phương pháp phân tích các thông số môi trường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG
KHOA KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ - MÔI TRƯỜNG

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG
ENV-301
Số tín chỉ: 02

TS. NGUYỄN TRUNG THÀNH

AN GIANG, THÁNG 12 NĂM 2014


Giáo trình “Phương pháp phân tích các thông số môi trường”, do tác giả TS. Nguyễn
Trung Thành, công tác tại Khoa Kỹ thuật - Công nghệ - Môi trường, Trường Đại học An
Giang thực hiện. Tác giả đã báo cáo nội dung và được Hội đồng Khoa học và Đào tạo
Khoa thông qua ngày ………………, và được Hội đồng Khoa học và Đào tạo Trường Đại
học An Giang thông qua ngày……………

Tác giả biên soạn

TS. NGUYỄN TRUNG THÀNH

Trưởng đơn vị

Trưởng bộ môn

Hiệu trưởng

AN GIANG, THÁNG 12 NĂM 2014

CHẤP NHẬN CỦA HỘI ĐỒNG
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................

3

3


LỜI CẢM TẠ
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học An Giang, Ban Chủ
nhiệm Khoa Kỹ Thuật - Công nghệ - Môi trường và các đồng nghiệp đã tạo mọi điều
kiện để tôi hoàn thành giáo trình này.
Xin chân thành cảm ơn.
An Giang, ngày …… tháng …… năm 2015
Người biên soạn

TS. NGUYỄN TRUNG THÀNH

4

4

LỜI CAM KẾT
Tôi xin cam đoan, đây là giáo trình của riêng tôi. Nội dung giáo trình có xuất
xứ rõ ràng.
An Giang, ngày …… tháng …… năm 2015
Người biên soạn

TS. NGUYỄN TRUNG THÀNH

5

5


LỜI NÓI ĐẦU
Phân tích hoá học để xác định các thông số môi trường là môn học không thể
thiếu đối với một Kỹ sư.
Giáo trình “Phương pháp phân tích các thông số môi trường” được biên soạn
cho sinh viên ngành Kỹ thuật Công nghệ Môi trường, Quản lý tài nguyên và Môi
trường thuộc Trường Đại học An Giang làm tài liệu học tập và tham khảo.
Với mục tiêu phục vụ cho việc học tập môn học này là tốt nhất, chúng tôi giới
thiệu đến bạn đọc giáo trình do chúng tôi biên soạn nhằm trang bị một số kiến thức
lý thuyết cơ bản cần thiết để có thể thực hiện xác định các thông số hóa học và hóa lý
của môi trường cụ thể.
Cùng với các phương pháp phân tích hoá học cơ bản chúng tôi còn giới thiệu
một số phương pháp phân tích hiện đại (hay phương pháp phân tích dụng cụ) thông
dụng; trong đó có phương pháp phân tích hấp thu trong vùng nhìn thấy và vùng tử
ngoại; phương pháp quang phổ phát xạ ngọn lửa (AAS).
Mặc dù đã cố gắng hết sức, chắc rằng trong quá trình biên soạn sẽ không tránh

khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của độc giả.
Địa chỉ liên hệ:
Nguyễn Trung Thành – Bộ môn Môi trường & PTBV – Trường Đại học An
Giang – Số 18 – đường Ung Văn Khiêm – Phường Đông Xuyên – Tp Long Xuyên –
An Giang.
Email:
Tác giả

TS. NGUYỄN TRUNG THÀNH

6

6


MỤC LỤC

7

7


DANH SÁCH BẢNG

8

8


DANH SÁCH HÌNH

9

9


CHƯƠNG 1
CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN TRONG HÓA HỌC PHÂN TÍCH VÀ
PHÂN TÍCH MÔI TRƯỜNG
1.1. ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỌC PHÂN TÍCH
1.1.1. Hóa học phân tích và các yêu cầu của hóa học phân tích
Hóa học phân tích là một ngành khoa học nghiên cứu phương pháp kiểm tra các
quá trình hóa lý, kỹ thuật hóa học, môi trường, pháp y... Được biết rằng các kiểm tra
định tính và định lượng là hai công cụ cơ bản của hóa học phân tích, trong đó:
Phân tích định tính được dùng để xác định sự hiện diện của các cấu tử (ion,
nguyên tố hay nhóm nguyên tố) trong mẫu phân tích; và đồng thời đánh giá sơ bộ hàm
lượng của chúng (đa lượng, vi lượng, vết,…). Nguyên tắc của phân tích định tính là
chuyển chất phân tích thành một chất khác có những tính chất đặc trưng, như là có
màu, có cấu trúc tinh thể hoặc vô định hình, hoặc có trạng thái vật lý nhất định…
Phân tích định lượng được dùng để xác định chính xác hàm lượng của những
cấu tử trong mẫu. Nguyên tắc của phương pháp phân tích định lượng là dựa trên phép
đo các đặc tính hóa học, vật lý hoặc hóa lý của các chất hoặc của các phản ứng hóa
học. Các phương pháp phân tích định lượng bao gồm phương pháp hoá học, vật lý và
hoá lý. Đây là phương pháp chủ yếu trong hóa phân tích và phân tích các thông số môi
trường.
Tuy nhiên trong phân tích xác định các thông số môi trường muốn xác định hàm
lượng cấu tử có trong mẫu mà chưa biết thành phần là rất phức tạp. Bởi vì sự hiện diện
của các cấu tử khác có thể ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phân tích. Do đó, giai đoạn
phân tích định tính (dùng các bộ "kit") là rất cần thiết; đây là cơ sở để có thể chọn
được phương pháp phân tích định lượng thích hợp và nâng cao tính chính xác cho kết

quả.
Ngoài ra, phân tích định tính và phân tích định lượng cho phép xác định hàm
lượng các chất riêng rẽ trong các chất phân tích được gọi là các phương pháp phân tích
nguyên tố; và xác định các nhóm định chức gọi là phân tích nhóm chức.
Hóa học phân tích là môn học cơ sở và tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển
các môn khoa học tự nhiên khác như địa hóa học, địa chất học, môi trường… Ngoài
ra, hóa học phân tích còn là cơ sở cho việc kiểm nghiệm hóa học trong nghiên cứu, sản
xuất, xây dựng các phương pháp kiểm tra tự động các quá trình kỹ thuật. Ví dụ: bằng
phương pháp phân tích hóa học (phương pháp sắc ký lỏng) người ta có thể xác định sự
hiện diện và hàm lượng của 3-MCPD trong nước tương. Hoặc hóa học phân tích đã
xác định được khả năng tích lũy của kim loại nặng trong cơ thể người.
Vai trò của hóa phân tích ngày càng cao cũng có nghĩa là các yêu cầu đối với
ngành và người làm công tác phân tích ngày càng khắt khe hơn. Với ngành phân tích,

