Hình 8.1. Thiết bị Spektralapparat thiết kế bởi Kirchhoff và Bunsen (1833)

Transcription

1 CHƢƠG 8 PHƢƠG PHÁP HẤP THU PHÂ TỬ UV VIS 8.1 Tổng quan Đầu thế kỷ 19, hầu hết phân tích hoá học định lượng đều sử dụng phương pháp trọng lượng (gravimetry method) hoặc phương pháp chuẩn độ (titrimetry method). Với những phương pháp này đều đạt được độ đúng (accuracy) cao, nhưng khó có thể xác định được những thành phần hợp chất có nồng độ thấp trong nước. Trong suốt thời gian này nhiều nghiên cứu được bắt đầu để mở rộng khả năng phân tích định lượng đặc biệt các các yếu tố vết trong môi trường. Một trong số những phát minh đó là phương pháp so màu quang phổ. Phương pháp so màu đầu tiên là phương pháp essler phân tích hàm lượng ammonia trong nước vào năm essler khám phá ra rằng khi thêm HgI 2 và KI vào trong môi trường có chưa H 4 + sẽ tạo thành dung dịch màu từ màu vàng đến màu nâu đỏ tuỳ theo nồng độ của H 4 +. Màu của mẫu sẽ được so sánh với màu của mẫu chuẩn để xác đinh nồng độ tương ứng trong mẫu. Cho đến ngày nay phương pháp này đã được nghiên cứu bổ sung để phân tích nước mặt và nước thải trong Standard Methods. Cuối thế kỷ 19, một số phương pháp mới bắt đầu được khám phá như phương pháp hấp thu, phát xạ, tán xạ, tia cực tím, điện từ hồng ngoại phát xạ. Thế kỷ 20 là giai đoạn phát triển của tia X, microwave, và sóng radio, các hạt năng lượng bao gồm hạt electron và ion. 8.2 Lịch sử nghiên cứu quang phổ học Quang phổ học là một môn học chính yếu trong thiên văn học, nó đã được ứng dụng thành công để nghiên cứu về khí quyển trong hành tinh chúng ta. Cách đây 200 năm, Joseph von Fraunhofer ( ) lần đầu tiên sản xuất loại máy đo quang phổ mà tính năng không có gì sánh kịp lúc bấy giờ. Ông ấy đã khám phá ra rất nhiều các đường tối trong quang phổ của ánh sáng mặt trời. Ông ấy có thể xác định chính xác độ dài bước sóng của nhiều Fraunhofer lines (vạch) và thuật ngữ này ngày nay vẫn được dùng. Tuy nhiên, trong thời gian này ông ấy không hiểu được những cơ sở vật lý và ý nghĩa về những vấn đề mà ông ấy khám phá ra. Hình 8.1. Thiết bị Spektralapparat thiết kế bởi Kirchhoff và Bunsen (1833) 49

2 Thành tựu quan trọng kế tiếp về Fraunhofer lines là quá trình tìm ra nguyên lý vật lý của sự hấp thu và phát xạ vào năm 1859 với sự cộng tác của nhiều nhà vật lý nổi tiếng như Gustav R. Kirchhoff và Robert W. Bunsen tại Heidelberg. Thiết bị mà họ sử dụng là Spektralapparat, họ ghi nhận được quá trình phát xạ rất đặc biệt của nhiều nguyên tố khác nhau. Với phương pháp này họ đã tiếp tục khám phá ra 2 nguyên tố mới là Cäsium và Rubidium, họ chiết được một lượng rất nhỏ (7g) từ lít nước khoáng gần núi Bad auheim, Đức. Sự khám phá này là nền tảng cho sự khám phá tiếp theo về sự hấp thu và phát xạ của hấp thu phân tử. ăm 1879 Marie Alfred Cornu thấy rằng, những tia có bước sóng ngắn của bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất bị hấp thụ bởi khí quyển. Một năm sau đó, Walther oel Hartley mô tả rất tỉ mỉ về sự hấp thụ UV của O 3 với độ dài bước sóng 200 và 300 nm và nó trở nên rõ ràng hơn khi họ phát hiện ra rằng O 3 chứa đầy trong bầu khí quyển. ăm 1880, Chappuis khám phá ra sự hấp thu trong vùng khả kiến ( nm). ăm 1925 Dobson phát triển một máy quang phổ mới rất ổn định sử dụng lăng kính bằng thạch anh. 8.3 Đại cƣơng về quang phổ Trong quang phổ học, ánh sáng nhìn thấy (ánh sáng khả kiến), tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia Rơnghen, sóng radio... đều được gọi chung một thuật ngữ là bức xạ. Theo thuyết sóng, các dạng bức xạ này là dao động sóng của cường độ điện trường và cường độ từ trường, nên bức xạ còn được gọi là bức xạ điện từ. Sau thuyết sóng, thuyết hạt cho thấy bức xạ gồm các hạt năng lượng gọi là photon chuyển động với tốc độ ánh sáng (c = m/s). Các dạng bức xạ khác nhau thì khác nhau về năng lượng h của các photon. Ở đây, năng lượng của bức xạ đã được lượng tử hóa, nghĩa là năng lượng của bức xạ không phải liên tục mà các lượng tử năng lượng tỉ lệ với tần số của dao động điện từ theo hệ thức Planck. h h = 6, J.s: hằng số Planck. Louis de Broglie đã đưa ra thuyết thống nhất cả khái niệm sóng và khái niệm hạt của sóng ánh sáng. Ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Tổng quát hơn là bức xạ có bản chất sóng hạt. ội dung như sau: Hạt có khối lượng m chuyển động với vận tốc v có bước sóng đi đôi với nó là cho bởi hệ thức: h mv h p Trong đó : p = mv là động lượng của hạt λlà bước sóng (de Broglie) h = 6, J.s là hằng số Planck. 50

3 8.3.1 Các đại lƣợng đo bức xạ điện từ Bước sóng : Là quảng đường mà bức xạ đi được sau mỗi dao động đầy đủ. Đơn vị: m, cm, m, nm, A o. (1cm = 10 8 A o = 10 7 m =10 4 m) Tần số : Là số dao động trong một đơn vị thời gian (giây) c Trong 1 giây bức xạ đi được c cm và bức sóng cm, vậy: Lưu ý: Bức xạ truyền trong chân không với vận tốc c = 2, m/s (thường lấy tròn m/s) Đơn vị: CPS ( VÒG DÂY), Hz, KHz, MHz. (1CPS=1Hz; 1MHz=10 3 KHz=10 6 Hz) ăng lượng bức xạ: Các dao động tử (phân tử chẳng hạn) chỉ có thể phát ra hoặc hấp thụ năng lượng từng đơn vị gián đoạn, từng lượng nhỏ nguyên vẹn gọi là lượng tử năng lượng: h hc hc Các dạng bức xạ Đơn vị: Jun (J), Calo (Cal), electron von (ev). Bức xạ điện từ bao gồm 1 dãy các sóng điện từ có bước sóng biến đổi trong khoảng rất rộng: từ cỡ mét ở sóng rađio đến cỡ o A (10 10 m) ở tia Rơnghen hoặc nhỏ hơn nữa. Toàn bộ dãy sóng đó được chia thành các vùng phổ khác nhau. Tia γ Tia X UV Tia hồng ngoại Vi sóng Sóng radio Vùng VIS (Khả kiến) Bước sóng λ (nm) Tím Chàm Lam Lục Vàng Cam Đỏ Hình 8.2. Các phổ của sóng điện từ 51

