Bài giảng phân tích công cụ (full)

Bài giảng
HÓA HỌC PHÂN TÍCH CÔNG CỤ

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


Chương 1. MỞ ĐẦU PHÂN TÍCH CÔNG CỤ

1.1. Bản chất của phân tích công cụ:
-

Phân tích công cụ là các phương pháp phân tích được đặc
trưng bằng máy móc, thiết bị hiện đại, đắt tiền được áp

dụng rộng rãi, hiệu quả cao trong nhiều ngành khoa học, kỹ
thuật phân tích môi trường, đánh giá chất lượng sản
phẩm…
-

Phân tích công cụ là các phương pháp để nghiên cứu cấu
trúc, xác định nhanh hàm lượng vết, siêu vết (cỡ ppm, ppb),
liên kết hóa học…

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


Nguyên tắc: Là các phương pháp phân tích dựa trên việc đo
cường độ của đại lượng vật lý có liên quan đến nồng độ của

cấu tử cần phân tích (hấp thụ ánh sáng, thế dung dịch,…)

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


1.2. Ƣu, nhƣợc điểm. Khả năng ứng dụng:
a) Ƣu điểm:

- Chính xác  độ tin cậy cao
- Độ nhạy cao  lượng mẫu phân tích nhỏ  phân tích cấu

tử vi lượng và vết
- Độ chọn lọc cao  Phân tích được các mẫu có thành phần
phức tạp.
- Nhanh (tự động hóa)  phân tích hàng loạt mẫu

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


1.2. Ƣu, nhƣợc điểm. Khả năng ứng dụng:
b) Nhƣợc điểm:

- Thiết bị đắt tiền, có thiết bị hàng tỉ đồng
- Người phân tích cần có trình độ chuyên môn cao
c) Ứng dụng: Ứng dụng rộng rãi trong phân tích cấu tử vi
lượng hay cấu tử vết (phân tích thực phẩm, dược phẩm, môi
trường, xét nghiệm y khoa, nghiên cứu khoa học,…)

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


1.3. Phân loại các phƣơng pháp phân tích công cụ:

1.3.1. Phƣơng pháp phân tích quang học (spectroscopy):
Là các phương pháp phân tích dựa trên sự tương tác giữa
bức xạ điện từ (ánh sáng) và vật chất (nguyên tử, phân tử). Có 3
dạng tương tác chính: hấp thụ, phát xạ và huỳnh quang.
Các PP quang học tương ứng: Quang phổ hấp thụ
(absorption), phát xạ (emission), huỳnh quang (fluorescence)

E*
+ h

- h

E0

Sự phát xạ :
E = E* - E0 = h

Sự hấp thụ :
E = E* - E0 = h
ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


1.3.2. Phƣơng pháp phân tích điện hóa:
Là các phương pháp phân tích liên quan đến điện hóa, gồm:
-

Phân tích điện thế

-

Phân tích điện phân, điện lượng

-

Phân tích cực phổ von - ampe.

-

Phân tích điện di, điện dẫn

1.3.3. Phƣơng pháp chiết tách, phân chia:
Là phương pháp tách chất dựa trên khả năng phân bố/hấp
phụ khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp phân tích giữa hai

pha không trộn lẫn (pha tĩnh, pha động) – gồm chiết và sắc ký.

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ
PHÂN TỬ UV-VIS (PP TRẮC QUANG – SO MÀU)
2.1. Bản chất của bức xạ điện từ (ánh sáng):
Bức xạ điện từ bao gồm: ánh sáng nhìn thấy (visible), các tia tử
ngoại (UV), hồng ngoại (IR), tia Rơnghen (tia X), tia gamma (tia
), vi sóng, sóng radio…

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


2.1. Bản chất của bức xạ điện từ (ánh sáng)

Năng lượng của bức xạ phụ thuộc vào tần số bức xạ và
được biểu diễn theo công thức:
E = h = hc/
Với h là hằng số Plank (6,625.10-34 J.s);  là tần số (s-1;
Hz); c là vận tốc ánh sáng (3.108 m/s);  là bước sóng,
thường đo bằng nm;

Như vậy các dạng bức xạ điện từ khác nhau sẽ có
năng lượng khác nhau, tỉ lệ nghịch với chiều dài bước sóng.

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


2.1. Bản chất của bức xạ điện từ (ánh sáng)
-

Để đo bước sóng  của ánh sáng (Vis, UV, IR…) và các
bức xạ có năng lượng lớn người ta thường dùng các đơn vị
nm, Ao.