10


phải luôn luôn phát triển để đáp ứng yêu cầu phát triển của các ngành khác. Với người
phân tích, phải có kiến thức về các môn toán, lý, hóa đại cương, hóa vô cơ, hóa lý và
tin học,… để có thể nắm vững nguyên tắc của phương pháp và có thể đi sâu vào các
phương pháp mới dựa trên các căn bản sẵn có.
1.1.2. Phân loại các phương pháp phân tích
Có nhiều cách phân loại các phương pháp phân tích. Tuy nhiên, có hai cách phân
loại phổ biến nhất là phân loại dựa vào bản chất (hay đặc điểm) của phương pháp hoặc
dựa vào hàm lượng các cấu tử trong mẫu phân tích.
1.1.2.1. Phân loại theo bản chất của phương pháp
Bao gồm các phương pháp sau:
•

Phương pháp hóa học:

Dùng phản ứng hóa học đưa cấu tử cần xác định thành một hợp chất khác có đặc
trưng nào đó để có thể xác định sự có mặt và hàm lượng của cấu tử cần xác định.
Ví dụ: Khi xác định hàm lượng oxy hòa tan trong mẫu nước mặt, O 2 có trong
nước sẽ phản ứng với Mn(OH)2 (tủa có màu trắng) sẽ xuất hiện tủa có màu vàng nâu
(MnO2). Như vậy, khi có kết tủa màu nâu, có thể kết luận rằng trong môi trường nước
có oxy hòa tan (và ngược lại); đây là phương pháp phân tích định tính. Tiếp theo, xác
định hàm lượng MnO2 bằng thuốc thử Na2S2O3 từ đó có thể xác định hàm lượng oxy
có trong môi trường nước.

•

Phương pháp vật lý:
Các phương pháp vật lý, bao gồm các phương pháp quang, điện, từ, nhiệt hoặc
các phương pháp vật lý khác, được sử dụng để xác định sự hiện diện hoặc hàm lượng
các chất cần xác định. Phương pháp vật lý có ưu điểm so với các phương pháp hoá học
là có thể tách các nguyên tố khó bị tách bởi phương pháp hoá học, dễ áp dụng cho các
quá trình tự động hóa.
Ví dụ:
Độ đục (đơn vị là NTU) của một mẫu nước có thể được xác định bằng cách xác
định độ truyền qua của ánh sáng so với mẫu chuẩn.

•

Phương pháp hóa lý:
Đây là phương pháp kết hợp giữa phương pháp vật lý và phương pháp hoá học;
bằng cách sau khi thực hiện phản ứng hóa học giữa cấu tử cần xác định và thuốc thử,
dựa vào việc khảo sát lý tính của hợp chất thu được hay dung dịch tạo thành để định
tính hoặc định lượng mẫu.
Mặc dù xuất hiện khá lâu sau các phương pháp phân tích hóa học, các phương
pháp phân tích hóa lý lại được phát triển theo hướng hiện đại hóa với tốc độ rất nhanh,

được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu khoa học và
trong cả các phòng thí nghiệm tại nhà máy, xí nghiệp.
11


Nguyên tắc chung của phương pháp này là tác động lên đối tượng nghiên cứu và
ghi nhận sự thay đổi của các tham số hóa lý của đối tượng nghiên cứu sau khi được tác
động.
Các phương pháp phân tích hóa lý thường được chia thành các nhóm sau đây:
(1) phương pháp phân tích phổ nghiệm; (2) phương pháp phân tích điện hóa; (3)
phương pháp phân tích sắc ký; (4) phương pháp phân tích khác.
- Các phương pháp phổ nghiệm:
Các phương pháp phổ nghiệm là các phương pháp phân tích mà kết quả khảo
sát có thể được biểu diễn dưới dạng phổ; gồm có các phương pháp quang phổ (quang
học) dựa trên sự nghiên cứu các phổ phát xạ, hấp thu và tán xạ ánh sáng. Phương pháp
này còn bao gồm phương pháp khối phổ (phương pháp nghiên cứu các chất bằng cách
đo chính xác khối lượng phân tử chất đó) và phương pháp phổ cộng hưởng từ (như
CH 3CH 2 − CO − CH 3
phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) của hợp chất
ở Hình 1.1),
phương pháp phân tích dựa trên việc đo chiết xuất khúc xạ của vật chất; phương pháp
phân tích hàm lượng các chất dựa trên sự đo độ phân cực do sự quay mặt phẳng phân
cực của ánh sáng và phương pháp hấp thụ là phương pháp dựa trên sự đo lường ánh
sáng do một huyền phù không màu hấp thu.

CH3CH 2 − CO − CH 3
1

Hình 1.1. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton (H -NMR) của

.

