Nghiên cưu, xác định hàm lượng một số ion kim loại nặng trong thực phẩm bằng phương pháp chiêt - Trăc quang

     ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM --------------------------------- NGUYÊN KIM CHIÊN NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG MỘT SỐ ION KIM LOẠI NẶNG TRONG THỰC PHẨM BẰNG PHƢƠNG PHÁP CHIẾT – TRẮC QUANG LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC THÁI NGUYÊN - 2010        Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên      ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM --------------------------------- NGUYÊN KIM CHIÊN NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG MỘT SỐ ION KIM LOẠI NẶNG TRONG THỰC PHẨM BẰNG PHƢƠNG PHÁP CHIẾT – TRẮC QUANG CHUYÊN NGÀNH: HOÁ PHÂN TÍCH MÃ SỐ : 60.44.29 LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐẶNG XUÂN THƢ THÁI NGUYÊN - 2010        MỞ ĐẦU Thực phẩm là nguồn dinh dưỡng không thể thiếu đối sự sống của con người. Trong qua trinh phat triên kinh tê mạnh mẽ, con ngươi đa tạo ra nhiều sản phẩm vật chất tốt đặc biệt là các sản phẩm về thực phẩm, điều đó là cơ sở tạo nên một cuộc sống no đủ về dinh dưỡng cho con người. Tuy nhiên hiện hay thực phẩm mà con người tạo ra lại có nhiều thực phẩm không tốt, có chứa nhiều hàm lượng các kim loại nặng như: As, Hg, Zn, Se, Sn, Cd Cu, Pb, Cr, Mn, Ni…..Đất nước chúng ta đang trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa vì vậy việc phát triển các nghành công nghiệp là điều tất yếu, tuy nhiên cùng với sự phát triển công nghiệp mạnh mẽ chúng ta lại không đi cùng cùng với việc bảo vệ môi trường cho tốt cho nên hàm lượng các kim loại nặng tồn dư trong môi trường sống nhiều và do đó làm cho thực phẩm con người làm ra cũng bị nhiễm độc bởi các kim loại nặng. Con người khi sử dụng các thực phẩm bị nhiễm độc chắc chắn sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến sức khỏe, điều rất nguy hiểm là sự ảnh hưởng này lại kéo dài nhiều năm mới thể hiện ra bên ngoài. Vì thế chúng ta cần phải xác định xem thực phẩm có bị nhiễm độc hay không để từ đó chúng ta biết cách sử dụng thực phẩm một cách an toàn. Xuât phát từ những cơ sở lí luận và thực tiễn trên mà chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cưu, xác định hàm lượng một số ion kim loại nặng trong thực phẩm bằng phương phap chiêt - trăc quang” Nhiệm vụ của đề tài là: 1. Khảo sát sự tạo phức của các ion kim loại Cd2+, Pb2+ với các thuốc thử hữu cơ PAN 2. Nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho sự hình thành phức đa ligan: PAN-Cd2+-SCN-, PAN-Pb2+-SCN- và các điều kiện tối ưu cho việc chiết hai phức này bằng dung môi hữu cơ. 3. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến phép xác định các ion kim loại Cd2+, Pb2+. 4. Xây dựng đường chuẩn và ứng dụng để xác định hàm lượng các ion kim loại Cd2+, Pb2+ trong thực phẩm. 5. Đánh giá, so sánh hàm lượng kim Cd2+, Pb2+ trong thực phẩm đã phân tích được với tiêu chuẩn Việt Nam qua đó đề xuất những ý kiến cần thiết. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. CHÌ VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA CHÌ [9], [18], [20]. 1.1.1. Chì, tính chất vật lý, tính chất hoá học của chì Chì tên latinh là Plumbum, là nguyên tố nhóm IVA trong Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, số thứ tự 82, khối lượng nguyên tử 207,19. Cấu hình electron: [Xe]4f145d106s26p2; Năng lượng ion hoá (kcal/ntg): I1=271,0; I2=346,6; I3=736,4; I4=975,9; Độ âm điện (theo thang Pauling)  = 1,8. Lớp ion hoá trị 6s26p2 có số eletron hoá trị bằng số electron lớp ngoài cùng. Do tổng năng lượng ion hoá khá lớn nên chì không thể mất 4e hoá trị để tạo ion Pb4+, mặt khác độ âm điện cũng không lớn lắm chứng tỏ rằng chì không thể kết hợp thêm 4e để tạo thành ion Pb4-. Để đạt cấu hình electron bền những nguyên tử của chì tạo nên những cặp electron dùng chung của liên kết cộng hoá trị và trong các hợp chất chúng có các mức oxi hoá từ -4 đến +2, +4. Chì là kim loại màu xám nhạt, mềm và nặng. Hàm lượng của chì trong vỏ trái đất khoảng1,6.10-3% khối lượng trái đất. Nhiệt độ nóng chảy: 327,40C; nhiệt độ sôi: 17400C; khối lượng riêng: 11,34g/cm3. Ở điều kiện thường chì bị oxi hoá thành lớp oxit màu xám bao bọc trên bề mặt bảo vệ không cho tiếp tục bị oxi hoá. Chì tác dụng với oxi theo phản ứng: 2Pb + O2  2PbO Chì tác dụng với halogen và nhiều nguyên tố không kim loại khác: Pb + X2  PbX2 Chì chỉ tương tác trên bề mặt với dung dịch axit HCl loãng và dung dịch axit sunfuric < 80% vì bị bao bọc bởi lớp muối khó tan nhưng đối với dung dịch đậm đặc hơn của các axit đó chì có thể tan vì lớp muối khó tan ở lớp bảo vệ chuyển thành hợp chất tan. PbCl2 + 2HCl  H2PbCl4 PbSO4 + H2SO4  Pb(HSO4)2 Với axit nitric ở bất kỳ nồng độ nào chì cũng tương tác: 3Pb + 8HNO3  3Pb(NO3)2 + 2NO + 4H2O Chì khi có mặt oxi có thể tương tác với nước: 2Pb + 2H2O + O2  2Pb(OH)2 Chì có thể tan trong axit axetic và các axit hữu cơ khác: 2Pb + 4CH3COOH + O2  2Pb(CH3COO)2 + 2H2O Khi đun nóng chì tác dụng với dung dịch kiềm: Pb + 2KOH + 2H2O  K2[Pb(OH)4] + H2 1.1.2. Một số hợp chất của chì Các oxit của chì: Monoxit PbO là chất rắn có 2 dạng: màu đỏ và màu vàng; Chì đioxit PbO2 màu nâu đen, kiến trúc kiểu platin. Khi đun nóng có quá trình sau:  PbO 296320o CPb O 390420o CPb O 530550o CPbO (màu đen) (vàng đỏ) (đỏ) (vàng) PbO2 lưỡng tính nhưng tan trong kiềm dễ dàng hơn trong axit: PbO2 + 2KOH + 2H2O  K2[Pb(OH)4] PbO2 là một chất oxi hoá mạnh có thể bị khử dễ dàng bởi C, CO, H2, Mg, Al... Chì hiđroxit Pb(OH)2 là hợp chất lưỡng tính : Pb(OH)2 + 2Cl = PbCl2 + 2H2O Pb(OH)2 + 2KOH = K2[P b(OH)4] 1.2. CADIMI VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA CADIMI [9], [18], [20]. 