mô hình kép bức xạ vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt không loại trừ lần nhau mà còn bổ sung cho nhau Thực

tế, mô hình kép được tìm thấy để ứng dụng cho tính chất của các dòng điện tử và các hạt thứ cấp chẳng hạn như proton và mô hình kép là hoàn toàn hợp lý với cơ chế sóng

1.2.1 Tính chất sóng của bức xạ điện từ

Hình 1-1: Thành phần điện trường và từ trường

Theo mô hình sóng, bức xạ điện từ là những dao động có hai thành phần điện trường và

từ trường làm truyền theo một phương Các thành phần điện trường và từ trường vuông góc với nhau và được biểu diễn bằng các sóng phân cực phẳng (hình 1-1)

Các tham số sóng:

Cường độ A của sóng hình sin được chỉ trên hình vẽ (1-1) và biểu diễn là độ dài của vectơ ở cực đại của sóng

Tần số ν là số dao động mà bức xạ điện từ thực hiện trong một giây

Bước sóng λ là quãng đường giữa hai điểm cân bằng bất kỳ mà bức xạ điện từ đi qua (khoảng cách giữa hai cực đại hay cực tiểu)

Vận tốc truyền bức xạ điện từ vi (m/s) là tích số giữa tần số ν và bước sóng λ (tính bằng m):

Vận tốc của bức xạ điện từ phụ thuộc vào thành phần của môi trường mà bức xạ điện từ

đi qua Chỉ số dưới diễn tả môi trường mà nó truyền qua

Trong môi trường chân không, vận tốc của bức xạ điện từ trở nên không phụ thuộc vào bước sóng và nó đạt cực đại Vận tốc này được ký hiệu là c, và được xác định bằng 2,99792.10-8 m/s Điều đáng chú ý là vận tốc của bức xạ điện từ trong không khí chỉ khác rất ít (khoảng 0,03% nhỏ hơn) vận tốc ánh sáng trong chân không Trong các trường hợp này phương trình (1-1) có thể viết dưới dạng:

Trong các môi trường khác, vận tốc của bức xạ điện từ bị chậm lại do sự tương tác giữa trường điện từ của bức xạ và các electron xung quanh các nguyên tử hay phân tử có mặt trong môi trường Do tần số của bức xạ là bất biến và cố định bởi nguồn, bước sóng sẽ phải giảm khi bức xạ từ môi trường chân không sang môi trường khác Hiệu ứng này được minh họa ở hình 1-2 cho tia bức xạ ở vùng trông thấy Chú ý là bước sóng bị ngắn lại gần 200 nm (hơn 30%) khi đi qua thủy tinh và ngược lại nó lại dài ra khi bức xạ đi tới môi trường không khí

Hình 1.2 Sự thay đổi bước sóng khi bxđt truyền từ không khí qua thủy tính và truyền trở

lại không khí

Số sóng, , được định nghĩa là nghịch đảo của bước sóng (tính bằng đơn vị cm) là một cách khác để mô tả bức xạ điện từ Đơn vị của số sóng là cm-1

Số sóng được sử dụng rộng rãi trong phổ hồng ngoại Số sóng là một đơn vị thuận tiện,

vì ngược với bước sóng, nó tỉ lệ thuận với tần số (do vậy tỉ lệ với năng lượng) của bức

xạ Như vậy, ta có thể viết:

ở đây, k là hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào môi trường và về giá trị là nghịch đảo của vận tốc

Ví dụ: Tính số sóng của tia bức xạ hồng ngoại với bước sóng là 5,00 μm

Chú ý là số sóng giống như tần số, tỉ lệ thuận với năng lượng

Ví dụ: Tính năng lượng photon (J) của bức xạ điện từ nếu biết = 2000 cm-1

Hình 1-3 Mỗi một màu sắc tương ứng với một bước sóng ánh sáng khác nhau

Các sóng của phổ bức xạ điện từ thay đổi độ dài trong một phạm vi vô cùng rộng, từ bước sóng dài như kích thước của tòa nhà là sóng radio, đến vô cùng ngắn như hạt nhân của một nguyên tử là tia γ (hình 1-4)