Ngoài ra, phương pháp hóa lý còn bao gồm phương pháp điện hóa, phương
pháp sắc ký và một số phương pháp khác. Quí bạn đọc có thể tìm tham khảo trong các
tài liệu trong các tài liệu khác.
- Các phương pháp điện hóa:
Nguyên tắc của phương pháp hoặc dựa trên các quy luật và hiện tượng có liên
quan đến phản ứng điện hóa có xảy ra trên ranh giới tiếp xúc giữa các điện cực và
dung dịch phân tích, hoặc dựa vào tính chất điện hóa của dung dịch tạo nên môi
trường giữa các điện cực, hoặc dựa trên các ứng dụng của phản ứng điện hóa. Có thể
12


chia các phương pháp phân tích điện hóa thành hai nhóm lớn: (1) nhóm các phương
pháp dựa trên các quá trình điện cực và (2) nhóm các phương pháp không dùng các
phản ứng điện cực.
Các phương pháp thuộc nhóm (1) được chia thành hai phân nhóm nhỏ:
a)

Phân nhóm gồm các phương pháp trong đó các phản ứng điện cực ở trạng thái
cân bằng bao gồm phương pháp đo thế và chuẩn độ điện thế với dòng bằng không.

b)

Phân nhóm dựa trên sự điện phân (dòng khác không), bao gồm phương pháp
Volt-Ampere, chuẩn độ Ampere, chuẩn độ điện thế với dòng không đổi, phương pháp
điện khối lượng dòng không đổi hoặc thế không đổi, phương pháp cực phổ cổ điển,
cực phổ dòng xoay chiều, phương pháp điện hóa hòa tan…
Các phương pháp không dùng phản ứng điện cực bao gồm các phương pháp
điện dẫn và chuẩn độ điện dẫn, phương pháp xác định hằng số điện môi tương đối,

phương pháp điện dẫn cao tầng và chuẩn độ điện dẫn cao tầng.
- Các phương pháp sắc ký:
“Sắc ký” là quá trình tách các cấu tử có trong hỗn hợp bằng cách cho hỗn hợp
phân tích chuyển dịch qua lớp vật liệu rắn cố định (được gọi là pha tĩnh) và sự chuyển
dịch đó được thực hiện bằng một chất lỏng hoặc chất khí có khả năng di chuyển (gọi là
pha động). Các phương pháp phân tích sắc ký bao gồm nhóm sắc ký hấp phụ (rắn- khí,
rắn- lỏng); nhóm sắc ký phân bố (lỏng-lỏng, lỏng-khí), sắc ký trao đổi ion và sắc ký
rây phân tử.
Phương pháp sắc ký được sử dụng rộng rãi để tách những chất hữu cơ và vô
cơ giống nhau về thành phần và tính chất, đặc biệt là có thể tánh được các nguyên tố
đất hiếm (như La,…) và những nguyên tố phóng xạ với hiệu quả khá cao. Ngoài ra,
phương pháp sắc ký còn được dùng để định tính và định lượng rất nhiều loại mẫu
thuộc các lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau.
- Các phương pháp phân tích hóa lý khác:
Ngoài nhóm phương pháp trên, thuộc nhóm phương pháp phân tích hóa lý
còn có phương pháp phân tích phóng xạ (nguyên tắc là đo các bức xạ của các nguyên
tử có hoạt tính phóng xạ), các phương pháp phân tích nhiệt, phương pháp phân tích
nhiệt điện, phương pháp đo độ dẫn nhiệt, phương pháp chuẩn độ nhiệt lượng và một số
các phương pháp phân tích khác.
Ưu điểm của các phương pháp phân tích dụng cụ là độ nhạy cao, phân tích
nhanh, lượng mẫu phân tích bé… khi so sánh với phương pháp phân tích hóa học.

13


Bảng 1.1. So sánh giữa phương pháp phân tích hóa học và phân tích hiện đại.
Chỉ tiêu so sánh

Phương pháp hóa học

Phương pháp dụng cụ

Lượng mẫu

Lớn (kém nhạy)

Nhỏ (nhạy)

Tính chọn lọc

Không cao

Cao

Thời gian

Chậm

Nhanh

Độ chính xác

Chính xác (*)

Chính xác (*)

Dụng cụ

Đơn giản, rẻ tiền

Hiện đại, đắt tiền

Người phân tích

Trình độ kỹ thuật cao

(*) Nếu hàm lượng cấu tử trong mẫu khảo sát không quá bé, độ chính xác của bất kỳ
phương pháp phân tích nào cũng không thể vượt quá độ chính xác của phương pháp
phân tích hóa học.
- Phương pháp vi sinh: Dùng để định lượng vết cấu tử dựa trên mối quan hệ
giữa cấu tử và tốc độ phát triển của vi sinh vật.
- Phương pháp phân tích động học:
Cơ sở của phương pháp là nồng độ của cấu tử cần định sẽ quyết định tốc độ
phản ứng của nó với thuốc thử. Do đó, khi xác định được động học phản ứng sẽ xác
định nồng độ của cấu tử. Phương pháp này có thể được dùng trong phân tích định tính
và định lượng các nguyên tố. Phương pháp phân tích này có độ nhạy đặc biệt cao, gấp
nhiều lần độ nhạy so với các phương pháp phân tích khác (10-5 – 10-6 µg/mL).
- Các phương pháp khác:
Ngoài các phương pháp trên còn một số các phương pháp khác, chủ yếu là
phân tích định tính.
Phương pháp nghiền:
Mẫu phân tích và thuốc thử rắn được nghiền trong cối sứ; nguyên tố cần tìm
được phát hiện dựa vào sự tạo thành các hợp chất đặc trưng có màu sắc hay mùi khác
nhau.
Ví dụ: Nghiền mẫu rắn (bùn thải hoặc đất) ban đầu với KSCN, nếu thấy xuất hiện màu
đỏ máu tức là mẫu chứa các hợp chất của Fe 3+; và nếu hợp chất có gốc axetat với
Na2SO4 sẽ có mùi giấm do axit axetic sinh ra.
Phương pháp nhỏ giọt:
Phương pháp phân tích này trên cơ bản được thực hiện bởi hiện tượng mao
dẫn và hấp phụ. Các phản ứng được thực hiện trên các tấm sứ, thủy tinh hoặc giấy lọc.

