KỸ THUẬT HỒNG NGOẠI VỚI BIẾN ĐỔI FOURIER (FTIR) VÀ ỨNG DỤNG

Trường Đại Học Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh
Khoa Công Nghệ Hóa Học
Môn học:
Thuyết trình:

PHÂN TÍCH HÓA LÝ ỨNG DỤNG TRONG LỌC HÓA DẦU

KỸ THUẬT HỒNG NGOẠI VỚI BIẾN
ĐỔI FOURIER (FT-IR) VÀ ỨNG DỤNG
GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Vinh
Nhóm:

1

SVTH:

01. Ngô Mạnh Linh

08097421

02. Phạm Văn Ninh

08219371

03. Đinh Thái Phi Bằng

08107761

04. Kim Đức Nhơn

08106021

05. Nguyễn Đình Hưởng

08901841

06. Nguyễn Đại Khoa

08104791


NỘI DUNG
1. Giới thiệu.
2. Các loại dao động và yếu tố ảnh hưởng.
3. Máy quang phổ hồng ngoại.
4. Ứng dụng trong phân tích lọc hóa dầu.
5. Phân tích định tính và định lượng
6. Một số ví dụ giải phổ hồng ngoại.
7. Kết luận.


1. Giới thiệu.
Năm 1800, William Herschel phát hiện ra tia hồng ngoại.
Phổ kế IR trở thành thương phẩm trong những năm 1940 (sử dụng lăng
kính). Giữa những năm 1950, thay bằng cách tử nhiễu xạ (diffraction grating).
Năm 1965, đưa vào sử dụng máy quang phổ FT-IR.


1. Giới thiệu.
- Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến
nhưng ngắn hơn bức xạ vi sóng và có bước sóng từ 7,8.10-7m – 10-3 m.

Vùng

Bước sóng (µm)

Số sóng (cm-1)

Hồng ngoại gần

0,78 – 2,5

12800 – 400

Hồng ngoại giữa

2,5 – 50

4000 – 200

50 – 1000

200 – 10

Hồng ngoại xa

- Vùng hồng ngoại thường sử dụng nhất nằm trong khoảng 4000 – 400 cm -1.
THE ELECTROMAGNETIC SPECTRUM
GAMMA RAYS

X RAYS

UV

VISIBLE

INFRARED


1. Giới thiệu.
ĐIỀU KIỆN HẤP THỤ BỨC XẠ HỒNG NGOẠI.
Quy tắc 1: phân tử hấp thụ bức xạ hồng ngoại, chuyển thành trạng thái kích
thích dao động phải thay đổi momen lưỡng cực điện khi dao động.
Khi các liên kết trong phân tử không tồn tại các lưỡng cực thì sẽ không hấp
thụ bức xạ hồng ngoại: Liên kết không phân cực trong suốt với hồng ngoại
Quy tắc 2: Xảy ra sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại để gây ra bước chuyển
mức năng lượng đao động tương ứng với ∆v=+1.
Theo quy tắc này, các bước nhảy mức năng lượng 0 lên mức 2, 3 sẽ
bị cấm, hoặc có xác suất (tín hiệu) rất nhỏ.


2. Các loại dao động và yếu tố ảnh hưởng.
2.1. Các loại dao động.
1) Dao động phân tử.
- Dao động quay.
- Dao động điều hòa.
2) Dao động riêng.
- Dao động hóa trị.
+ Dao động đối xứng.
+ Dao động bất đối xứng.
- Dao động biến dạng.
3) Dao động nhóm chức.

2. Các loại dao động và yếu tố ảnh hưởng.
2.1. Các loại dao động.
1) Dao động phân tử.
- Dao động quay: Các phân tử khi bị chiếu bởi bức xạ điện từ có
bước sóng ở vùng hồng ngoại xa (200 – 10 cm-1) sẽ quay quanh các
trục cân bằng của nó
Năng lượng quay:

h2
Eq = nhv =
J +1)
2 (
8 Ip

J: Số lượng tử quay = 0, 1, 2, 3, ...

r: khoảng cách giữa 2 nguyên tử trong phân tử.

I: momen quán tính = M.r2

h: hằng số Planck = 6.625.10 -34 (J.s)

M: khối lượng rút gọn. =

m1.m2
m1 + m2

- Phổ quay của phân tử cho phép xác định khoảng cách giữa các

nguyên tử và góc giữa các liên kết.


2. Các loại dao động và yếu tố ảnh hưởng.
2.1. Các loại dao động.
1) Dao động phân tử.
- Dao động điều hòa: Là dao động quả lắc nghĩa là vật thể chuyển động
quanh vị trí cân bằng của nó với biên độ không đổi.
Năng lượng dao
động điều hòa:

Tần số dao động
điều hòa:

æ 1ö
Ed = h.vd ç
n+ ÷
÷
ç
÷
ç
è 2ø

1
k
v=
2p M

n : số lượng tử dao động.
k : hằng số lực.