Hình 1-4.Thang đo bước xạ điện từ

Chương 2 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

2.1 Sự hình thành phổ phân tử

2.1.1 Sự hấp thụ bức xạ điện từ và sự hình thành các loại phổ hấp thụ phân tử

Một trong những khái niệm quan trọng từ cơ học lượng tử cần thiết cho sự hiểu biết về

sự hấp phụ hay phát xạ phân tử là năng lượng phải được lượng tử hóa Nói cách khác, các phân tử có thể tồn tại ở các trạng thái lượng tử cụ thể và mỗi trạng thái lượng tử được gán một năng lượng Năng lượng phân tử được lưu giữ có thể coi là tống năng lượng lưu trữ của ba dạng: quay, dao động và điện tử

Trong điều kiện bình thường, các phân tử tồn tại ở trạng thái năng lượng thấp nhất (năng lượng cơ bản) Khi phân tử nhận năng lượng, ví dụ khi phân tử hấp thụ bức xạ

điện từ, phân tử có thể chuyển sang mức năng lượng cao hơn ứng với trạng thái kích thích của phân tử Phân tử chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích trong khoảng thời gian rất ngắn (10-6-10-9s) và quay trở lại trạng thái cơ bản

Quá trình phát xạ là quá trình một phân tử chuyển trạng thái lượng tử cao hơn sang thấp hơn và thoát ra một photon Quá trình hấp thụ là một quá trình một phân tử chuyển từ trạng thái lượng tử thấp hơn sang cao hơn và hấp thụ một photon

Sự thay đổi trạng thái lượng tử của phân tử sẽ dẫn đến sự biến thiên năng lượng ΔE của phân từ tuân theo định luật Planck

Do năng lượng phân tử được lưu giữ dưới ba dạng: quay, dao động và điện tử nên:

Như vậy, do hiện tượng hấp phụ bức xạ điện từ của phân tử gây nên các bước chuyển năng lượng quay, dao động và điện tử của phân tử và là nguồn gốc của các loại phổ hấp thụ phân tử mà chúng ta sẽ nghiên cứu ở các chương tiếp theo

Hình 2-1 Sự dịch chuyển điện tử ở trạng thái năng lượng lượng tử của một nguyên tử tạo ra sự

phát xạ của một photon

2.1.2 Phổ hấp thụ

Phổ hấp thụ mô tả các tính chất hấp thụ của các hạt, nó được biểu diễn ở dạng hàm sự giảm cường độ tia bức xạ điện từ và bước sóng (hay tần số, hay số sóng) Hai đại lượng thường được sử dụng để định lượng sự giảm cường độ tia bức xạ điện từ là độ truyền quang và độ hấp thụ

Độ truyền quang

Ánh sáng đơn sắc (bước sóng λ thuộc miền tử ngoại và trông thấy) có cường độ Io chiếu qua cuvet đựng mẫu dung dịch có nồng độ C, có bề dày là b, khi ánh sáng đi qua khỏi cuvet có cường độ là I, một phần ánh sáng bị hấp thụ bởi mẫu bởi vậy I≤Io

Tỉ số giữa cường độ ánh sáng đi qua mẫu và cường độ ánh sáng ban đầu được gọi là độ truyền quang T

- Nếu chỉ có 1% ánh sáng được truyền quang, A = 2

(Độ hấp thụ A đôi khi còn gọi là mật độ quang – optical density)

Giả sử chúng ta liên tục theo dõi và đo độ hấp thụ của dung dịch nghiên cứu có nồng độ

C khi tăng dần bước sóng tia tới về phía sóng dài và xây dựng nên đồ thị mối quan hệ A-λ thì đường cong A=f(λ) được gọi là phổ hấp thụ Đồ thị A=f(λ) thường có dạng hình chuông úp (hình Gauxơ) (hình 2-2)

Hình 2-2 Phổ hấp thụ của chất A ở dạng dung dịch

Cực đại Amax ứng với giá trị λmax gọi là cực đại hấp thụ, λmax chỉ phụ thuộc vào bản chất dung dịch, có thể dùng trong phân tích định tính

