các phương pháp phân tích quang học

1

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 7
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 10
2.2.3. Các yếu tố làm sai lệch định luật Lambert-Beer 11
2.2.4. Độ chính xác của phép đo độ hấp thụ và phép đo nồng độ 12
2.2.5. Điều kiện nồng độ để tiến hành phân tích đo quang 13

2.3. Các thủ tục thực nghiệm trong phân tích đo quang 13
2.3.1. Phương pháp đường chuẩn 13
2.3.2. Phương pháp tính 14
2.3.3. Phương pháp thêm tiêu chuẩn 14
2.4. Phương pháp đo quang vi sai 15
2.5. Sơ đồ thiết bị quang phổ hấp thụ phân tử 16
2.6. Một số ứng dụng phương pháp đo quang 20
2.6.1. 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) 20
2.6.2. Xác định thành phần phức chất trong dung dịch bằng phương pháp đường cong
bão hòa 22



2

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 c ủa
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 g ồm
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

3

chất hạt không loại trừ lần nhau mà còn bổ sung cho nhau. Thực tế, mô hình kép đư ợc 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).
UCác tham số sóngU:
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 v
i
(m/s) là tích số giữa tần số ν và bước sóng λ (tính bằng m):
v
i

= ν λ (1-1)
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.

4

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 v ận 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:
c = ν λ = 3.00.10
8
m/s = 3,00.10
10
cm/s (1-2)
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 bư ớc 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:
 = k ν (1-3)
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.

5

 =

 ×



= 2000 cm
-1

1.2.2. Tính chất hạt của bức xạ điện từ
Năng lượng của photon phụ thuộc vào tần số của bức xạ và được đưa ra dưới dạng:
E = hν (1-4)
ở đây h là hằng số Planck (h = 6,63.10
-34
J.s).
Có thể biểu diễn năng lượng của photon dưới dạng bước sóng và số sóng:
E =


= hc (1-5)

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

Áp dụng phương trình (1-5):
E = hc = 6,63.10
-34
(J.s) × 3,00.10
10



× 2000 cm
-1
= 3,98.10
-20
(J)
1.3. Phổ bức xạ điện từ
Phổ bức xạ điện từ là quen thuộc với bạn hơn bạn nghĩ. Lò vi sóng, bạn sử dụng để làm nóng
thực phẩm của bạn và điện thoại di động mà bạn sử dụng là một phần của phổ bức xạ điện từ.
Ánh sáng mà đôi mắt của bạn có thể nhìn thấy cũng là một phần của quang phổ điện từ. Một
phần có thể nhìn thấy được của phổ bức xạ điện từ bao gồm các màu sắc mà chúng ta thấy
trong cầu vồng - từ màu đỏ và cam, đến lam, chàm và tím (hình 1-3).

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

6

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, đ ến 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 thư ờng, 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
-9
s) 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.
ΔE = E
cao
– E
thấp
= hν (2-1)

7

Do năng lượng phân tử được lưu giữ dưới ba dạng: quay, dao động và điện tử nên:
ΔE = ΔE
quay
+ ΔE
dao động
+ ΔE
điện tử
(2-2)
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.
UĐộ truyền quang
Ánh sáng đơn sắc (bước sóng λ thuộc miền tử ngoại và trông thấy) có cường độ I
o
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≤I
o
.

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

8

T =



(2-3)
Bởi vậy, T thay đổi từ 0-1. Phần trăm truyền quang, đơn giản là 100T%, và nó thay đổi tương
ứng từ 0-100%.
Độ hấp thụ A được định nghĩa:
A = lg



= -lgT (2-4)
- Nếu ánh sáng không bị hấp thụ, I = I
o
và A = 0
- Nếu 90% ánh sáng bị hấp thụ, 10% đã đư ợc truyền quang, khi đó



=


và với tỉ số
này nhận được A = 1

- 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 đ ộ 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) đư ợc 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 A
max
ứng với giá trị λ
max
gọi là cực đại hấp thụ, λ
max
chỉ phụ thuộc vào bản chất dung
dịch, có thể dùng trong phân tích định tính.

