Xây dựng hệ thống câu hỏi và bài tập một số chương trình trong phân tích lí hóa

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ------------------------------ NGUYỄN THANH TUẤN XÂY DỰNG HỆ THỐNG CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP MỘT SỐ CHƯƠNG TRONG PHÂN TÍCH LÍ HOÁ Chuyên ngành: Hoá phân tích Mã số: 60 44 29 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐẶNG XUÂN THƯ Thái Nguyên, năm 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỤC LỤC Më ®Çu 1 I. Lý do chän ®Ò tµi 1 II. Néi dung chÝnh cña ®Ò tµi 2 III. NhiÖm vô cña ®Ò tµi 2 Ch•¬ng I Tæng quan 3 I.1 ý nghÜa cña hÖ thèng bµi tËp 3 I.1.1 Tæng hîp vµ «n luyÖn kiÕn thøc 3 I.1.2 Ph©n lo¹i bµi tËp vµ c©u hái ho¸ häc 5 I.1.3 T¸c dông cña bµi tËp ho¸ häc 6 I.1.4 VËn dông kiÕn thøc ®Ó gi¶i bµi tËp 7 I.2 D¹y häc chó träng ph•¬ng ph¸p tù häc 7 I.2.1 D¹y häc chó träng rÌn luyÖn ph•¬ng ph¸p tù häc 8 I.2.2 Häc th«ng qua tæ chøc c¸c ho¹t ®éng cña sinh viªn 8 I.2.3 T¨ng c•êng häc tËp c¸ thÓ, phèi hîp víi häc tËp hîp t¸c 9 I.3 Xu h•íng ph¸t triÓn cña bµi tËp Ho¸ häc hiÖn nay 9 I.4 C¬ së ph©n lo¹i c©u hái vµ bµi tËp c¨n cø vµo møc ®é nhËn thøc vµ t• duy 10 Ch•¬ng II Ph•¬ng ph¸p ph©n tÝch quang phæ hÊp thô nguyªn tö 13 II.1 C¬ së lý thuyÕt 13 II.1.1 §Æc ®iÓm chung cña ph•¬ng ph¸p ®o quang phæ hÊp thô nguyªn tö 13 II.1.2 §iÒu kiÖn t¹o thµnh phæ hÊp thô nguyªn tö 13 II.1.2.1 Qu¸ tr×nh nguyªn tö ho¸ mÉu 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên II.1.2.2 C¸c ph•¬ng ph¸p nguyªn tö ho¸ 14 II.1.2.3 Sù hÊp thô bøc x¹ céng h•ëng 15 II.1.2.4 Ph•¬ng ph¸p ph©n tÝch phæ hÊp thô nguyªn tö 15 II.1.3 C¸ch lo¹i trõ sai sè do c¸c nguyªn tè ®i kÌm vµ sai sè ph«ng 17 II.2 C©u hái tù luËn 18 II.3 Bài tập chương II 37 Chương III Ph•¬ng ph¸p ph©n tÝch quang phæ ph¸t x¹ nguyªn tö 60 III.1 C¬ së lý thuyÕt 60 III.1.1 Đặc điểm chung của phương pháp quang phæ ph¸t x¹ nguyªn tö 60 III.1.2 Sù t¹o thµnh phæ AES 60 III.1.3 B¶n chÊt cña ph•¬ng ph¸p phæ ph¸t x¹ nguyªn tö 61 III.1.4 Sù kÝch thÝch, sù ph¸t x¹ vµ c•êng ®é v¹ch ph¸t x¹ nguyªn tö 62 III.2 C©u hái tù luËn 63 III.3 Bài tập chương III 79 Chương IV C¸c ph•¬ng ph¸p t¸ch, chiÕt vµ ph©n chia 97 IV.1 C¬ së lý thuyÕt cña ph•¬ng ph¸p chiÕt 97 IV.1.1 §Þnh nghÜa vµ hÖ sè ph©n bè 97 IV.1.2 H»ng sè chiÕt 97 IV.1.3 C¸c yÕu tè ¶nh h•ëng ®Õn qu¸ tr×nh chiÕt ho¸ häc 98 IV.1.3.1 ¶nh h•ëng cña H+ trong pha n•íc 98 IV.1.3.2 ¶nh h•ëng cña hiÖu øng muèi 99 IV.1.3.3 ¶nh h•ëng cña t¸c nh©n chiÕt 100 IV.1.3.4 §iÒu kiÖn chiÕt 101 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên IV.2 C¬ së lý thuyÕt cña ph•¬ng ph¸p s¾c ký 101 IV.2.1 Thêi gian l•u 102 IV.2.2. ThÓ tÝch l•u 104 IV.2.3 S¾c ký khÝ (GC) 105 IV.2.3.1 S¾c ký khÝ - r¾n (GSC) 105 IV.2.3.2 S¾c ký khÝ - láng (GLC) 105 IV.3 C¬ së lý thuyÕt cña ph•¬ng ph¸p t¸ch 106 IV.3.1 T¸ch chÊt b»ng ph•¬ng ph¸p ch•ng cÊt 106 IV.3.1.1 C©n b»ng láng h¬i cña hÖ hai hay nhiÒu cÊu tö 106 IV.3.1.2 X¸c ®Þnh sè ®Üa lý thuyÕt vµ tû sè håi l•u b»ng ph•¬ng ph¸p MC Cabe – Thielo 106 IV.3.1.3 X¸c ®Þnh sè ®Üa lý thuyÕt cùc tiÓu vµ tû sè håi l•u cùc tiÓu theo ph•¬ng ph¸p MC Cabe – Thielo 107 IV.3.1.4 X¸c ®Þnh ®•êng kÝnh cña cét ch•ng cÊt vµ chiÒu cao cña cét ch•ng cÊt cho yªu cÇu t¸ch ®· cho 107 IV.4 C©u hái tù luËn 108 IV.5 Bài tập chương IV 131 KẾT LUẬN 151 TÀI LIỆU THAM KHẢO Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Lời cảm ơn Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận văn thạc sĩ khoa học hóa học “Xây dựng hệ thống câu hỏi và bài tập một số chương trong phân tích lí hóa”. Với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong khoa Hóa của trường ĐHSP Thái nguyên và thầy cô trong tổ bé môn Hóa phân tích trường ĐHSP Hà Nội và đặc biệt là sự giúp đỡ của thầy giáo TS Đặng Xuân Thư, Thầy đã dành nhiều thời gian công sức chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Thầy đã đọc bản thảo nhiều lần, sửa chữa, bổ sung và đóng góp ý kiến quý báu để tôi hoàn thành đề tài này. Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất tới TS Đặng Xuân Thư và các thầy cô khoa Hóa ĐHSP Th¸i Nguyªn, trường ĐHSP Hà Nội, các bạn bè đồng nghiệp, thư viện trường ĐHSP Th¸i Nguyªn, thư viện trường ĐHSP Hà Nội, th• viÖn tr•êng §HKHTN Hµ Néi. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Phòng quản lý sau đại học trường ĐHSP Thái Nguyên, Ban chủ nhiệm Khoa Hóa – trường ĐHSP Thái Nguyên đã tạo các điều kiện thuận lợi nhất trong suốt thời gian tôi nghiên cứu, thực hiện đề tài. Thái Nguyên, ngày 27 tháng 08 năm 2008 Tác giả Nguyễn Thanh TuÊn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 PHẦN MỞ ĐẦU I – Lý do chọn đề tài: Trong công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, nền kinh tế nước ta đang chuyển đổi từ cơ chế kế hoạch hóa tập trung sang cơ chế thị trường có sự quản lí của Nhà nước. Công cuộc đổi mới này đề ra những yêu cầu mới đối với hệ thống giáo dục. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, thông tin liên lạc trên thế giới rất phát triển kéo theo sự thay đổi vô cùng to lớn về yếu tố con người trong xã hội. Trong xã hội mới, tri thức là yếu tố quyết định, con người là yếu tố trung tâm, là chủ thể của toàn xã hội, do đó giáo dục con người đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của đất nước [26]. Để đáp ứng yêu cầu con người - nguồn nhân lực, yếu tố quyết định sự phát triển của đÊt nước trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa cần tạo ra những chuyển biến cơ bản, toàn diện về giáo dục và đào tạo. Trong những năm gần đây, Bộ giáo dục và đào tạo đã khuyến khích việc sử dụng đa dạng các phương pháp dạy học tích cực nhằm hoạt động hóa người học. Muốn được như thế, nguồn bài tập, câu hỏi cho nội dung kiến thức phải phong phú, đa dạng. Tuy vậy, với những môn học có mức độ tư duy cao và một khả năng vận dụng kiến thức tổng hợp thì việc chuẩn bị dạng câu TNKQ là dường như chưa đầy đủ, chưa có sự sáng tạo, nhạy bén và sự phát triển tư duy khoa học cao. Do vậy, trong trường hợp này cần duy trì và phát triển hệ thống câu hỏi và bài tập tự luận để xử lý thông tin và lĩnh hội tri thức môn học.[17] Vì những lí do trên đây, chúng tôi đã mạnh dạn lựa chọn đề tài “Xây dựng hệ thống câu hỏi và bài tập một số chương trong phân tích lí hóa ” và sử dụng chúng theo hướng dạy và học tích cực để phát triển năng lực tư duy, độc lập, sáng tạo của người học. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 II – Nội dung chính của đề tài: Hệ thống câu hỏi và bài tập tự luận môn phân tích lí hoá của 3 chương: - Chương I: Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử. - Chương II: Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử. - Chương III: Các phương pháp tách, chiết và phân chia. III – Nhiệm vụ của đề tài: - Nghiên cứu cơ sở lí luận của đề tài. - Nghiên cứu đưa ra hệ thống câu hỏi và bài tập trong nội dung đề tài. - Nghiên cứu hướng dẫn cách giải. Phân loại thành các nhóm bài tập theo chủ đề, từ đó hệ thống hóa kiến thức và bao quát được nội dung môn học của 3 chương này. Từ đó nâng cao chất lượng giảng dạy học phần “Phân tích lí hóa” trong các trường ĐHSP, CĐSP và ĐHKHTN, … có sử dụng học phần phân tích hóa lí. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 Ch•¬ng I TỔNG QUAN I.1 Ý nghĩa của hệ thống bài tập: UNESCO đã từng nhấn mạnh rằng: “trái với thông lệ cổ truyền việc giảng dạy phải thích nghi với người học, chứ không phải buộc người học tuân theo các quy định sẵn có từ trước trong việc dạy học”. “Người học và công chúng nói chung cần có tiếng nói nhiều hơn trong việc quyết định các vấn đề liên quan đến giáo dục”. Từ những năm 1980 trở lại đây, nổi bật lên một hướng mới: việc giảng dạy phải đảm bảo cho người học trở thành người công dân có trách nhiệm và hành động hiệu quả. Như vậy mục đích của việc học tập đã phát triển từ học để hiểu đến học để hành rồi đến học để thành người - một con người tự chủ, năng động và sáng tạo. Vì thế việc học tập giải quyết vấn đề trong học tập, trong thực tiễn đòi hỏi con người phải có cả kiến thức và phương pháp tư duy.[19] I.1.1 Tổng hợp và ôn luyện kiến thức: Việc dạy học, đặc biệt dạy học đại học không thể thiếu bài tập, sử dụng bài tập là một biện pháp hết sức quan trọng để nâng cao chất lượng dạy học. Hệ thống câu hỏi và bài tập có những ý nghĩa, tác dụng to lớn về nhiều mặt: - Làm chính xác hóa các khái niệm hóa học, củng cố, đào sâu và mở rộng kiến thức một cách sinh động, phong phú, hấp dẫn. Khi người học vận dụng kiến thức vào việc giải bài tập, họ mới nắm kiến thức một cách sâu sắc. - Ôn tập, hệ thống hóa kiến thức một cách tích cực nhất. Khi ôn tập, người học sẽ không tập trung nếu giờ ôn tập đó chỉ yêu cầu họ nhắc lại các kiến thức cũ đã học. Thực tế cho thấy người học (học sinh, sinh viên) chỉ thích trả lời các câu hỏi suy luận và giải bài tập trong giờ ôn tập. - Rèn luyện các kĩ năng khoa học hóa học của môn học như cân bằng phương trình phản ứng, phương trình ion, tính toán theo công thức hóa học, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 áp dụng các định luật, phương pháp xác định định lượng các chất … Nếu là bài tập thực nghiệm sẽ rèn các kỹ năng thực hành, góp phần vào việc giáo dục kỹ thuật tổng hợp cho người học. - Rèn luyện khả năng vận dụng kiến thức vào thực tiến đời sống, lao động sản xuất và bảo vệ môi trường. - Rèn luyện kỹ năng sử dụng ngôn ngữ hóa học và các thao tác tư duy. Phát triển ở học sinh các năng lực tư duy logic, biện chứng, khái quát, độc lập, thông minh, sáng tạo. - Rèn luyện đức tính chính xác, kiên nhẫn, trung thực và lòng say mê khoa học. Có khả năng tổng hợp và khái quát hóa kiến thức: Thông qua việc trả