Chương 2 Phương pháp phổ hấp thụ phân tử (Molecular Absorption Spectrometry) 64P

Chương 2 Phương pháp phổ hấp thụ phân tử (Molecular Absorption Spectrometry)

2.1. Sự hình thành phổ phân tử

Sự hấp thụ bxđt và sự hình thành các loại phổ hấp thụ phân tử Năng lượng phân tử được lưu giữ có thể coi là tống năng lượng lưu trữ của ba dạng: -

Quay

-

Dao động

-

Điện tử E thấp + hν = Ecao

Phân tử chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích trong khoảng thời gian rất ngắn (10-6-10-9s) và quay trở lại trạng thái cơ bản.

2

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 = Ecao – E thấp = hν (2-1) Do năng lượng phân tử được lưu giữ dưới ba dạng: quay, dao động và điện tử nên: ΔE = ΔEquay + ΔEdao động+ ΔEđiện tử (2-2)

Điện tử

Dao động

200 (nm)

400 (nm)

Quay

800 (nm)

4

Four types of transitions are possible: σ σ*, n σ*, n π*, and π π*

(Trạng thái kích thích) Năng lượng (Trạng thái cơ bản)

Quá trình phát xạ (Emission) 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 (Absorption) là một quá trình một phân tử chuyển từ trạng thái lượng tử thấp hơn sang cao hơn và hấp thụ một photon.

6

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 = Ecao – E thấp = hν = hc/λ (2-1) Do năng lượng phân tử được lưu giữ dưới ba dạng: quay, dao động và điện tử nên: ΔE = ΔEquay + ΔEdao động+ ΔEđiện tử (2-2)

ULTRAVIOLET/VISIBLE MOLECULAR ABSORPTION SPECTROMETRY (Phương pháp đo quang, UV-VIS) 7

Sự hấp thụ bức xạ điện từ Phản xạ

Bức xạ tới Io; λ

Khúc xạ

Bức xạ truyền qua; I ; λ

Dung dịch nghiên cứu

8

Độ truyền quang T:

(2-3)

T nằm trong khoảng (0-1).

Phần trăm truyền quang: 100T %, Thay đổi tương ứng từ 0-100%.

9

9

Độ hấp thụ (absorbance) (2-4) Nếu ánh sáng không bị hấp thụ, I = Io và A = 0 Nếu 90% ánh sáng bị hấp thụ, 10% đã được truyền quang, 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)

10

Phổ hấp thụ

11

σ σ* Transition 

The energy required to induce a σ σ* transition is

large. 

Methane and alkane can undergo only σ σ*

transitions, exhibits an absorption maximum at 125 nm. 

Absorption maxima due to σσ* transitions are

never observed in the ordinarily accessible ultraviolet region.

12

n σ* Transitions 

Saturated compounds containing atoms with unshared

electrons are capable of n σ* transitions. 

Transitions require less energy than the σ σ* type and can

be brought about by radiation in the region of between 150 and 250 nm, with most absorption peaks appearing below 200 nm. 

The molar absorptivities are low to intermediate in magnitude

and range between 100 and 3000 L cm-1 mol -1.

13

Sự hấp thụ của các hợp chất hữu cơ chứa electron không liên kết

14

n π* and π π* Transitions  Transitions for n or π electrons to the π* excited required the energies that bring the absorption peaks into an experimentally convenient spectral region (200 to 700 nm).  Both transitions require the presence of an unsaturated functional group to provide the π orbitals.  Molar absorbtivities from n π* transitions are relatively low, and range from 10 to100 L mol-1 cm-1  ππ* transitions normally give molar absorbtivities between 1000 and 10,000 L mol-1 cm-1

15

The solvent in which the absorbing species is dissolved also has an effect on the spectrum of the species. Peaks resulting from n π* transitions are shifted to shorter wavelengths (blue shift) with increasing solvent polarity. This arises from increased solvation of the lone pair, which lowers the energy of the n orbital. Often (but not always), the reverse (i.e. red shift) is seen for ππ* transitions. This is caused by attractive polarisation forces between the solvent and the absorber, which lower the energy levels of both the excited and unexcited states. This effect is greater for the excited state, and so the energy difference between the excited and unexcited states is slightly reduced - resulting in a small red shift. This effect also influences n π* transitions but is overshadowed by the blue shift resulting from solvation of lone pairs.