9

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 λ
max
bởi vì việc đo A ở λ
max
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
A = εbC = lg




= -lgT (2-5)
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:
A = KC với K= εb = const (2-6)
Phương pháp phân tích đo quang định lượng được đặt trên cơ sở phương trình (2-6)
UChứng 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)


Ánh sáng tới (I
o
, λ)

b

I I-dI
C

x= 0 dx x=b


Ánh sáng ló, I

Hình 2-2. 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.

10

Chúng ta hãy tư ởng 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.
dI = - βICdx (2-7)
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:



=   



=









(2-8)
Giới hạn của tích phân ở đây là I = I
o
ở x=0
và I = I ở x=b
Từ (2-8) đưa tới:
-lnI – (-lnI
o
) = βbC → 



= βbC
Cuối cùng, biến đổi ln về lg, sử dụng mối quan hệ lnz = ln(10)(lgz), ta nhận được định luật
Bouger – Lambert – Beer:




= 


bC →  = εbC
Độ hấp thụ A Hằng số ε
Đây chính là biểu thức (2-5)
Ví dụ: Tìm đ ộ hấp thụ và truyền quang của dung dịch 0,00240M của một dung dịch có độ
hấp thụ mol ε= 313 M

-1
cm
-1
, với bề dày cuvet là b = 1,00 cm
Giải: Theo (2-5) ta có:
Độ hấp thụ A = εbC = 313 M
-1
cm
-1
x 1,00 cm x 0,00240M = 0,751
Độ truyền quang T = 10
-A
= 10
-0,751
= 0,177
→ có 17,7% ánh sáng truyền qua dung dịch (ánh sáng ló)
2.2.2. Tính chất cộng tính của độ hấp thụ quang
Giả sử chúng ta chiếu liên tiếp một chùm tia sáng đơn sắc qua hai dung dịch có nồng độ lần lượt là C
1

và C
2
, độ hấp thụ mol tương ứng là ε
1
và ε
2
.
Ở dung dịch 1 có độ hấp thụ A
1
= 





, ở dung dịch 2 có độ hấp thụ A
2
= 





Ta có: 




 + 




 = 










 = 




  A
1
+ A
2
= A

11

Như vậy, chúng ta nhận thấy rằng độ hấp thụ có tính chất cộng tính:
A =





(2-9)
Nói cách khác, nếu có i chất trong cùng một dung dịch hấp thụ một ánh sáng nào đó, độ hấp
thụ sẽ là độ hấp thụ của i chất.
Chúng ta hãy xem xét tính chất này có ý nghĩa th ế nào trong phân tích bằng phương pháp
quang phổ đo quang.
Nếu một dung dịch gồm chất nghiên cứu và tạp chất thì độ hấp thụ:
A
dung dịch

= A
nghiên cứu
+ A
nền

Trong phân tích đo quang chúng ta chuẩn bị dung dịch trống chứa các tạp chất, có nghĩa là:
A
trống
= A
nền
(do không có mặt ion cần xác định)
Và A
nghiên cứu
= A
dung dịch
- A
trống

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, đi ều 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.

12

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 CrO
4
2-
khi tăng nồng độ [H
+
] có thể tạo thành ion Cr
2
O
7
2-
theo phản ứng:
2 CrO
4
2-
+ 2H
+
⇋ Cr
2
O
7
2-

+ 2H
2
O
Làm thay đổi miền bức xạ điện từ bị hấp thụ.
Một ví dụ khác, 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
= 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 =lg



= 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.
Ta có: C =


=


(2-10)
Lấy vi phân: dC =

,
(2-11)
Từ (2-10) và (2-11) ta có:




=

,
=



Chuyển sang gia số hữu hạn ta có:



=


(2-12)

13

Từ (2-12) ta có thể khảo sát sự biến thiên


trong miền giá trị của T (T = 0÷1) với một sai số
ΔT cho trước.
Để tìm cực trị ta lấy vi phân phương trình (2-12) theo T với ΔT = const và cực trị xảy ra khi:








 =




()

=

(

)

()

= 0
Vì ΔT ≠ 0, nên rõ ràng (lnT+1) = 0. Từ đó lnT = 2,3lgT = -1 và –lgT = 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 nồng độ để tiến hành phân tích đo quang
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 Mn
2+
thành MnO
4
-

). 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 C
1
, C
2
, C
3
, , xác lập các
điều kiện để tạo các hợp chất có hiệu ứng phổ hấp thụ bức xạ điện từ ở λ
max
chọn trước. Đo
độ hấp thụ tương ứng A
1
, A
2
, A
3
, 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.