lời các câu hỏi và giải các bài tập trong nội dung học phần học tương ứng, người sinh viên sẽ tự khái quát hóa kiến thức một cách tốt nhất dưới sự cố vấn, chỉ đạo của người thầy. Để hình thành cho sinh viên những khái quát đúng đắn, tiêu biểu cần đảm bảo các điểu kiện sau: - Làm biến thiên hoặc mờ nhạt những dấu hiệu không bản chất của vật hay hiện tượng khảo sát, đồng thời giữ không đổi dấu hiệu bản chất. - Chọn những dạng bài tập để đưa ra được sự biến thiên hợp lí nhất nêu bật được dấu hiệu bản chất và trừu tượng hóa dấu hiệu thứ yếu. - Có thể sử dụng những cách biến thiên khác nhau có cùng một ý nghĩa tâm lí học, nhưng lại hiệu nghiệm. Qua đó thể hiện được sự mềm dẻo của tư duy. - Phải cho người học tự mình phát biểu được thành lời nguyên tắc biến thiên và nêu đặc tính của những dấu hiệu không bản chất. Điều đó cũng chứng tỏ rằng sinh viên đã nhận thức được dấu hiệu bản chất. Ngoài việc bảo đảm những điều kiện trên đây, giáo viên cần tập luyện cho người học phát triển tư duy khái quát bằng những hình thức quen thuộc như lập dàn ý, xây dựng những kết luận và tóm tắt nội dung các bài, các chương.[26] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 I.1.2 Phân loại bài tập vµ c©u hái hóa học: Dựa vào nội dung và hình thức thể hiện có thể phân loại bài tập hóa học thành 2 loại: - Bài tập định tính. - Bài tập định lượng. Câu hỏi có thể phân loại thành: - Câu hỏi tái hiện kiến thức - Câu hỏi vận dụng kiến thức - Câu hỏi suy lí, chứng minh. * Bài tập định tính: Là các dạng bài tập có liên hệ với sự quan sát để mô tả, giải thích các hiện tượng hóa học. Các bài tập định tính cũng có rất nhiều các bài tập thực tiễn giúp học sinh giải quyết các vấn đề thực tiễn sinh động. * Bài tập định lượng (bài toán hóa học): Là loại bài tập cần vận dụng kĩ năng toán học kết hợp với kĩ năng hóa học (định luật, nguyên lí, quy tắc, …) để giải. * Câu hỏi tái hiện kiến tức là dạng câu hỏi người học chỉ cần tái hiện trình bày lại những nội dung mà mình tiếp thu được. * Câu hỏi vận dụng kiến thức là câu hỏi mà người học cần phải nghiên cứu kĩ phần kiến thức cơ sở lý thuyết, từ đó vận dụng linh hoạt trong khi nghiên cứu giải quyết bài toán. * Câu hỏi suy lí, chứng minh là câu hỏi mà người học phải nắm vững lí thuyết, biết vận dụng các nội dung kiến thức có liên quan để giải quyết bài toán.[9] I.1.3 Tác dụng của bài tập hóa học: * Tác dụng trí dục: - Bài tập hoá học có tác dụng làm chính xác, cũng như hiểu sâu hơn các khái niệm và định luật đã học. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 - Giúp cho sinh viên năng động sáng tạo trong học tập, phát huy năng lực nhận thức và tư duy, tăng trí thông minh và là phương tiện để người học vươn tới đỉnh cao tri thức. - Là con đường nối liền giữa kiến thức thực tế và lý thuyết tạo ra một thể hoàn chỉnh thống nhất biện chứng trong cả quá trình nghiên cứu. Đào sâu, mở rộng sự hiểu biết một cách sinh động, phong phú không làm nặng nề thêm khối lượng kiến thức cho người học. Chỉ có vận dụng kiến thức vào việc giải bài tập, sinh viên mới nắm kiến thức sâu sắc. - Là phương tiện để ôn tập, củng cố, hệ thống hóa, kiểm tra đánh giá việc nắm bắt kiến thức một cách tốt nhất (chủ động, sáng