16

Sự hấp thụ của một số hợp chất hữu cơ

17

18

2.2. ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ HẤP THỤ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ ĐỊNH LUẬT LAMBERT-BEER (2-5) A: Độ hấp thụ (không thứ nguyên) C: Nồng độ của mẫu (mol/l) b (L): Chiều dày của cuvet đựng mẫu (cm) ε: độ hấp thụ mol (hay còn gọi là hệ số tắt phân tử) (M-1cm-1) Câu hỏi: Nêu ý nghĩa vật lý của ε 19

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)

20

Phương pháp đường chuẩn xác định hệ số góc K Nồng độ

C1

C2

……………

Cn

Độ hấp thụ

A1

A2

…………….

An

K= ?

A = KC

Ax

Cx 21

Ví dụ: Tìm độ hấp thụ và truyền quang của dung dịch 0,00240 M có độ hấp thụ mol ε = 313 M –1cm –1, với bề dày cuvet là b = 1,00 cm Giải Theo (2-5) ta có: Độ hấp thụ: A = εbC = 313 M –1cm –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) 22

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 C1 và C2, độ hấp thụ mol tương ứng là ε1 và ε2.

Io

C1

I1

C2

I2

Tổng quát (2-9)

23

Nếu một dung dịch gồm chất nghiên cứu và tạp chất thì độ hấp thụ: Adung dịch = Anghiên cứu + Anền Trong phân tích đo quang chúng ta chuẩn bị dung dịch trống chứa các tạp chất, có nghĩa là: Atrống = Anền (do không có mặt ion cần xác định) Và

Anghiên cứu = Adung dịch - Atrống

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.

24

an acid base indicator when dissolved in water will partially dissociate according to its acid dissociation constant:

25

26

27

Các yếu tố làm sai lệch định luật Lambert-Beer 1. Tính đơn sắc của ánh sáng tới.

2. Điều kiện hóa lý của dung dịch nghiên cứu.

Ví dụ: phức Fe3+ với axit sunphosalyxylic tùy thuộc pH mà tạo phức có miền phổ hấp thụ khác nhau. λmax = 506 nm [Fe(Sal)]+ ở pH = 1,8-2,5 [Fe(Sal)2]- ở pH = 4-8 λmax = 470 nm [Fe(Sal)3]3- ở pH = 8-11 λmax = 420 nm O

O OH S

HO O HO

axit sunphosalyxylic (H2Sal) 28

Phổ hấp phổ hấp thụ của phức Fe3+ ở các miền pH khác nhau 29

30

31

32

2.3. Các thủ tục thực nghiệm trong phân tích đo quang Phương pháp đường chuẩn 0.700

0.600

A

0.500

y = 1,4963x R² = 1

0.400

0.300

0.200

0.100

C, mg/l 0.000 0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

0.300

0.350

0.400

0.450

33

Chúng ta đo độ hấp thụ Ax của dung dịch mẫu nghiên cứu có nồng độ Cx và độ hấp thụ Ac dung dịch chuẩn Cc. Do có cùng hệ số góc K nên:

34

Phương pháp thêm tiêu chuẩn

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 C1 có nồng độ gần bằng Cx. 35

36

Phương pháp đo quang vi sai 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.

37

Phương pháp tính

38

Phương pháp đồ thị

39

2.5. Thiết bị quang phổ hấp thụ phân tử Sơ đồ thiết bị Máy tính (hiển thị và điều khiển)

Bộ tán sắc

Khuếch đại

Nguồn sáng

So sánh

40

NGUỒN SÁNG Các loại đèn H2 và D2 cho ánh sáng với bước sóng từ 160-380 nm

Đèn Đơtơri (a) và phổ phát xạ của nó (b) 41

Đèn sợi đốt vonfram cho ánh sáng từ miền 350-2200 nm

Đèn sợi đốt vonfram (a) và phổ phát xạ của nó (b) 42

Thiết bị UV-VIS có hai đèn: Đơtơri và vonfram

43

Bộ tán sắc 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.