4 Mắt người chỉ cảm nhận được một vùng phổ điện từ rất nhỏ gọi là vùng nhìn thấy (khả kiến) bao gồm các bức xạ có bước sóng từ nm. Hai vùng tiếp giáp với vùng nhìn thấy là vùng hồng ngoại và vùng tử ngoại UV Sự tƣơng tác giữa vật chất và bức xạ điện từ Ở điều kiện bình thường, điện tử của phân tử nằm ở trạng thái liên kết, nên phân tử có mức năng lượng thấp, gọi là trạng thái cơ bản E o (Hình 8.3). Khi chiếu một bức xạ điện từ vào một môi trường vật chất, sẽ xảy ra hiện tượng các phân tử vật chất hấp thụ (absorption) hoặc phát xạ (emission) năng lượng, hay được gọi là trạng thái kích thích (Hình 8.3). ăng lượng mà phân tử phát ra hay hấp thụ vào là: E = E 2 E 1 = h Trong đó, E 1 và E 2 là mức năng lượng của phân tử ở trạng thái đầu và trạng thái cuối (hay còn gọi là trạng thái kích thích) là tần số của bức xạ điện từ bị hấp thụ hay phát xạ ra. ếu E > 0 thì xảy ra sự hấp thụ bức xạ điện từ. ếu E < 0 thì xảy ra sự phát xạ năng lượng. A B Hình 8.3. Sự hấp thụ (A) hoặc phát xạ (B) năng lƣợng của một photon Theo thuyết lượng tử, các phân tử và các bức xạ điện từ trao đổi năng lượng với nhau không phải bất kỳ và liên tục mà có tính chất gián đoạn. Phân tử chỉ hấp thụ hoặc phát xạ 0, 1, 2, 3, n lần lượng tử h mà thôi. Khi phân tử hấp thụ hoặc phát xạ sẽ làm thay đổi cường độ của bức xạ nhưng không làm thay đổi năng lượng của nó, bởi vì cường độ bức xạ điện từ xác định bằng mật độ các hạt phôton có trong chùm tia, còn năng lượng bức xạ điện từ lại phụ thuộc tần số của bức xạ. Vì thế khi chiếu một chùm bức xạ điện từ với một tần số duy nhất đi qua môi trường vật chất thì sau khi đi qua năng lượng của bức xạ không hề thay đổi mà chỉ có cường độ bức xạ thay đổi. Các phân tử khi hấp thụ năng lượng của bức xạ sẽ dẫn đến thay đổi các quá trình trong phân tử (quay, dao động, kích thích electron ) hoặc trong nguyên tử (cộng hưởng spin electron, cộng hưởng từ hạt nhân) Mỗi một quá trình như vậy đòi hỏi một năng lượng đặc trưng cho nó, nghĩa là đòi hỏi bức xạ điện từ có tần số hay chiều dài sóng nhất định để kích thích. Do sự hấp thụ chọn lọc này mà khi chiếu chùm bức xạ điện từ với một dãi tần số khác nhau đi qua môi trường vật chất thì sau 52

5 khi đi qua chùm bức xạ này sẽ bị mất đi một số bức xạ có tần số xác định, nghĩa là các tia này đã bị phân tử hấp thụ. Bảng 8.1. Ứng dụng quang phổ điển hình do sự thay đổi năng lƣợng Kiểu chuyển đổi năng lƣợng Vùng bƣớc sóng Tia γ Tia X Thiết bị quang phổ Máy quang phổ Mossbauer Máy hấp thụ quang phổ tia X Hấp thụ (absorption) Phát xạ (emission) UV/Vis Hồng ngoại Microwave Sóng radio UV/Vis Tia X UV/Vis Máy so màu quang phổ UV/Vis Máy hấp thu nguyên tử AAS Máy so quang phổ hồng ngoại Máy so màu hiệu ứng Raman Máy quang phổ vi sóng Máy quang phổ từ hạt nhân Máy phát xạ nguyên tử Máy phát xạ huỳnh quang tia X Máy quang phổ huỳnh quang Máy phát lân quang Máy quang phổ phát xạ huỳnh quang nguyên tử Bảng 8.2. Quang phổ điển hình không do sự thay đổi năng lƣợng Vùng bước sóng Kiểu tương tác Thiết bị Tia X hiểu xạ Máy nhiểu xạ tia X UV/Vis Khúc xạ Máy khúc xạ Tán xạ Máy đo độ đục Sự hấp thụ bức xạ và màu sắc của các chất Ánh sáng nhìn thấy bao gồm tất cả dải bức xạ có bước sóng từ nm có màu trắng (ánh sáng tổng hợp). Khi cho ánh sáng trắng (ánh sáng mặt trời) chiếu qua một lăng kính, nó sẽ bị phân tích thành một số tia màu (đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím). Mỗi tia màu đó ứng với một khoảng bước sóng hẹp hơn (xem Bảng 8.3). Cảm giác các màu sắc là một chuỗi các quá trình sinh lý và tâm lý phức tạp khi bức xạ trong vùng khả kiến chiếu vào võng mạc của mắt. Một tia màu với một khoảng bước sóng xác định. Chẳng hạn bức xạ với bước sóng 53

6 nm gây cho ta cảm giác màu tím, tia sáng với bước sóng 560 nm cho ta cảm giác màu lục vàng. Ánh sáng chiếu vào một chất nào đó nó đi qua hoàn toàn thì đối với mắt ta chất đó không màu. Thí dụ, thủy tinh thường hấp thụ các bức xạ với bước sóng nhỏ hơn 360 nm nên nó trong suốt với các bức xạ khả kiến. Thủy tinh thạch anh hấp thụ bức xạ với bước sóng nhỏ hơn 160 nm, nó trong suốt đối với bức xạ khả kiến và cả bức xạ tử ngoại gần. Một chất hấp thụ hoàn toàn tất cả các tia ánh sáng thì ta thấy chất đó có màu đen. ếu sự hấp thụ chỉ xảy ra ở một khoảng nào đó của vùng khả kiến thì các bức xạ ở khoảng còn lại khi đến mắt ta sẽ gây cho ta cảm giác về một màu nào đó. Chẳng hạn một chất hấp thụ tia màu đỏ ( = nm) thì ánh sáng còn lại gây cho ta cảm giác màu lục (ta thấy chất đó có màu lục). gược lại, nếu chất đó hấp thụ tia màu lục thì đối với mắt ta nó sẽ có màu đỏ. gười ta gọi màu đỏ và màu lục là hai màu phụ nhau. Trộn hai màu phụ nhau lại ta sẽ có màu trắng. ói cách khác, hai tia phụ nhau khi trộn vào nhau sẽ tạo ra ánh sáng trắng. Quan hệ giữa màu của tia bị hấp thụ và màu của chất hấp thụ (các màu phụ nhau) được ghi ở bảng sau: Bảng 8.3. Quan hệ giữa màu của tia bị hấp thụ và màu chất hấp thụ (nm) Tia bị hấp thụ Màu Tím Xanh Lục xanh Lục Lục vàng Vàng Da cam Đỏ Màu của chất hấp thụ (màu của tia còn lại) Vàng lục Vàng da cam Đỏ Đỏ tía Tím Xanh Xanh lục Lục Lưu ý: Giữa các tia màu cạnh nhau không có một ranh giới thật rõ rệt. Việc phân chia ánh sáng trắng thành 7, 8 hay 9 tia màu còn tùy thuộc vào lăng kính và sự tinh tế của mắt người quan sát. Một chất có màu, thí dụ như màu đỏ chẳng hạn là do nó đã hấp thụ chọn lọc trong vùng khả kiến theo một trong các kiểu sau: - Chất đó hấp thụ tia phụ của tia đỏ (tức là hấp thụ tia màu lục) - Chất đó hấp thụ các tia trừ tia màu đỏ. - Chất đó hấp thụ ở hai vùng khác nhau của ánh sáng trắng sao cho các tia còn lại cho mắt ta cảm giác màu đỏ. 54