-

Đơn vị của tần số  là s-1, Hz (Hertz) và các bội số.

-

Đơn vị của năng lượng E là J/phân tử; ec/phân tử; J/mol;

kcal/mol; eV; cm-1… với 1J = 107 ec; 1eV = 1,602.10-19J

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


2.2. Các hiện tƣợng cơ bản của bức xạ điện từ
a) Hiện tượng hấp thụ:
Nếu chiếu một chùm bức xạ điện từ vào mẫu hoá học thì có
thể mẫu sẽ hấp thụ một phần của bức xạ, và chuyển từ trạng
thái cơ bản (G) sang trạng thái kích thích (E).

- Năng lượng bức xạ h = E (giữa E và G).
- Cường độ dòng đơn sắc: I < Io.
ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


2.2. Các hiện tƣợng cơ bản của bức xạ điện từ
b) Hiện tượng phát xạ:
Các cấu tử trong mẫu có thể được kích thích bởi các
dạng năng lượng nhiệt, năng lượng điện và các dạng khác
(các dạng không bức xạ). Nếu cấu tử bị kích thích trở về trạng
thái cơ bản bằng cách giải phóng năng lượng dưới dạng bức

xạ điện từ thì quá trình đó gọi là hiện tượng phát xạ.

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


2.2. Các hiện tƣợng cơ bản của bức xạ điện từ
c) Hiện tượng huỳnh quang:
Khi các cấu tử hấp thụ một năng
lượng bức xạ thì sẽ chuyển lên trạng

thái kích thích (E).
Để chuyển về trạng thái cơ bản (G),
cấu tử bị kích thích cần giải phóng
năng lượng bằng nhiều cách như:
chuyển sang năng lượng nhiệt, năng
lượng điện hoặc bức xạ ở dạng bức
xạ điện từ, gọi là bức xạ huỳnh quang.
Ta có Eht > Ehq  ht < hq

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


2.3. Bức xạ hấp thụ UV – Vis và màu sắc dung dịch:
Tia bị hấp thụ

Bƣớc sóng
(nm)

Màu của chất hấp
thụ (màu bổ sung)

Tím

380 – 430

Vàng lục

Lam (chàm)

430 – 490

Vàng

Lục lam (da trời)

490 – 510

Da cam

Lục

510 – 530

Đỏ

Vàng lục

530 – 560

Tím

Vàng

560 – 590

Lam (chàm)

Da cam

590 – 650

Lục lam (da trời)

Đỏ

650 – 730

Lục

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


2.3. Bức xạ hấp thụ UV – Vis và màu sắc dung dịch:

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


Phổ hấp thụ ánh sáng UV – Vis của:
- Xanh methylen (MB)
- Xanh malachit (MG)
- Congo
đỏ (CR)
ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


2.4. Các định luật đo quang UV-Vis
a) Độ truyền quang T

b
I0 (λ)

b) Mật độ quang:

I (λ)

c) Quan hệ giữa A và T:
A = - lgT  T = 10-A
Dung dịch hấp thụ
d) Định luật Bouguer – Lambert (1729):
(nồng độ C)
A = k.b
(với b là bề dày dung dịch)
e) Định luật Beer (1852):
A = k’.C
(với C là nồng độ dung dịch)
f) Định luật hợp nhất BLB (gọi tắt là ĐL Bia):
A = .b.C (với  là hệ số hấp thụ)
g) Định luật cộng tính:
AAB = AA + AB = A.b.CA + B.b.CB
ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


Thứ nguyên của hệ số hấp thụ ()
[C]

[b]

Tên gọi

[]

mol/l

cm

l.mol–1.cm– 1

g/l

cm

l.g–1.cm–1

Hệ số hấp thụ mol
Hệ số hấp thụ riêng

* Các yếu tố ảnh hƣởng đến : 2 yếu tố quan trọng
- Bản chất phân tử chất hấp thụ (cấu trúc electron phân tử)
- Bước sóng của bức xạ bị hấp thụ (λ): sự hấp thụ ánh sáng

mang tính chọn lọc. Đồ thị biểu diễn  = f (λ) được gọi là phổ hấp
thụ ánh sáng của phân tử chất hấp thụ
Ngoài ra  còn phụ thuộc bản chất dung môi, nhiệt độ…nhưng
không phụ thuộc vào nồng độ chất hấp thụ
ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