Tuy nhiên, khi sử dụng giấy lọc, độ nhạy của phương pháp được tăng lên rất nhiều bởi
chất lỏng thấm vào giấy và các hợp chất màu sẽ hấp phụ ở một phần nhỏ trên bề mặt
giấy lọc.
14


Ví dụ:Để xác định ion Mn 2+, người ta chấm một giọt dung dịch phân tích lên
tờ giấy lọc và cho vết ẩm bão hòa với hơi amoniac. Thêm một giọt dung dịch
benzidine trong axit axetic thì Mn(OH) 2 tạo thành được oxy hóa thành Mn(OH) 3 và
Mn(OH)4 nhờ oxy không khí. Ở pH = 5, các hợp chất này oxy hóa benzidine và tạo
thành màu xanh của xanh benzidine.
Phương pháp thử nghiệm ngọn lửa:
Về nguyên tắc một số kim loại có thể phát ra màu đặc trưng khi được đốt trên
ngọn lửa xanh của đèn khí. Các kim loại này có thể được xác định sự hiện diện trong
mẫu nhờ vào màu của ngọn lửa; ví dụ:
Na: lửa vàng

Ca: lửa đỏ gạch

K: lửa đỏ tím

Ba: lửa đỏ lục

Phương pháp soi tinh thể dưới kính hiển vi:
Kính hiển vi có thể giúp phân biệt được các dạng tinh thể của các hợp chất
khác nhau như: Phân biệt SrCrO4 với BaCrO4; phân biệt CuSO4 với BaSO4
Phương pháp điều chế ngọc borax hay photphat:
Một số oxyt kim loại có thể tạo hợp chất với borax hay photphat có màu đặc
trưng dưới ngọn lửa có tính oxy hóa - khử hay ở trạng thái nóng - nguội; ví dụ: CuBorax dạng ngọc màu xanh đậm khi nguội. Hay Mn-Borax màu tím ở ngọn lửa oxy
hóa.

1.1.2.2. Phân loại theo lượng mẫu phân tích hay kỹ thuật phân tích
Tùy hàm lượng của cấu tử trong mẫu và tùy phương pháp phân tích, lượng mẫu
phân tích cũng khác nhau. Các phương pháp phân tích có thể được phân loại như sau:
•

Phân tích thô
Dùng dụng cụ 50-500 mL và tách chất rắn khỏi chất lỏng bằng cách lọc. Lượng
mẫu sử dụng từ 1-10 g hay 1-10 mL.

•

Phân tích bán vi lượng
Dụng cụ < 50 mL và thường tách chất rắn khỏi chất lỏng bằng cách ly tâm.
Lượng mẫu sử dụng từ 10-3 - 1 g hay 10-1 - 1 mL.

•

Phân tích vi lượng
Dụng cụ < 1 mL và thường dùng cách quan sát dưới kính hiển vi hay dùng phản
ứng giọt. Lượng mẫu sử dụng từ 10-6 - 10-3 g hay 10-3 - 10-1 mL.

•

Phân tích siêu vi lượng
Phân tích dưới kính hiển vi điện tử và môi trường đặc biệt với lượng mẫu sử
dụng < 10-6 g hay < 10-3 mL.

15

Trong thực tế, phương pháp phân tích bán vi lượng ngày càng phát triển và được
ứng dụng rộng rãi trong phân tích nhiều chỉ tiêu về môi trường vì lượng mẫu dùng để
phân tích ít, kỹ thuật tương đối đơn giản, và có thể dùng trong phòng thí nghiệm; nơi
sản xuất hoặc tại hiện trường ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, với phương pháp phân
tích vi lượng và siêu vi lượng đòi hỏi những điều kiện thực nghiệm khắc khe hơn.
1.1.2.3. Phân loại theo hàm lượng chất khảo sát
•

Phân tích đa lượng
Bao gồm các phương pháp phân tích lượng lớn khi hàm lượng chất khảo sát 0,1100% và phân tích lượng nhỏ (hàm lượng chất khảo sát 0,01-0,1%).

•

Phân tích vi lượng
Còn gọi là phương pháp phân tích vết và hàm lượng chất khảo sát < 0,01%.
Ngoài các phương pháp phân loại trên, người ta còn phân loại các phương pháp
phân tích theo trạng thái chất khảo sát; như là phân tích lối ướt (mẫu phân tích ở dạng
dung dịch) hoặc phân tích lối khô (mẫu phân tích ở trạng thái rắn).
1.1.3. Các loại phản ứng dùng trong phân tích hóa học
Có nhiều phản ứng được sử dụng trong hóa phân tích. Tuy nhiên, các phản ứng
này có thể chia thành 2 nhóm chính:

•

Nhóm phản ứng oxy hóa-khử:
Phản ứng oxy hóa-khử là phản ứng trao đổi điện tử giữa đôi oxy hóa-khử. Trong
phản ứng này sẽ có một chất đóng vai trò là chất oxy hoá và chất còn lại là chất khử.
Nhìn chung, phản ứng oxy hóa-khử thường được dùng với 3 mục đích là định tính,
định lượng hoặc có thể dùng để hòa tan các chất khác nhau.
Ví dụ: Định tính:

2Fe3+ + 2I - → 2Fe 2+ + I 2 ↑
I2 xuất hiện làm xanh giấy tẩm tinh bột.
Hòa tan:
3Cu + 8HNO 3 → 3Cu(NO3 ) 2 + 2NO ↑ + 4H2O
NO + 1 O 2 → NO2 ↑ (khói nâu)
2

Định lượng:
MnO -4 + 5Fe2 + + 8H + → Mn 2 + + 5Fe3+ + 4H2O

16


MnO -4

Ở đây, dung dịch
có nồng độ biết trước để xác định dung dịch Fe 2+ có
nồng độ chưa biết hoặc ngược lại.
•

Nhóm phản ứng trao đổi tiểu phân:
Đây là tên chung của một nhóm các phản ứng axit-bazơ, phản ứng tạo tủa và tạo
phức.
Phản ứng axit-bazơ (phản ứng trao đổi H +): Xác định tính axit hay tính bazơ của
dung dịch bằng cách đo pH.
Hòa tan mẫu:
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO 2 ↑ + H 2O

Định lượng:
HCl + NaOH → NaCl + H2O (với chỉ thị phenolphthlein)

Phản ứng tạo tủa: phản ứng tạo thành các hợp chất ít tan.
Định tính:
Ag+ + I- → AgI↓ (kết tủa có màu vàng)
Tách nhóm:
Ag+, Pb2+, Hg2+ + HCl → AgCl↓, PbCl2↓, HgCl2↓
Định lượng:
SO42- + Ba2+ → BaSO4↓
Phản ứng tạo phức: phản ứng kết hợp ion để tạo phức chất dễ tan.
Định tính:
Fe3+ + nSCN - → [Fe(SCN)n ]

3-n

đỏ máu

Định lượng:
Ca 2 + + H 2 Y 2 - → CaY 2 - + 2H +

(trong đó: Y là EDTA)