7 Để một hợp chất có màu, không nhất thiết max của nó phải nằm ở vùng khả kiến mà chỉ cần cường độ hấp thụ ở vùng khả kiến đủ lớn. ói một cách khác tuy giá trị cực đại của vân hấp thụ nằm ngoài vùng khả kiến nhưng do vân hấp thụ trải rộng sang vùng khả kiến nên hợp chất vẫn có màu. Tất nhiên để có được sự hấp thụ thấy được ở vùng khả kiến thì max cũng phải gần với ranh giới của vùng khả kiến. Tương ứng với một bước chuyển điện tử, ta thu được phổ hấp thu có dạng: của chất Hai đại lượng đặc trưng của phổ hấp thu là vị trí và cường độ Vị trí cực đại hấp thu, giá trị max tùy thuộc vào E mà hợp chất này hấp thu ở các vùng phổ khác nhau. Bán chiều rộng của vân phổ điện tử dao động khá rộng khoảng nm. Cường độ thể hiện qua diện tích hoặc chiều cao của đỉnh biểu đồ (peak). Cường độ vân phổ phụ thuộc vào xác xuất chuyển mức năng lượng của điện tử. Xác suất lớn cho cường độ vân phổ lớn. Một hợp chất màu có phổ hấp thu tốt khi đỉnh biểu đồ (peak) cao và bán chiều rộng vân phổ hẹp. Peak Độ rộng Bán vân phổ λ max 55

8 Hình 8.4. Đỉnh (peak) và bán chiều rộng vân phổ Khi bán chiều rộng vân phổ hẹp, khi thay đổi nhỏ thì độ hấp thu A thay đổi lớn. Điều này rất có ý nghĩa trong phân tích định lượng. Giả sử hợp chất X có A max ở 500 nm. Khi chúng ta đo ở bước sóng 510 nm... thì độ hấp thu đo được sẽ khác rất xa đối với ở bước sóng 500 nm. Từ đó ta thấy rằng ở mỗi hợp chất màu có một giá trị max nhất định và nó phản ánh độ nhạy của phương pháp. Mặt khác, một hợp chất đòi hỏi đỉnh biểu đồ cao nghĩa là khi ta đo ở bước sóng max thì ta được độ hấp thụ quang cực đại, khoảng làm việc rộng Định luật Lambert Beer Khi chiếu một chùm tia sáng đơn sắc đi qua một môi trường vật chất thì cường độ của tia sáng ban đầu (I o ) sẽ bị giảm đi chỉ còn là I Tỉ số Tỉ số I Io I o 100 T được gọi là độ truyền qua. 0 0 I A được gọi là độ hấp thụ. I guyên tắc của phương pháp biểu diễn theo sơ đồ : Mẫu I o I A I I R Cuvette Trong đó: I o = I A + I R + I Hình 8.5. Sơ đồ mô tả sự hấp thụ ánh sáng của một dung dịch I o : Cường độ ban đầu của nguồn sáng I A : Cường độ ánh sáng bị hấp thu bởi dung dịch I: Cường độ ánh sáng sau khi qua dung dịch. I R : Cường độ ánh sáng phản xạ bởi thành cuvette và dung dịch, giá trị này được loại bỏ bằng cách lặp lại 2 lần đo. Giữa I A, I, độ dày truyền ánh sáng (l) và nồng độ (C) liên hệ qua quy luật Lambert Beer là định luật hợp nhất của Bouguer: 56

9 Lambert (1766) Beer (1852): Io lg K1C I Io lg K1l I Độ truyền quang (T) hay độ hấp thụ (A) phụ thuộc vào bản chất của vật chất, độ dày truyền ánh sáng l và nồng độ C của dung dịch. Có thể viết: Định luật Lambert Beer : I A lg( 0 ) C l I Trong đó: là hệ số hấp thu phân tử, C nồng độ dung dịch (mol/l), l độ dày truyền ánh sáng (cm), A là độ hấp thụ quang. (Lưu ý phương trình trên chỉ đúng đối với tia sáng đơn sắc). Trong phân tích định lượng bằng phương pháp trắc quang người ta chọn một bước sóng nhất định, chiều dày cuvet l nhất định và lập phương trình phụ thuộc của độ hấp thụ quang A vào nồng độ C. Khảo sát khoảng tuân theo định luật Lambert Beer: Khi biểu diễn định luật Lambert Beer trên đồ thị tùy theo cách thực hiện phép đo, ta thường gặp đường biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thu A vào cường độ C của dung dịch có dạng: y = ax + b Hệ số góc a cho biết độ nhạy của phương pháp, trong phương pháp trắc quang người ta chỉ đo dung dịch trong khoảng tuân theo định luật Lambert Beer tức là khoảng nồng độ mà ở đó giá trị không thay đổi. Hệ số góc a càng lớn và khoảng tuân theo định luật Beer càng rộng là điều kiện thuận lợi cho phép xác định. Sự lệch khỏi định luật Beer: Sự lệch khỏi định luật Beer được biểu diễn bằng sơ đồ sau: Hình 8.6. Giới hạn của định luật Beer về sự hấp thụ quang Khoảng tuyến tính LOL (Limit of Linear Response) là khoảng nồng độ tuân theo định luật Beer ( A l C) nghĩa là khi nồng độ tăng thì độ hấp thụ quang A tăng. goài giới hạn LOL là sự lệch khỏi định luật Beer, nghĩa là khi nồng độ tăng thì độ hấp thụ quang A hầu như 57