14


Hình 2-3. Phương pháp đường chuẩn
2.3.2. Phương pháp tính
Từ phương trình (2-6) A= ϵbC = KC, với một chất nghiên cứu xác định và b chọn trước
(thường sử dụng cuvet có b = 1,00 cm) và với chất nghiên cứu đủ bền thì việc xác định nồng
độ có thể chỉ cần một mẫu chuẩn có nồng độ biết chính xác là đủ. Vì trong điều kiện trên thì
K sẽ không thay đổi từ thí nghiệm này sang thí nghiệm khác.
Chúng ta đo độ hấp thụ của dung dịch mẫu nghiên cứu có nồng độ C
x
và dung dịch chuẩn C
o
.
Viết phương trình đường thẳng đi qua hai điểm và từ đó tính được C
x
.
2.3.3. Phương pháp thêm tiêu chuẩn
Tiến hành đo độ hấp thụ của dung dịch nghiên cứu có nồng độ C
x
, sau đó thêm một lượng
dung dịch chuẩn vào dung dịch nghiên cứu C
1
và đo độ hấp thụ của dung dịch này. Thường
người ta pha chế ít nhất là ba dung dịch, ví dụ C
x
, C
x
+ C

1
và C
x
+2C
1
. Mối quan hệ giữa các
số liệu rời rạc là mối quan hệ tuyến tính. Hồi qui các số liệu rời rạc về phương trình bậc nhất,
từ đó cho phép chúng ta tính được hệ số góc K.
Để phép đo có độ tin cậy cao, thường người ta chọn nồng độ C
1
có nồng độ gần bằng C
x
.
y = 1,4963x
R² = 1
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 0,350 0,400 0,450
A
C, mg/l

15

2.4. Phương pháp đo quang vi sai

Như đã trình bày ở phần 2.5, việc đo độ hấp thụ ở các giá trị A lớn có thể mắc phải sai số lớn
trong việc xác định nồng độ. Với các dung dịch có độ hấp thụ lớn người ta sử dụng phương
pháp đo quang vi sai. Trong phương pháp này độ hấp thụ của dung dịch đo không phải so với
dung môi hoặc dung dịch trống như phương pháp đo quang thường dùng. Dung dịch so sánh
ở đây thường là dung dịch có nồng độ biết trước C
ss
, C
ss
phải chọn thế nào để độ hấp thụ của
nó so với dung môi hoặc dung dịch trống khá lớn nhưng phải nhỏ hơn độ hấp thụ của dung
dịch đo một ít.
Chúng ta có thể xác định nồng độ của chất nghiên cứu sử dụng các thủ tục phân tích như với
đo quang thường.
UCơ sở phương pháp:
Dung dịch so sánh có nồng độ C
ss
, đo được A
ss
(qui về 0,000)
Dung dịch phân tích có nồng độ C, đo được A
Khi dung dịch so sánh có nồng độ khác không, giá trị A’ đo được sẽ là hiệu của A-A
ss
, dựa
trên tính chất cộng tính của độ hấp thụ
A’ = A-A
ss
= ϵb(C-C
ss
)
Khi dung dịch phân tích có nồng độ lớn (giá trị A sẽ rất lớn), người ta sử dụng phương pháp

đo quang vi sai nhằm làm giảm giá trị đo A với việc sử dụng dung dịch trống chứa chất cần
phân tích đã biết nồng độ, vì khi đó giá trị đo được sẽ nằm trong khoảng tuyến tính, tức là hệ
thức (2-5) luôn đúng.
UPhương pháp tínhU:
Chúng ta cần chuẩn bị dung dịch chuẩn, dung dịch so sánh và dung dịch phân tích
Ví dụ:

dung dịch chuẩn
dung dịch so sánh
dung dịch phân tích
Cu
2+

C
ch
C
ss
(C
ss
<C
ch
, C
x
)
C
x
Độ hấp thụ
A
ch
0,000

A
x
Ta có:




=








→ C
x






16

UPhương pháp đồ thịU:
Chúng ta cần chuẩn bị một dãy dung dịch chuẩn, dung dịch so sánh và dung dịch phân tích

Dãy dung dịch chuẩn

dung dịch so sánh
dung dịch phân tích
Cu
2+

C
ch1
, C
ch2
, C
chi
C
ss
(C
ss
<C
chi
, C
x
)
C
x
Độ hấp thụ
A
ch1
, A
ch2
, A
chi
,

0,000
A
x
Đo độ hấp thụ A
chi
ứng với các dung dịch chuẩn thứ i, dung dịch so sánh được lựa chọn sao
cho nồng độ của nó nhỏ hơn A
chi
. Xây dựng đồ thị mối quan hệ A-C.
Ta cũng tiến hành đo quang với cùng điều kiện cho dung dịch phân tích có nồng độ A
x
với
dung dịch so sánh.

