PHƯƠNG PHÁP CHIẾT ppt _ HÓA PHÂN TÍCH

Trắc nghiệm, bài giảng pptx các môn chuyên ngành Y dược hay nhất có tại “tài liệu ngành Y dược hay nhất”; https://123doc.net/users/home/user_home.php?use_id=7046916. Slide bài giảng môn hóa phân tích ppt dành cho sinh viên chuyên ngành Y dược. Trong bộ sưu tập có trắc nghiệm kèm đáp án chi tiết các môn, giúp sinh viên tự ôn tập và học tập tốt môn hóa phân tích bậc cao đẳng đại học ngành Y dược và các ngành khác

PHẦN THỨ BA – CHƯƠNG 5

PHƯƠNG PHÁP CHIẾT

Bài giảng pptx các môn ngành Y dược hay nhất có tại “tài liệu ngành dược hay nhất” ; https://123doc.net/users/home/user_home.php?use_id=7046916

- Có 2 vấn đề hiện nay cần quan tâm:

+ Hàm lượng chất phân tích trong mẫu rất nhỏ (ppm hay ppb)

+ Mục tiêu của Hóa học Phân tích và Phân tích Hóa học:

• Phát triển và hoàn thiện PP Phân tích.

• Đánh giá độ tin cậy của PP Phân tích:

Độ lặp lại – Độ đúng – Khoảng tuyến tính – Độ nhạy – LOD (LOQ)

⇒ Do đó yêu cầu của các PP tách đòi hỏi phải tách được lượng vết các chất ra khỏi lượng lớn các chất cản trở có trong hỗn hợp.

- Các PP tách bằng kết tủa hoặc bằng chưng cất chỉ tách được lượng lớn các chất, đồng thời hiệu quả tách (hệ số thu hồi –

Recovery) thấp.

- Hiện nay, PP chiết được phát triển:

+ Chiết L – L; + Chiết pha rắn và vi chiết pha rắn.

⇒ Do đó, có thể phân tích lượng chất cỡ ppm, ppb hoặc nhỏ hơn.

5.1.1 Cơ sở lý thuyết

5.1.1.1 Phương trình Nerst (Nec) dùng cho hệ chiết

- Giả sử có một cấu tử A có khả năng tan (phân bố) được trong hai pha lỏng, pha lỏng thứ nhất (I) và thứ hai (II) Trong thực tế, I

thường là nước (aq), II thường là dung môi khác nước (org – dung môi hữu cơ không tan).

- Sự phân bố của A trong hệ gồm hai pha tuân theo phương trình:

A(aq)  A(org)

- Giả sử hệ nghiên cứu là cô lập, khi cân bằng được thiết lập, ta có hóa thế của A trong hai pha là bằng nhau, nên:

µA(aq) = µA(org)mà µA = µo A + RT.ln(aA)

⇒ µo A(aq) + RT.ln(aA(aq)) = µo A(orq) + RT.ln(aA(org))

⇒ µo A(aq) - µo A(orq) = RT.ln[(aA(org)) / (aA(aq))] hay

Kp (KD) : Hằng số phân bố - chỉ phụ thuộc vào bản chất của A và nhiệt độ hệ.

- Giả sử quá trình chiết xo mol chất A trong nước bằng một dung môi không tan vào nước bằng phễu

chiết.

- Quá trình chiết được tiến hành qua các bước sau:

+ Đậy kín phễu và lắc mạnh một thời gian sau đó để yên;

+ Sau khi hai dung môi tách ra khỏi nhau, tách chúng ra khỏi nhau bằng khóa dưới đáy phễu;

+ Tiến hành xác định nồng độ của A trong từng pha bằng phương pháp phân tích thích hợp.

- Trong thực tế phân tích, chất tan A nằm ở một dạng (đồng thời ở 2 pha) là rất ít, vì nó thường tham

gia vào các phản ứng hóa học nên nó tồn tại dưới nhiều dạng trong dung dịch.