10 không tăng nữa. guyên nhân của quá trình này là do nồng độ dung dịch quá lớn. goài ra, khoảng tuyến tính LOL còn bị ảnh hưởng của mức độ đơn sắc của ánh sáng sử dụng, ph của dung dịch, lực ion, sự pha loãng... Ý nghĩa của các đại lƣợng: Hệ số hấp thu mol : phụ thuộc bản chất mỗi chất, bước sóng, nhiệt độ, chiết suất (theo nồng độ). Giá trị tính lý thuyết của một bước chuyển được phép cho 1 electron là = 10 5 mol -1.cm -1. A (l. mol -1 cm -1 ) lc cao cho ta biết được độ nhạy của phản ứng, là thước đo độ nhạy của phương pháp. Trong phân tích trắc quang, = mol -1. cm -1 là đủ nhạy để dùng cho phương pháp trắc quang, phụ thuộc vào chiết suất mà chiết suất lại phụ thuộc vào nồng độ. Khi chiết suất tăng lên thì giảm và để không thay đổi thì phải thực hiện C 10-2 mol/l. Độ hấp thụ quang A: Là đại lượng không có đơn vị, có tính chất quan trọng là tính cộng độ hấp thụ quang. Giả sử 2 chất A và B có nồng độ C A và C B, độ hấp thu tại bước sóng là: A = A A + A B = l ( A C A + B C B ) ếu một chất tan X nào đó có độ hấp thụ quang là A X, dung môi có độ hấp thụ quang là A dm, ta có: A = A x + A dm Để đo được chính xác A x thì A dm = 0, có nghĩa là phải chọn max của dung môi khác xa với max chất tan. hững chất được chọn làm dung môi thường có hấp thu ở miền ranh giới tử ngoại chân không. Bảng 8.4. Các dung môi thƣờng sử dụng trong vùng UV VIS Dung môi Bước sóng (nm) Dung môi Bước sóng (nm) ước cất 190 Benzen 280 HCl 190 Cloroform 245 Etanol, metanol 210 Tetra Clorocarbon 265 n- Butanol 210 Dietyl Eter 218 n- Hexan 210 Aceton 330 Cyclohexan 210 1,4 Dioxan 215 Trong hỗn hợp có nhiều cấu tử không làm thay đổi tương tác, không phản ứng hóa học, không dịch chuyển cân bằng, thì có thể xác định hỗn hợp các cấu tử theo hệ thức sau: 58

11 Độ hấp thụ A Độ truyền quang T: 1 2 i A lc lc... lc... T I I mà I A lg( 0 ) do đó A lg T o I 1 2 i n lc n Vì T tính theo % nên: A 2 lg T ếu T = 100% thì A = 0 (nghĩa là không hấp thụ ánh sáng (I = I o ) ếu T = 1% thì A = 2 ếu T = 0 % thì A (hấp thu hoàn toàn ánh sáng) Độ truyền quang T (%) Hình 8.7. Mối quan hệ giữa Độ truyền quang (T) và Độ hấp thụ (A) Ví dụ 8.1: Một mẫu có độ truyền quang là 50%, tính độ hấp thu A của mẩu? Giải quyết vấn đề: Ta có : A = -lg T = -lg(0,5) = 0,301 Ví dụ 8.2: Một dung dịch có nồng độ M được phân tích và đo bằng cuvette 1 cm ở bước sóng 490 nm được độ hấp thu là 0,338. Hãy tính độ hấp thu phân tử của chất ở bước sóng này? Giải quyết vấn đề: A = lc 0,338 1 cm M = 676 cm -1 M guyên lý cấu tạo của máy quang phổ guồn sáng guồn sáng cho máy quang phổ là chùm bức xạ phát ra rừ đèn. Máy quang phổ dùng đèn hydro hay đèn Deuterium cho phổ phát xạ liên tục trong vùng UV tử nm (nhưng thường sử dụng nm) và đèn tungsten halogen đo vùng nm. Để làm việc 59

12 cho cả hai vùng thì phải có đủ 2 loại đèn trên. Một yêu cầu đối với nguồn sáng là phải ổn định, tuổi thọ cao và phát bức xạ liên tục trong vùng phổ cần đo. Đèn Deuterium: cấu tạo sồm một sợi đốt phủ ôxit và một cực kim loại đặt trong một bóng thuỷ tinh chứa khí Deuteri hoặc hydro có cửa sổ bằng thạch anh để bức xạ tử ngoại đi ra vì nó không truyền qua được thủy tinh. Khi sợi đốt được đốt nóng, electron sinh ra kích thích các phân tử khí Deuteri (hoặc hidro) biến thành nguyên tử và phát ra phôton theo phản ứng: D 2 + E e D * 2 D + D + h E e = E * D 2 = E D + E D + h Ở đây là năng lượng electron kích thích, bức xạ phát ra là một phổ có bước sóng từ 160 nm đến vùng khả kiến. Bảng 8.5. guồn phát năng lƣợng trong các thiết bị quang phổ guồn Vùng bước sóng Sử dụng cho Đèn H 2 và D nm Hấp thụ phân tử tử ngoại ĐènTungsten nm Hấp thu phân tử khả kiến Đèn hồ quang Xe nm Phát xạ huỳnh quang phân tử Đèn ernst 0,4 20 µm Hấp thụ phân tử hồng ngoại Đèn cực âm hallow UV/Vis Hấp thụ nguyên tử Đèn hơi nước Hg UV/Vis Phát xạ huỳnh quang phân tử Laser UV/Vis Hấp thụ phân tử, nguyên tử, huỳnh quang, tán xạ Bộ đơn sắc Bộ đơn sức có chức năng tách bức xạ đa sắc thành bức xạ đơn sắc, bao gồm kính lọc, lăng kính hay cách tử. Cách tử là một bảng nhôm hay các kim loại Cu, Ag, Au... được vạch thành những rãnh hình tam giác song song. Khi chiếu ánh sáng qua cách tử, phần còn lại có tác dụng tạo nên vân nhiễu xạ có bước sóng khác nhau, khi quay cách tử sẽ tạo ra phổ nhiễu xạ giống như trường hợp ánh sáng qua lăng kính. Ưu điểm là cho độ phân giải tốt, tán sắc tuyến tính, độ rộng của dải ổn định, chọn bước sóng đơn giản, gọn nhẹ, dễ chế tạo nên hiện nay sử dụng cách tử tạo ánh sáng đơn sắc được ưa chuộng. Cách tử dùng cho UV/Vis có 1200 vạch/ mm (thường dao động từ vạch/mm, số vạch càng nhiều thì năng suất phân giải càng cao. 60

13 Hình 8.8 Sơ đồ mô phỏng cấu tạo của máy quang phổ Lăng kính của máy quang phổ dùng lăng kính littrow (lăng kính 30 o ) bằng thạch anh, có đặc điểm ánh sáng đi qua lăng kính hai lần do phản xạ ở mặt sau. Khi phân tích, để hạn chế mức độ nhiểu của vân phổ, tốt nhất nên chọn bước nhảy của bước sóng (bandwidth) ở mức thích hợp tuỳ vào hợp chất (Hình 8.9) Bandwidth 0,25 nm Bandwidth 1,0 nm Cuvet đựng mẫu Bandwidth 2,0 nm Bandwidth 4,0 nm Hình 8.9. Mức độ nhiểu ở các độ dài Bandwidth khác nhau Cuvet phải làm bằng chất liệu cho bức xạ ở vùng cần đo đi qua. Cuvet thủy tinh không thích hợp cho vùng UV. Cuvet thạch anh cho bức xạ đi qua từ nm. Cuvet nhựa chỉ dùng trong vùng Vis và chỉ sử dụng được 1 vài lần. 61

