Cơ sở phổ phân tử - Ứng dụng trong phân tích vật chất

Đề bài: Cơ sở của phương pháp phân tích quang phổ phân tử là gì?
Trong phân tích vật chất, phổ phân tử được ứng dụng như thế nào?
Giới thiệu
Một trong những phương pháp phân tích dụng cụ quan trọng và có ứng dụng lớn
trong việc phân tích đó là : PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ PHÂN TỬ .
Một trong những ứng dụng lớn nhất của phương pháp đó chính là xác định được
chính xác thành phần đinh lượng của một mẫu cần xác định , đặc biệt trong phân
tích các mẫu chất hóa học hữu cơ . Trong việc phân tích các hợp chất hữu cơ ta
có thể xác định rõ thành phần của chất hữu cơ , cũng như các loại nhóm chức có
trong hợp chất đó. Từ các kết quả từ phương pháp phân tích phổ phân tử và kết
hợp với các phương pháp phân tích khác sẽ cho chúng ta những kết quả , chính
xác và hoàn thiện của mẫu chúng ta cần phân tích.
Để hiểu rõ hơn về phổ phân tử và những ứng dụng của phương pháp được sử
dụng như thế nào trong việc phân tích vật chất thì nhóm sinh viên chúng em đã
tìm hiểu về phương pháp phổ , thông qua đó có thể giúp phần nào hiểu rõ hơn về
phương pháp phân tích phổ phân tử .
Nhóm sinh viên thực hiện:
1. Kim Thanh Hà
2. Ngô Ngọc Hiển
3. Nguyễn Ngọc Hiếu

Mssv :1221010117
Mssv : 1321010148
Mssv : 1321010151

Bài viết còn nhiều thiếu xót chúng em mong cô góp ý và sửa chữa cho chúng em.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội 4- 2015

1

A.Sự hình thành phổ phân tử
1.Sự bức xạ điện từ và trạng thái năng lượng của phân tử
Một trong những khái niệm quan trọng từ cơ học lượng cần thiết cho sự hiểu biết
về sự hấp thụ hay phát xạ phân tử là năng lượng phải được lượng tử hóa.Nói các
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 tổng năng lượng của ba dạng : quay , dao động và điện tử.
 Chuyển động của các phân tử quay hạt nhân .
 Chuyển động tuần hoàn của các hạt nhân với nhau.
 Chuyển động thay đổi hướng toàn phần.
Trong điều kiện bình thường , các phân tử tồn tại ở trạng thái năng lượng thấp
nhất ( năng lượng cơ bản ), trạng thía bền vững . Khi phân tử nhận năng lượng , ví
dụ như khi phân tử hấp thụ hay bức xạ điện từ, phân tử có thể chuyển sang năng
lượng cao hơn ứng với trạng thái kích thích của phân tử. Phân tử chỉ tồn tại trong
trạng thái kích thích trong khoảng thời gian rất ngắn (10-6 -10-9 ) và quay trở lại
trạng thái ban đầu.Sự thay đổi trạng thái của phân tử chính là sự hấp thụ năng
lượng .
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
của phân tử tuân theo định luật Planck.
= Ecao - Ethấp = h.
h:hằng số planck = 1,054.10-34 J.s=6,59 eVs.
: là tần số của bức xạ điện từ bị hấp thụ hay phát xạ ra.

2



E = 0: năng lượng phân tử không thay đổi khi tương tác với bức xạ điện
từ.
 E > 0: phân tử hấp thụ năng lượng.

E < 0: phân tử bức xạ năng lượng.
Do năng lượng được phân tử lưu giữ dưới ba dạng : quay, dao động và điện tử
nên:
quay +

dao động

+

điện tử

Như vây, hiện tượng bức xa điện từ của phân tử gây nên các bước chuyển năng
lượng quay, dao động và điện tử của phân tử là nguồn gốc của các loại phổ hấp
thụ.