Khi tiến hành phân tích theo phương pháp quang phổ đo quang người ta thường chọn

đo độ hấp thụ A của dung dịch nghiên cứu tại λmax bởi vì việc đo A ở λmax sẽ cho ta kết quả phân tích có độ nhạy và độ chính xác cao nhất

2.2 Định luật cơ bản về hấp thụ bức xạ điện từ

2.2.1 Định luật Lambert-Beer

Định luật Lambert – Beer

Độ hấp thụ A là một đại lượng không thứ nguyên Nồng độ của mẫu thường được sử dụng đơn vị

là mol/l Chiều dày của cuvet đựng mẫu b, thường được mô tả bằng cm Đại lượng ε gọi là độ hấp thụ mol (hay còn gọi là hệ số tắt phân tử) và có đơn vị là M -1 cm -1 , bởi vậy tích số εbC là không thứ nguyên Phương trình (2-5) mang tên định luật Bouger – Lambert – Beer

Trong phân tích đo quang, với dung dịch phân tích xác định, bước sóng tia tới là đơn sắc thì ε là xác định, người ta luôn có thể chọn b xác định nên định luật hấp thụ ánh sáng có thể viết dưới dạng:

Phương pháp phân tích đo quang định lượng được đặt trên cơ sở phương trình (2-6)

Chứng minh định luật Lambert – Beer

(Để trả lời cho câu hỏi tại sao mối quan hệ giữa độ truyền quang T và nồng độ lại tuân theo mối quan hệ logarit)

Hình 2-3 Chứng minh định luật Bouger – Lambert – Beer

Bằng trực giác ta nhận thấy rằng, khi ánh sáng đi qua dung dịch, ánh sáng bị hấp thụ nhiều hay ít phụ thuộc vào số phân tử mà nó gặp, mà số phần tử đó lại phụ thuộc quãng đường và nồng độ Bây giờ ta sẽ chứng minh bằng toán học

Chúng ta hãy tưởng tượng chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc có cường độ I đi qua một lớp mỏng của dung dịch có bề dày dx, ánh sáng bị hấp thụ và cường độ của nó giảm đi là

–dI

ở đây β là hệ số tỉ lệ và dấu âm chỉ sự giảm cường độ I khi x tăng

Biến đổi phương trình (2-7) và lấy tích phân đối với I ta có:

Nếu một dung dịch gồm chất nghiên cứu và tạp chất thì độ hấp thụ:

Adung dịch = Anghiên cứu + Anền

Trong phân tích đo quang chúng ta chuẩn bị dung dịch trống chứa các tạp chất, có nghĩa là:

Atrống = Anền (do không có mặt ion cần xác định)

Và Anghiên cứu = Adung dịch - Atrống

Như vậy, trong phân tích đo quang bằng việc sử dụng dung dịch trống, giá trị A đo được

sẽ phản ánh đúng nồng độ chất nghiên cứu, nói cách khác phương trình (2-6) được tuân theo chặt chẽ

2.2.3 Các yếu tố làm sai lệch định luật Lambert-Beer

Định luật Lambert-Beer có thể bị sai lệch do nhiều nguyên nhân vật lý và hóa lý, điều đó ảnh hưởng đến tính đúng đắn của phương trình (2-5), tức là ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả phân tích thu được theo phương pháp quang phổ đo quang

- Tính đơn sắc của ánh sáng tới: Như ta đã biết định luật Lambert-Beer chỉ đúng với bức

xạ điện từ đơn sắc xác định Nếu ta đo độ hấp thụ của dung dịch bằng một chùm tia đa sắc thì định luật Lambert-Beer không còn đúng nữa, dẫn đến phá vỡ tính đúng đắn của phương trình (2-5)

- Định luật có thể bị thay đổi với một số điều kiện hóa lý của dung dịch nghiên cứu Ví dụ,

sự có mặt của ion lạ làm biến dạng các phân tử hấp thụ ánh sáng, làm thay đổi phổ hấp thụ của chất nghiên cứu