tạo). - Tạo điều kiện để phát triển tư duy cho người học: khi giải bài tập bắt buộc người học phải suy luận, quy nạp, diễn dịch hoặc các thao tác tư duy đều được vận dụng. Trong thực tế học tập, có những vấn đề buộc người học phải đào sâu suy nghĩ mới hiểu được trọn vẹn. Thông thường khi giải một bài toán nên yêu cầu hoặc khuyến khích người học giải bằng nhiều cách - tìm ra cách giải ngắn nhất, hay nhất. * Tác dụng giáo dục: - Bài tập hóa học có tác dụng giáo dục tư tưởng cho học sinh, sinh viên vì thông qua giải bài tập rèn luyện cho HS, SV tính kiên nhẫn, trung thực trong học tập, tính sáng tạo khi xử lý và vận dụng trong các vấn đề học tập. Mặt khác, qua việc giải bài tập rèn luyện cho các em tính chính xác khoa học và nâng cao hứng thú học bộ môn. - Các bài tập hóa học còn được sử dụng như một phương tiện nghiên cứu tài liệu mới, ngoài ra các bài có nội dung thực nghiệm có tác dụng rèn luyện tính tích cực, tự lực lĩnh hội tri thức và tính cẩn thận, tuân thủ triệt để quy định khoa học, chống tác phong luộm thuộm, vi phạm những nguyên tắc khoa học.[25] I.1.4 Vận dụng kiến thức để giải bài tập: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 Để giải bài tập người học phải biết vận dụng lý thuyết đã học ở nội dung các chương các bài, quá trình này thực chất đòi hỏi người học phải có một kĩ năng nhận thức và tư duy nhất định. Hoạt động nhận thức và phát triển tư duy của sinh viên trong quá trình dạy học hóa học. Nhận thức là một trong ba mặt cơ bản của đời sống tâm lí con người (nhận thức, tình cảm, lí trí). Nó là tiền đề của hai mặt kia và đồng thời có mối liên hệ chặt chẽ với chúng và các hiện tượng tâm lí khác. Tư duy là một quá trình tâm lí phản ánh những thuộc tính bản chất, những mối liên hệ bên trong có tính quy luật của sự vật hiện tượng trong hiện thực khách quan mà trước đó ta chưa biết. Theo M.N.Sacđacop: “Tư duy là sự nhận thức khái quát gián tiếp các sự vật và hiện tượng trong những dấu hiệu, những thuộc tính chung và bản chất của chúng. Tư duy cũng là sự nhận thức sáng tạo những sự vật hiện tượng mới, riêng lẻ của hiện thực trên cơ sở những kiến thức khái quát hóa đã thu nhận được”.[9] I.2 Dạy học chú trọng phƣơng pháp tự học: Tính tích cực là một phẩm chất vốn có của con người trong đời sống xã hội, khác với động vật con người không chỉ tiêu thụ những gì có sẵn trong thiên nhiên mà chủ động tạo ra cơ sở vật chất cần thiết cho sự tồn tại và phát triển của xã hội. I.2.1 Dạy học chú trọng rèn luyện phƣơng pháp tự học: Phương pháp tích cực xem việc rèn luyện phương pháp học tập cho học sinh không chỉ là một biện pháp nâng cao hiệu quả dạy học mà còn là một mục tiêu dạy học. Trong một xã hội hiện đại đang biến đổi nhanh cùng với sự bùng nổ thông tin, khoa học, kỹ thuật, công nghệ phát triển với tốc độ cực kì nhanh chóng, chúng ta thực sự cần phải quan tâm dạy cho sinh viên phương pháp học tập, phương pháp nhận thức. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 Nếu rèn luyện cho người học có được phương pháp, kỹ năng, thói quen, ý chí tự học thì sẽ tạo cho họ lòng ham học, khơi dậy nội lực vốn có trong mỗi người thì kết quả học tập sẽ được nâng lên gấp bội. Vì vậy, với phương pháp dạy học ngày nay rất nhấn mạnh hoạt động tự học, nỗ lực tạo ra sự chuyển biến từ học tập thụ động sang tự học chủ động có sự hướng dẫn của người thầy. Bên cạnh đó việc học tập là suốt đời, người học không chỉ học trong nhà trường, mà còn học mọi lúc, mọi nơi, sau khi rời ghế nhà trường còn phải tiếp tục học tập để bổ sung cập nhật kiến thức.[10] I.2.2 Học thông qua tổ chức các hoạt động học tập của học sinh: Trong phương pháp dạy học tích cực, người học là đối tượng của hoạt động dạy, nhưng đồng thời cũng là chủ thể của hoạt động học được cuốn vào các hoạt động học tập do giáo viên tổ chức và chỉ đạo, do đó mà sinh viên tự khám phá những điều mình chưa rõ chứ không phải tiếp thu những tri thức đã được giáo viên sắp đặt sẵn. Khi đặt vào những tình huống thực tế, người học trực tiếp quan sát, thảo luận, giải quyết vấn đề đặt ra theo những suy nghĩ riêng của mình, từ đó sinh viên vừa nắm kiến thức, vừa nắm phương pháp làm ra kiến thức mà không theo những khuôn mẫu sắn có. Với cách dạy học này, Thầy không chỉ đơn giản là truyền đạt tri thức mà sự dạy học phải giúp cho từng sinh viên biết hành động và tích cực tham gia các chương trình hành động cùng tập thể.[10] I.2.3 Tăng cƣờng học tập cá thể, phối hợp với học tập hợp tác: Khi trong một lớp học mà trình độ kiến thức, tư duy của sinh viên không đồng đều một cách tuyệt đối thì khi áp dụng phương pháp dạy học tích cực buộc phải chấp nhận sự phân hóa về cường độ, tiến độ hoàn thành nhiệm vụ học tập, nhất là các bài học được thiết kế thành một chuỗi các hoạt động độc lập. Khi áp dụng phương pháp tích cực ở trình độ cao thì sự phân hóa càng lớn. Việc sử dụng các công nghệ thông tin trong nhà trường sẽ đáp ứng nhu cầu cá thể hóa hoạt động học tập theo nhu cầu và khả năng của mỗi học sinh, sinh viên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 Tuy nhiên, trong học tập không phải mọi tri thức, kỹ năng, thái độ đều được hình thành bằng những hoạt động độc lập của mỗi cá nhân. Lớp học là một môi trường giao tiếp thầy - trò, tạo nên mối quan hệ hợp tác giữa các cá nhân trên con đường chiếm lĩnh những nội dung học tập. Thông qua thảo luận, tranh luận trong tập thể, ý kiến cá nhân được bộc lộ, khẳng định hay bác bỏ, qua đó người học được nâng mình lên một trình độ mới. Người học sẽ vận dụng vốn hiểu biết, kinh ngiệm sống của mỗi cá nhân và của cả tập thể lớp chứ không phải chỉ dựa trên vốn hiểu biết và kinh nghiệm sống của giáo viên. Hình thức học tập theo nhóm không làm hạn chế sức mạnh, hứng thú học tập của mỗi cá nhân mà trái lại tạo đà mạnh mẽ tính tích cực, chủ động của mỗi cá nhân, giúp họ chuyển từ đối tượng giáo dục thành chủ thể giáo dục.[25] I.3. Xu hƣớng phát triển của bài tập hóa học hiện nay: Bài tập hóa học vừa là mục tiêu, vừa là mục đích, vừa là nội dung vừa là phương pháp dạy học hữu hiệu do vậy cần được quan tâm, chú trọng trong các bài học. Nó cung cấp cho học sinh không những kiến thức, niềm say mê bộ môn mà còn giúp người học con đường giành lấy kiến thức, là bước đệm cho quá trình nghiên cứu khoa học, hình thành và phát triển có hiệu quả trong hoạt động nhận thức của học sinh. Bằng hệ thống bài tập sẽ thúc đẩy sự hiểu biết của sinh viên, sự