Hòa tan:
AgCl ↓ + 2NH 4OH → [Ag(NH3 ) 2 ]+ + Cl- + 2H 2O

Che cấu tử dưới dạng phức bền:
Loại Ni2+:

Ni2 + + 4CN- → [Ni(CN)4 ]2 -

17

[Cu(NH3 ) 2 ]2 + + H 2S →
/ CuS

Để tránh tạo tủa CuS vì:
Giả che (trả lại các ion bị che về trạng thái tự do):
2Ag + + [Ni(CN)4 ]2 − → 2[Ag(CN)2 ]- + Ni2 +
Ngoài axit và bazơ, một số dung dịch muối (dung dịch điện ly) có tính axit hoặc
tính kiềm. Trong môi trường nước, giữa các ion của muối và nước sẽ xảy ra phản ứng
tương tác gọi là sự thủy phân. Quá trình thủy phân thường là quá trình thuận nghịch.
Ví dụ:
Ba(CH 3COO)2 + 2H 2O

CH3COOH + Ba 2 + + 2OH-

NH4Cl + H 2O

NH4OH + H + + Cl-

Nhìn chung, quá trình thủy phân là phản ứng tương tác giữa một chất (muối,
hydrua, hợp chất chứa oxy,…) với những ion của nước. Quá trình này kèm theo là sự
phá hủy cân bằng điện ly của nước và kết quả là làm thay đổi pH của dung dịch. Trong
hóa phân tích phản ứng thủy phân được sử dụng để:
a)

Tạo tủa hydroxit: một số thuốc thử (như (NH4)2CO3, (NH4)2S, NaCH3COO) dễ
bị thủy phân tạo thành các hydroxyl tự do và thiết lập giá trị pH xác định cho dung
dịch. Các hydroxyl tự do này có thể được dùng để tạo tủa hydroxit cho nhiều cation
bằng dung dịch của các muối kể trên.

b)

Tách chất: các chất có thể được tách ra khỏi hỗn hợp dựa vào sự khác nhau về
mức độ thủy phân của chúng.

c)

Phát hiện ra muối amoni: các muối amoni có thể được phân biệt dựa vào mùi
đặc trưng của amoniac sau quá trình thủy phân mẫu.

d)

Ngoài ra, có thể phát hiện các ion của muối có khả năng thủy phân tạo sản
phẩm ít tan (hoặc không tan). Ví dụ: BeCl2 khi thủy phân tạo thành kết tủa BeO2Cl2↓.
1.1.4. Yêu cầu đối với thuốc thử dùng trong hóa học phân tích
1.1.4.1. Độ tinh khiết
Độ tinh khiết (X%) là đại lượng được dùng để biểu diễn hàm lượng của một chất
(chính) trong thuốc thử. Các hóa chất có thể phân loại tùy thuộc vào độ tinh khiết như
được thể hiện bên dưới:
Hóa chất kỹ thuật với X ≤ 99%
Hóa chất tinh khiết (P) với 99,0% ≤ X ≤99,9%
Hóa chất tinh khiết phân tích (PA) với 99,90% ≤ X ≤99,99%
Hóa chất tinh khiết hóa học với 99,990% ≤ X ≤99,999%
18


Hóa chất tinh khiết quang học hay đặc biệt với 99,9990% ≤ X ≤99,9999%
1.1.4.2. Tính chọn lọc
Thuốc thử phải có tính chọn lọc cao đối với cấu tử cần định xác định (nghĩa là
thuốc thử không tác dụng với các cấu tử khác cùng hiện diện trong mẫu). Ví dụ: hồ

tinh bột là thuốc thử có tính chọn lọc cao đối với Iot.

1.1.4.3. Tính nhạy
Thuốc thử phải nhạy, nghĩa là có khả năng phát hiện cấu tử cần xác định (cấu tử
X) khi cấu tử này hiện diện trong mẫu với hàm lượng thấp. Tính nhạy của thuốc thử
còn có thể được biểu diễn theo các khái niệm là giới hạn phát hiện hoặc độ loãng giới
hạn.
1.1.4.4. Giới hạn phát hiện
Giới hạn phát hiện là lượng tối thiểu của X (µg/mL) mà thuốc thử có thể phát
hiện được. Ví dụ: giới hạn phát hiện của Cu2+ bằng NH4OH là 4 µg/mL, giới hạn phát
hiện Fe3+ bằng SCN- là 0,25 µg/mL, … Giới hạn phát hiện còn có thể được biểu diễn
bằng nồng độ giới hạn hay nồng độ tối thiểu của cấu tử X.
1.1.4.5. Độ loãng giới hạn
Độ loãng giới hạn là thể tích dung môi tối đa (mL) dùng để hòa tan 1 g cấu tử X
mà vẫn còn có thể phát hiện được X.
Ngoài các điều kiện chung kể trên, thuốc thử dùng để pha các dung dịch có độ
đúng cao (gọi là dung dịch chuẩn) còn phải đảm bảo thêm các điều kiện sau:
1.

Trơ đối với môi trường

2.

Ở dạng vụn, bột có thể cân được lượng chính xác đến 1 mg hay 0,1 mg.

3.

Có phân tử lượng lớn (để giảm sai số trong khi cân). Các hóa chất thỏa mãn
được đồng thời các điều kiện trên được gọi là hóa chất chuẩn gốc. Các hóa chất chuẩn
gốc thông dụng có thể kể đến là: K2Cr2O7, (COOH)2.2H2O, AgNO3,

Na2H2C10H12O8N2.2H2O (EDTA),… Mặc dù có một số hạn chế, đôi khi người ta dùng
Na2CO3 khan, NaCl … với vai trò của hóa chất chuẩn gốc.
1.1.5. Yêu cầu đối với các phản ứng trong hóa học phân tích
Phản ứng giữa cấu tử X cần xác định với dung dịch thuốc thử C phải hội đủ các
yêu cầu sau đây:
•
•
•
•

Xảy ra tức thời;
Xảy ra hoàn toàn theo chiều mong muốn;
Có hệ số xác định và cho sản phẩm có thành phần xác định;
Có dấu hiện đặc trưng để nhận biết lúc phản ứng chấm dứt.