14 Detector Detector là bộ phận đo tín hiệu ánh sáng trước và sau khi đi qua dung dịnh (đựng trong cuvet). Các tín hiệu sau khi đi ra Detector sẽ được sẽ được khuếch đại bằng processor tín hiệu (signal processor), lưu giữ và xử lý trên máy tính. Có 2 loại detector là: bộ cảm biến photon (photon transducer) và bộ cảm biến nhiệt (thermal transducer) Bảng 8.6. Bảng 8.6. Đặc tính của một số bộ chuyển đổi tín hiệu (transducer) Detector Lớp Vùng bƣớc sóng Đèn quang điện (phototube) Photon nm Điện kế nhân (Photomultiplier) Photon nm Quang diot Silic (Si photodiode) Photon nm Quang dẫn (photoconductor) Photon nm Pin quang voltaic (photovoltaic cell) Photon nm Cặp nhiệt điện (thermocouple) hiệt 0,8 40 µm hiệt điện trở (thermistor) hiệt 0,8 40 µm Hoả điện (pyroelectri) hiệt 0, µm 8.4 Sử dụng phƣơng pháp trắc quang trong định lƣợng hóa học Yêu cầu về các hợp chất cần xác định là phải bền, ít phân ly, ổn định, không thay đổi thành phần trong khoảng thời gian nhất định để thực hiện phép đo (10 20 phút). Hệ số lớn có giá trị từ L. mol -1 cm -1, có thể thực hiện phản ứng tạo màu với các thuốc thử vô cơ và hữu cơ. ồng độ các chất xác định theo định luật Lambert Beer. Khoảng xác định nồng độ theo phương pháp là mole. Giới hạn phát hiện của phương pháp 10-7 mole. Các hợp chất là phức cần đo phải có max khác xa với max của thuốc thử trong cùng điều kiện tức là > 2 lần nửa bán chiều rộng của vân phổ (khoảng nm). Thí dụ, khi phân tích Fe 2+ bằng phương pháp O-phenanthroline. Sau khi thêm thuốc thử ta được phức màu vàng cam ( max = 510 nm), trong khi đó thuốc thử 1,10- Orthophenanthroline có max = 250 nm. Bảng 8.7 Một số ứng dụng phƣơng pháp trắc quang trong phân một số yếu tố thông thƣờng trong ao nuôi thuỷ sản Chỉ tiêu Phƣơng pháp Phức màu λ max (nm) Al Phản ứng với Eriochrome cyanide R ở ph 6,0 Hồng 535 Cu Phản ứng với eocuprine, ly trích bằng CHCl 3 Vàng

15 Fe 2+ Phản ứng với O-phenanthroline, ph = 5 Cam đỏ 510 H 3 Phenate, tạo phức Indophenol Xanh O 2 - O 3 3- PO 4 2- SO 4 Tạo muối diazonium, ph = 2 3 Hồng đỏ tía 543 Tạo muối salicylate, ph > 9 Vàng 410 Tạo phức moybden Xanh 690 Tạo phức với sodium rhodizonate Đỏ 520 SiO 2 Tạo phức heteropoly Xanh Phƣơng pháp so sánh So sánh cường độ màu của dung dịch cần xác định với cường độ màu của dung dịch chuẩn đã biết nồng độ. Điều kiện: cả hai dung dịch trên phải có nồng độ nằm trong khoảng tuân theo định luật Beer. C x A x C tc A tc Ta cần xác định C x : C x Ax C A tc tc Khi sử dụng 2 dung dịch chuẩn: C x C C C ( A 1) x A A2 A1 Với A 1, A 2, C 1, C 2 là độ hấp thu và nồng độ của dung dịch chuẩn tương ứng sao cho A 1 < A x < A 2 có nghĩa C 1 < C x < C Phƣơng pháp thêm chuẩn Phạm vi ứng dụng là xác định các chất có hàm lượng vi lượng hoặc siêu vi lượng, loại bỏ ảnh hưởng của chất lạ. Có 2 phương pháp là phương pháp sử dụng công thức và phương pháp đồ thị. Phương pháp sử dụng công thức C x C a A A x a x A x Trong đó: A x : độ hấp thu của dung dịch xác định tương ứng với thể tích V x. A x+ a : Độ hấp thu của dung dịch có thêm chuẩn. C a : ồng độ chất chuẩn thêm vào. 63

16 C x : ồng độ chất cần xác định trong thể tích V x Công thức được thiết lập từ: A x = l C x C x được biểu diễn theo đơn vị của C a. Cách thực hiện: A (x+a) = l (C x + C a ) Lấy 3 lần của dung dịch cần xác định nồng độ cho vào 3 bình định mức có thể tích VmL. Bình 1: Thêm thuốc thử và các chất để tạo môi trường ph cho dung dịch, dung dịch gọi là dung dịch xác định C x, độ hấp thu quang tương ứng là A x. Bình 2: Thêm một lượng chính xác dung dịch tiêu chuẩn đã biết chính xác nồng độ C a, tiến hành phản ứng tạo màu giống như bình 1. Dung dịch có độ hấp thu tương ứng là A (x+a). Bình 3: chỉ thêm các chất để tạo ph cho dung dịch, lấy dung dịch này làm dung dịch so sánh. Áp dụng công thức: C x C ban đầu của mẫu V o (ml): a A A xa x A x x CxV Co V o. Từ C x có trong thể tích V x (ml) có thể qui về thể tích mg/l Phương pháp sử dụng đồ thị Có ít nhất 3 dung dịch thêm chuẩn. Lấy ít nhất 4 lần của dung dịch cần xác định nồng độ cho vào 4 bình định mức V(mL). Sau đó thêm chính xác một lượng V 1, V 2, V 3 ml dung dịch tiêu chuẩn có nồng độ tương ứng C a1, C a2, C a3 vào 3 bình định mức trên. Tiến hành phản ứng tạo màu. Bình còn lại để làm dung dịch so sánh, cũng chuẩn bị giống như phương pháp công thức. Độ hấp thu của các dung dịch thêm so với dung dịch so sánh. Hình Tƣơng quan của phƣơng pháp thêm chuẩn sử dụng đồ thị. Có thể đọc kết quả trên đồ thị hoặc sử dụng phương trình hồi qui có dạng: A = ac + b (hồi quy tuyến tính y = ax + b) A x = b 64

17 Độ hấp thụ A C x = b/a Phƣơng pháp đƣờng chuẩn Ưu điểm là chính xác, thực hiện được nhiều lần. Chuẩn bị từ 6 dung dịch chuẩn (trong khoảng tuân theo định luật Beer). Thực hiện phản ứng màu với thuốc thử. Đo độ hấp thụ quang A của dung dịch ở max so với các dung dịch so sánh được chuẩn bị giống như dung dịch tiêu chuẩn nhưng không chứa ion cần xác định. Biểu diễn sự phụ thuộc A theo C trên đồ thị hoặc tính theo phương trình hồi qui A= ac + b (a và b là hệ số cần tìm của phương trình hồi quy tương quan) (xem Bảng 8.8) Dung dịch xác định: chuẩn bị và phản ứng tạo màu với thuốc thử giống như mẫu chuẩn. Bảng 8.8. Dung dịch chuẩn dùng để xây dựng đƣờng chuẩn Dung dịch chuẩn C (mg/l) A 1 0,00 0, ,05 0, ,10 0, ,15 1, ,20 1, ,25 2,281 Sau khi đo được giá trị độ hấp thụ quang của các dung dịch chuẩn, chúng ta có thể tiến hành xây dựng đường chuẩn và tìm ra phương trình hồi quy tương quan: y = x R 2 = ồng độ Hình Biểu đồ xác định phƣơng trình hồi quy của phƣơng pháp đƣờng chuẩn Sau khi thiết lập đường chuẩn, ta được dạng phương trình y = ax + b với y là độ hấp thụ quang, x là nồng độ. Đối với dung dịch xác định, ta tiến hành phản ứng và đo được hệ số hấp thu của mẫu (A mẫu = y), ta có thể tính được nồng độ của mẫu cần xác định theo phương trình: y b x a 65

