Các phương pháp phân tích công cụ trong hóa phân tích

- Dựa trên cơ sở của các phản ứng hoá học để thu nhận các thông tin về thành phần định tính, định lượng các chất trong mẫu phân tích- Các thông tin thu nhận qua việc xác định thể tích du

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CÔNG CỤ

 Trần Tứ Hiếu, Từ Vọng Nghi, Nguyễn Văn Ri, Nguyễn Xuân Trung

(2003), Hóa học phân tích (Phần 2: Các phương pháp phân tích công cụ) Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

 John Kenedy (1995), Analytical Chemistry, Part Electrochemistry,

USA (bản dịch tiếng Việt).

 David Harvey (2000), Modern Analytical Chemistry, Chapter 11,

thuyết riêng của các phương pháp hiện có và sẽ được xây dựng.

2 Nhiệm vụ của HHPT:

phân tích hóa học và các thủ thuật.

Hình 1 Phân loại các PPPT định lượng

4

- Dựa trên cơ sở của các phản ứng hoá học để thu nhận các thông tin về thành phần định tính, định lượng các chất trong mẫu phân tích

- Các thông tin thu nhận qua việc xác định thể tích dung dịch, thể tích khí, khối lượng dạng cân

- Cách thu nhận thông tin bằng cảm quan của người phân tích

( quan sát sự thay đổi màu sắc, đọc bằng mắt )

- Các công cụ để tiến hành phân tích đơn giản, thao tác bằng tay

 Các phương pháp phân tích hoá học

những hạn chế như sau:

- Kết quả phân tích thường có độ chính xác không cao (sai số lớn)

- Độ chọn lọc của phương pháp thấp do bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố

- Lượng hoá chất, thuốc thử, chất chuẩn, mẫu phân tích tốn kém nhiều

- Tốn nhiều thời gian phân tích

- Khó áp dụng việc tự động hoá quá trình phân tích

áp dụng cho việc phân tích lượng lớn (thành phần chính) và các đối tượng có thành phần đơn giản

• Nhu cầu phát triển các phương pháp phân tích hoá – lý:

+ Với sự phát triển của các ngành, nghề, lĩnh vực xã hội => yêu cầu phân tích phải cho kết quả nhanh, độ chính xác cao và đặc biệt phân tích hàm lượng nhỏ ( cỡ vết và siêu vết)

Ni < 0.002 mg/L

=> Nghiên cứu phát triển các phương pháp phân tích hoá - lý (còn gọi là các phương pháp phân tích công cụ), các phương pháp này dựa trên sự tương quan giữa thành phần (định tính, định lượng) và tính chất vật lý, hoá lý của chất phân tích

8

- Quang phổ hấp thụ phân tử (Ultra Violet – Visible – UV-Vis);

- Quang phổ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy – IS);

- Phổ huỳnh quang phân tử (Molecular Fluorescein Spectroscopy – MFS).

3.2.2 Quang phổ nguyên tử

- Hấp thụ nguyên tử (Atomic Absortion Spectroscopy – AAS);

- Phát xạ nguyên tử (Atomic Emission Spectroscopy – AES);

- Các PPPT điện lượng (Coulometric Methods of Analysis);

- Các PPPT Von- ampe (Voltammetric Methods of Analysi s).

- Chưng cất (Distilation)

- Các phương pháp chiết

+ Chiết lỏng lỏng (Liquid-Liquid Extraction, LLE);

+ Chiết pha rắn (Solid Phase Extraction, SPE),

- Độ lặp lại (Precision) và độ hồi phục (Reproducibility) tốt;

- Độ chọn lọc (Selectivity) cao;

- Độ nhạy (Sensibility) cao và giới hạn phát hiện thấp (Limit Of

- Độ đúng (Accuracy) tốt;

- Ít tốn thời gian;

- Tự động hoá.

Nhược điểm:

- Chi phí thiết bị và phân tích đắt tiền;

- Người phân tích cần có trình độ chuyên môn cao.

12

- Những ưu điểm của PPPT công cụ;

- Sự phát triển của các ngành vật lý, hoá lý và công nghệ thông tin;

- Sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật và công nghệ cao: vật liệu (nano); điện tử; chế tạo ,

Ứng dụng:

hơn ppb trong một số đối tượng:

+ Môi trường và sinh học.