19


1.1.6. Các giai đoạn của một phương pháp phân tích
Một quá trình phân tích thường bao gồm các giai đoạn sau đây:
1.1.6.1. Giai đoạn chọn (hay lấy) mẫu
Mẫu phân tích có thể là nguyên liệu, nhiên liệu, bán thành phẩm hoặc thành
phẩm, có thể đóng gói hoặc không đóng gói. Trong phân tích môi trường, mẫu có thể
là nước khải, khí thải, chất thải rắn hay chất thải nguy hại.
Giai đoạn này rất quan trọng và ta cần phải lấy mẫu đúng cách mới đảm bảo tính
đại diện của mẫu. Nếu không, việc phân tích chỉ gây hao tổn vô ích, đôi khi kết luận
sai lệch dẫn đến những nguy hại trầm trọng. Trong phân tích môi trường, việc lấy mẫu
phải tuân theo các tiêu chuẩn hướng dẫn lấy mẫu được ban hành bởi Bộ Tài nguyên và
Môi trường Việt Nam. Nhìn chung, tùy thuộc vào đối tượng phân tích sẽ có hướng dẫn
lấy mẫu riêng biệt. Ví dụ: khi xác định chỉ tiêu DO (oxy hòa tan) của nước sông, mẫu

nước phải được lấy tại vị trí giữa dòng sông, cách mặt nước khoảng 20 cm, miệng chai
hướng lên trên cho đến khi hết xuất hiện các bọt khí và bổ sung các hóa chất cần thiết
tại hiện trường trước khi đưa mẫu về phòng thí nghiệm phân tích.
1.1.6.2. Giai đoạn chuyển mẫu thành dung dịch
Thực tế cho thấy dạng mẫu thích hợp cho đa số phương pháp phân tích là dạng
dung dịch. Có 2 cách chuyển mẫu hoàn toàn thành dạng dung dịch phân tích.
•

Phương pháp ướt
Mẫu được hòa tan trong dung môi thích hợp. Dung môi có thể là nước cất (hòa
tan NaCl, KNO3, Na2CO3,…), dung dịch axit hay dung dịch bazơ với nồng độ thích
hợp. Xin xem thêm Bảng 1.2.
Bảng 1.2. Các dung môi thông dụng để chuyển mẫu về dạng dung dịch.
Mẫu

Dung môi

CO32-, PO43-, SO32-, S2-,…

Dung dịch HCl

PbS, Bi2S3, As2S3, CuS, Hg2SO4, các loại hợp kim,…

Dung dịch HNO3

Các loại thép không gỉ

Dung dịch H2SO4 đậm đặc 200 oC

SiO32-, SiO2, H2SiO3,…

Dung dịch HF

Ngoài ra, đối với quá trình phân tích hàm lượng các cấu tử trong dòng khí hay
khí thải, mẫu khí thải được hấp thu bởi một dung môi thích hợp. Đây cũng được xem
là phương pháp ướt để chuyển mẫu về dạng dung dịch.
•

Phương pháp khô
Các hợp chất của Al2O3, Fe2O3, TiO2, Cr2O3,…thường khó tan trong các dung
môi trên. Do đó các hợp chất này có thể được chuyển thành các hợp chất khác dễ tan
bằng cách nung chúng với một hóa chất rắn (như: NaOH, Na 2CO3, K2S2O7, Na2O2,…)
ở 500-1000 oC. Vật chứa mẫu có thể là chén Platin hay Nicken. Sau quá trình nung,
mẫu (sau nung) sẽ được hòa tan bằng dung môi thích hợp.
20


Dù chuyển mẫu thành dung dịch bằng bất kỳ phương pháp nào, cũng phải đảm
bảo không được mất mẫu trong quá trình hòa tan; không được làm bẩn mẫu (tức là
không đưa thêm cấu tử lạ) khi hòa tan…
1.1.6.3. Chọn phương pháp thích hợp và thực hiện phản ứng
Phương pháp thích hợp là phương pháp có độ nhạy, độ chọn lọc, tốc độ phân
tích cao và cho kết quả gần với kết quả thực. Sau khi chọn được phương pháp thích
hợp, thực hiện phản ứng giữa dung dịch mẫu phân tích và thuốc thử theo những điều
kiện xác định. Quan sát các dấu hiệu đặc trưng xuất hiện khi phản ứng xảy ra (định
tính) hoặc đo thể tích hoặc cân khối lượng hợp chất tạo ra (định lượng).
1.1.6.4. Kiểm chứng kết quả và xử lý kết quả phân tích
Đối với phân tích định tính, người ta có thể kiểm chứng lại các kết quả bằng
những phản ứng đặc hiệu khác. Nếu là phân tích định lượng, người ta tính kết quả
phân tích dựa vào các dữ liệu ghi nhận được và biểu diễn kết quả phân tích theo các

yêu cầu của phương pháp thống kê.
1.2. PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
Ngoài các lưu ý trong phần đại cương về hóa phân tích, khi phân tích xác định
các thông số môi trường chúng ta cần chú ý đến những vấn đề chung sau đây:
1.2.1. Môi trường
Để phân tích xác định các thông số môi trường, chúng ta cần nắm vững về định
nghĩa và những thành phần của môi trường. Môi trường bao gồm tất cả các yếu tố lý
học, hóa học, các chất vô cơ và hữu cơ của khí quyển, thạch quyển, và đại dương. Môi
trường sống là tập hợp các điều kiện xung quanh có ảnh hưởng đến cơ thể sống, đặc
biệt là con người. Môi trường quyết định chất lượng và sự tồn tại của cuộc sống. Tóm
lại, môi trường là những gì xung quanh chúng ta.
1.2.2. Phân tích môi trường
Phân tích môi trường là sự đánh giá môi trường tự nhiên và những suy thoái do
con người cũng như do các nguyên nhân khác gây ra. Vì vậy, phân tích môi trường
bao gồm các hoạt động quan trắc về các yếu tố môi trường nói chung. Đây là vấn đề
rất quan trọng vì qua đó chúng ta có thể biết được yếu tố nào cần được quan trắc và
biện pháp nào cần được áp dụng để quản lý, giúp chúng ta có thể tránh khỏi các thảm
họa sinh thái có thể xảy ra.
Gần đây, nghiên cứu về sinh thái không chỉ là sự tiếp cận về chất lượng mà còn
cả số lượng. Theo các nhà khoa học, để có thể hiểu biết và đánh giá sát thực về một hệ
sinh thái đòi hỏi phải quan trắc đầy đủ các biến động theo không gian và thời gian của
tất cả các yếu tố môi trường. Ở đây, các yếu tố môi trường có liên quan đến cấu trúc
và chức năng của hệ sinh thái phải được đánh giá cả về số lượng và chất lượng. Đó là
các tính chất lý, hóa, sinh học của hệ sinh thái.