1.2.1. Cadimi, tính chất vật lý, tính chất hoá học của cadimi Cadimi là nguyên tố thuộc nhóm IIB trong bảng tuần hoàn. Cấu hình electron nguyên tử của Cadimi là: [Kr]4d105s2. Khối lượng nguyên tử M=112,4. Bán kính nguyên tử (r = 0,149 nm). Thế điện cực tiêu chuẩn 0 Cd2 Cd  0, 402V . Cadimi thường đi kèm với kẽm trong các quặng kẽm dạng sunfua và dạng cacbonat. Cadimi là kim loại màu trắng, mềm, dễ nóng chảy, dễ rèn, dễ dát mỏng. Cadimi dễ tạo hợp kim với kẽm và một số kim loại khác, tạo được hỗn hỗng với thuỷ ngân. Ở điều kiện thường Cadimi là kim loại bền với nước và không khí. Ở nhiệt độ cao nó tác dụng với phần lớn các phi kim tạo ra muối Cd(II). Trạng thái oxi hoá (II) là đặc trưng và bền của Cadimi. Cd tan trong axit HCl và H2SO4 loãng giải phóng H2, dễ tan trong HNO3 loãng giải phóng khí NO. Cd + 2HCl  CdCl2 + H2 3Cd + 8HNO3  3Cd(NO3)2 + 2NO + 4H2O Amoni sunfua đẩy được Cd2+ từ các dung dịch muối (II) tạo ra kết tủa vàng CdS Cd2+ + (NH4)2S  CdS + 2 NH Các dung dịch kiềm tác dụng với dung dịch muối Cadimi tạo kết tủa hiđroxit keo trắng không tan trong nước nhưng tan trong axit, amoniac, xianua: Cd2+ + 2OH-  Cd(OH)2 Cd(OH)2 + 2H+  Cd2+ + 2H2O Cd(OH)2 + 4NH3 + 4H2O  [Cd(NH3)4](OH)2 + 4H2O 1.2.2. Một số hợp chất của cadimi Cadimi oxit (CdO) có màu nâu, có entanpi hình thành âm bé Hhth  225, 36kJ / mol nên Cadimi oxit dễ bị khử thành kim loại. Cadimi hidroxit có khả năng tan trong axit và trong kiềm đặc nóng. Cadimi nitrat (Cd(NO3)2) ở nhiệt độ thường có dạng tetrahidrat (Cd(NO3)2.4H2O) dễ tan trong nước. Muối của Cadimi với halogen dễ tan trong nước. CdSO4, CdCO3 là chất kết tủa màu trắng ít tan trong nước. CdCO3 thường bị bẩn, muối amoni cản trở việc tạo kết tủa CdCO3, muối này dễ bị phân hủy bởi nhiệt : CdCO to  CdO  CO 1.3. ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ NHIỄM ĐỘC THỰC PHẨM BỞI CÁC KIM LOẠI NẶNG TỚI SỨC KHỎE CON NGƢỜI [1], [16], [19], [21] Thưc phâm la những vật phẩm có tác dụng nuôi sống con người . Thưc phâm qua quá trình đồng hoá và dị hoá cung cấp cho cơ thể năng lượng cần thiết để duy trì sự sống và các hoạt động. Nhu cầu thưc phâm của cơ thể phụ thuộc vào lứa tuổi, thể trọng, cường độ lao động, tình trạng sức khoẻ vv… Ở hàm lượng nhỏ một số kim loại nặng là các nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể người và sinh vật phát triển bình thường, nhưng khi có hàm lượng lớn chúng lại thường có độc tính cao và là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường. Khi được thải ra môi trường, có một số hợp chất kim loại nặng bị tích tụ và đọng lại trong đất, song có một số hợp chất có thể hoà tan dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau, nhất là do độ chua của đất, của nước mưa. Điều này tạo điều kiện để các kim loại nặng có thể phát tán rộng vào nguồn nước ngầm, nước mặt và gây ô nhiễm . Các kim loại nặng có mặt trong nước , đất, không khi qua nhiều giai đoạn khác nhau trước sau cũng đi vào thưc phâm ma con người sư dung hang ngay . Khi nhiễm vào cơ thể , các kim loại nặng tích tụ trong các mô, tác động đến các quá trình sinh hóa. Ở người, kim loại nặng có thể tích tụ vào nội tạng như gan, thận, xương khớp gây nhiều căn bệnh nguy hiểm như ung thư, thiếu máu, ngộ độc,... Dưới đây là tác động của ion kim loại Cd2+, Pb2+ tới sức khỏe của con người 1.3.1. Chì Chì là một thành phần không cần thiết của khẩu phần ăn. Trung bình liều lượng chì do thức ăn, thức uống cung cấp cho khẩu phần hàng ngày từ 0,0033 đến 0,005 mg/kg thể trọng. Nghĩa là trung bình một ngày, một người lớn ăn vào cơ thể từ 0,25 đến 0,35 mg chì. Với liều lượng đó hàm lượng chì tích lũy sẽ tăng dần theo tuổi, nhưng cho đến nay chưa có nghiên cưu chứng tỏ rằng sự tích lũy liều lượng đó có thể gây ngộ độc đối với người bình thường khỏe mạnh. Tuy nhiên, khi môi trương ô nhiêm năng thi ham lương chì trong thự c phâm vươt qua ngương cho phep , dân tơi ngô đôc chi ơ ngươi . Khi bị nhiễm độc chì, nó sẽ gây ra nhiều bệnh như: giảm trí thông minh; các bệnh về máu, thận, tiêu hóa, ung thư,… Sự nhiễm độc chì có thể dẫn đến tử vong. Ngộ độc cấp tính do chì thường ít gặp. Ngộ độc thường diễn ra là do ăn phải thức ăn có chứa một lượng chì, tuy ít nhưng liên tục hàng ngày và ít bị đào thải. Chỉ cần hàng ngày cơ thể hấp thu từ 1 mg chì trở lên, sau một vài năm, sẽ có những triệu chứng đặc hiệu: hơi thở thối, sưng lợi với viền đen ở lợi, da vàng, đau bụng dữ dội, táo bón, đau khớp xương, bại liệt chi trên (tay bị biến dạng), mạch yếu, nước tiểu ít, trong nước tiểu có poephyrin, phụ nữ dễ bị sảy thai. 1.3.2. Cadimi Bình thường lượng Cd đối với nguời cho phép từ 20 - 40 g/ngày, trong đó chỉ 5-10% thực sự vào cơ thể. Tiếp xúc dài ngày trong môi trường có chứa Cd hoặc ăn loại hạt (gạo, ngô), rau quả có chứa lượng Cd cao sẽ gây nhiễm độc mãn tính. Tùy theo đường xâm nhập vào cơ thể và tình trạng sức khỏe của từng người với lượng Cd cao có thể bị nhiễm độc cấp, nếu qua đường hô hấp, trong vòng 4-20 giờ sẽ cảm thấy đau thắt ngực, khó thở, tím tái, sốt cao, nhịp tim chậm, hơi thở nặng mùi còn nếu nhiễm Cd qua đường tiêu hoá sẽ thấy buồn nôn, nôn, đau bụng, đi ngoài. Riêng nhiễm độc Cd mãn tính có thể gây vàng men răng, tăng men gan đau xương, xanh xao, thiếu máu, tăng huyết áp và nếu có thai sẽ làm tăng nguy cơ gây dị dạng cho thai nhi. Cadimi xâm nhập vào cơ thể người chủ yếu qua đường thực phẩm, hô hấp từ không khí. Cadimi sau khi xâm nhập vào cơ thể được tích tụ ở tuỷ và xương, phần lớn được giữ lại ở thận và được đảo thải (Cadimi có chu kì bán huỷ rất dài khoảng từ 20 đến 30 năm), một phần nhỏ liên kết mạnh nhất với protein của cơ thể thành thionin-kim loại có mặt ở thận, phần còn lại giữ trong cơ thể dần dần được tích luỹ tăng dần theo tuổi tác. Triệu chứng độc mãn tính là thận hư và kéo theo sự mất cân bằng thành phần khoáng trong xương. Ngộ độc qua đường miệng biểu hiện ở đau dạ dày và đau ruột. Hàm lượng 30mg/l trong nước đủ dẫn đến cái chết. Tiêu chuẩn WHO quy định nồng độ Cd cho nước uống ≤ 0,003 mg/l Qua phần tổng quan ở trên chúng tôi thấy rằng sự ảnh hưởng của Cd và Pb tới sức khỏe con người là rất lớn, sự ảnh hưởng đó không thể hiện ngay mà kéo dài hàng vài năm, chục năm mới có triệu chứng của bệnh. Vì vậy, chúng tôi tiến hành phân tích hai kim loại này trong thực phẩm nhằm mục đích giúp chúng ta có cái nhìn cụ thể hơn về hàm lượng kim loại nặng trong thực phẩm để có biện pháp bảo vệ sức khỏe của chúng ta. 1.4. TÍNH CHẤT VÀ KHẢ NĂNG TẠO PHỨC CỦA THUỐC THỬ PAN [2]. 1.4.1. Cấu tạo, tính chất vật lý của PAN Thuốc thử 1-(2 pyridilazo)- 2 naphthol ( PAN ) có công thức cấu tạo:
Công thức phân tử : C15H11ON3; Khối lượng phân tử : M = 249. Cấu tạo của PAN gồm hai vòng liên kết với nhau qua cầu -N=N-, một vòng là pyridyl, vòng bên kia là vòng naphthol ngưng tụ. PAN là thuốc thử hữu cơ có dạng bột màu đỏ, không tan trong nước, tan tốt trong rượu và axeton. Vì đặc điểm này mà người ta thường chọn axeton làm dung môi để pha PAN. Khi tan trong axeton có dung dịch màu vàng hấp thụ ở bước sóng λmax = 470 nm, không hấp thụ ở bước sóng cao hơn 560 nm. Tùy thuộc vào pH của môi trường mà thuốc thử PAN có thể tồn tại ở các dạng khác nhau, nó có ba dạng tồn tại là H2In+, HIn, In- và có các hằng số phân ly tương ứng là : pKa1 = 1,9 ; pKa2 = 12,2. Các dạng tồn tại của PAN được biểu diễn qua các cân bằng sau:
1.4.2. Khả năng tạo phức của PAN Thuốc thử PAN có khả năng tạo phức với nhiều ion kim loại, phức tạo thành có cấu trúc hai vòng 5 cạnh nên khá bền. Cấu trúc của hợp chất nội phức của PAN và ion kim loại Mn+ có dạng như sau: N N N O Mn+ Thuốc thử PAN phản ứng với một số kim loại như: coban, sắt, mangan, niken, kẽm tạo hợp chất nội phức có màu vàng đậm trong CCl4, CHCl3, benzen, đietylete. PAN tan trong CHCl3 hoặc benzen tạo phức với Fe3+ trong môi trường pH từ 4 ÷ 7. Phức chelat có λmax = 775nm; ε = 16.10-3 l.mol-1.cm-1 được dùng xác định Fe trong các khoáng nguyên liệu. PAN là một thuốc thử đơn bazơ tam phối vị, các phức tạo được với nó có khả năng chiết và làm giàu trong dung môi hữu cơ như CCl4, CHCl3, iso amylic, iso butylic, n-amylic, n- butylic…PAN có thể tạo phức bền với nhiều kim loại cho phức màu mạnh.. Các tác giả Ning, Miugyuan đã dùng phương pháp đo màu xác định Ni trong hợp chất Fe bằng PAN khi có mặt trilon X-100. Dung dịch đệm của phức này ở pH=3 khi có mặt Fe(NO3)3 và NaF những ảnh hưởng của nhôm bị loại bỏ, trong sự có mặt trilon X-100, phức Cu-PAN hấp thụ cực đại ở bước sóng 4 1 1 max  550nm,   1,8.10 l.mol .cm còn Ni-PAN hấp thụ cực đại ở 4 1 1 bước sóng max  565nm,   3, 5.10 l.mol .cm . Phức Cu-PAN bị phân hủy khi thêm Na2S2O3. Tác giả Du, Hongnian, Shen, You dùng phương pháp trắc quang để xác định hàm lượng vết chì bằng glixerin và PAN. Glixerin và PAN phản ứng với Pb2+ trong dung môi tạo ra phức màu ở pH=8. Phương pháp này được dùng để xác định lượng vết chì trong nước. Một số tác giả xác định Co bằng phương pháp Von - Ampe sử dụng điện cực Cacbon bị biến đổi bề mặt bằng PAN. Giới hạn phát hiện khoảng 1,3.10-7M, những ảnh hưởng của các ion cùng tồn tại và khả năng ứng dụng vào thực tế phân tích cũng được kiểm tra. Thêm vào đó một số tác giả còn xác định Co bằng phương pháp trắc quang với PAN trong nước và nước thải tạo phức ở pH = 8 với max  560nm . Một số tác giả đã công bố quá trình chiết phức PAN với một số ion kim loại trong pha rắn và quá trình chiết lỏng với một số kim loại đất hiếm hóa trị III. Quá trình chiết lỏng rắn đối với RE (RE: La, Ce, Pr, Nd, Yb, Gd) bằ ng cách sử dụng PAN, HL.PAN là chất chiết trong parafin được nghiên cứu ở nhiệt độ 80  0, 070 C . Những ảnh hưởng như thời gian, pH của chất chiết conen trong parafin cũng như chất rắn pha loãng đóng vai trò như dung dịch đệm được sử dụng trong quá trình chiết. Phản ứng màu của sắt (naphthenate sắt trong xăng ) với thuốc thử của PAN trong vi nhũ tương đang được nghiên cứu tại bước sóng max  730nm . Trong những năm gần đây PAN cũng được sử dụng để xác định các nguyên tố Cd, Mn, Cu trong xăng, chiết đo màu xác định Pd(II), Co trong nước để tách riêng Zn, Cd. 1.5. TÍNH CHẤT CỦA KALI THIOXIANAT (KSCN) [9], [18] Muối KSCN ở dạng tinh thể màu trắng, có khối lượng phân tử bằng 97. Khi tan trong nước KSCN phân ly hoàn toàn thành K+ và SCN-. Trong dung dịch nước của SCN- có phản ứng trung tính vì HSCN là một axit tương đối mạnh. HSCN ƒ H  SCN lgK= - 0,8 Ion SCN- tạo được phức chất với nhiều ion kim loại trong đó có nhiều phức có màu như: Fe(SCN)n màu đỏ (n=1-5), Co(SCN)n màu xanh (n=1-4), MoO(SCN)2  màu đỏ.... Ngoài ra SCN- còn tham gia các phản ứng tạo phức đa ligan như: PAR- Ti4+-(SCN)3, (PAR)2-Th4+-(SCN)2....anion SCN- còn được dùng làm ion đối để chiết phức đơn và đa ligan bằng dung môi hữu cơ để tăng độ nhạy và độ chọn lọc của phức. 1.6. CÁC BƢỚC NGHIÊN CỨU PHỨC MÀU DÙNG TRONG PHÂN TÍCH TRẮC QUANG [11], [12], [14], [15] 1.6.1. Nghiên cứu hiệu ứng tạo phức Giả sử phản ứng tạo phức đơn và đa ligan xảy ra theo phương trình sau: (để đơn giản bỏ qua điện tích của ion kim loại) M  qHR ƒ MR  qH (1) K q cb M  qHR  pHR' ƒ  MR R'   (q  p)H  (2) K q p cb R và R’ là các ligan Để nghiên cứu hiệu ứng tạo phức đơn và đa ligan người ta thường lấy một nồng độ cố định của ion kim loại (CM) nồng độ dư của các thuốc thử (tùy thuộc độ bền của phức, phức bền thì lấy dư 2-5 lần nồng độ của ion kim loại, phức càng kém bền thì lượng dư thuốc thư càng nhiều). Giữ giá trị pH hằng định (thường là pH tối ưu cho quá trình tạo phức, lực ion cố định) sau đó người ta tiến hành chụp phổ hấp thụ electron từ 250 nm đến 800 nm của thuốc ’ thử, của phức đơn MRq và phức đa MRqRp thường thì phổ hấp thụ của phức đơn và phức đa được chuyển về vùng sóng dài hơn so với phổ hấp thụ của thuốc thử. Cũng có trường hợp phổ của phức chuyển dịch về vùng sóng ngắn hơn thậm chí không có sự thay đổi bước sóng nhưng có sự thay đổi mật độ quang đáng kể tại max HR  . Khi đó phổ hấp thụ có dạng   Abs    wavelength(nm)   Hình 1.1: Hiệu ứng tạo phức đơn và đa ligan Qua phổ hấp thụ ta có thể kết luận có sự tạo phức đơn và đa ligan. 1.6.2. Nghiên cứu các điều kiện tạo phức tối ƣu 1.6.2.1. Nghiên cứu khoảng thời gian tối ƣu Khoảng thời gian tối ưu là khoảng thời gian có mật độ quang của phức hằng định và cực đại. Có thể có nhiều cách thay đổi mật độ quang của phức theo các đường cong phụ thuộc thời gian như đồ thị dưới đây:
Hình 1.2: Sự thay đổi mật độ quang của phức theo thời gian Trường hợp (2) là tốt nhất, nhưng trong thực tế thường hay gặp trường hợp (1) hoặc trường hợp (3). 1.6.2.2. Xác định pH tối ƣu Giá trị pH tối ưu có thể được tính toán theo lí thuyết nếu biết hằng số thủy phân của kim loại, hằng số phân li của thuốc thử, nồng độ ion kim loại, nồng độ thuốc thử và thành phần phức… Để xác định pH tối ưu bằng thực nghiệm ta làm như sau: Lấy nồng độ ion kim loại và thuốc thử hằng định, sau đó dùng dung dịch NaOH và HNO3 để điều chỉnh pH từ thấp đến cao. Xây dựng đồ thị phụ thuộc mật độ quang vào pH ở bước sóng tối ưu λmax của phức. Nếu trong hệ tạo phức có một vùng pH tối ưu tại đó mật độ quang cực đại (AB), nếu tạo hai phức thì có hai vùng pH tối ưu (CD và EF) như trong hình (1.2):
Hình 1.3: Sự phụ thuộc mật độ quang của phức theo pH 1.6.2.3. Nồng độ thuốc thử và ion kim loại tối ƣu + Nồng độ ion kim loại : Thường người ta lấy nồng độ ion kim loại trong khoảng nồng độ tạo phức màu tuân theo định luật Beer. Đối với ion có điện tích cao có khả năng tạo phức dạng polime hay đa nhân phức tạp qua cầu oxi (như Ti4+, V5+, Zr4+…) thì ta thường lấy nồng độ cỡ n.10-5 đến 10-4 iong/l. + Nồng độ thuốc thử : Nồng độ thuốc thử tối ưu là nồng độ tại đó có mật độ quang đạt giá trị cực đại. Để tìm nồng độ thuốc thử tối ưu ta cần căn cứ vào cấu trúc của thuốc thử và cấu trúc của phức để lấy lượng thuốc thử thích hợp. Đối với phức bền thì lượng thuốc thử dư thường từ 2 đến 4 lần nồng độ ion kim loại. Đối với các phức kém bền thì lượng dư thuốc thử lớn hơn từ 10 đến 1000 lần so với nồng độ ion kim loại. 1.6.2.4. Lực ion Trong khi nghiên cứu định lượng về phức ta thường tiền hành ở một lực ion hằng định, để làm được điều này ta dùng muối trơ mà anion không tạo phức hoặc tạo phức yếu như: KCl, NaCl, KNO3… Khi lực ion thay đổi mật độ quang cũng có thể thay đổi tuy nhiên sự thay đổi này là không đáng kể. Ngoài ra người ta còn nghiên cứu một số điều kiện tối ưu khác như: nhiệt độ tối ưu, môi trường ion… 1.7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHIẾT PHỨC ĐA LIGAN [12], [13], [14] 1.7.1. Định nghĩa về chiết Giả sử một chất A tan được trong hai dung môi không trộn lẫn (ví dụ trong dung môi nước và dung môi hữu cơ). Khi đó chất A sẽ phân bố giữa hai dung môi đó và một cân bằng được thiết lập:  A(n) ƒ  A(o) Với (o) : dung môi hữu cơ; (n): dung môi nước. Sự chuyển chất tan từ dung môi này sang dung môi khác không trộn lẫn gọi là sự chiết. Chiết là quá trình phân bố chất tan giữa hai pha lỏng không trộn lẫn với nhau. Một trong hai pha thường là pha nước, pha thứ hai là dung môi hữu cơ. 1.7.2. Các đặc trƣng của quá trình chiết 1.7.2.1. Định luật phân bố Xét cân bằng của chất A giữa pha nước và pha hữu cơ: A(n ) ƒ A(o ) Theo sự biến đổi năng lượng tự do Gibbs: G  G 0  RT ln(a )   RT ln(a )  G 0  RT ln a A ) 0 A 0 A n (a A ) n Khi đạt trạng thái cân bằng thì: G  0  ln (a A ) 0   G S (a A ) n RT  (a A ) 0   G 0   (*) (a ) e RT K A n Với KP là hằng số phân bố nhiệt động. Đê thuân tiên cho viêc tinh toan ta thay hoat đô băng nông đô khi dung dich la rât loang , điêu nay hoan toan phù hợp khi phân tích các chất ở hàm lượng thấp khi đó ta có hằng số phân bố gần đúng: K  [A]0 P [A]  (**) n Đó là công thức của định luật phân bố. KP là hằng số phân bố giữa hai pha nước và pha hữu cơ. Từ (*) ta thấy KP chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà không phụ thuộc vào tổng nồng độ của chất A. Định luật phân bố trên chỉ đúng khi A ở trong hai pha đều cùng một dạng. Tuy nhiên trên thực tế chất phân bố thường tham gia vào những phản ứng hóa học với những hợp phần của dung môi nên thường tồn tại ở nhiều dạng khác nhau. Ví dụ chiết một axit hữu cơ HA từ pha nước bằng một dung môi hữu cơ thì vấn đề đặt ra là bao nhiêu phần axit còn lại trong pha nước sau khi chiết? Hằng số phân bố  [A ] K  0 [A ]n  không trả lời được câu hỏi này vì trong nước, HA có thể bị phân li nên dạng tồn tại của HA là HA và A-. Như vậy, người ta đưa ra một đại lượng mới để giải quyết vấn đề này, đó là hệ số phân bố D. 1.7.2.2. Hệ số phân bố D Nếu A ở trong dung môi ở các dạng khác nhau thì hệ số phân bố D là tỉ số giữa tổng nồng độ các dạng của nguyên tố trong pha hữu cơ và tổng nồng độ các dạng trong pha nước: D  [A]0 [A]n  (1.1) Trong dung môi hữu cơ là dung môi trơ hay hằng số điện môi nhỏ thì chất tan trong dung môi đó sẽ chỉ ở dạng phân tử chứ không ở dạng các ion. 1.7.2.3. Hằng số chiết Kex Tổng quát một cân bằng phân bố giữa hai dung môi (chiết bằng dung môi hữu cơ): n    M(n) nHR(o) ƒ MRn(o) nH Kex Tức là một số chất tan được trong dung môi này còn một số chất khác tan được trong dung môi kia thì hằng số chiết Kex : [MR ].[H ]n n( 0 ) ex [Mn ].