AAS

tính chất quang học của chất phân tích (nguyên tử, ion, phân tử, nhóm chức, ) như: - Tính chất hấp thụ quang;

khác hấp phụ và vì vậy, cần đo bằng thiết bị chân không.

nghiên cứu cấu trúc, ít dùng trong phân tích định lượng.

16

E = hν Trong đó, h: hằng số Plank 6,62.10 –27 erg.giây;

⇒ ν (cm –1 ) = 10 7 / λ (nm) ⇒ λ (nm) = 10 7 / ν (cm –1 )

Năng lượng của photon phụ thuộc vào bước sóng của nó, bởi vì:

Mỗi tương tác có thể đặc trưng cho một tính chất nào đó của vật chất

tử ngoại sẽ làm kích thích hệ electron của phân tử Ở trạng thái kích

trạng thái ban đầu Khi trở lại nó sẽ tỏa ra năng lượng (E) ở 3 dạng:

Fe 3+  Fe 2+ và 2SCN –  (SCN) 2

phân tích quang phổ hấp thụ phân tử.

1 Sự xuất hiện của phổ hấp phụ phân tử

Phân tử được cấu tạo từ các nguyên tử theo những cách và kiểu liên kết nhất định của các điện tử hóa trị của các nguyên tố.

Các điện tử liên kết:

Trong Hydrocacbon no:

Trong Hydrocacbon chưa no:

- Nếu phân tử có nối đôi liên hợp

– C = C – C = C – thì ưu tiên hấp thụ bức xạ có bước sóng dài hơn

1 Sự xuất hiện của phổ hấp phụ phân tử

- Khi phân tử nhận năng lượng ( bức xạ, nhiệt ), phân tử chuyên lên

trạng thái năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích (E*)

∆E t = E t * - E o = (E* e - E o ) + (E* v - E o

v ) + (E* r – E o

r ) = ∆E e + ∆E v + ∆E r

Sự hấp thụ năng lượng bx tương ứng với bước chuyển mức năng lượng nào thì sẽ tao ra loại phổ hấp thụ phân tử tương ứng:

=> Phổ UV- VIS đgl phổ điện tử hay là phổ electron

1 Sự xuất hiện của phổ hấp phụ phân tử

∆E e >> ∆E v >> ∆E r

∆E t = ∆E e

Kết luận

• Phổ UV – VIS là phổ do sự tương tác của các điện tử hóa trị ở trong

phân tử hay nhóm phân tử của chất với chùm tia sáng kích thích thích hợp tạo ra

• Nó là phổ của tổ hợp sự dịch chuyển mức năng lượng của các

sự dao động của phân tử.

1 Sự xuất hiện của phổ hấp phụ phân tử

26

 Tia UV xa: Bức xạ này ít được dùng vì:

phân tử

hơi dung môi

2 Các vùng phổ

phân tử

trong suốt

2 Các vùng phổ

3 Các nhóm chức hoá học tham gia vào sự hấp thụ ánh sáng

Phương pháp UV-VIS muốn thực hiện được thì yêu cầu đầu tiên là dung dịch phải có màu.

Nếu dung dịch chưa có màu hoặc có màu mà màu đó không đápứng được  tiến hành lên màu dung dịch bằng các

thuốc thử thích hợp ( các thuốc thử thường là các chất có

chứa nhóm chức mang màu hoặc tăng màu…)

3 Các nhóm chức hoá học tham gia vào sự hấp thụ ánh sáng

Nhóm mang màu (chromophore)

 Các chất có mang các nhóm này chủ yếu hấp thụ các bức xạ có

Nhóm tăng màu (auxochrome):

 Gồm các halogenua (Cl - , Br - , I - ); các alkyl (-CH 3 , -C 2 H 5 ); các

3 Các nhóm chức hoá học tham gia vào sự hấp thụ ánh sáng

4 Định luật cơ bản (Định luật Bouguer – Lambert – Beer)

Khi chiếu một dòng ánh sáng qua dung dịch chất hấp thụ ánh sáng thì chất đó sẽ hấp thụ chọn lọc một số tia sáng tủy theo màu sắc của chất

34

I o I 1 I 2 I

L

4 Định luật cơ bản (Định luật Bouguer – Lambert – Beer)

Giữa màu sắc của chất và khả năng hấp thụ các tia sáng của nó được mô tả qua giản đố màu (xem hình 1.1).