21


1.2.3. Sự lựa chọn phương pháp để phân tích môi trường
Trong phân tích môi trường, ngoài các yêu cầu đối với hóa học phân tích, việc

lựa chọn phương pháp và các qui trình trong phân tích môi trường đòi hỏi phải có
nhiều kinh nghiệm và khắc khe. Bởi vì mẫu phân tích có mức độ phức tạp khá cao
(chứa nhiều đối tượng có thể ảnh hưởng đến kết quả phân tích). Nhìn chung, các
phương pháp được lựa chọn phải trả lời được những câu hỏi sau:
•

Sử dụng phương pháp phân tích nào?

•

Lượng mẫu có đủ cho nhiều phòng thí nghiệm không?

•

Yếu tố nào hạn chế sự phát hiện, độ chính xác của các phương pháp phân tích được sử
dụng?

•

Ai sẽ tiến hành phân tích?

•

Những vấn đề nào cần lưu ý khi bảo quản mẫu để tránh làm bẩn mẫu (hoặc biến chất)
trong quá trình bảo quản mẫu?

•

Các chỉ tiêu nào cần phân tích để phản ánh thực tế khả năng độc hại của môi trường?
Hàm lượng hay dạng tồn tại của các nguyên tố hóa học?

1.2.4. Giá trị của các số liệu trong phân tích môi trường
Công việc khó khăn đối với các nhà nghiên cứu là phải xác định được những chỉ
tiêu phân tích nào là cần thiết. Việc xác định thành phần các nguyên tố là đủ hay còn
cần phải phân tích các phân tử hay các nhóm chức của các chất? Điều này đòi hỏi
người nghiên cứu phải có kinh nghiệm để dự đoán và ra quyết định trong nghiên cứu.
Tuy nhiên, đối với những người bắt đầu nghiên cứu có thể tham khảo bảng chất lượng
môi trường của nhóm ngành có liên quan để đưa ra các quyết định.
Ví dụ: khi phân tích hàm lượng tổng số của các nguyên tố như Hg, Pb, P,…có
thể sẽ không đánh giá hết được tiềm năng gây hại cho sức khoẻ con người. Điều này
cũng tương tự như việc đánh giá mối quan hệ giữa hàm lượng tổng số của các chất ở
trong đất với khả năng sử dụng của cây trồng.
Do đó, chỉ có một phần trong hàm lượng tổng số là dễ tiêu đối với thực vật. Do
vậy vấn đề khó khăn là sử dụng phương pháp hoá học nào để phản ánh đúng các hoạt
động của hệ rễ thực vật. Trên thực tế kết quả này thường rất hạn chế. Ví dụ: đối với
cây rau diếp (lettuce), hàm lượng chì trong cây có quan hệ với hàm lượng chì được
tách chiết từ đất bằng HNO3 1 M. Trong khi với cây yến mạch (Oat), hàm lượng chì
trong cây lại tương quan với chì tách chiết bằng HNO 3 0,01 M hoặc NH4CH3COO 1
M. Việc phun dung dịch CuSO4 lên lá hoặc đất làm tăng hàm lượng đồng trong cây lúa
mì, nhưng hàm lượng đồng trong cây lại không có tương quan với lượng đồng dễ tiêu
được xác định trong dung dịch tách chiết NH 4CH3COO 1 M, axit mạnh hoặc chất tạo
phức (EDTA).

22


Mặc dù có những hạn chế nhất định, nhưng việc quan trắc các yếu tố riêng biệt
vẫn cần được tiến hành như xác định các vùng bị ô nhiễm để ghi nhận các thay đổi về
mức độ các chất ô nhiễm và các dữ liệu của các yếu tố bên ngoài như gió, mưa, địa
hình…
Để nghiên cứu xu hướng biến đổi, có thể xác định một chuỗi quan trắc. Ví dụ: số

liệu ở bảng 1.3 đưa ra mức độ ô nhiễm kim loại nặng ở 4 loại chỉ thị (cỏ, địa y, rêu,
đất) đã được phân tích.
Bảng 1.3. Ảnh hưởng của hướng địa lý đối với sự tích luỹ của ion kim loại trong mẫu.
Điểm lấy
mẫu

Mẫu
Cỏ

Địa y

Rêu

Đất

A

10

130

120

-

B

49

1528

1200

-

C

86

-

-

270

D

150

-

-

230

A

102

675

1213

-

B

146

1135

4870

-

C

350

-

-

450

D

270

-

-

416

A

8

68

93

-

B

13

83

137

-

C

9

-

-

7,1

D

9

-

-

7,7

Pb (ppm)

Zn (ppm)

Cd (ppm)