- Thực tế, dao động các nguyên tử trong phân tử không phải dao động điều
hòa vì biên độ dao động thay đổi.


2. Các loại dao động và yếu tố ảnh hưởng.
2.1. Các loại dao động.
2) Dao động riêng.
- Dao động hóa trị: làm thay đổi chiều dài liên kết của các nguyên tử
trong phân tử nhưng không làm thay đổi góc liên kết.
+ Dao động hóa trị đối xứng: cùng kéo hoặc cùng nén.
+ Dao động hóa trị bất đối xứng: một bên kéo và một bên nén.
- Dao động biến dạng: làm thay đổi góc liên kết nhưng không làm
thay đổi chiều dài liên kết của các nguyên tử trong phân tử.

Đối xứng

Bất đối xứng

Biến dạng

Các kiểu dao động trong phân tử nước


2. Các loại dao động và yếu tố ảnh hưởng.
2.1. Các loại dao động.
2) Dao động riêng.
- Đối với phân tử có N nguyên tử thì tổng số dao động sẽ là:
3N – 5 đối với phân tử thẳng.
3N – 6 đối với phân tử không thẳng.

VD: phân tử CO2 (thẳng) có 3.3 – 5 = 4 dao động gồm 1 dao động đối
xứng, 1 dao động bất đối xứng và 2 dao động biến dạng.

Đối xứng

Bất đối xứng

Các kiểu dao động trong phân tử CO 2.

Biến dạng


2. Các loại dao động và yếu tố ảnh hưởng.
2.1. Các loại dao động.
3) Dao động nhóm chức.
- Xuất hiện ở khoảng tần số rất hẹp và đặc trưng trong phổ của tất cả
các chất có chứa nhóm chức đó.
- Những nhóm nguyên tử giống nhau trong các phân tử có cấu trúc
khác nhau sẽ có những dao động định vị thể hiện những khoảng tần số
giống nhau gọi là tần số đặc trưng.

Tần số đặc trưng cho dao động của các nhóm chức


2. Các loại dao động và yếu tố ảnh hưởng.
2.2. Yếu tố ảnh hưởng.
1) Trạng thái tập hợp.
- Do sự tương tác giữa các phân tử ở các trạng thái khác nhau sẽ khác
nhau.

a) CH3I khí

b) CH3I lỏng


2. Các loại dao động và yếu tố ảnh hưởng.
2.2. Yếu tố ảnh hưởng.
2) Liên kết hidro nội phân tử.
- Liên kết hidro làm khó làm khó khăn cho dao động biến dạng ⇒ làm
tăng tần số của dao động biến dạng.


2. Các loại dao động và yếu tố ảnh hưởng.
2.2. Yếu tố ảnh hưởng.
3) Dung môi.
- Khi pha loãng dung dịch, cường độ các vạch tham gia liên kết hidro
giảm đi còn cường độ của vạch không liên kết hidro tự do tăng lên.
- Bản chất của dung môi ảnh hưởng lớn đến tần số của các nhóm
phân cực.

Hợp chất

Dao động

C6H5=CH
Pyrol
C6H5OH
C6H5COCH3
C6H5COOH
C6H5COOCH3

νCH
νNH
νOH
νCO
νCO
νCO

Thể hơi

3337
3530
3654
1709
-

Hexan

3323
3506
3622
1697
1750
1753

CCl4

3313
3500
3611

1692
1744
1730

CS2

3300
3481
3593
1690
1741
1728

CHCl2

3309
3486
3695
1683
1734
1720

Ete

3250
3352
3344
1694
1726
1730

3. Máy quang phổ hồng ngoại.
3.1. Máy quang phổ hồng ngoại 2 chùm tia.
- Detector (6)

- Nguồn sáng (1)
- Cách tử (2)

- Nhận và khuếch đại tín hiệu (7)

- Khe hở (3)

- Xử lý kết quả (8)

- Cuvet mẫu (4)

- Ghi kết quả (9)

- Cuvet dung môi (5)

1

2

3

5

4

6

6

7

8

9


3. Máy quang phổ hồng ngoại.
3.1. Máy quang phổ hồng ngoại 2 chùm tia.
- Nguồn sáng: đèn Nernst (85% ZrO2, 15% Y2O3)
nhiệt độ 1200 – 2200OC , đèn Globar (SiO2) nhiệt độ
1300 – 1500OC, đèn Nicrom (Ni-Cr) nhiệt độ 700 –
800OC).
- Detector hỏa điện: gồm một thanh mỏng chất
hỏa điện nằm giữa hai điện cực tạo thành một tụ
điện. Chất hỏa điện thường dùng là triglixin sunfat
(TGS).
- Cách tử: bằng thủy tinh, trên mỗi mm có 200 – 300
vạch cách đều nhau.