Ví dụ: Một chất có màu tím thì hấp thụ các

tia sáng lục ánh vàng (λ: 560 – 575 nm) và

ngược lại

Trong bảng màu, màu đối diện nhau:

- Gọi là màu bù nhau;

400

450

500

490 480

560 750

Hình 1.1.b Giản đồ màu

Giả sử chiếu một chùm tia sáng có λ xác định qua dung dịch chất màu có bề dày L (cm) (xem hình 1.2).

sáng tới và ánh sáng ra khỏi dung dịch.

(cường độ ánh sáng được đo bằng E).

Giả sử dung dịch được chứa trong

cuvet có thể xem là các thành song song

⇒ Qua lớp thứ L: I = I o / n L hay I o /I = n L

- Biểu thức (1.1) chính là định luật Bouguer – Lambert.

- Độ giảm cường độ ánh sáng phụ thuộc vào số trung tâm hấp thụ ánh sáng có trên đường ánh sáng đi qua.

Giả sử xét sự hấp thụ ánh sáng của một chất màu có thành phần và

loãng).

38

Do thành phần và cấu trúc không đổi nhưng C thay đổi nên khi quan sát từ trên xuống toàn bộ dung dịch thì A là không khác nhau, vậy:

Theo định luật B – L – B ta có: A = ε L C

phân tử gam (phụ thuộc vào bước sóng); L – chiều dày lớp dung dịch chứa trong cuvet (cm).

⇒ A = f(λ, L, C)

một cuvet (L, C = const)

ánh sáng tới (hình 1.3).

Hình 1.3 Độ hấp thụ của bromothymol xanh ở các bước sóng khác nhau.

λ max

a

- Dùng để định tích chất, nhóm chức,

- Nếu a càng nhỏ thì càng tốt, vì sẽ có tính chọn lọc cao.

- ε đặc trưng cho bản chất hấp thụ ánh sáng;

- Không phụ thuộc vào thể tích và bề dày của dung dịch;

Điều kiện ứng dụng định luật B – L – B

- Chùm tia sáng phải đơn sắc

7.1 Những dấu hiệu

Vậy, là một đường thẳng tuyến tính.

Trường hợp nếu nồng độ quá loãng hay quá đặc thì đường biểu diễn sẽ cong (không tuyến tính)

- Nếu phổ hấp thụ của dung dịch màu ở những nồng độ khác nhau

44

7.2 Những nguyên nhân

- Sự pha loãng dung dịch (xem trang 11);

- Ảnh hưởng của pH tời hình thành phức màu (xem trang 13);

- Ảnh hưởng của cấu tử lạ (ion cản trở) (xem trang 17);

,

8 Nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ phân tử UV - VIS

1 Hòa tan chất phân tích trong một dung môi thích hợp hay cho

chất phân tích cần xác định ( chủ yếu là ion kim loại) tác dụng

với một loại thuốc thử để tạo ra một chất có phổ hấp phụ UV –

VIS nhạy

2 Chiếu vào dung dịch chất cần phân tích một chùm đơn sắc có

năng lượng phù hợp.

3 Thu, phân ly phổ đó chọn bước sóng λmax cần đo của chất

phân tích rồi đo độ hấp thụ quang A

Mẫu ( Fe (II); Fe(III) ) + hydroxylamin Fe (II)

Fe (II) + phenantrolin Phức màu đỏ cam Xác định nồng độ Fe có trong mẫu bằng PP UV – VIS

Quy trình phân tích

Lấy 25 mL mẫu cho vào bình tam giác 125 mL, thêm vào đó 2 mL HCl đậm đặc, 1 mL hydroxylamin Đun sôi đến thể tích 15-20 mL ( nếu bị khô thì hòa tan cặn bằng 2 mL HClđđ và 5 mL H2O) để về nhiệt độ

phòng rồi chuyển toàn bộ qua bình định mức 50 mL Thêm 10 mL dd đệm axetat, 4 mL phenantrolin và pha loãng bằng nước cất đến vạch Trộn đều và để yên ít nhất 10 phút Đo mật độ quang với dung dịch mẫu trắng làm dung dịch so sánh

47

Đun cách thủy

48

PC

Khoảng bước sóng hoạt động (khoảng đo): (190 ÷ 1100 nm)

9.1 Định tính và thử độ tinh khiết

 Dựa vào λmax:

- Phương pháp cân bằng (Xem trang 24)

- Phương pháp đường chuẩn

- Phương pháp đường thêm chuẩn

- Phương pháp vi sai (Xem trang 27)

- Phương pháp chuẩn độ đo quang (Xem trang 29).