vân dụng những hiểu biết vào thực tiễn, sẽ là yếu tố cơ bản của quá trình phát triển xã hội, tăng trưởng kinh tế nhanh và bền vững. Xu hướng phát triển của bài tập hoá học hiện nay hướng đến rèn luyện khả năng vận dụng kiến thức, phát triển tư duy hoá học. Những bài tập có tính chất học thuộc trong các câu hỏi lý thuyết sẽ giảm dần mà được thay bằng các câu hỏi đòi hỏi sự tư duy, tìm tòi. Dạy học “chú trọng rèn luyện phương pháp tự học” ở trường Đại học được xem là rất quan trọng và được nhiều trường coi trọng áp dụng. Ngoài Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 ra, trong thời gian gần đây, một số chiến lược đổi mới phương pháp dạy học được thử nghiệm đó là “dạy học hướng vào người học”, “hoạt động hóa người học”, “tiếp cận kiến tạo trong dạy học” …[6] I.4. Cơ sở phân loại câu hỏi và bài tập căn cứ vào mức độ nhận thức và tƣ duy: Vận dụng các quan điểm về việc phân loại mức độ nhận thức và tư duy của GS.Bloom và GS.Nguyễn Ngọc Quang, căn cứ vào thực tiễn dạy học ở Việt Nam, chúng tôi thấy việc kết hợp vận dụng hai quan điểm trên cho phù hợp là cần thiết. Việc phân loại sắp xếp các câu hỏi và bài tập học phần phân tích lí hóa căn cứ vào các mức độ nhận thức và tư duy của quá trình lĩnh hội kiến thức kỹ năng kỹ xảo chúng tôi thấy có thể sắp xếp thành 4 dạng sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 Dạng bài Năng lực nhận thức Năng lực tư duy Kỹ năng I Biết (nhớ lại những kiến thức đã học một cách máy móc và nhắc lại) Tư duy cụ thể Bắt chước theo mẫu II Hiểu (tái hiện kiến thức, diễn giải kiến thức, mô tả kiến thức) Tư duy logic (suy luận, phân tích, so sánh, nhận xét) Phát huy sáng kiến (hoàn thành kỹ năng theo chỉ dẫn, không còn bắt chước máy móc) III Vận dụng Tư duy hệ thống (suy luận tương tự, tổng hợp, so sánh, khái quát hóa) Đổi mới (lặp lại kỹ năng nào đó một cách chính xác, nhịp nhàng) IV VËn dụng sáng tạo (phân tích, tổng hợp, đánh giá) Tư duy trừu tượng (suy luận một cách sáng tạo) Sáng tạo (hoàn thành kỹ năng một cách dễ dàng có sáng tạo, đạt tới trình độ cao) Việc sử dụng câu hỏi và bài tập trong dạy học đặc biệt là dạy học Đại học có tầm quan trọng đặc biệt. Đối với sinh viên đây là phương pháp học tập tích cực, hiệu quả và không có gì thay thế được, giúp cho sinh viên nắm vững kiến thức môn học, phát triển tư duy, hình thành khái niệm, khả năng ứng dụng hóa học vào thực tiễn, làm giảm nhẹ sự nặng nề căng thẳng của khối lượng kiến thức và gây hứng thú cho sinh viên trong học tập. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 Tuy nhiên hiệu quả của việc sử dụng hệ thống câu hỏi và bài tập hóa học còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tính tự giác, tính vừa sức và hứng thú học tập của sinh viên. Cũng như vấn đề học tập, nếu như câu hỏi và bài tập dễ quá hoặc khó quá đều không có sức lôi cuốn học sinh, sinh viên. Vì vậy trong quá trình dạy học, ở tất cả các kiều bài lên lớp khác nhau, người giáo viên phải biết sử dụng câu hỏi và bài tập có sự phân hóa để phù hợp với từng đối tượng tức là góp phần rèn luyện và phát triển tư duy cho người học. Tùy theo mục đích dạy học, tính phức tạp và quy mô của từng loại bài, giáo viên có thể sử dụng hệ thống câu hỏi và bài tập theo 4 bậc của quá trình nhận thức và tư duy như trên. [9] CHƢƠNG II PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ II.