18 Sự tương quan giữa độ hấp thụ quang A và nồng độ C khi l const là nội dung của định luật Beer. Khoảng nồng độ thỏa mãn định luật này khi R > 0,999. Hệ số tương quan r biến đổi trong khoảng -1 R 1 (R 2 = 0 1) Khi R 1 có sự tương quan chặt chẻ giữa x và y theo tỉ lệ thuận. Khi R -1 có sự tương quan chặt chẻ giữa x và y theo tỉ lệ nghịch. Khi R 0 hai đại lượng này không còn tương quan. 8.5 Độ chính xác trong phƣơng pháp trắc quang: Trong phân tích trắc quang cũng như bất kỳ phương pháp nào khác có thể chia sai số thành 2 nhóm: Sai số do tiến hành phản ứng hóa học (hóa chất, thao tác, dụng cụ...) Sai số của tín hiệu đo độ hấp thu của dung dịch (do hệ thống đo). Độ chính xác trong phương pháp này phụ thuộc vào hàng loạt nguyên nhân khác nhau rất phức tạp bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống, trong đó sai số quan trọng nhất là sai số của tín hiệu trong quá trình đo độ hấp thu quang học. 8.6 Một số ví dụ áp dụng phƣơng pháp định lƣợng trắc quang Ví dụ 8.3: Độ hấp thụ quang A của dung dịch anilin M trong nước đo ở bước sóng = 280 nm là 0,252. Chiều dài ánh sáng đi qua cuvet là 1cm. Tính độ truyền quang của anilin 1, M khi đo ở cùng độ dài bước sóng nhưng dùng cuvet 0,5cm. Giải quyết vấn đề: I Áp dụng công thức A lg( 0 ) C l với dung dịch 1 ta có: I = 0.252/( ) = 1, l. mol -1 cm -1. Áp dụng công thức I A lg( 0 ) C l với dung dịch 2 ta có: I A = 1, ,5 1, = Mà: A = -lg T suy ra: lg T = -A = -0,649, do đó T = 0,224 = 22,4% Vậy độ truyền quang T = 22,4% Ví dụ 8.4: Độ hấp thụ quang A đo được từ các mẫu chuẩn và mẫu nước thu từ ao nuôi cá chứa ion PO 4 3- như sau: ồng độ mẫu chuẩn (mg/l) 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 66

19 Độ hấp thụ quang A 0,010 0,480 0,930 1,370 1,830 2,281 Độ hấp thụ quang A của mẫu nước ao của 3 lần lặp lại là: 1,256; 1,245; 1,264. Tính nồng độ PO 4 3- trong mẫu nước ao. Giải quyết vấn đề: Từ các nồng độ mẫu chuẩn và độ hấp thụ quang A. Từ kết quả thiết lập phương trình hồi qui ta có: Y 9,0543 X 0, 0184 (R 2 = 0,9999). Từ kết quả của 3 lần phân tích lặp lại ta có A y = 1,255 0,0184 1,255 0,0184 Từ đó ta có x y 0, 137 mg/l 9,0543 9,0543 Vậy nồng độ PO 4 3- trong mẫu nước ao là 0,137 mg/l. Ví dụ 8.5: Để xác định hằng số phân ly của Methyl da cam (kí hiệu HIn), người ta đo độ hấp thụ quang A của 3 dung dịch cùng nồng độ Methyl da cam ở các ph khác nhau: - Dung dịch 1 trong HCl 0,1M; A 1 = 0, Dung dịch 2 trong aoh 0,1 M; A 2 = 0, Dung dịch 3 có ph = 4,34; A 3 = 0,175 Cho biết đo ở bước sóng = 510 nm và chiều dài ánh sáng đi qua cuvet là 1cm. Tính hằng số phân ly K của Metyl da cam? Giải quyết vấn đề: Độ hấp thụ quang của dung dịch 3: In l HIn l A3 HIn (8.1) In Với [In - ] = x; [HIn] = y ta có: x + y = C HIn = C (8.2) Thay (8.3) và (8.4) vào (8.1) ta được: A2 vì toàn bộ chất chỉ thị ở dạng In - (8.3) In C l A1 Hin vì toàn bộ chất chỉ thị ở dạng HIn (8.4) C l x y A3 A2 A1 (8.5) C C Qui ước: x C y ; (1 ) C Hằng số phân ly của HIn: 0,175 = 0, ,475 (1-) = 0,869 67

20 HIn H + + In - ; K a [ H ][ In K HIn pk = 4,34 - ] In pk ph lg ph lg HIn 1 0,869 lg = 7,34 0,82 = 3,52 K = 3, ,689 Vậy hằng số phân ly của methyl da cam là K = 3, guyên lý phân tích các yếu tố môi trƣờng nƣớc bằng phƣơng pháp quang phổ Xác định tổng đạm amoni TA (Total Ammonia itrogen) Phƣơng pháp essler guyên lý Trong môi trường bazơ mạnh H + 4 sẽ biến thành H 3. H 3 mới hình thành và H 3 sẵn có trong mẫu nước sẽ tác dụng với phức chất Indo-mercurate kalium (K 2 HgI 4 ), hình thành phức chất có màu vàng nâu, cường độ màu đậm hay nhạt tùy thuộc vào hàm lượng H 3 có trong mẫu nước. Phương trình phản ứng: 2 K 2 HgI 4 + H 3 + 3KOH Hg(HgIOH 2 ) + 7KI + 2 H 2 O (màu vàng) K 2 HgI 4 + H 3 + KOH Hg(HgI 3 H 2 ) + 5KI + H 2 O (màu nâu) Phƣơng pháp Indophenol blue (Phenate) guyên lý Trong môi trường kiềm mạnh, H + 4 sẽ chuyển thành H 3. Ammonia phản ứng với hypochlorite và phenol với chất xúc tác là sodium nitroprusside sẽ tạo thành phức indophenol có màu xanh, phức này hấp thụ ánh sáng tối đa ( max ) ở bước sóng 640nm. H 3 + ClO - H 2 Cl + OH - H 2 Cl + 2 OH + 2ClO - O OH + 3HCl + 2OH - O OH O O- + H + Các chất gây nhiễu và giới hạn phân tích Indophenol Ca và Mg bị kết tủa trong môi trường ph cao (do aoh cho vào mẫu nước trong quá trình phân tích) làm dung dịch bị đục làm ảnh hưởng đến kết quả đo độ hấp thụ quang. Cho vào mẫu nước trisodium citrate để tránh hiện tượng kết tủa của Ca và Mg. ếu mẫu nước chứa 68