52

Chuẩn bị một dãy dung dịch chuẩn của chất phân tích có nồng độ tăng dần Thêm lượng thuốc thử, điều chỉnh pH, dung môi, trong các dung dịch là như nhau Đem đo A của dãy dung dịch, thiết lập A = f(C).

Ví dụ: Từ một dung dịch chuẩn ban đầu (dd A) của chất phân tích X

Sau đó thiết lập phương trình hối quy tuyến tính dạng:

C: nồng độ chất phân tích (M);

a: hê số chắn (Intercept);

b: hệ số góc (Slope);

Tiếp theo chế hóa mẫu tương tự như khi chuẩn bị dãy dung dịch

54

Ví dụ: Xác định Fe trong nước thải sử dụng thuốc thử phenanthroline Số liệu thu được ở bảng sau Xác định nồng độ của Fe

Từ bảng kết quả, thiết lập phương trình

hồi quy tuyến tính ta có:

A = 0,0006 + 0,1817 C

Nồng độ (ppm) 0 1,00 2,00 3,00 4,00 C X

Độ hấp thụ (A) 0,000 0,183 0,364 0,546 0,727 0,269

56

Chuẩn bị một dãy dung dịch như ở bảng sau:

hóa chất cần thiết và dung dich Fe chuẩn 0.5 ppm

VFe mL

VH2O

Ppm Fe 0.05 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

F-AAS: Flame Atomic Absorption Spectroscopy - Phổ hấp thụ

60

nguyên tử.

2.1.2 Đặc điểm của các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi

- Có khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ của các bức xạ mà nó có khả năng phát ra trong qúa trình phát xạ;

- Bức xạ nguyên tử phát xạ càng nhạy thì cường độ hấp thụ của nguyên tử càng cao, bức xạ đó gọi là bức xạ cộng hưởng.

bức xạ đặc trưng (của chính các nguyên tố đó phát ra trong quá

trình phát xạ) của các nguyên tử ở trang thái hơi nguyên tử tự do

62

Quá trình này gọi là quá trình nguyên tử hoá mẫu, quá trình nguyên tử

hoá mẫu được thực hiện bằng 2 kỹ thuật:

* Dùng ngọn lửa (F-AAS)

* Dùng không ngọn lửa lò điện trong cuvet graphit (ETA-AAS)

- Chiếu vào đám hơi các nguyên tử tự do chùm bức xạ đặc trưng của

chính nguyên tố phân tích phát ra trong quá trình phát xạ

hν

hấp thụ

Sự phụ thuộc của độ hấp thụ (A) và số nguyên tử tự do ở trạng thái hơi (N) cũng tuân theo định luật hấp thụ ánh sáng của Lambert – Beer:

Tức là: A = log(I 0 /I) = K a N L

sóng của ánh sáng bị hấp phụ và bản chất nguyên tử;

N là số nguyên tử tự do ở trạng thái hơi;cuvet

L là bề dày của lớp hấp phụ Trong thiết bị đo, L chính

là chiều dày của lớp nguyên tử hóa hay cuvet graphit (thường là const).

64

các phần cơ bản sau:

A Hệ thống nguyên tử hoá trong phương pháp AAS

B.Nguồn bức xạ trong phổ AAS

C Hệ đơn sắc

D.Detector

E.Bộ ghi tín hiệu đo

Nguyên tử ở trạng thái tự do mới cho phổ  Yếu tố quyết định đến cường độ vạch  Ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo  hoạt động trái tim của phép đo

Mục đích:

Tạo ra đám hơi nguyên tử tự do từ mẫu phân tích với hiệu suất cao

và ổn định  KQ đo chính xác, độ lặp lại cao.