- Nâng cao cả độ nhạy và độ chọn lọc - Tăng tính đúng đắn của phương trình toán học của định luật Lambert-Beer.

44

Độ rộng hiệu quả của đám hay còn gọi là độ đơn sắc được định nghĩa là

Đầu ra của một bộ tán sắc

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.

45

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 vẽ 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.

Cách tử được phủ lớp nhôm để nó có thể phản xạ. Một lớp mỏng SiO2 trên bề mặt nhôm để bảo vệ kim loại khỏi bị oxy hóa, điều này có thể làm giảm khả năng phản xạ của nó. Khi ánh sáng được phản xạ từ cách tử, mỗi một rãnh hoạt động như một nguồn bức xạ.

Khi các tia sáng liền kề nhau trong cùng pha, chúng tăng

cường lẫn nhau, và khi chúng không cùng một pha, chúng môt phần hoặc toàn bộ triệt tiêu nhau 46

Sự giao thoa với các song liền kề (a): cùng pha 0°, (b) 90° và (c)180° lệch pha

47

Theo nguyên lý của hiện tượng giao thoa ánh sáng, các cực đại sáng (constructive interference) chỉ được thấy tại những phương mà hiệu quang trình của hai tia bằng nhau và bằng số nguyên lần bước sóng (nλ). nλ = a-b Trong đó n = ±1, ±2, ±3, … Khi n = ±1 gọi là nhiễu xạ bậc nhất (first-order diffraction), khi n = ±2 gọi là nhiễu xạ bậc 2 (second-order diffraction) 48

Nguyên lý nhiễu xạ từ một loại cách tử 49

Điều kiện để có cực đại sáng: nλ = a – b = d(sinθ +sinΦ) Ở đây, d là khoảng cách giữa hai vạch liền kề. Ứng với mỗi một góc tới θ, có hàng loạt góc phản xạ, trong đó Φ là góc ở bước sóng xác định sẽ tạo ra cực đại sáng. Độ phân giải: đo khả năng tách hai pic ở gần nhau. Độ phân giải càng cao thì sự khác nhau giữa hai bước sóng ∆λ có thể phân biệt được càng nhỏ. Độ phân giải của cách tử:

ở đây, λ là bước sóng, n là bậc nhiễu xạ, N là số vạch trên cách tử nhiễu xạ được chiếu sáng.

Phương trình trên chỉ ra rằng, nếu chúng ta thiết kế với độ phân giải là 104 với bậc nhiễu xạ bậc nhất, nhất thiết phải có 104 vạch ở trên cách tử.

Nếu cách tử có độ dài 10cm, cách tử phải có số vạch 103 vạch/cm.

50

Cuvet đựng mẫu

Các loại cuvet đựng mẫu

51

Detector Các tính chất của bộ chuyển đổi tín hiệu bức xạ điện từ: - Phản hồi nhanh chóng với các với các bức xạ có năng lượng thấp và 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 52

Mặt lõm của catot được phủ một lớp vật liệu quang điện

ống quang (phototubes) làm việc trong miền từ 150-1000 nm

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

Ống quang và các phụ kiện

cho một dòng tỉ lệ thuận với cường độ tia tới.

53

Phân tích các chất trong hỗn hợp Câu hỏi: Độ hấp thụ A của 1 dd X và Y nguyên chất và hỗn hợp (X+Y) với cuvet có bề dày b= 1,00 cm tại 1 bước sóng λ= 420 nm và 505 nm có các giá trị là :

54

Giải

55

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)

M + nX ⇌ MXn Xác định thành phần phức: n Điều kiện: M và X không hấp thụ ánh sáng ỏ bước sóng λmax của MXn Trong quá tình tạo phức chỉ tạo một loại phức Không có phản ứng phụ 56

Pha một loạt dung dịch trong đó tổng nồng độ M và X không đổi nhưng tỷ lệ thì thay đổi

CM + Cx = Co Cx = f.Co CM = Co - Cx = (1-f).Co

n = f/(1-f)

Cho f biến thiên từ 0 đến 1 Ứng với A dung dịch đạt cực đại sẽ là nồng độ cực đại của phức. Khi đó tì được f và n.