21 H 2 S với hàm lượng cao, cần phải loại bỏ H 2 S bằng cách giảm ph xuống 3 bằng HCl và sục khí đến khí không còn mùi của H 2 S. Phƣơng pháp Salicylate guyên lý H 3 + OCl - H 2 Cl + OH - H OH 2 Cl + H 2 OH + Cl - Salicylate COO- COO- 5-amonisalicylate -O O Fe (C) 5 O H 2 OH itroprusside 5-aminosalicylate COO- COO- Indosalicylate (màu xanh) COO Xác định O 2 - Phƣơng pháp Ferrous Sulfate guyên lý Trong môi trường acid với tác dụng của Fe(SO 4 ) 2, O 2 - chuyển thành O (itrous oxide). Fe 3+ liên kết với O tạo thành phức màu nâu. 2Fe H + + 2O 2-2Fe O + 2H 2 O Phƣơng pháp tạo muối diazonium guyên lý O + FeSO 4 FeSO 4.O (màu nâu) O 2 - trong môi trường acid mạnh sẽ hình thành HO 2, HO 2 mới hình thành sẽ kết hợp với acid sulfanilique cho ra muối Diazonium sulfanilique. Sau đó muối diazonium sulfanilique sẽ kết hợp với thuốc thử -napthylammine cho ra -napthylammine diazonium sulfanilique. - napthylammine diazonium sulfanilique là một hợp chất có màu hồng, cường độ đậm hay nhạt tùy thuộc vào hàm lượng O 2 - có trong mẫu nước lúc ban đầu. ồng độ được xác định bởi máy so màu quang phổ ở bước sóng 543 nm. Các chất gây nhiễu và giới hạn phân tích 69

22 Cl 3 làm sai lệch màu đỏ của phức màu. Các ion sau đây gây kết tủa như Sb 3+, Au 3+, Bi 3+, Fe 3+, Pb 2+, Hg 2+, Ag +, PtCl 6 2-, VO Ion Cu làm giảm xúc tác và phân hủy muối diazonium. O HO 3 S H 2 + 2H + acid sulfanilique HO 3 S + + 2H 2 O Diazonium sulfanilique OH OH HO 3 S + + OH HO 3 S OH SO 3 H. napthylammine SO 3 H + H + HO 3 S SO 3 H. napthylammine diazonium sulfanilique (hồng) Xác định O 3 Phƣơng pháp khử bằng cột cadmium guyên lý O - 3 bị khử thành O - 2 khi đi qua cột cadmium (Cd), phương trình phản ứng xảy ra như sau: O H 2 O + Cd O Cd 2+ + OH - O 2 - hình thành được xác định bằng phương pháp so màu diazonium được mô tả ở phần trên Các chất gây nhiễu và giới hạn phân tích Hàm lượng vật chất lơ lửng quá cao làm giảm hiệu suất của cột khử, lọc mẫu qua giấy lọc 0,45 m trước khi cho qua cột khử. Các ion kim loại như Fe 2+, Cu 2+ và các kim loại khác cũng làm giảm hiệu suất của cột khư khi hàm lượng đạt vài mg/l, dùng EDTA để loại trừ ảnh hưởng này. Dầu, mỡ trong mẫu nước sẽ bao quanh bề mặt các hạt Cd là giảm sự tiếp xúc của mẫu nước với hạt Cd, do đó mẫu nước cần loại dầu mỡ bằng dung môi hữu cơ trước khi cho qua cột khử. Dư lượng chlorine sẽ oxy hóa Cd cũng làm giảm hiệu suất của cột khử, có thể kiểm tra dư lượng chlorine bằng chỉ thị DPD và khử chlorine bằng a 2 S 2 O 3. Cl 3 làm sai lệch màu đỏ của phức màu. Các ion sau đây gây kết tủa như Sb 3+, Au 3+, Bi 3+, Fe 3+, Pb 2+, Hg 2+, Ag +, PtCl 6 2-, VO Ion Cu làm giảm xúc tác và phân hủy muối diazonium. Phƣơng pháp salicylate guyên lý 70

23 Trong môi trường kiềm O 3 - sẽ hình thành phức màu vàng anh với acid sulfanilic. + O H + Acid sulfanilic itro-salicylate Xác định hàm lƣợng lân hoà tan PO 4 3- Phƣơng pháp Ascorbic acid Phương pháp so màu quang phổ ascorbic acid dựa trên nguyên tắc ammonium molydate và potassium antimonyl phản ứng với PO 4 3- tạo thành phosphomolybdate cộng với sự tham gia của ascorbic acid khử thành hợp chất phức của molydate có màu xanh được hấp thu ánh sáng ở bước sóng 880nm. 12MoO 3 + H 2 PO 4 - (H 2 PMo 12 O 40 )- Phƣơng pháp Clo Thiếc (SnCl 2 ) guyên lý Phức phosphomolybdate Muối orthophosphate trong môi trường acid, ion PO 4 3- sẽ phản ứng với thuốc thử Molybdate ammonium cho một phức chất ammonium phosphomolybdate, màu vàng chanh. PO (H 4 ) 2 MoO H + = (H 4 ) 2 PO 4.12MoO H H 2 O (Ammonium phosphomolybdate) Với sự hiện diện của các chất khử như SnCl 2, dạng ammonium phosphomolybdate bị khử thành dạng molybden blue có màu xanh. Cường độ màu đậm hay nhạt phụ thuộc vào hàm lượng ion PO 4 3- có trong mẫu nước lúc ban đầu. (H 4 ) 3 PO 4.12MoO 3 + Sn H + (H 4 ) 3 PO 4.(4MoO 2.2MoO 3 ) 2 + Sn H 2 O Phức màu này hấp thụ ánh sáng tối đa ( max ) ở bước sóng 690 nm. Các chất gây nhiễu và giới hạn phân tích SiO 2 và AsO 4 3- gây nhiễu dương khi mẫu nước bị đun nóng. Các chất AsO 4 3-, F -, thorium (Th), bismuth (Bi), sulfide, thiosulfate, thiocyanate gây nhiễu âm. Fe 2+ gây nhiễu khi hàm lượng lớn hơn 100 mg/l. Cl - gây nhiễu khi hàm lượng lớn hơn 75 mg/l và có sử dụng HO 3 trong quá trình phân tích. Hàm lượng lượng thấp nhất có thể phát hiện bằng phương pháp này là 3 g/l Xác định hàm lƣợng H 2 S trong nƣớc 71