Sự dịch chuyển điện tử ở trạng thái năng lượng của một nguyên tử tạo ra sự
phát xạ của một photon.
Khi các phân tử hấp thụ năng lượng từ bên ngoài có thể dẫn đến các quá trình
thay đổi trong phân tử (quay, dao động, kích thích electron phân tử…) hoặc
trong nguyên tử (cộng hưởng spin electron, cộng hưởng từ hạt nhân).Đối với các
phân tử có moomen lưỡng cực # 0 thì momen này sẽ thay đổi thong qua sự
quay (Momen quay q ) qua dao động (momen dao động e )
3

2.Các phương pháp phổ hấp thụ phân tử.
Mỗi một quá trình như vậy đều đòi hỏi một năng lượng E > 0 nhất định đặc
trưng cho nó, nghĩa là đòi hỏi bức xạ điện từ có một tần số riêng gọi là tần số
quay q, tần số dao động d và tần số kích thích điện từ e.
Vì thế khi chiếu một chùm bức xạ điện từ với các tần số khác nhau vào thì các
phân tử chỉ hấp thụ được các bức xạ điện từ có tần số đúng bằng các tần số
trên( q, d và e) để xảy ra các quá trình biến đổi trong phân tử như trên. Do
sự hấp thụ chọn lọc này mà khi chiếu chùm bức xạ điện từ với một dải tần số
khác nhau đi qua môi trường vật chất thì sau 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.
Như vậy, hiện tượng bức xạ điện từ của phân tử đã hình thành đám phổ có tần
số xác định . Các đám phổ tương ứng với năng lượng hấp thụ để thực hiện các
bước chuyển và có các tần số riêng từ đó ta có thể phân loại được các loại phổ
dựa theo tần số đó:
 Phổ quay
 Phổ dao động – quay
 Phổ điện tử - dao động – quay.
4


Cụ thể hơn thì chúng ta sẽ có : e >
d >
q có nghĩa là mỗi trạng thái
electron ( cơ bản hoặc kích thích ) bao gồm một số trạng thái dao động khác
nhau, đến lượt thì mỗi trạng thái dao động lại bao gồm một số trạng thái quay
khác nhau.
Phổ quay: Các bức xạ có năng lượng thấp như sóng cực ngắn hoặc hồng ngoại xa

chỉ làm thay đổi trạng thái quay của phân tử. Khi nghiên cứu sự hấp thụ trong
vùng vi sóng hay vừng hồng ngoại xa ta sẽ thu được phổ quay thuần túy. Phổ quay
thuần túy gồm các vạch rất xít nhau và cách đều nhau mỗi vạch có tần số:
q=

Phổ dao động – quay: Khi các phân tử hấp thụ bức xạ ở vùng hồng ngoại gần,
trạng thái dao động bị kích thích (trạng thái electron vẫn không đổi) , những
lượng tử năng lượng tương ứng sẽ có tần số:
d=

Vì d >
q nên cùng với sự biến thiên năng lượng dao động luôn có biến
thiên năng lượng quay.Vì thế ta không thu được phổ dao động thuần túy mà thu
được phổ dao động - quay ( phổ dao động hay phổ hồng ngoại ).Do kết quả là sự
chồng chất những lượng tử quay lên những lượng tử dao động nên ta thu được
phổ hồng ngoại ta thu được các đám vạch với tần số
= q +
q.

5


Phổ hồng ngoại của hexanoic acid

`

Phổ điện tử - dao động – quay: Khi phân tử hấp thụ bức xạ có nặng lượng lớn
hơn như các bức xạ khả kiến hay bức xạ tử ngoại thì năng lượng electron bị thay
đổi , ứng với các vạch hấp thụ có tần sô :
e=

Ứng với sự thay đổi trạng thái electron luôn có sự thay đổi trạng thái dao động và
trạng thái quay nên ta sẽ thu được đám vạch với tần số
= q + q + e .Phổ
thu được được gọi là phổ hấp thụ electron hay phổ electron và do thể hiện ở
vùng tử ngoại – khả kiến nên cũng được gọi là phổ tử ngoại – khả kiến.
Từ đó , ta có thể kết luận rằng từ hiện tượng háp thụ phân tử sẽ có ta hai phương
pháp phổ chính là :
 Phồ hồng ngoại
 Phổ tử ngoại – khả kiến.
3.Định luật Lambert – beer
Là cơ sở để sử dụng phổ hồng ngoại và phổ tử ngoại -khả kiến.
a. Định luật Lambert – beer
6


Khi chiếu một chùng tia sáng đơn sắc đi qua một môi trường vật chất thì cường
độ của tia sáng ban đầu Io sẽ bị giảm đi chỉ còn là I ( do khuếch tán hay hấp thụ
trong lớp mỏng vật chất ).
Năng lượng ánh sáng: E = h.
Năng lượng của ánh sáng phụ thuộc vào .
Cường độ ánh sáng I phụ thuộc vào biên độ dao động a.