[HR]n (1.2) Hằng số chiết đặc trưng cho khả năng tách một chất từ pha nước sang pha hữu cơ. 1.7.2.4. Độ chiết R% (hiệu suất chiết, phần trăm chiết) Theo định nghĩa độ chiết R của một quá trình chiết được tính bằng tỉ số giữa lượng chất chiết vào pha hữu cơ với lượng chất trong pha nước ban đầu: R  Qhc Qbd  hoặc R%  Qhc .100% Qbd  (1.3) Trong đó: Qhc : lượng chất A đã chiết vào pha hữu cơ. Qbđ : lượng chất A trong dung dịch nước ban đầu. Qhc = [A]hc . Vhc (1.4) 0 Qbđ = CA 0 . Vn = [A]hc . Vhc + [A]n . Vn. (1.5) Với: CA : nồng độ chất A đã chiết vào pha hữu cơ. [A]hc; [A]n: nồng độ cân bằng của A trong pha hữu cơ và trong pha nước. Vhc; Vn: thể tích pha hữu cơ và pha nước khi thực hiện quá trình chiết. Thay các công thức (1.4) và (1.5) vào công thức (1.3) ta có: R%  Vhc .[A]hc [A]hc .Vhc  [A]n . Vn  .100 (%)  (1.6) Chia cả tử và mẫu của biểu thức (1.6) cho V . A ; D  [Ahc ]  ta có: R%   D V D  1(n) V2 (0)  .100(%)  (1.7) hc n [A]n Thông thường quá trình chiết được xem là hoan toan khi phân trăm chiết R đạt 99% hay 99,9%, nghĩa là khi chỉ còn lại một lượng nhỏ chất chiết trong pha nước. D phụ thuộc vào điều kiện chiết, do đó R% phụ thuộc vào điều kiện chiết. Để xác định hiệu suất chiết R ta có thể tiến hành theo 2 cách sau: Cách 1: Tiến hành đo quang của phức trong nước trước khi chiết ta được giá trị ∆A1. Dùng một thể tích dung môi xác định để chiết phức, đo mật độ quang của pha nước sau khi chiết ta được giá trị ∆A2. Khi đó hiệu suất chiết được tính theo công thức: R%  A1  A2 .100 A1 Cách 2: Tiến hành thí nghiệm sau: TN1: Dùng V(ml) dung môi hữu cơ để chiết 1 lần dung dịch phức, đo mật độ quang của dung dịch chiết phức sau 1 lần ta được ∆A1. TN2: Dùng V(ml) dung môi hữu cơ chia làm n phần và chiết n lần dung dịch phức, sau đó tập hợp dịch chiết lại rồi đo mật độ quang của dịch chiết phức n lần ta được ∆An. Giả sử chiết n lần là hoàn toàn thì phần trăm chiết được tính theo công thức: R%  A1 .100 An 1.7.2.5. Xác định số lần chiết (p) và hiệu suất chiết (Rp) tƣơng ƣng 0 Sau lân chiêt thư nhât ta co : Qbđ = CA . Vn = [A1]hc . Vhc + [A1]n . Vn. (1.8) Chỉ số 1 ở A chỉ lần chiết thứ nhất , vơi vào công thức (1.8) nên ta co 0 D  [A1]hc [A1]n  (1.9) Thay biêu thưc (1.9) Qbđ = CA . Vn = D[A1]n . Vhc + [A1]n . Vn. 0 0 Suy ra  [A ]  CA .Vn  CA DVhc  Vn D. Vhc  1 Vn Tương tư cho lân chiêt thư 2 ta co [A ]  [A1]n  A 2 n D hc  1 2  V  D. hc   1 n  Vn  Tương tư cho lân chiêt thư p thi lương chât A con lai la [A ] C0 [A ]  p1 n  A (1.10) p n V V p D hc  1   D. hc   1 n  Vn  Tư công thưc trên ta co th ể tính được số lần chiết p để đạt được hệ số chiết R cân thiêt. Lây logarit 2 vê cua biêu thưc (1.10) ta co C 0 lg A p  [ Ap ]n  V  lg  D hc  1  (1.11)  Vn  VD: Đê đat đươc đô chiêt R = 99% theo (1.11) ta co 0 0 CA  100  lg CA   lg102  2 do đo p  2 vơi D Vhc   D.r  1 [ Ap ]n 1 [ Ap ]n  V  V lg  D hc  1 n và r  Vhc   1 Khi đo p  2   2  7  Vn  Vn lg 2 0, 301 Như vây vơi điêu kiên chiêt như trên thi đê đat đươc chiêt R = 99% ta phai tiên hanh 7 lân chiêt . 1.8. CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN CỦA PHỨC TRONG DUNG DỊCH [15]. Hiện nay có rất nhiều phương pháp để xác định thành phần của phức như: phương pháp hệ đồng phân tử, phương pháp tỉ số mol, phương pháp đường thẳng Asmus, phương pháp chuyển dịch cân bằng, phương pháp Staric-Bacbanel,... Tuỳ theo độ bền của phức mà áp dụng các phương pháp thích hợp khác nhau. Ở đây chúng tôi sử dụng các phương pháp tỉ số mol, phương pháp hệ đồng phân tử, phương pháp Staric-Bacbanel [3, 8, 21]. 1.8.1. Phƣơng pháp tỉ số mol (phƣơng pháp đƣờng cong bão hoà) . Mục đích của phương pháp này là xác định tỉ lệ giữa ion kim loại và thuốc thử hữu cơ trong phức Phương pháp này dựa trên cơ sở xây dựng sự phụ thuộc của A (hay A) vào sự biến thiên nồng độ một trong hai cấu tử trong khi nồng độ của cấu tử kia được giữ hằng định. Nếu phức bền thì đồ thị thu được là hai đường thẳng cắt nhau (đường 1). Tỉ số nồng độ CM/ CR hoặc CR/CM tại điểm cắt chính là tỉ số của các cấu tử trong phức. Trong đó CM : Nồng độ kim loại, CR: Nồng độ thuốc thử. Trong trường hợp phức kém bền thu được đường cong. Để xác định điểm cắt phải ngoại suy từ 2 đoạn tuyến tính. Trong thực tế để thực hiện phương pháp tỉ số mol người ta thực hiện hai dãy dung dịch. Dãy 1: giữ cố định thể tích kim loại (VM = const) sau đó thay đổi thể tích của thuốc thử. Dãy 2: giữ cố định thể tích thuốc thử (VR = const) sau đó thay đổi thể tích của kim loại. Để tìm hoành độ giao điểm cắt ta cho hai đường thẳng của hai nhánh đồ thị cắt nhau. Phạm vi áp dụng: Phương pháp tỉ số mol không dùng cho phức rất kém bền. Ai  (2)  (1): Phức bền (2): Phức kém bền Xtđ (1)  CR/CM hoặc Hình 1.4: Phức có tỉ lệ 1:1 C /C 1.8.2. Phƣơng pháp hệ đồng phần tử (phƣơng pháp biến đổi liên tục - Oxtromuxlenko-Job) Mục đích của phương pháp này là xác định tỉ lệ giữa ion kim loại và thuốc thử hữu cơ trong phức. Hệ đồng phân tử là dãy dung dịch có tổng nồng độ CR + CM = Const nhưng tỉ số CR/CM thay đổi. Để có một dãy hệ đồng phân tử gam chúng tôi pha các dung dịch như sau: pha các dung dịch kim loại và thuốc thử có nồng độ bằng nhau rồi trộn chúng theo tỉ lệ khác nhau. Sau đó đo mật độ quang ở lực ion và pH bằng định, bước sóng tối ưu đã chọn. Tiếp theo là xây dựng sự phụ thuộc của A hay Ai vào tỉ lệ VR/VM hay CR/CM hoặc CR/(CM + CR). Ai = f(CR/CM ) = f (CR/CM + CR). Khi biểu diễn sự phụ thuộc này trên đồ thị thì: Đối với phức bền ta thu được hai đường thẳng cắt nhau, giao điểm đó gọi là điểm cực đại. Đối với phức kém bền ta thu được hai đường cong để tìm điểm cực đại phải ngoại suy hai phần tuyến tính của hai nhánh, điểm mà hai nhánh ngoại suy cắt nhau chính là điểm cực đại. Điểm cực đại sẽ ứng với tỉ lệ các hệ số tỉ lượng ở trong phức. Ai (1) (1): phøc bÒn (2): phøc kÐm bÒn (2) Hình 1.5: Phức có tỉ lệ 1:1 CR/(CM + CR) Phương pháp đồng phân tử gam có ưu điểm là: đơn giản, dễ thực hiện nhưng chỉ thực hiện được trong các điều kiện sau: - Hệ chỉ tạo 1 phức bền. - Các cấu tử M, R không phân ly, không thuỷ phân, và không tạo hợp chất polyme. - Lực ion được giữ bằng định. - Kết quả chỉ chính