- Dùng năng lượng của ngọn lửa đèn khí để hóa hơi và nguyên tử hóa

- Ngọn lưả được tạo thành khi đốt hỗn hợp 1 chất oxi hóa (như không

khí, oxi ) với một khí mang ( Axetylen, propan…)

- Nhiệt độ ngọn lửa phụ thuộc vào:

- Cấu tạo của đèn

- Bản chất khí

- Tỷ lệ thành phần

Khí oxi hóa

Không khí axetylen 4.2/ 0.9 2100

+ Cấu tạo của ngọn lửa:

- Phần a ( phần tối): nhiệt độ

thấp

- Phần b ( phần tâm): là phần

chính của ngọn lửa, nhiệt độ

cao, ổn định  mẫu được đặt ở

B1: Chuyển dung dịch mẫu phân tích thành những hạt sương mù

nhỏ được trộn đều với hỗn hợp khí đốt và khí mang trong bộ

phun sương (nebulizer_ thiết bị tạo sol – khí)

B2: Sau đó dẫn vào đèn để nguyên tử hoá

Thiết bị tạo thể sol - khí

+ Những quá trình xảy ra trong

ngọn lửa ( qt chính và phụ)

Gồm 2 giai đoạn kế tiếp nhau:

GD1: Sol – khí được dẫn lên đèn

NTH  sự bay hơi dung môi,

chất hữu cơ  mẫu là các hạt mịn

GD2: Dẫn mẫu vào trung tâm

ngọn lửa  QT hóa hơi và nguyên

tử hóa xảy ra ( qt chính sinh

MA r → MA l → MA k → M K + A K

- Ehh >Ea ; Hóa hơi sau và nguyên tử hóa trước (Cơ chế 2) :

MA r → M r + A r → M l + A l → M K + A K

Cơ chế 2 thường xảy ra với chất phân tích dạng muối sunfat,

silicat, photphat

Trong ngọn lửa cũng như trong lò điện chất phân tích nhận năng

lượng và nguyên tử hoá theo 2 cơ chế sau tuỳ theo dạng hợp chất

của mẫu Đây là một quá trình động, có nhiều giai đoạn xảy ra liên

tiếp hoặc đồng thời với nhau:

72

Quá trình nguyên tử hóa tức khắc trong một thời gian rất ngắn nhờ năng lượng của dòng điện công suất lớn và trong môi trường khí trơ.

- GĐ sấy: dung môi hòa tan mẫu bay hơi

-GĐ tro luyện hóa: đốt cháy các hợp chất hữu cơ ( mùn) có trong mẫu

một điện áp đủ mạnh, Ar bị ion hoá Các ion này va đập vào lớp kim loại tráng trên catod làm bật các kim loại này ra dưới dạng nguyên tử tự do Các nguyên tử này được nhận tiếp năng lượng để chuyển lên trạng thái

kích thích và trạng thái kích thích mau chóng trở về trạng thái ban đầu,

định lượng.

Nếu catod được tráng bằng một hợp kim thì đèn catod này có thể dùng

để định lượng các nguyên tố trong hợp kim đó.

74

lượng Trong đèn có khí argon (Ar) hoặc Neon (Ne).

chứa muối kim loại tinh khiết của chất cần tạo ra bức xạ cộng

hưởng và trong khí quyển khí trơ

76

kiến như đèn deuteri, đèn xenon, đèn halogen…Sau đo dùng bộ phận

biến điệu và lọc giao thoa để biến chùm sáng liên tục thành chùm sáng không liên tục có phổ dạng răng cưa, mỗi răng tương ứng với 1 bức xạ

- Cách tử sử dụng phải có khả năng phân ly và tạo được các chùm bức

- Cách tử thường có dạng hình cầu lỏm, các bức xạ đơn sắc sau khi

phân ly phân bố các khe trên một vòng cung (để giảm kích thước máy)

D Detector: Trong các máy thông thường detector là tế bào quang điện, nhân quang điện Các máy AAS thế hệ mới người ta dùng diot mảng

E Bộ ghi, đo tín hiệu: tuỳ theo loại máy, bộ ghi tín hiệu thường dùng 3

loại sau: điện kế có độ nhay cao, máy ghi phổ dạng píc, bộ ghi tín hiệu hiện số (digital), ghép nối với máy tính (PC)

78