Với hai tia sáng có cùng năng lượng nhưng có cường độ sáng khác nhau :
Độ truyền qua : T= I/Io .100%.
Độ hấp thụ :A= (Io – I )/ Io .100%.
Độ lớn của độ truyền qua T hay độ hấp thụ A phụ thuộc vào bản chất của chất hòa
tan , chiều dày d của lớp mỏng và nồng độ C của dung dịch . Do đó , có thể viết:

gọi là hệ số hấp thụ, C được tính bằng mol/l, d tính bằng cm và D là mật độ

quang. Phương trình trên chỉ đúng với tia đơn sắc.
hấp thụ và độ phân giải
Từ định luật Lambert-Beer, người ta thiết lập và biểu diễn sự phụ thuộc:
7


 Trên trục tung: A, D, , lg , T
 Trên trục hoành: tần số bức xạ

, số sóng , bước sóng bức xạ kích

thích .‫גּ‬
 Sự phụ thuộc của D vào bước sóng: D.‫ = גּ‬f(.‫)גּ‬
Khi .‫ = גּ‬const; d = const thì D = f(C)
Dùng phương trình này để phân tích định lượng.

Với cùng một chất nhưng với các tia sáng khác nhau sẽ cho các đường đồ
thị khác nhau.
 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào chiều dài của bước sóng kích thích.
Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc này gọi là phổ.Các đỉnh hấp thụ cực đại
gọi là dải hay đỉnh hấp thụ, chiều cao của đỉnh hấp thụ gọi là cường độ.

8


Hai đường biểu diễn này dùng để phân tích cấu tạo của các hợp chất
4. Biểu diễn phổ hấp thụ phân tử

Độ truyền qua (%)

 Phổ hồng ngoại : Phổ thường được ghi dưới dạng thể hiện sự phụ thuộc
của % độ truyền qua vào số sóng ( hoặc bước sóng ) của bức xạ.

Bước sóng
9


Hệ số hấp thụ mol

 Phổ tử ngoại – khả kiến: Phổ thường được ghi thể hiện sự phụ thuộc của
mật độ quang D (A) vào bước sóng ( hoặc số sóng ).Nếu để so sánh giữa các
chất , giữa các cấu tạo khác nhau thường thì phổ dưới dạng thể hiện sự
phụ thuộc của hệ số hấp thụ mol (hoặc lg ) vào bước sóng.

Bước sóng

B.Ứng dụng của phổ phân tử trong phân tích vật chất
Phổ phân tử được chia thành hai loại phổ chính dựa trên các chuyển động của
phân tử đó chính là : Phổ hồng ngoại , phổ tử ngoại – khả kiến .
Sau đây , chúng ta sẽ tìm hiểu mỗi loại phổ có ứng dụng như thế nào trong việc
phân tích vật chất.

1.Phổ tử ngoại - khả kiến
Phương pháp phổ tử ngoại và khả kiến có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực
phân tích định tính, phân tích cấu trúc phân tử và phân tích định lượng. Nguyên
tắc của phương pháp phân tích định lượng là dựa vào mối quan hệ giữa mật độ
quang và nồng độ dung dịch theo định luật Lambert – Beer, với rất nhiều ưu
điểm:
10