Khi thay đổi nồng độ chất nghiên cứu làm thay đổi khả năng hấp thụ của các phân tử Khi thay đổi nồng độ H+ của dung dịch nghiên cứu có thể làm thay đổi dạng tồn tại của hợp chất Ví dụ, với ion CrO42- khi tăng nồng độ [H+] có thể tạo thành ion Cr2O72- theo phản ứng:

2 CrO42- + 2H+ ⇋ Cr2O72- + 2H2O

Làm thay đổi miền bức xạ điện từ bị hấp thụ

Ví dụ, phức Fe 3+ với axit sunphosalysylic tùy thuộc pH mà tạo phức có miền phổ hấp thụ khác nhau

[Fe(Saly)] + ở pH = 1,8-2,5 λ max = 510 nm

[Fe(Saly) 2 ] - ở pH = 4-8 λ max = 480 nm

[Fe(Saly) 3 ] 3- ở pH = 8-11 λ max = 420 nm

- Khi thay đổi dung môi có thể làm thay đổi khả năng hấp thụ của chất nghiên cứu, do thay đổi

độ solvat, do đó có thể làm thay đổi khả năng hấp thụ ánh sáng của chất nghiên cứu

2.2.4 Độ chính xác của phép đo độ hấp thụ và phép đo nồng độ

Từ hệ thức A =log = lg (với T là độ truyền quang có giá trị từ 0-100%), nên với mỗi máy đo nào đó, với mỗi phép đo độ truyền quang T gây nên sai số dT thì sẽ gây nên các sai số dA tương ứng khác nhau tùy thuộc dA tương ứng với miền nào của giá trị T đo được Mà A lại phụ thuộc tuyến tính với C nên kết quả là cùng với một sai số dT của máy, tại các miền đo khác nhau có thể gây sai số dC khác nhau và do đó sai số sẽ khác nhau

Vì ΔT ≠ 0, nên rõ ràng (lnT+1) = 0 Từ đó lnT = 2,3logT = -1 và –logT = A = 0,435

Vậy với giá trị độ hấp thụ A = 0,435 thì phép đo sẽ cho giá trị chính xác nhất trong phép xác định nồng độ C của chất nghiên cứu

2.2.5 Điều kiện để tiến hành phân tích đo quang UV-VIS

Điều kiện để có thể tiến hành phân tích đo quang là phải tạo được các hợp chất có hiệu ứng hấp thụ bức xạ điện từ trong miền tử ngoại hoặc trông thấy Để có hiệu ứng phổ hấp

thụ trong miền trông thấy, thông thường người ta tạo hợp chất màu bằng phản ứng oxy hóa khử hoặc phản ứng tạo phức Đối với phản ứng oxy hóa khử trong phân tích đo quang thường xảy ra thực tế hoàn toàn (ví dụ như phản ứng oxy hóa Mn2+ thành MnO4-) Đối với các phản ứng tạo phức thì tình hình phức tạp hơn nhiều Phản ứng tạo phức chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: quá trình tạo phức nhiều cấp, H+, hằng số bền

2.3 Các thủ tục thực nghiệm trong phân tích đo quang

Theo phương trình (2-6) mối quan hệ giữa A và C là tuyến tính Để xác định nồng độ trong phương pháp đo quang chúng ta phải xác định hằng số K trong phương trình này

Có ba cách xác định hằng số K: phương pháp đường chuẩn, phương pháp tính và phương pháp thêm tiêu chuẩn

2.3.1 Phương pháp đường chuẩn

Trước hết chúng ta pha chế các dung dịch có nồng độ chính xác C1, C2, C3, , xác lập các điều kiện để tạo các hợp chất có hiệu ứng phổ hấp thụ bức xạ điện từ ở λmax chọn trước

Đo độ hấp thụ tương ứng A1, A2, A3, Mối quan hệ giữa A và C tuân theo định luật Lambert-Beer, do vậy ta có thể hồi qui các số liệu thực nghiệm rời rạc này về hàm bậc nhất và hệ số góc của nó chính là hằng số K

Hình 2-3 Phương pháp đường chuẩn

y = 1,4963x R² = 1