2.5. Các nguyên nhân làm sai lệch định luật Beer:
Mật độ quang A phụ thuộc nhiều yếu tố: , b, C… Trong thực
hành phân tích trắc quang, có nhiều trường hợp có sự lệch khỏi

định luật Beer, tức là không có sự tuyến tính của A và C. Các

nguyên nhân gây ra sự sai lệch đó gồm:
- Hiệu ứng ion lạ

- Hiệu ứng solvat hóa
- Hiệu ứng liên hợp, polime hóa
- Ánh sáng không đơn sắc (có nhiều  khác nhau)
- Ảnh hưởng của pH
- Ảnh hưởng của sự pha loãng
ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


2.6. Phổ hấp thụ UV – Vis:
2.6.1. Cách biểu diễn phổ hấp thụ:
Phổ hấp thụ của các phức màu thường được biểu diễn dưới
dạng A = f() (thông dụng) hoặc lg = f().
Giá trị  tại đó Amax được gọi là max (Xem lại)

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


2.6.2. Sự xen kẽ hai phổ hấp thụ. Điểm đẳng quang
Trong phân tích trắc quang thường gặp các hệ hai cấu
tử màu, ví dụ:
- Hệ gồm 1 thuốc thử hữu cơ HiR và phức của nó với 1 ion
kim loại MRn. Thuốc thử và phức thường có màu khác nhau:
Mn+ + HiR  MRn + iH+
- Hệ chứa chất chỉ thị pH HInd có dạng axit và dạng base liên
hợp có màu khác nhau: HInd  H+ + Ind- Khi thay đổi pH hoặc nồng độ thuốc thử có sự thay đổi

thành phần phức và màu: MR + R  MR2
Trong các hệ trên, có hiện tượng xen phủ các phổ hấp thụ và
xuất hiện điểm đẳng quang, đó là giá trị đq tại đó 1 = 2 = đq
 A = const (không phụ thuộc thành phần dung dịch).
ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


2.6.3. Đo mật độ quang khi hệ có 2 cấu tử màu
Trong phân tích trắc quang thường nghiên cứu phản
ứng: Mn+ + HR  MR + H+  có xen phủ phổ.

Vì vậy cần tìm bước sóng tối ưu tƣ (có thể tư  max)
để đo mật độ quang của dung dịch màu, giảm thiểu tối đa sự
hấp thụ của thuốc thử. Thông thường người ta chọn tư ứng
với Amax.

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


2.6.4. Các tiêu chuẩn của một thuốc thử hữu cơ

dùng trong phân tích trắc quang.
+ max = |MR - HR|  80nm
+ Tại tư:  = |MR - HR| càng lớn càng tốt.
+ Tỉ lệ MR/HR  2 lần, càng lớn càng tốt.

2.6.5. Phƣơng pháp nghiên cứu phức màu:
Phức màu trong phân tích trắc quang cần thỏa mãn:

- Độ bền cao để pứ tạo phức hoàn toàn (Kpứ lớn)

- Phức có thành phần không đổi
- Hệ số hấp thụ mol càng lớn càng tốt.
ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


2.6.5. Phƣơng pháp nghiên cứu phức màu:
Việc nghiên cứu phức màu gồm các bƣớc:
1. Nghiên cứu hiệu ứng tạo phức: Chụp phổ hấp thụ của
thuốc thử và phức màu.
2. Nghiên cứu các điều kiện tối ưu về thời gian, nhiệt độ, pH,
lực ion, thứ tự tạo phức, nồng độ thuốc thử và ion kim loại.

3. Khảo sát khoảng nồng độ tuân theo định luật Beer.
4. Khảo sát khả năng chiết phức màu bằng các dung môi hữu
cơ.

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT


2.6.5. Phƣơng pháp nghiên cứu phức màu:
5. Xác định thành phần phức theo các phương pháp độc lập.

6. Xác định các tham số định lượng của phức như hệ số ,
hằng số cân bằng KCB, hằng số bền …
7. Nghiên cứu các nguyên tố cản trở phép phân tích
8. Xây dựng đường chuẩn A = f(C) = a + bC
9. Xác định nguyên tố trong mẫu nhân tạo (mẫu giả)
10. Xác định nguyên tố trong mẫu thật (mâu phân tích)

ThS. Hồ Sỹ Linh - Khoa SP Hóa-Sinh - ĐHĐT