3. Máy quang phổ hồng ngoại.
3.2. Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier.
Light
source

He-Ne gas laser

(ceramic)

Movable mirror

Beam splitter

Sample chamber

(DLATGS)
Fixed mirror
Interferometer

Các thành phần cơ bản của phổ kế FT-IR

Detector


3. Máy quang phổ hồng ngoại.
3.2. Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier.
- Nguồn sáng: + Đèn Globar, Nernst (hồng ngoại trung bình).
+ Đèn W-halogen (IR gần).
+ Đèn cao áp thuỷ ngân (IR xa).
- Detector: + vật liệu Pyroelrctrique: DTGS - Deuterated TriGlycide Sulfate
ở miền hồng ngoại trung bình (tăng độ nhạy, có thể dùng mercury cadmium
telluride (MCT) nhưng làm lạnh bằng nitơ lỏng).
+ chất quang điện (photoconductor) lead sulfide (miền IR gần).

Trong máy FT-IR người ta không dùng bộ tạo đơn sắc mà dùng bộ tạo giao
thoa Michelson gồm hai gương phẳng đặt vuông góc nhau (một di động, một
cố định). Ánh sáng từ nguồn vào tấm phân chia ánh sáng (beamspliter) bị
tách làm hai phần đi đến hai gương.


3. Máy quang phổ hồng ngoại.
3.2. Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier.
- Gương di động tạo ra sự khác biệt đường đi ánh sáng, gọi là sự trễ
và tạo ra giao thoa. Tín hiệu truyền theo thời gian dưới dạng giao thoa
đồ (Interferogram) I = f(δ) trong đó δ là sự sai khác của quãng đường
đi của hai chùm tia sáng.
Fixed CCM

An interferogram is first made by the
interferometer using IR light.

Detector

B.S.

Sample

Moving CCM
IR Light source

The interferogram is calculated and transformed
into a spectrum using a Fourier Transform (FT).

3. Máy quang phổ hồng ngoại.
3.2. Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier.
- Biến đổi Fourier: Chuyển quang phổ theo thời gian thành quang phổ
theo tần số.


3. Máy quang phổ hồng ngoại.
3.2. Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier.
* Ưu điểm:
- Thời gian phân tích nhanh (30s), máy móc ít đắt tiền.
- Toàn bộ năng lượng nguốn sáng đến mẫu, tín hiệu có cường độ lớn.
- Độ phân giải và tỷ lệ tín hiệu/nhiễu (sign to noise) cao hơn.
- Đo được tất cả các loại mẫu: rắn, lỏng, khí, bột nhão, màng mỏng...
- Không phá hủy mẫu.
* Nhược điểm:
- Phân tích định tính (cấu trúc) là chủ yếu.


3. Máy quang phổ hồng ngoại.
3.3. Chuẩn bị mẫu:
1) Đo mẫu khí, hơi:
Cuvet khí: Có nhiều loại với chiều dài quang trình khác nhau: 5- 20 cm.
Là một ống thuỷ tinh dài, 5-10cm, 130-200ml, hai cửa số muối ở hai đầu,
hai van nạp và thoát khí. Nếu cuvet dài, bên trong có hệ thống gương.
Nạp mẫu khí vào cuvet được vận hành qua hệ thống van, bơm hút chân
không.

Cuvet khí

3. Máy quang phổ hồng ngoại.
3.3. Chuẩn bị mẫu:
2) Đo mẫu lỏng:
Cuvette lỏng gồm nhiều thành phần được ghép lại với nhau: vòng
đệm, cửa sổ, tâm giá đỡ.


3. Máy quang phổ hồng ngoại.
3.3. Chuẩn bị mẫu:
3) Đo mẫu rắn:
Mẫu ép với KBr: Nghiền mẫu thật mịn sau đó ép với một lượng KBr lớn hơn
từ 10 -100 lần trên máy ép nén thành những viên dẹt với chiều dày khoảng
0.1 mm. Viên dẹt thu được hầu như trong suốt với các chất phân tích được
phân tán đồng đều.
Lượng mẫu cần thiết để ép màng khoảng 2-5 mg.


4. Ứng dụng trong phân tích lọc hóa dầu.
4.1. Parafin.
- Quang phổ hồng ngoại của các hydrocacbon bão hòa đặc trưng bởi
sự xuất hiện các vùng hấp thụ đặc trưng của các liên kết trong các
nhóm chức metyl -CH3 (3000 – 2800 cm-1), metylen -CH2- (1400 -1300
cm-1), metyliden -CH – (700 cm-1).