24 Phƣơng pháp Methylence blue guyên lý guyên lý của phương pháp này dựa trên phản ứng của hydrogen sulfide (H 2 S) với FeCl 3 và,-dimethyl-p-phenylenediamine tạo nên methylene blue (màu xanh). Ammonium phosphate được thêm vào sau khi hiện màu để khử màu của FeCl 3. Methylene blue hấp thụ ánh sáng tối đa ( max ) ở bước sóng 664 nm. 2 (CH 2 ) 2 H 2 (Dimethyl-p-phenylenediamine) + HCl + 6FeCl 3 + H 2 S (CH 2 ) 2 S + (CH 3 ) 2 Cl - (Methylene xanh) Các chất gây nhiễu Sulfite (SO 3 2- ) làm chậm phản ứng hiện màu nếu hàm lượng lớn hơn 10 mg/l ngay cả khi hàm lượng H 2 S cao. Để khắc phục sự gây nhiễu của SO 3 2-, tăng lượng Fe 3+ tham gia phản ứng lên 2-6 lần Xác định hàm lƣợng Fe 2+ Phƣơng pháp Thiocyanate guyên lý Phương pháp này dựa trên nguyên tắc: trong môi trường acid, Fe 2+ bị oxy hóa thành Fe 3+ bằng một tác nhân oxy hóa thích hợp. Fe 3+ mới được hình thành và Fe 3+ có sẳn trong mẫu nước sẽ kết hợp với ion SC - hình thành một phức chất có màu đỏ máu, cường độ màu phụ thuộc hàm lượng ion Fe 3+ có trong mẫu nước. Phƣơng pháp chuẩn độ guyên lý 10 Fe H + + K 2 S 2 O 8 = 10 Fe 3+ + K 2 S 2 O 3 + 3H 2 O Fe SC - = Fe(SC) 3 Phương pháp này chỉ sử dụng trong trường hợp hàm lượng sắt tổng trong môi trường nước cao. Fe 2+ trong mẫu nước sẽ bị oxi hóa thành Fe 3+, Fe 3+ sẽ được phát hiện bởi acid sulfosalicylic (tạo thành phức màu đỏ). Ta dùng dung dịch này chuẩn độ EDTA (không màu) cho đến khi dung dịch chuyển sang màu vàng. Phương trình phản ứng hóa học: Fe HO 3 Fe(O 3 ) 3 + 3/2H 2 72

25 OH CO 2 H + SO 3 H Fe 3+ SO3 H OH SO 3 H HO O O O Fe O O O OH SO 3 H Phƣơng pháp O-phenanthroline guyên lý Sắt bị khử thành dạng Fe 2+ bằng cách đun sôi với acid và hydroxylamine và được xử lý với 1,10 phenanthroline ở ph 3,2 3,2. Ba phân tử phenanthroline tạo hợp chất càng cua với mỗi một nguyên tử Fe 2+ thành dạng phức chất có màu đỏ-cam. Phức màu hấp thụ ánh sáng tối đa ( max ) ở bước sóng 510nm. 3 O-phenanthroline + Fe 2+ Fe Màu đỏ gạch Các chất gây nhiễu và giới hạn Các chất gây nhiễu trong phân tích gồm: chất oxy hóa, cyanide, nitrite, polyphosphate, Cr và Zn (lớn hơn 10 lần của Fe), Co và Cu ( lớn hơn 5 mg/l), i (lớn hơn 2 mg/l. Bi, Cd, Hg, Mo, và Ag gây kết tủa phenanthroline. Đun mẫu với acid để chuyển polyphosphate thành orthophosphate và loại bỏ cyanide, nitrite. Xử lý hydroxylamine để loại bỏ các chất oxy hóa. Trong trường hợp bị nhiễu do kim loại cao nên tăng thêm lượng phenanthroline khi phân tích. 73

26 Hàm lượng Fe nhỏ hơn 10g/L có thể xác định bằng máy quang phổ với độ dài truyền quang 5 cm hoặc lớn hơn. Phƣơng pháp TPTZ guyên lý tạo thành phức màu xanh tía (blue- 2,4,6-tripyridyl-s-triazin (TPTZ) phản ứng với Fe 2+ purple). 2 + Fe 2+ Fe Xác định hàm lƣợng SiO 2 Phƣơng pháp Molybdosilicate Trong môi trường ph từ 3 4, SiO 2 và các dẫn suất của nó sẽ tồn tại dưới dạng H 2 SiO 3 (Silicic acid), H 2 SiO 3 sẽ kết hợp với (H 4 ) 2 MoO 4 (Molybdate ammonium) hình thành phức chất Molybdosilicate có màu vàng, cường độ đậm nhạt phụ thuộc vào hàm lượng H 2 SiO 3 có trong mẫu. H 2 SiO (H 4 ) 2 MoO HCl H 8 Si(Mo 2 O 7 ) H 4 Cl + 9H 2 O Phƣơng pháp Heteropoly blue guyên lý Trong môi trường ph thấp (~1) ammonium molybdate phản ứng với silic hòa tan (reactive silica) trong nước tạo thành molybdosilicic acid (silicomolybdic acid) màu vàng. SiO 2 + H 2 O H 2 SiO 3 (Silicic acid) H 2 SiO 3 + 3H 2 O H 8 SiO 6 (silicic acid hydrate) H 8 SiO (H 4 ) 2 MoO H 2 SO 4 H 8 [Si(Mo 2 O 7 ) 6 ] + 12 (H 4 ) 2 SO H 2 O Molybdosilicic acid bị khữ bởi ascorbic acid hoặc aminonaphtholsulfonic acid thành heteropoly blue (màu xanh). Heteropody blue hấp thụ ánh sáng tối đa ( max ) ở bước sóng 815 nm. 74

27 Phosphate cũng phản ứng với ammonium molybdate tạo thành phosphomolybdic acid (màu vàng). Vì vậy, phosphate có trong mẫu nước sẽ gây nhiễu khi phân tích silic. Dùng oxalic acid hoặc citric acid để phá hủy phosphomolybdic acid trước khi khử Molybdosilicic acid thành heteropoly acid có thể khắc phục sự nhiễu do phosphate. Giới hạn phân tích là 50 g/l với phương pháp so màu quang phổ. Các chất gây nhiễu Dụng cụ thủy tinh và hóa chất chứa silic có thể gây nhiễu, nên dùng hóa chất và dụng cụ có hàm lượng silic thấp. Tanin, phosphate, sắt, màu, nước đục có thể gây nhiễu, oxalic acid có thể loại trừ nhiễu do phosphate và tanin. ếu cần thiết thì có thể hiệu chỉnh độ hấp thụ quang đối với mẫu nước đục và có màu Xác định hàm lƣợng Phenol Phƣơng pháp 4-Aminoantipyrine Trong môi trường ph = 10, với sự hiện diện của Fe(C) 3 phenol phản ứng với 4- aminoantipyrine hình thành phức màu vàng và được ly trích trong trong dịch CHCl 3 (chloroform). So màu ở bước sóng = 500nm. H 3 C O OH H 3 C O H 3 C H 2 H 3 C O 4-Aminoantipyrine Phenol 8.8 Một số thiết bị chính trong phân tích quang phổ Cuvette thạch anh 1 cm Cuvette nhựa 1 cm Cuvet thuỷ tinh 1cm 75

28 Máy so màu đi hiện trường Máy so màu 1 chùm tia Máy so mày 2 chùm tia TÀI LIỆU THAM KHẢO APHA, AWWA, WEF Standard moethods for the examination of water and wastewater, 19 th edition.. American Public Health Association 1015 Fifteenth Street, W Washington, DC Gauglitz, G., Vo-Dinh, T., Handbook of Spectroscopy. Wiley-VCH Verlag GmbH and Co. KGaA, Weinheim. ISB pp. Harvey, D., Modern analytical chemistry. McGraw-Hill Higher Education. The International Edition. 816 pp. Laitenen, H.A., Ewing, G.W., A history of analytical chemistry. The Division of Analytical Chemistry of the American Chemical Society: Washington, D.C. pp Lykos, P., The Beer Lambert Law Revisited: A development without calculus. J. Chem. Educ. 69,