Hình 2-4. Phương pháp đo quang vi sai
Từ đồ thị ta có thể tính được nồng độ của dung dịch nghiên cứu sau khi tiến hành đo độ hấp
thụ A
x

2.5. Sơ đồ thiết bị quang phổ hấp thụ phân tử
Sơ đồ thiết bị quang phổ hấp thụ phân tử được mô tả bằng sơ đồ khối ở hình 2-5 dưới đây:
y = 1,4963x
R² = 1
y = 1,449x - 0,2898
R² = 1
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800

1,000
1,200
1,400
0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 0,800 0,900
A
C, mg/l
Đo quang vi sai

17


Hình 2-5. Sơ đồ thiết bị quang phổ hấp thụ phân tử
Nguồn sáng:
Các loại đèn H
2
và D
2
cho ánh sáng với bước sóng từ 160-380 nm (hình 2-6)
Đèn sợi đốt vonfram cho ánh sáng từ miền 350-2200 nm (hình 2-7)
Các thiết bị UV-VIS hiện đại thường sử dụng cả hai đèn D
2
và đèn sợi đốt vonfram cho miền ánh ổn
định từ miền tử ngoại và miền trông thấy.

Hình 2-6. Đèn Deuteri (a) và phổ phát xạ của nó (b)


Hình 2-7. Đèn sợi đốt vonfram (a) và phổ phát xạ của nó (b)
Bộ tán sắc:

18

Các thiết bị phân tích quang học thường cần đến bộ tán sắc giúp việc phân chia ánh sáng thành ánh
sáng đơn sắc, nó được sử dụng để chất phân tích hấp thụ hay phát xạ. Do vậy, bộ tán sắc nâng cao cả
độ nhạy và độ chọn lọc. Ngoài ra, tính đơn sắc của ánh sáng tới làm tăng tính đúng đắn của phương
trình toán học của định luật Lambert-Beer.
Đầu tiên, cần hiểu rằng không có có bộ tán sắc nào là có khả năng tạo ra bức xạ có bước sóng đơn sắc.
Mặc dù, đầu ra của thiết bị là một miền ánh sáng liên tục được gọi là đám; Các bước sóng này phân
bố ít nhiều đối xứng qua trung tâm của bước sóng danh nghĩa λ
1
(nominal wavelength).

Hình 2-8. Đầu ra của một bộ tán sắc
Như được chỉ ra ở hình 2-8, độ rộng hiệu quả của đám hay còn gọi là độ đơn sắc được định nghĩa là
độ rộng của đám phổ ở chiều cao ½ của chiều cao pic. Độ đơn sắc của bộ tán sắc thay đổi rất lớn đối
với các bộ tán sắc khác khau. Ví dụ, bộ tán sắc có chất lượng cao cho miền trông thấy có thể cho độ
đơn sắc nhỏ hơn 1/10 nm, trong khi đó các bộ lọc trong vùng trông thấy có thể cho độ đơn sắc tới 200
nm hay lớn hơn.
Cách tử: Hầu hết bộ tán sắc trong các thiết bị phân tích hiện đại là các bản sao cách tử, nhận được
bằng cách đúc từ cách tử chủ. Cách tử chủ là một kính phẳng, được đánh bóng bề mặt và được chia
vạch bằng kim cương. Mặt cắt đứng được phóng đại ở hình 2-9 chỉ cho ta thấy một vài rãnh. Một cách
tử sử dụng cho miền tử ngoại và trông thấy thường chứa từ 300-2000 rãnh/mm.