xác với phức có tỉ lệ: 1:1; 1:2; 1:3. Với phức có tỉ lệ cao hơn cho kết quả kém tin tưởng. Hai phương pháp trên chỉ xác định được tỉ lệ thành phần của phức chứ chưa xác định được là phức đơn nhân hay đa nhân. 1.8.3. Phƣơng pháp Staric-Bacbanel (phƣơng pháp hiệu xuất tƣơng đối) Mục đích của phương pháp là xác định hệ số của ion kim loại và hệ số của thuốc thử hữu cơ đi vào phức hay xác định xem phức nghiên cứu là đơn nhân hay đa nhân. Cơ sở của phương pháp này dựa trên việc dùng phương trình tổng đại số các hệ số tỉ lượng của các cấu tử tham gia phản ứng, phương trình này đặc trưng cho thành phần của hỗn hợp cân bằng trong điểm có tỉ lệ cực đại của nồng độ phức so nồng độ biến thiên ban đầu của một trong các cấu tử tạo phức. Xét phản ứng tạo phức: mM + nR MmRn MmRn (1.1) Ở nồng độ hằng định của cấu tử M và nồng độ biến thiên của cấu tử R thì nồng độ phức tạo thành CK được xác định bằng phương trình Staric- Bacbanel. CK  CM (n 1) m(m  n 1)  (1.2) m là hệ số của ion kim loại đi vào phức; n là hệ số của thuốc thử hữu cơ đi vào phức. Để xác định thành phần phức theo phương pháp này cần chuẩn bị hai dãy dung dịch: - Dãy 1: Cố định nồng độ kim loại M, thay đổi nồng độ thuốc thử R - Dãy 2: Cố định nồng độ thuốc thử R, thay đổi nồng độ kim loại M Sau đó đo mật độ quang của hai dãy dung dịch, ta xác định được giá trị cực đại của mật độ quang (Agh) ứng với nồng độ cực đại của phức CKgh CKgh = CM/m = CR/n Với dãy 1: CK/CR = f(CK/CKgh) hay Ai/CR = f(Ai /Agh) Với dãy 2: CK/CM = f(CK/CKgh) hay Ai/CM = f(Ai/Agh) CK Từ đồ thị ta có với dãy 1: C  (n  1)  (m  n  1) Ai A  (1.3) Kgh gh CK khi Ai/CR max. Với dãy 2: C  (m 1)  (m  n 1) Ai A  (1.4) khi Ai/CM max. n  1 Kgh gh Ta có: m  Ai Agh 1 khi CM = const và Ai/CR max Ai Agh khi CR = const và Ai/CM max Nếu đồ thị không có cực đại thì m = n = 1 ∆Ai/CR hoặc ∆Ai/CM M3R2 MR2 MR M2R  ∆Ai/∆Agh Hình 1.6: Xác định thành phần phức theo Staric-Bacbanel 1.9. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CADIMI VÀ CHÌ [6], [7], [8], [10] 1.9.1. Các phƣơng pháp phân tích công cụ 1.9.1.1. Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ phân tử [6] Phương pháp trắc quang là phương pháp phân tích được sử dụng phổ biến nhất trong các phương pháp phân tích hóa lý. Nguyên tắc chung của phương pháp phân tích trắc quang là muốn xác định một cấu tử X nào đó, ta chuyển nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo sự hấp thụ ánh sáng của nó và suy ra hàm lượng chất cần xác định X. Cơ sở của phương pháp là định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer-Lambert-Beer. Biểu thức của định luật: A = lg Io = εLC I Trong đó: - Io, I lần lượt là cường độ của ánh sáng đi vào và ra khỏi dung dịch. - L là bề dày của dung dịch ánh sáng đi qua. - C là nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch. - ε là hệ số hấp thụ quang phân tử, nó phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ ánh sáng và bước sóng của ánh sáng tới ( ε = f (λ) ). Như vậy, độ hấp thụ quang A là một hàm của các đại lượng: bước sóng, bề dày dung dịch và nồng độ chất hấp thụ ánh sáng. A = f (λ, L, C) Do đó nếu đo A tại một bước sóng λ nhất định với cuvet có bề dày L xác định thì đường biểu diễn A = f(C) phải có dạng y = a.x là một đường thẳng. Tuy nhiên, do những yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch (bước sóng của ánh sáng tới, sự pha loãng dung dịch, nồng độ H+, sự có mặt của các ion lạ) nên đồ thị trên không có dạng đường thẳng với mọi giá trị của nồng độ. Và biểu thức 1.2 có dạng: Trong đó:  Aλ = k.ε.L.(Cx ) - Cx: nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch. - k: một hằng số thực nghiệm. - b: một hằng số có giá trị 0 < b £ 1. Nó là một hệ số gắn liền với nồng độ Cx. Khi Cx nhỏ thì b = 1, khi Cx lớn thì b < 1. Đối với một chất phân tích trong một dung môi xác định và trong một cuvet có bề dày xác định thì ε = const và L = const. Đặt K = k.ε.L ta có: Aλ = K.C Với mọi chất có phổ hấp thụ phân tử vùng UV-Vis, thì luôn có một giá trị nồng độ giới hạn Co xác định, sao cho: - Với mọi giá trị Cx < Co: thì b = 1, và quan hệ giữa độ hấp thụ quang A và nồng độ Cx là tuyến tính. - Với mọi giá trị Cx > Co: thì b < 1 (b tiến dần về 0 khi Cx tăng) và quan hệ giữa độ hấp thụ quang A và nồng độ Cx là không tuyến tính. Phương trình (1.4) là cơ sở để định lượng các chất theo phép đo phổ hấp thụ quang phân tử UV-Vis (phương pháp trắc quang). Trong phân tích người ta chỉ sử dụng vùng nồng độ tuyến tính giữa A và C, vùng tuyến tính này rộng hay hẹp phụ thuộc vào bản chất hấp thụ quang của mỗi chất và các điều kiện thực nghiệm, với các chất có phổ hấp thụ UV-Vis càng nhạy, tức giá trị ε của chất đó càng lớn thì giá trị nồng độ giới hạn Co càng nhỏ và vùng nồng độ tuyến tính giữa A và C càng hẹp. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện, ít tốn kém mà lại có độ nhạy tương đối cao vì vậy phương pháp này đã được nhiều tác giả sử dụng trong quá trình phân tích. Một số đề tài sử dụng phương pháp này trong nghiên cứu: + Lê Thị Thu Hường (2008), Nghiên cứu chiết – trắc quang sự tạo phức đa ligan trong hệ PAN-Pb(II)-SCN- bằng dung môi hữu cơ và ứng dụng trong phân tích, Luận văn Thạc sĩ Hóa học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội. + Bùi Thị Thư (2008), Nghiên cứu phân tích xác định hàm lượng một số kim loại trong nước sinh hoạt và nước thải khu vực Từ Liêm – Hà Nội bằng phương pháp chiết trắc quang, Luận văn Thạc sĩ Hóa học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội. + Hoàng Ngọc Hiền (2008), Nghiên cứu khả năng hấp phụ một số ion kim loại nặng trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía và thăm dò xử lí môi trường. Luận văn Thạc sĩ Hóa học, trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên. + Vũ Phương Hòa (2008), Nghiên cứu chiết - trắc quang sự tạo phức đaligan trong hệ 1-(2-pyridilazo)-2-naphtol (PAN) - Hg(II) - CH3COO- và khả năng ứng dụng phân tích, Luận văn Thạc sĩ Hóa học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội. + Phạm Đăng Sơn (2007), Nghiên cứu sự tạo phức đa ligan 1-(2-pyridilazo)-2- naphtol (PAN) - Bi(III) - X- (X-: SCN-; CCl3COO-) bằng phương pháp chiết - trắc quang và ứng dụng phân tích. Luận văn Thạc sĩ Hoá học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội. 1.9.1.2. Phƣơng pháp phổ phát xạ nguyên tử (EAS) [7] Đây là kĩ thuật phân tích được sử dụng rộng rãi trong phép phân tích, nó cho phép xác định định tính và định lượng hàm lượng đa lượng hoặc vi lượng của rất nhiều nguyên tố. Ưu điểm của phương pháp là phân tích nhanh, hàng loạt mẫu. Phân tích cả những đối tượng rất xa dựa vào ánh sáng phát xạ của chúng. Phương pháp này cho độ nhạy và độ chính xác cao. Độ nhạy cỡ 0,001%. 1.9.1.3. Phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) [8] AAS là một trong những phương pháp hiện đại, được áp dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm. Phương pháp này xác định được hầu hết các kim loại trong mẫu sau khi đã chuyển hóa chúng về dạng dung dịch. Sergio Luis Costa Ferreira và các cộng sự đã sử dụng phép đo FAAS để xác định lượng vết ion kim loại Cu, Pb, Cd, Ni, Mn... trong nước sau khi làm giàu với độ lệch chuẩn và giới hạn phát hiện trong vùng 0,006 - 0,277 ppm là 0,8 -2,9%. 1.9.2. Các phƣơng pháp điện hóa [10] 1.9.2.1. Phƣơng pháp cực phổ Phương pháp này sử dụng điện cực giọt thủy ngân rơi làm việc, trong đó được quét thế tuyến tính rất chậm theo thời gian đồng thời ghi dòng là hàm của thế trên điện cực giọt Hg rơi. Để xác định đồng thời các kim loại Cu, Cd, Ni, Fe, Cr, Co... trong chất thải của xưởng mạ người ta sử dụng phương pháp DPP trong cùng một nền chất điện ly trơ. 1.9.2.2. Phƣơng pháp Von - Ampe hòa tan Ưu điểm nổi bật của phương pháp là có độ nhạy cao từ 10-6 - 10-8M và xác định được nhiều kim lọai. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là quy trình phân tích phức tạp. Theo tác giả Lê Lan Anh, Lê Quốc Anh, Từ Vọng Nghi đã điện phân đồng thời các ion: Cu2+, Pb2+, Cd2+ (10-5 - 10-7M) bằng phương pháp Vôn Ampe hòa tan bằng điện cực màng Hg, nền LiCl hoặc KSCN và ghi được dòng anot hòa tan bằng cực phổ thường ở thế -1,4V. Các tác giả Trần Thị Thu Nguyệt, Trần Thu Quỳnh, Từ Vọng Nghi đã xác định được Pb2+, Cd2+ trong nước bằng phương pháp này dùng bình điện phân hóa dòng chảy. Dùng nền HCl 0,02M + KCl 0,1M + Hg2+ 10-4M thế điện phân làm giàu là -1,00V cho việc xác định Cd. Trong đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp trắc quang (phương pháp phổ hấp thụ phân tử) đồng thời kết hợp với việc chiết phức bằng dung môi hữu cơ để tăng độ nhạy, độ chọn lọc khi xác định hàm lượng của cadimi và chì. 1.10. PHƢƠNG PHÁP THỐNG KÊ SỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM [15] Để thu được kết quả có độ chính xác cao thì ngoài việc chọn các điều kiện tối ưu của phương pháp thực nghiệm thì việc xử lí kết quả cũng có một ý nghĩa hết sức quan trọng. Để xử lí kết quả thông thường người ta dùng toán học thống kê. 1.10.1. Phƣơng pháp xử lí các kết quả phân tích Các kết quả phân tích phải được xử lí để đánh giá độ tin cậy của phé p đo, muốn thế, phải xác định khoảng dao động của kết quả đo:   t( p,k )SX  (p hoặc α). Ở đây t(p,k) là hàm phân bố Student với xác suất p, bậc tự do k, lệch chuẩn trung bình của giá trị trung bình X . S là độ Nếu X1, X2, …, Xn là kết quả thu được sau lần đo 1,2…n ta chọn giá trị gần đúng c = x1 chẳng hạn rồi tính hiệu y = x1 – c. Ta tính  n Yi .10 ; i 1  n Yi i 1  .10b ;  n Yi i 1  (a, b là những số tự nhiên sao cho Yi . 10a ; Yi . 10b là một số nguyên. Sau đó tính giá trị trung bình: n X = C +  Yi i =1 n Phương sai cho phép xác định kết quả X là S2: n  y 2 S2 = i =1 k (k =n -1) Độ lệch chuẩn trung bình S S2  là: SX = n ;ε = t(p,k) .SX Vậy khoảng xác định mà kết quả cho phép di chuyển là: X      X   Sai số tương đối của phép đo là: q% = ε .100 X 1.10.2. Phƣơng pháp xử lí thống kê đƣờng chuẩn Để xác định hàm lượng chất phân tích trong mẫu phải dựa vào đường chuẩn. Để xây dựng đường chuẩn ta tiến hành như sau: Giả sử: Yi : là giá trị đo được của mật độ quang. Xi : là giá trị tính được từ biểu thức Yi = a + b.Xi. (yi – Yi): là sai số của giá trị đo. Sự trùng nhau của giá trị đo được và tính được là tốt nhất nếu: n n (y  Y )2  (y  a  bx )2 i  1 i  1  là bé nhất, điều đó có nghĩa là: 2 n  (yi  a  bxi )    2 (y  a  bx )  0 a i  1 2 n  (yi  a  bxi )    2 (y  a  bx ). x  0 b i  1 Từ hai phương trình này ta có hệ phương trình sau: n n n (yi  a  bxi )  0  yi  n.a  b.  xi  i  1  n  i  1 i  1  n n n (y  a  bx ). x  0  x . y  a. x   x 2  i i i  i i i i i  1 i  1 i  1 i  1 Giải hệ này theo phương pháp định thức ta có: 2 n  n   i   i  | A |  n. x 2  i  1 x  i  1  n  n  n n 1  i   i   i  i i | A |   i  1 y x 2   i  1  x . x . y i  1 i  1 n n n 1  i i  i  i | A |  n. x . y  x . y i  1 i  1 i  1 Từ đó suy ra: a  | A1| ; b  | A1| | A | | A | Sau khi tính được a, b cần đánh giá độ chính xác của chúng: n 2 n 2 2   (yi  Yi )   (yi  Yi ) i  1 k n 2 i 1 n 1 S 2  S 2 .  xi i  1 | A | S 2  S 2 .n.| A | Độ chính xác của a và b là: a  a   a  a  t( p ,k ) . S a b  b   b  b  t( p ,k ) . Sb Như vậy phương trình đường chuẩn có dạng như sau: y  (a  a )  (b  b )  (a  t(p,k ) .Sa )  (b  t(p,k ) .Sb ). x CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU. 2.1.1. Hoá chất. - Thuốc thử PAN tinh khiết (loại PA) - Pb(NO3)2, Cd(NO3)2.4H2O tinh khiết (loại PA) được bảo quản trong lọ kín.  - KSCN, KNO3 loại PA. - Các dung môi hữu cơ: rượu isoamylic; rượu isobutylic; clorofom; metyl isobutylxeton. - Dung dịch HNO3 65%; KOH loại PA. Các dung dịch KOH, HNO3 được pha với nồng độ khác nhau để điều chỉnh pH. - Các muối để xét sự ảnh hưởng của các ion gây cản: Cu(NO3)2.3H2O, Cr(NO3)3, NiSO4.7H2O, Zn(NO3)2, Fe(NO3)3.9H2O. - Nước cất 1 lần, 2 lần; dung dịch rửa Sunfocromic. 2.1.2. Dụng cụ - Các loại pipét: 0,1ml, 0,5ml, 1ml, 2ml, 5ml, 10ml của Đức. - Cuvet thủy tinh thạch anh: 2 chiếc - Buret: 25 ml; phễu chiết 25ml - Bình định mức: 10ml, 25ml, 50ml, 100ml, 250ml, 500ml, 1000ml. - Các cốc cân, bình tam giác, đũa thuỷ tinh, thìa thủy tinh, quả bóp, bình xịt nước cất. - Các dụng cụ này đều được ngâm trong hỗn hợp sunfocromic, sau đó tráng rửa nhiều lần bằng nước cất 1 lần và 2 lần trước khi làm thí nghiệm. 2.1.3. Thiết bị nghiên cứu - Máy pH met: PRECISA pH 900. - Máy đo quang GENESYS -20. - Cân phân tích chính xác 10-4 g (0,1 mg). - Máy tính, chương trình Pascal để xử lý các số liệu thống kê. 2.2. PHA HÓA CHẤT. 2.2.1. Dung dịch thuốc thử (PAN 10-3M) Thuốc thử PAN được pha chế bằng cách cân chính xác trên cân phân tích 0,0623 gam PAN, hòa tan trong bình định mức 250 ml bằng một lượng axeton vừa đủ, lắc đều cho PAN tan hết rồi định mức bằng nước cất 2 lần đến vạch định mức ta được dung dịch PAN có nồng độ 10-3M. Các dung dịch có nồng độ nhỏ hơn được pha chế từ dung dịch này. 2.2.2. Dung dịch kim loại ( Cd2+, Pb2+ 10-3M) Dung dịch Cd(II) được pha chế từ muối Cd(NO3)2.4H2O, dung dịch Pb(II) được pha chế từ muối Pb(NO3)2. Dùng cân điện tử cân chính xác một lượng muối ứng với nồng độ và thể tích cần pha, hoà tan trong một lượng nhỏ axit HNO3 loãng trong cốc đong, chuyển vào bình, định mức tới vạch bằng nước cất 2 lần. Kiểm tra lại nồng độ của Cd2+, Pb2+ bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử. Các dung dịch có nồng độ nhỏ hơn được pha chế từ hai dung dịch gốc này. 2.2.3. Dung dịch hóa chất khác * Dung dịch nền KNO3 0,1M: * Pha chế các dung dịch KOH và HNO3 ở các nồng độ khác nhau để điều chỉnh pH. * Dung dịch ion gây cản: - Dung dịch Cu(NO3)2 0,1M: Cân 2,9565 g Cu(NO3)2.6H2O, hoà tan trong cốc bằng nước cất 2 lần. Chuyển vào bình 100 ml, định mức tới vạch bằng nước cất 2 lần. - Dung dịch Ni(NO3)2 0,1M: Cân 2,808g NiSO4.7H2O, hoà tan trong cốc bằng nước cất 2 lần. Chuyển vào bình 100 ml, định mức tới vạch bằng nước cất 2 lần. - Dung dịch Zn(NO3)2 0,1M: Cân 2,9747 g Zn(NO3)2.6H2O, hoà tan trong cốc bằng nước cất 2 lần. Chuyển vào bình 100 ml, định mức tới vạch bằng nước cất 2 lần. * Các dung môi hữu cơ như: Clorofom, rượu isobutylic, rượu isoamylic, metylisobutylxeton, dùng để chiết phức đều thuộc loại tinh khiết hóa học hoặc tinh khiết phân tích. 2.3. CÁCH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM. 2.3.1. Chuẩn bị dung dịch so sánh. Hút chính xác 0,4 ml PAN 10-3M cho vào cốc, thêm 1,0 ml dung dịch KNO3 1M để được lực ion hằng định (μ = 0,1) và 1,0 ml dung dịch KSCN 1M. Chuyển dung dịch vào bình định mức 10 ml, định mức tới vạch bằng nước cất 2 lần, điều chỉnh tới pH tối ưu giống như trong dung dịch nghiên cứu. Sau đó cho dung dịch vào phễu chiết và chiết lên pha hữu cơ, loại bỏ phần nước, lấy phần dịch chiết để làm dung dịch so sánh khi đo mật độ quang của phức trong dung môi hữu cơ. 2.3.2. Dung dịch nghiên cứu. Hút 1 lượng chính xác thuốc thử và một lượng chính xác lượng ion kim loại nghiên cứu vào bình định mức 10 ml, thêm dung dịch nền KNO3, thêm dung dịch KSCN đối với phức đa ligan, điều chỉnh tới pH tối ưu, định mức tới 10ml. Để cho dung dịch phức ổn định sau đó chiết lên dung môi hữu cơ, lấy phần dịch chiết của phức đo mật độ quang với dung dịch so sánh là dịch chiết thuốc thử PAN ở trên. 2.3.3. Phƣơng pháp nghiên cứu * Khảo sát phổ hấp thụ của phức đa ligan của một số dung dịch phức trong dung môi hữu cơ để khảo sát sự phụ thuộc mật độ quang vào bước sóng. Từ đó tìm λmax của phức đa ligan * Xác định các điều kiện tối ưu của phức như: Bước sóng tối ưu (λmax), thời gian tối ưu, khoảng pH tối ưu, thể tích hữu cơ chiết tối ưu, số lần chiết... * Xác định các thông số của phức: tỷ lệ, hệ số các cấu tử trong phức * Xác định hàm lượng kim loại trong mẫu giả và mẫu thực tế. 2.4. XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM. Các thông số và số liệu trong quá trình phân tích được xử lý theo chương trình phần mềm Excel và Pascal. CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG TẠO PHỨC ĐA LI GAN PAN - Cd(II)-SCN- [5], [17] 3.1.1. Khảo sát phổ hấp thụ electron của phức đa ligan PAN-Cd(II)-SCN- Trong quá trình nghiên cứu tiếp theo chúng tôi tiến hành khảo sát như sau: Chuẩn bị 3 dung dịch : + Dung dịch 1: CPAN = 2.10-5M + Dung dịch 2: CCd(II) = 2.10-5M, CPAN = 4.10-5M + Dung dịch 3: CCd(II) = 2.10-5M, CPAN = 4.10-5M, C =0,1M Trong 3 bình định mức 10ml, cố định lực ion (μ = 0,1) bằng KNO3, điều chỉnh pH bằng KOH và HNO3 đến pH = 6,3. Sau đó tiến hành chiết các dung dịch bằng 5,0 ml dung dịch rượu isoamylic. Khảo sát phổ hấp thụ electron của PAN, phức Cd(II)-PAN và phức PAN-Cd(II)-SCN-. Kết quả được trình bày trong bảng 3.1 và hình 3.1. 1.8 ∆Ai Hình 3.1: Sự phụ thuộc mật 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0  (1) (3) (2) độ quang vào bƣớc sóng (1): Thuốc thử PAN so với nước (2): Phức đơn ligan Cd(II)- PAN so với PAN λ (3): Phức đa ligan PAN- 350 400 450 500 550 600 650 Cd(II)-SCN- so với PAN Bảng 3.1: Sự phụ thuộc mật độ quang vào bƣớc sóng của phức PAN-Cd(II)-SCN- STT  λ (nm)  ∆Ai (PAN-nước)  ∆Ai (Phức đơn-PAN)  ∆Ai (Phức đa-PAN)   1  350  0,168     2  360  0,286     3  370  0,312     4  380  0,351     5  390  0,425     6  400  0,476  0,125  0,197   7  410  0,563  0,191  0,211   8  420  0,585  0,253  0,267   9  430  0,602  0,269  0,289   10  440  0,636  0,311  0,324   11  450  0,673  0,357  0,368   12  460  0,721  0,388  0,455   13  470  0,731  0,398  0,574   14  480  0,711  0,456  0,657   15