Phễu chiết

Thí dụ: khi chiết Fe(III) trong môi trường HCl dư bằng Diethyleter; trong pha eter, Fe(III) tồn tại ở dạng HFeCl4, còn trong pha nước Fe(III)

có thể tồn tại ở các dạng FeCl4 – ; FeCl 3 ; FeCl2 + ; FeCl2+ tùy thuộc vào pH của môi trường

Gọi xo là tổng số mol của A ban đầu (aq) Khi cân bằng được thiết lập, ta có:

Pha nước (aq) chứa x1 mol A; Pha hữu cơ (org) chứa xo – x1 mol;

Gọi Vaq là thể tích pha nước và Vorg là thể tích pha hữu cơ Khi đó ta có:

Đại lượng (Kp*Vorg/Vaq) được gọi là yếu tố dung tích / dung lượng được ký hiệu là k’, nó đại diện cho tỷ số phân bố lượng chất tan trong 2 pha:

⇒ nếu k’ → ∞ thì x1 → 0, coi như A chuyển hoàn toàn từ aq sang org.

k’ không có thứ nguyên

- Sau một lần chiết, thường là không chuyển được xo mol A từ aq sang org, ⇒ Phải tiến hành chiết lượng A còn lại ở pha aq thêm một số lần nữa.

- Giả sử lặp lại quá trình chiết 1 lần nữa, ấp dụng phương trình (3.7) ta có:

- Nếu ta lặp lại quá trình chiết n lần thì ta có:

Như vậy, lượng còn lại trong pha aq cũng phụ thuộc vào một đại lượng có số mũ n chính là số lần chiết trong quá trình tách tính

theo lý thuyết.

⇒

- Thông thường, đối với các mẫu thực tế không biết lượng xo nhưng lại muốn chiết được hơn 99% so với lượng ban đầu.

⇒ Sử dụng khái niệm: “phần lượng chất còn lại trong pha nước” và được ký hiệu là ∆.

- Phần chất A còn lại trong pha nước sau lần chiết thứ n được tính theo biểu thức:

5.1.2.1 Hệ số phân bố

- Ở mục 3.1.1, hằng số Kp chỉ được áp dụng trong các hệ chiết vật lý ở điều kiện hệ cô lập và chỉ tồn tại một dạng

- Thực tế cho thấy A tồn tại ở nhiều dạng khác nhau

trong dung dịch, nên việc nghiên cứu định lượng tất

cả các dạng của A có trong dung dịch là điều quan

trọng và rất có ý nghĩa trong việc tìm điều kiện chiết

tối ưu, chẳng hạn: axit axetic (HAx) trong ete và trong

nước được mô tả ở hình vẽ.

- Để đặc trưng cho tổng lượng chất tan A ta được trong hai pha aq và org, người ta dùng đại lượng “hệ số phân bố” - được ký hiệu bằng “D”.

5.1.2.1 Hệ số phân bố (tiếp theo)

Trong đó, j: số dạng tồn tại của A trong pha hữu cơ;

k: số dạng tồn tại của A trong pha nước

Thí dụ: Khi nghiên cứu quá trình chiết HAx HAx có khả năng tan trong ete (org); HAx có hằng số phân ly axit trong nước (aq) là Ka.Trong pha nước có các cân bằng sau:

HAx + H2O  Ax– + H3O+ (a)

Hay: HAx  Ax– + H+ (b) Ka = [H+][Ax-] / [HAx]

Do HAx tồn tại trong dung dịch aq ở 2 dạng HAx và Ax–, nên ta có:

Đặt αHAx = 1 + Ka / [H+]aq ⇒ D = Kp / αHax (mối quan hệ D và Kp)

hay

5.1.2.1 Hệ số phân bố (tiếp theo)

- Xét một cách định tính, thấy rằng:

+ Khi pH trong aq giảm, HAx tồn tại chủ yếu ở dạng HAx ⇒ Σ(aHAx) ≈ aHAx ⇒ D ≈ Kp.

+ Ngược lại, nếu pH cao, HAx tồn tại chủ yếu ở dạng Ax– nên D ≈ 0.

⇒ không thể chiết HAx sang pha org.

- Như vậy trong giai đoạn tách:

+ Phải năm vững cơ chế của quá trình chiết;

+ Bản chất của hệ chiết;

+ Các dụng cụ và thiết bị của phòng thí nghiệm

⇒ Tìm điều kiện tối ưu cho quá trình tách bằng phương pháp chiết.

- Đối với quá trình chiết các phức chelat cũng có thể thay Kp bằng D để tìm điều kiện tối ưu nhằm tách các chất ra khỏi nhau bằng phương pháp chiết.

5.1.2.2 Hằng số cân bằng chiết (Kex)

Giả sử quá trình chuyển pha của các cấu tử trong hệ chiết xảy ra như sau:

aA(1) + bB(2) + cC(1) + …  mM(1) + nN(2) + … (*)

Trong đó, một số cấu tử tan tốt trong pha 1 và số còn lại tan tốt trong pha 2.