19


Hình 2-9. Cơ chế nhiễu xạ từ một loại cách tử
Cuvet đựng mẫu:

Hình 2-10. Các loại cuvet đựng mẫu

Cuvet đựng mẫu thường làm bằng thủy tinh (làm việc trong vùng trông thấy) hoặc bằng thạch
anh (làm việc trong miền tử ngoại và trông thấy) như được chỉ ra ở hình vẽ 2-10.
Detector:
Các tính chất của bộ chuyển đổi tín hiệu bức xạ điện từ:
- Phản hồi nhanh chóng với các với các bức xạ mang năng lượng thấp trên một miền
bước sóng rộng.
- Tạo ra tín hiệu điện để có thể dễ dàng khuếch đại và có độ nhiễu thấp.
- Tín hiệu được tạo ra bởi đầu dò tỉ lệ thuận với cường độ của tín hiệu của đầu vào.
Detector làm việc trong miền UV-VIS thường dùng là ống quang (phototubes) làm việc trong
miền từ 150-1000 nm (hình 2-11).

20


Hình 2-11. Ống quang và các phụ kiện
Mặt lõm của bề mặt catot được phủ một lớp vật liệu quang điện, chẳng hạn như một kim loại
kiềm hay các oxit kim loại. Các vật liệu quang điện có xu hướng phát xạ electron khi bị kích
thích. Khi một điện áp được đặt vào các điện cực, các electron chạy theo anot (dạng dây), tạo
ra một dòng có thể dễ dàng được khuếch đại, hiện thị và ghi lại.
Số electron được đẩy ra từ bề mặt của quang điện tỉ lệ thuận với bức xạ tia tới tấn công bề
mặt này. Với điện áp khoảng 90V, các electron này có thể tới được anot và cho một dòng tỉ lệ
thuận với cường độ tia tới.
2.6. Một số ứng dụng phương pháp đo quang
Việc ứng dụng phương pháp quang phổ đo quang không chỉ ở phân tích định lượng mà nó
còn được ứng dụng để nghiên cứu trạng thái cân bằng trong dung dịch như xác định hằng số
phân ly của các axit hữu cơ, hằng số cân bằng của phản ứng tạo phức và thành phần phức
chất.
2.6.1. Xác định thành phần phức chất trong dung dịch bằng phương pháp dãy đ ồng phân tử
gam (phương pháp biến thiên liên tục_Continuous Variation)
Để xác định hệ số hóa học trong phản ứng tạo phức chất người ta hay dùng phương pháp dãy

đồng phân tử gam. Phương pháp này chỉ đúng cho trường hợp hệ thống tạo thành một phức,
không có phản ứng phụ như thủy phân, trùng hợp hay phân ly.
Giả sử có ion kim loại Me tác dụng với thuốc thử R để cho phức MeR
n
theo phản ứng:
Me + nR ⇋ MeR
n
(2-13)

21

Với hằng số cân bằng:
K
cb
=
[

]
[

]
[]

(2-14)
Từ phương trình (2-13) cho thấy khi tăng nồng độ thuốc thử R thì lư ợng phức tạo thành sẽ
tăng lên. Nếu pha một dãy dung dịch trong đó lượng tương đối của Me và R khác nhau,
nhưng lượng chung của chúng không đổi, thì sẽ có một dung dịch có nồng độ MeR
n
cực đại.
Thành phần của dung dịch này sẽ phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của Me và R cũng như K

cb
.
Nếu pha chế dãy dung dịch xuất phát từ dung dịch Me và R có nồng độ phân tử gam (mol/l)
giống nhau, trong từng dung dịch của dãy, tổng nồng độ phân tử gam của Me và R là không
đổi, còn tỉ lệ nồng độ Me với nồng độ R thay đổi (dung dịch đồng phân tử). Dung dịch có
thành phần phức chất cực đại là dung dịch mà trong đó tỉ lệ nồng độ của Me và R bằng thành
phần của chúng trong phức chất.
Các điều lưu ý khi sử dụng phương pháp biến thiên liên tục:
- Đảm bảo tính đúng đắn của định luật Lambert-Beer.
- Giữ lực ion không đổi và pH ổn định (có thể sử dụng dung dịch đệm).
- Đo ở nhiều hơn một bước sóng tia tới; cực đại hấp thụ xảy ra ở cùng phần mol cho mỗi
bước sóng.
- Làm thí nghiệm với tổng nồng độ Me + R khác nhau.