 Khả năng áp dụng rộng: Một số rất lớn các chất hữu cơ, vô cơ, hóa sinh hấp
thụ được chùm sáng trong vùng tử ngoại khả kiến và như vậy có thể phân
tích định lượng trực tiếp chúng. Nhiều hợp chất không có khả năng hấp thụ
trực tiếp cũng có thể áp dụng phương pháp này sau khi chuyển chúng bằng
phương pháp hóa học thành những dẫn xuất có thể hấp thụ được. Người ta
ước lượng rằng khoảng 90% các phân tích trong phòng thí nghiệm ở bệnh
viện đều dựa trên phổ UV-VIS.
 Độ nhạy cao: giới hạn dò tìm của phổ hấp thụ phân tử trong khoảng 10-4
đến 10-5M. Khoảng này có thể được mở rộng đến 10-6 thậm chí 10-7 M với
những thủ tục bổ sung.
 Độ chọn lọc từ trung bình đến cao: Nếu một bước sóng được tìm thấy mà
chất phân tích chỉ hấp thụ một mình thì không cần phải thực hiện phép tách
chúng ra khỏi dung dịch hỗn hợp.
 Độ chính xác cao: sai số tương đối về nồng độ trong phổ UV-VIS tiêu biểu
nằm trong khoảng từ 1% đến 5%.
 Dễ thao tác và thực hiện nhanh chóng với các máy hiện đại.
Ứng dụng khác của phổ tử ngoại – khả kiến.
Ngoài ra, nó cũng còn được sử dụng để xác định hằng số cân bằng, hằng số
phân li và nghiên cứu động.
Là cơ sở của phương pháp đo quang , ứng dựng trong nhiều ngành: dược ,
luyện kim , địa chất, nông nghiệp.
Là phương pháp hỗ trợ quan trọng cho phổ hồng ngoại và cộng hưởng từ hạt
nhân để đồng nhất các chất.

2.Phổ hồng ngoại
 Đồng nhất các chất :Số liệu hồng ngoại cho kết quả đồng nhất, quá trình
đồng nhất là so sánh phổ của chất nghiên cứu với phổ chuẩn.Phổ chuẩn : là
các tần số ,những tần số này đã được xác định bởi các nhà khoa học và đã
được đưa vào bảng tra cứu. Khi có được các phổ hồng ngoại của một chất

chưa biết nào đó người ta có thể so sánh và tra cứu tần số các dao động
được lưu trong thư viện tra cứu và định danh các hợp chất hóa học.
11


 Xác định cấu trúc phân tử : Bằng phương pháp phổ hồng ngoại có kết quả
khá chính xác về sự có mặt của các nhóm chức trong phân tử và đặc tính
của liên kết cũng như cấu trúc và vị trí các nhóm thế trong hợp chất.Để
phân tích định tính và định danh hợp chất hóa học, cần phải nắm
được các tần số dao động đặc trưng của các nhóm chức và của các liên kết
giữa các nguyên tử.
 Phân tích định lượng : Bằng phổ hồng ngoại ít chính xác hơn so với các
phương pháp khác (như phổ tử ngoại khả kiến UV-Vis). Đối với hợp chất ở
dạng dung dịch thì phân tích định lượng cho kết quả chính xác hơn so
với mẫu dạng rắn.

C.Ví dụ phân tích phổ phân tử
 Các bước tiến hành (phổ hồng ngoại )
1.Ghi tất cả các vùng phổ (chân peak), (đỉnh peak). Chú ý các peak đặc trưng: đặc
điểm (đỉnh kép, mạnh và rộng, yếu và hep, nhọn và hẹp, chân rộng và giãng... )
2.Từ công thức phân tử, dự đoán có thể chứa dao động của những nhóm chứa
nào?
3.Các peak của phổ có thể ứng với dao động của những nhóm chức nào?
4.Đối chiếu

12


Phổ hồng ngoại hexanoic acid

[TÀI LIỆU THAM KHẢO]
1.Bài giảng “ Phân tích bằng công cụ “ Đại học Bacsk Khoa Hà Nội.
2.”Hóa phân tích công cụ”- Bùi Xuân Vững.
3.Bài giảng “Các phương pháp phân tích dụng cụ” T.s Tống Thị Thanh Hương
trường Đại học Mỏ địa Chất.
4.” Một số phương pháp phổ ứng dụng trong hóa học “ Tác giả Đào Đình Thức.

13


14