- Hằng số cân bằng của phản ứng (*) chính là “Hằng số chiết” Khi đó ta có:

- Tương tự như hằng số cân bằng của các phản ứng hóa học khác, Kex cũng nhận các giá trị khác nhau tùy thuộc vào điều kiện thí nghiệm – K’ex (hằng số chiết điều kiện).

- K’ex được sử dụng rất phổ biến trong việc nghiên cứu điều kiện trong pha aq để chiết các chất dưới dạng các phức vòng càng.

5.1.2.3 Một số ví dụ

Ví dụ 1: Sự ảnh hưởng của pH và nồng độ chất tạo phức khi chiết Fe(III) bằng HCl ra khỏi aq bằng diethylether.

Fe(III) trong nước tạo thành dạng chiết HFeCl4 theo cân bằng:

Fe3+ + H+ + 4Cl–  HFeCl4, với βFe

Do HFeCl4 phân bố được từ pha nước sang diethylether, nên ta có:

Từ cân bằng tạo phức, để đơn giản, chúng ta chỉ xét trường hợp trong pha aq Fe(III) chỉ tồn tại ở hai dạng chính Fe3+ và HFeCl4, ta có:

Phương trình chỉ ra rằng, nếu βFe.[H +][Cl–]4 >> 1 thì D = K p

⇒

5.1.2.3 Một số ví dụ (tiếp theo)

Ví dụ 2: Chiết hợp chất chelat Giả sử có cân bằng phản ứng chiết sau:

M(aq) + HnR(org)  MR(org) + nH + (aq) (**) Giả sử M chỉ tồn tại ở 2 dạng M và MR, M không tham gia phản ứng phụ, ta có:

⇒ lgDM = lgKex + lg[HnR](org) + n.pH

⇒ Dễ dàng thấy rằng:

- Để M chuyển hoàn toàn sang pha org thì pH trong pha aq phải thấp

- Khi pH cao thì nồng độ ion OH– sẽ lớn, ⇒ M với OH– sẽ tạo phức bền

⇒ Giảm hiệu quả chiết M từ pha aq sang pha org, tức là DM giảm.

5.1.2.3 Một số ví dụ (tiếp theo)

Ví du 3: Giả sử khi chiết Cu(II) bằng oxin theo phản ứng chiết sau:

Cu(II) (aq) + 2HOx (aq)  Cu(Ox)2 (aq) + 2H + (aq)  Cu(Ox)2 (org)

Hằng số bền tổng cộng của Cu(Ox)2 là β2, HOx có hằng số axit là Ka Khi đó:

Từ các phương trình trên và các biểu thức của Ka, β2 ta có:

⇒ Trong trường hợp tổng quát, từ phương trình trên, nếu quá trình tạo thành các chelat của M1; M2,… với một thuốc thử/tác nhân chiết nào đó có thể tìm được điều kiện tách chúng ra khỏi nhau.

+ Ion hóa dung dịch nước;

+ Xác định hệ dung môi phù hợp với bản chất của chất cần chiết;

+ Xác định hệ số thu hồi/hệ số tìm thấy;

+ Phân định khoảng giới hạn sai số cho phép.

5.1.3.1 Kỹ thuật chiết đơn

Kỹ thuật chiết đơn chỉ được áp dụng khi D/Kp của chất cần chiết là rất lớn Các bước thực hiện như sau:

- Dụng cụ và yêu cầu chuẩn bị dụng cụ;

- Nguyên tắc sử dụng phếu chiết;

- Sự dụng kỹ thuật khuấy trộn (cơ học, siêu âm);

- Tách 2 pha lỏng;

- Cô dịch chiết:

+ Cô cạn

+ Đuổi dung môi bằng khí trơ, ví dụ N2

- Xác định nồng độ của chất phân tích bằng phương pháp phân tích thích hợp.

5.1.3.2 Kỹ thuật chiết lặp

- Kỹ thuật chiết lặp được áp dụng trong các trường hợp cấu tử cần chiết có Kp hoặc D nhỏ (khoảng 0 - 2) nhưng không tìm được hệ chiết phù hợp.

- Kỹ thuật tiến hành chiết lặp một số ít lần được thực hiện như chiết đơn.

- Trong trường hợp phải chiết lặp nhiều lần, người ta sử dụng dụng cụ theo mô tả của Craig.

- Chiết lặp một số ít lần có những nhược điểm:

+ Làm giàu cả các cấu tử không cần chiết (có thể là các chất cản trở);

+ Phải sử dụng nhiều dung môi để chiết;

+ Khả năng thoát chất rất lớn (hệ số tìm thấy nhỏ) do đó hệ số biến động (CV) lớn và ảnh hưởng đến độ lặp lại của phép

đo sau này.