Hình 2-12. Phương pháp dãy đồng phân tử gam

22

Từ cơ sở trên đây ta có thể tiến hành xác định n bằng thực nghiệm. Ta pha chế hai dung dịch
đầu của Me và R có nồng độ mol chính xác bằng nhau. Pha chế một loạt dung dịch dãy đồng
phân tử bằng cách trộn hai dung dịch Me và R với thể tích của Me và T khác nhau nhưng
tổng thể tích V
Me
+ V
R
= const.
Trong mỗi dung dịch của dãy ta phải chọn và tạo điều kiện để tạo phức MeR
n
tốt nhất. Lúc
đó trong mỗi dung dịch sẽ tạo thành phức MeR

n
và nồng độ MeR
n
tạo thành phụ thuộc vào
phần mol của ligan. Tiến hành đo quang dãy dung dịch tạo thành. Trong dãy chúng ta sẽ tìm
được một thành phần mà ở đó xuất hiện A
max
và ứng với tỉ số hóa học phải tìm.
2.6.2. Xác định thành phần phức chất trong dung dịch bằng phương pháp đường cong bão hòa
Đây là phương pháp phổ biến, có thể ứng dụng trong trường hợp phương pháp biến dãy đồng
phân tử không cho kết quả tốt. Đối với các phản ứng có hiệu ứng phổ hấp thụ, luôn luôn ta có
thể xây dựng được đường cong bão hòa.
Khi xây dựng đường cong bão hòa thì ngư ời ta giữ nồng độ một cấu tử không thay đổi
(thường là cấu tử Me) còn thay đ ổi nồng độ cấu tử kia. Đo độ hấp thụ của các dung dịch
trong dãy. Xây dựng đồ thị mối quan hệ A-C
R
/C
Me
. Nếu phức bền thì đ ồ thị thu được sẽ có
điểm gãy ứng với hoành độ




= n

Hình 2-13. Phương pháp đường cong bão hòa


23

UCâu hỏi của sinh viênU:
1. Đơn vị của cường độ ánh sáng?
Đơn vị của ánh sáng là Candela (cd)
Candela hay còn được gọi là nến (Candle), là đơn vị đo cường độ chiếu sáng, là cường độ chiếu sáng
theo một hướng cho trước của một nguồn phát ra bức xạ đơn sắc với tần số 540×10
12
héc và cường độ
bức xạ theo hướng đó là 1/683 oát trên một Sterradian
2. Hôm trước cô dạy chúng em phần "phương pháp phổ hấp thụ phân tử" có 1 mục là: định
nghĩa về phổ hấp thụ phân tử: là nhưng đường cong thể hiện mối quan hệ giữa mật độ quang
và bước sóng. Nhưng thưa cô, em có đọc tài liệu ở quyển Cơ sở hóa học phân tích của thầy
Châu, trong sách ghi: Phổ hấp thụ là nhưng đường cong thể hiện mối quan hệ giữa độ hấp
thụ phân tử ( ép xi non) với bước sóng .
Thưa cô, 2 định nghĩa này có khác nhau không ạ? Mà sao em thấy đồ thị của chúng như
nhau.
Chúng ta có định luật Lambert-Beer, là định luật cơ bản của bức xạ điện từ:
A= ϵbC
Trong đó:
Độ hấp thụ A (Absorbtion), đôi khi còn gọi là mật độ quang D (Density)
b: là quãng đường mà ánh sáng đi qua dung dịch, cm
ϵ: là ký hiệu của độ hấp thụ mol phân từ (ý nghĩa vật lý của nó là: nó chính là độ hấp thụ khi
ánh sáng đi qua dung dịch 1M với quãng đường là 1cm
Phổ hấp thụ: Chúng ta liên tục thay đổi bước sóng tia tới đi qua dung dịch nghiên cứu có
nồng độ C và quãng đường là b, ghi lại các giá trị A tương ứng (dựa trên việc đo sự giảm
cường độ bức xạ điện từ khi đi qua dung dịch). Đường cong thể hiện mối quan hệ này được
gọi là phổ hấp thụ. A-λ
Từ phương trình Lambert-Beer chúng ta có thể tính được ϵ tương ứng.
Như vậy chúng ta có thể thấy là đồ thị mối quan hệ giữa A và λ giống dạng đồ thị ϵ-λ