Nếu f = 0,667 → n = 0,667/0,333 = 2 Nếu f = 0,5 → n = 0,5/0,5 = 1 Nếu f = 0,333 → n = 0,333/0,667= 1/2 57

58

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.

59

Xác định thành phần phức chất trong dung dịch bằng phương pháp đường cong bão hòa o Chuẩn bị một loạt dung dịch chứa nồng độ ion kim loại cố định còn nồng độ X (Cx) tăng liên tục → CX/CM tăng liên tục o Đo độ hấp thụ quang và vẽ đồ thị quan hệ A-CX/CM o Đểm uốn trên đồ thị ứng với n=CX/CM

CM CX

2 0

2 0,5

2 1,0

2 1,5

2 2,0

2 2,5

2 3,0

2 …….

A

n=?

CX /CM

60

Đường cong bão hòa cho phức 1:1 và 1;2. Phức 1:2 bền hơn, được chỉ ra bởi độ cong ít hơn gần hệ số tỉ lượng

61

Bài tập Câu 1. Độ hấp thụ A của dung dịch X và Y nguyên chất và hỗn hợp X+Y với cuvet có bề dày 1,00 cm tại hai bước sóng 410 nm và 510 nm có các giá trị như ở bảng dưới đây Chất

Nồng độ

A (tại 410 nm)

A (tại 510 nm)

X

2,00×10-4M

0,842

0,200

Y

3,00×10-4M

0,326

1,061

X+Y

(Cx+Cy)

0,630

0,958

Tính nồng độ X và Y trong hỗn hợp ĐS. Cx = 8,6×10–5 ( M); Cy = 2,47×10–4 ( M) 62

Câu 2. Độ hấp thụ mol của một đơn axit yếu HInd (Ka = 1.42×10–5) và bazơ yếu liên hợp của nó là Ind– ở bước sóng 430 và 570 nm được xác định bằng cách đo trong môi trường axit mạnh và bazơ mạnh (ở đó toàn bộ chất chỉ thị tương ứng ở dạng HInd và Ind–).

Kết quả thu được cho ở bảng dưới đây: ε430 (M–1cm–1)

ε570 (M–1cm–1)

HInd

6,30×102

7,12×103

Ind-

2,06×104

9,61×102

Một dung dịch (không được đệm để giữ ổn định pH) có tổng nồng độ chất chỉ thị là: 2×10–5 M. Hãy tính nồng độ mol/l của [HInd], [Ind–] và độ hấp thụ A430, A570 biết bề dày của cuvet b = 1,00 cm. ĐS. [Ind–] = 1,12×10–5 M; [Hind] = 0,88×10–5 M; A430 = 0,236; A570 = 0,073 63

Câu hỏi 1. Trình bày định luật Lambert-Beer, định luật cơ bản về hấp thụ bức xạ điện từ, trong phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-VIS. (Nêu biểu thức toán học, chứng minh định luật, ý nghĩa vật lý của độ hấp thụ mol, nêu điều kiện để hệ thức của định luật đúng) 2. Nêu biểu thức toán học định luật Lambert- Beer trong phương pháp phổ hấp thụ phân tử UVVIS. Phổ UV-VIS là kỹ thuật phổ được áp dụng khi phân tích các hợp chất có nồng độ thấp, ở đó môi tương quan giữa tín hiệu đo được và nồng độ của chất phân tích là mối quan hệ tuyến tính. Hãy nêu cách sử dụng kỹ thuật này cho phân tích định lượng (phương pháp đường chuẩn, thêm chuẩn và phương pháp tính, vẽ đồ thị minh họa).

3. Thế nào là phổ hấp thụ? Tại sao trong phân tích đo quang người ta thường chọn λmax là bước sóng tia tới?

4. Nêu tính chất cộng tính của độ hấp thụ. Nêu vai trò của dung dịch trống trong phân tích đo quang?

5. Trình bày cấu tạo và cơ chế hoạt động của detector ống quang. Các yêu cầu của bộ chuyển đổi tín hiệu bức xạ điện từ.

6. Trình bày cấu tạo vào cơ chế hoạt động của detector nhân quang điện.

7. Nêu các bước chuyển điện tử của phân tử và bước sóng cực đại tương ứng trên của phổ hấp thụ.

64