- Kỹ thuật chiết lặp được sử dụng rất phổ biến khi tiến hành chiết các mẫu rắn (thường là các mẫu sinh học, đất, bùn,…)

5.1.3.2 Kỹ thuật chiết lặp

- Để tiến hành chiết mẫu rắn, không dùng dụng cụ chiết là phễu mà sử dụng dụng

cụ là bộ chiết Soxhlet Khi sử dụng cần phải quan tâm các thông số:

+ Khối lượng mẫu cần chiết, kích thước của chất rắn, vật liệu làm bao

chứa mẫu;

+ Thể tích của dung môi, thông thường gấp 2 lần thể tích của bộ phận chứa

mẫu;

+ Chu kỳ tuần hoàn dung môi/tần số hoàn dung môi, thường được tính

bằng số lần tuần hoàn dung môi trong 1 giờ, thông thường là 6 – 9 lần/giờ.

Bộ chiết Soxhlet

1 Dung môi; 2 Bình cầu (đáy tròn); 3 Ống bay hơi; 4 Chứa mẫu; 5 Mẫu rắn; 6 và 7 Phần thoát dung môi; 8 Nút nhám; 9 Sinh hàn; 10 và 11 Nước làm lạnh sinh hàn.

Bộ chiết Soxhlet

1 Dung môi; 2 Bình cầu (đáy tròn); 3 Ống bay hơi; 4 Chứa mẫu; 5 Mẫu rắn; 6 và 7 Phần thoát dung môi; 8 Nút nhám; 9 Sinh hàn; 10 và 11 Nước làm lạnh sinh hàn.

5.1.3.2 Kỹ thuật chiết lặp

- Do chiết mẫu rắn thường dùng thể tích pha hữu cơ lớn và không thể chiết chọn lọc nên sau khi chiết bằng Soxhlet, thường phải

tiến hành tiếp theo:

+ Cô cạn dịch chiết – làm giàu tuyệt đối trong dịch chiết;

+ Xử lý/làm sạch mẫu – tiếp tục tách bằng phương pháp khác,…

Thí dụ: dùng bộ chiết Soxhlet để chiết tinh dầu (trong mẫu sinh học) bằng dung môi hữu cơ; chiết vi lượng các chất hữu cơ trong

mẫu sinh vật, bùn đáy,…

Do đó: - Nhiệm vụ đánh giá chất lượng sản phẩm và chất lượng môi trường.

- Việc phân tích các cấu tử có ở mức vết và siêu vết trong các mẫu môi trường một cách chính xác, kịp thời.

⇒ Đặt ra cho các nhà khoa học ngày một nặng nề và cấp bách

- Vì vậy, các phương pháp tách cũng được nghiên cứu Một trong các phương pháp được quan tâm nghiên cứu (chiếm khoảng 60%

các công trình) đó là phương pháp chiết pha rắn (Solid Phase Extraction – SPE).

- Vậy chiết pha rắn là gì ? Chiết pha rắn là một phương pháp tách làm giàu và làm sạch chất phân tích bằng cách hấp thụ/hấp phụ vào một cột pha rắn, sau đó rửa giải chất phân tích với một dung môi thích hợp cho phương pháp phân tích công cụ thích hợp.

5.2.1.1 Hấp phụ pha thường.

Pha rắn là các silica trung tính, alumina, magie silicat … có bề mặt xốp, phân cực và tương tác tốt với các chất phân tích không

phân cực và ít phân cực Các giai đoạn chính:

Cơ chế hấp phụ pha thường.

nitroaniline

1) Pha rắn được xử lý bằng dung môi không phân cực, như: ete, dầu hoả,

hydrocarbon…

2) Cho dung dịch mẫu qua cột SPE Chất phân tích được giữ lại bởi lực liên

kết hydro, lưỡng cực - lưỡng cực…

3) Loại bỏ các chất cản trở bằng một dung môi không phân cực.

δ(+) δ(-)

4) Rửa giải các chất phân tích bằng dung môi phân cực.

Ứng dụng: chiết các hydrocarbon thơm, Polychlorinated Biphenyls từ dầu; Aflatoxins từ hạt ngũ cốc, lạc …

Pha rắn thường là các silica pha ngược, không phân cực (C8 hay C18…) và tương tác với các chất phân tích không phân cực và phân cực Pha động là các dung môi phân cực Các giai đoạn chính:

Cơ chế hấp phụ pha đảo.