Số liệu bảng 1.3 cho thấy mức độ ô nhiễm thay đổi theo hướng địa lý (hướng A,
B, C, D). Ngoài ra, mức độ hấp thu kim loại nặng còn phụ thuộc vào loại chỉ thị.
Các quan trắc tương tự cũng có thể được áp dụng với môi trường nước. Tuy
nhiên, việc phân tích đơn thuần các mẫu nước lọc sẽ làm hạn chế ý nghĩa của các số
liệu phân tích. Bởi vì các chất lơ lửng và các chất lắng đọng trong các hồ nước có thể
giải phóng ra các chất độc hại tồn tại trong chuỗi thức ăn hoặc đời sống của các sinh
vật thuỷ sinh.
Như đã biết, cặn lơ lửng thường là những hợp chất có thành phần phức tạp từ
các chất hữu cơ, vô cơ và phức hữu cơ - vô cơ. Thêm vào đó giữa các hạt và các chất

trong môi trường nước có tương tác với nhau; ví dụ như các hạt keo sét trong nước
mặn có thể hấp phụ trên 2,5% axit mùn. Sự có mặt của các axit humic sẽ làm tăng khả
năng hấp phụ của các chất lơ lửng. Sự thay đổi nồng độ của các chất điện ly sẽ làm
23


thay đổi quá trình hấp phụ này (ví dụ: trong nước ngọt lượng axit humic được hấp phụ
là nhỏ hơn 0,4%). Do vậy, tại nơi tiếp giáp giữa vùng nước ngọt và nước mặn (vùng
cửa sông) sẽ có sự biến đổi đột ngột về sự phân bố của các kim loại nặng giữa pha rắn
và pha lỏng.
Như đã biết, các sinh vật biển có xu hướng tích luỹ kim loại nặng từ môi trường
ô nhiễm. Vì vậy các sinh vật biển có thể được xem là các vật chỉ thị. Các số liệu này
có thể so sánh với kết quả điều tra trung bình trong động vật giáp xác (tôm, cua,…).
Đối với thực vật, hàm lượng ion kim loại của một sinh vật có biến động lớn (hàng
chục lần) so với vị trí tương đối của nó đối với nguồn ô nhiễm, nhưng hàm lượng này
là tương đối ổn định trong vùng lấy mẫu và có sự khác nhau khá lớn so với các giá trị
đã được xác định.
1.2.5. Ảnh hưởng của cân bằng
Các số liệu bảng 1.3 được xem xét trên cơ sở các cân bằng như dưới đây:
Rêu là vật bám trên cây nên sự tích lũy các ion kim loại có thể trước hết là từ bụi
và không khí xung quanh. Vì vậy, hàm lượng của một số chất có thể bị giảm do nước
mưa rửa trôi. Các cây mọc trên đất có khả năng sử dụng các chất rất khác nhau và phụ
thuộc vào các tính chất của đất. Cây giảm khả năng hấp thu các chất khi có sự cạnh
tranh giữa các chất hấp thu. Nếu hệ thống nghiên cứu không quá phức tạp, quá trình
hấp thu các chất có thể được biểu diễn bằng phương trình toán học như sau:

(X m )

a

=

k1.C a .S V
1 + k1.C a + k 2 .C b + k 3 .C c + ...

Trong đó:

(X m )

a

Sv

: số lượng mà loài a hấp thu trên một 1 g chất;
: giá trị cực đại (hay bão hòa);

Ca; Cb; Cc : hàm lượng của các loài cạnh tranh a, b, c;
k1, k2, k3:

hệ số hấp thu tương ứng.

Trong trường hợp k2Cb hoặc k3Cc >> k1Ca thì

(X m)

a

sẽ giảm rất mạnh.

Các quá trình trong hệ thống cân bằng được trình bày ở hình 1.2.

Vai trò quan trọng trong hệ thống này là hoạt động của vi khuẩn như ở trường
hợp ô nhiễm thuỷ ngân (Hg). Sự chuyển hoá giữa hợp phần thuỷ ngân vô cơ (các hợp
chất thuỷ ngân có nguồn gốc vô cơ) thành ion metyl thuỷ ngân (II) (CH3Hg+) xảy ra rất
phổ biến ở tầng mặt của các chất trầm tích hoặc các phần hữu cơ lơ lửng.

24


Tốc độ chuyển hóa phụ thuộc vào quá trình thủy ngân xâm nhập vào chất hữu
cơ. Dạng liên kết hữu cơ-kim loại (gọi là hợp chất cơ kim) sẽ nhanh chóng được cá và
thực vật sử dụng, chúng có xu hướng tích lũy trong cơ thể sinh vật. Sự tích lũy thuỷ
ngân trong hệ thống hồ hoặc vùng cửa sông như sau: chất trầm tích chứa 90-99% thuỷ
ngân (khoảng 10% là CH3Hg+), pha nước từ 1 đến 10% (hầu hết ở dạng liên kết vô cơ
với các chất lơ lửng), sinh vật < 0,1% (chủ yếu CH 3Hg+). Đặc biệt các loài giáp xác
trong sinh quyển biển (như trai, sò, tôm, cua…) có khả năng tích lũy thủy ngân rất cao.

Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống cân bằng và tác động qua lại trong hệ nước tự nhiên.
Một số vi khuẩn có khả năng chống chịu với nồng độ thuỷ ngân cao và có thể
chuyển hóa các hợp chất hữu cơ - thuỷ ngân thành dạng thuỷ ngân tự do không hoà
tan. Hơn nữa trong điều kiện kị khí, các vi khuẩn khử sunphat cũng có khả năng sinh
ra hidrosunfua để cố định Hg2+ dưới dạng sunfua, vi khuẩn không chuyển hóa hợp chất
này thành metyl thuỷ ngân.
Xem xét các cân bằng phức tạp trong hầu hết các hệ thống tự nhiên, điều cần lưu
ý không chỉ là việc lựa chọn các chỉ thị mà còn là các khó khăn trong việc lấy, vận
chuyển và bảo quản. Về lý thuyết, điều cần thiết là làm ngừng trệ tất cả các quá trình
hóa học cũng như sinh học bằng các phương pháp thích hợp. Các quá trình biến đổi
này sẽ được giảm tới mức tối thiểu ở nhiệt độ thấp hoặc sử dụng những phòng thí
nghiệm di động. Tuy nhiên tồn tại một vấn đề là: hệ thống cân bằng trong tự nhiên
luôn luôn bị xáo trộn. Ví dụ như lấy một mẫu nước ở phía trên trầm tích (hoặc tách các
chất lơ lửng) sẽ làm cho một hợp phần hoặc các chất hoà tan thiết lập một cân bằng

mới. Tuy nhiên, về mặt tổng số vẫn không thay đổi (có nghĩa là hàm lượng của chúng
không thay đổi) và sẽ là các dẫn liệu cho sự ô nhiễm.
Vấn đề tiếp theo cần chú ý để đánh giá mức độ ô nhiễm là phải lựa chọn các
phương pháp phân tích có độ chính xác thích hợp và cần được tiến hành trong thời
gian nhất định.

25