1) Solvat hóa pha rắn bằng methanol hoặc acetonitrile, rửa pha rắn bằng nước hoặc

đệm.

2) Cho pha động (đã chỉnh pH) qua pha rắn Chất phân tích tách ra dựa vào lực

tương tác Van der Walls hay lực phân tán.

3) Loại bỏ các chất cản trở bằng một dung môi phân cực mạnh.

4) Rửa giải các chất phân tích bằng dung môi ít phân cực.

Ứng dụng: làm giàu Pesticides từ nước ngầm; chiết Protein từ dung dịch loãng và chiết Catecholamines trong nước tiểu.

chloropyrifos

Pha rắn là loại vật liệu có tính trao đổi ion Các giai đoạn chính:

Cơ chế hấp phụ trao đổi ion.

1) Xử lý pha rắn bằng nước cất (qua cột trao đổi

ion) hay đệm yếu.

2) Cho dung dịch mẫu (dung môi nước, đã điều

chỉnh pH thích hợp) qua pha rắn.

3) Tiền rửa giải các chất cản trở bằng một dung môi thích hợp.

4) Rửa giải các chất phân tích bằng dung môi thích hợp:

Chất hấp phụ là cation, dung môi là các axit mạnh hoặc dd muối; là anion, dung môi là các bazơ mạnh hoặc dd muối; là polyme, dung môi là NaOH (pha rắn

là silica thì không nên sử dụng NaOH để rửa giải)

Ứng dụng: tinh chế các muối; làm mềm nước; tách một nhóm các cation kim loại và làm sạch các hợp chất hữu cơ …

2,4 - D

Pha rắn chứa hai nhóm chức hoạt động theo cơ chế pha đảo và cơ chế trao đổi ion (hình 4.a) Hoặc các chất phân tích có thể bị

hấp phụ theo cơ chế pha đảo và tạo liên kết hydro (hình 4.b)

A) Dạng pha đảo và trao đổi ion; B) Dạng pha đảo và tạo liên kết hydro.

B) A)

Quá trình hấp phụ phụ thuộc vào các nhóm chức trên pha rắn.

- Năng lượng thấp (C8 và C18) và năng lượng cao (hình 4A)

- Cả hai năng lượng thấp (hình 4B)

Ứng dụng: tách và giàu ma túy và thuốc ngủ trong máu và nước tiểu.

Mẫu nước

Phân cực, không ion Phân cực, ion Không phân cực, ion

Trao đổi ion Pha đảo Pha đảo, trao đổi ion

Không phân cực, không ion

Pha đảo, liên kết hydro

5.2.2.2 Cơ chế khi phân tích các mẫu không nước.

Mẫu không nước

Phân cực, không ion Phân cực, ion Không phân cực, ion

Trao đổi ion Pha thường Pha đảo, trao đổi ion

Không phân cực, không ion

Pha đảo, liên kết hydro

Sơ đồ lựa chọn cơ chế khi phân tích mẫu nước.

Sơ đồ lựa chọn cơ chế khi phân tích mẫu không nước.

Bao gồm 3 bước chính như sau:

Bước 1: Phân bố chất tan giữa hai pha rắn - lỏng

Cho pha rắn vào dung dịch chất cần phân tích Điều chỉnh môi trường, lắc hay khuấy dung dịch trong thời gian nhất định Sau đó để yên tĩnh, cân bằng phân bố chất tan giữa hai pha được thiết lập.

Bước 2: Tách hai pha rắn - lỏng

Tiến hành lọc hoặc ly tâm Trong bước này có thể thêm giai đoạn lọc rửa pha rắn để loại bỏ các chất gây cản trở nếu cần

Bước 3: Giải hấp

Chất phân tích được rửa giải bằng một thể tích dung môi thích hợp Sau đó xác định bằng một trong các PP phân tích công cụ.

Bao gồm 4 bước chính như sau:

Bước 1: Nhồi và chuyển dạng chất hấp phụ pha rắn

Pha rắn được nhồi lên cột chiết Sau đó, tiến hành hoạt hóa chất hấp phụ Hoặc có thể tiến hành theo hai cách như sau:

- Hoạt hóa trước, sau đó nhồi lên cột chiết

- Nhồi vật liệu lên cột chiết, sau đó tiến hành hoạt hóa

Trong bước 1 cần lưu ý các vấn đề sau:

• Phải đuổi hết không khí.

• Khi chưa sử dụng, cột chiết phải được ngâm trong dung môi thích hợp.

• Sau quá trình hoạt hóa, nếu cần thiết nên có thêm bước làm sạch cột để loại bỏ các tạp chất.