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 I.1.1. Đặc diểm chung của phƣơng pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS):[7] - Phương pháp AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) dựa trên khả năng hấp thụ chọn lọc các bức xạ cộng hưởng của nguyên tử ở trạng thái tự do. Các nguyên tử tự do được tạo ra do tác dụng của nguồn nhiệt biến các chất từ trạng thái tập hợp bất kì thành trạng thái nguyên tử, đó là quá trình nguyên tử hoá. - Các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ bức xạ điện từ tuân theo định luật hấp thụ bức xạ (định luật Bouguer – Lambert – Beer): A = lg I I 0 = Cl.. Trong đó: A: mật độ quang. I0, I: cường độ ánh sáng trước và sau khi bị nguyên tử tự do hấp thụ.  : hệ số hấp thụ mol phân tử, phụ thuộc bước sóng  . l: độ dày lớp hơi nguyên tử. - Độ chính xác của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử rất cao. - Phương pháp phân tích đơn giản, nhanh, đôi khi không cần sinh chế mẫu, áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học. II.1.2. Điều kiện tạo thành phổ hấp thụ nguyên tử: [11] II.1.2.1. Quá trình nguyên tử hoá: - Biến một chất ở trạng thái tập hợp bất kì thành trạng thái nguyên tử tự do gọi là quá trình nguyên tử hoá. - Giả thiết kim loại nghiên cứu Me nằm trong dung dịch ở dạng muối MeX. Dung dịch MeX được phun vào ngọn lửa đèn khí ở dạng aeroson. Trong ngọn lửa đèn khí sẽ xảy ra quá trình nhiệt phân: MeX  Me + X - Trong ngọn lửa có thể xảy ra quá trình ion hoá nguyên tử tạo thành làm giảm độ nhạy của phép phân tích. Để hạn chế sự ion hoá này, phải đưa vào dung dịch phân tích các chất dễ bị ion hoá để tăng “nền electron” trong bầu khí. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 II.1.2.2. Các phương pháp nguyên tử hoá: * Nguyên tử hoá mẫu bằng ngọn lửa: - Người ta dùng năng lượng nhiệt của ngọn lửa đèn khí để hóa hơi và nguyên tử hoá mẫu phân tích. Vì thế mọi quá trình xảy ra trong khi nguyên tử hoá mẫu phụ thuộc vào các đặc trưng và tính chất của ngọn lửa đèn khí, nhưng chủ yếu là nhiệt độ của ngọn lửa. Đó là yếu tố quyết định hiệu suất nguyên tử hoá mẫu phân tích và mội yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ của ngọn lửa đèn khí đều ảnh hưởng đến kết quả của phương pháp phân tích. - Trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, ngọn lửa là môi trường hấp thụ. Nó có nhiệm vụ hoá hơi nguyên tử hoá mẫu phân tích, tạo ra đám hơi của các nguyên tử tự do có khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc để tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử, vì thế ngọn lửa đèn khí được dùng vào mục đích để hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu phân tích thì: + Ngọn lửa đèn khí phải làm nóng đều được mẫu phân tích. + Ngọn lửa đèn khí phải đủ lớn và ổn định theo thời gian. + Ngọn lửa đèn khí phải thuần khiết. + Ngọn lửa đèn khí phải có bề dày đủ lớn. * Nguyên tử hoá mẫu không dùng ngọn lửa: - Kĩ thuật nguyên tử hoá mẫu không dùng ngọn lửa hiện nay đang được ứng dụng rất rộng rãi vì có độ nhạy rất cao. Do vậy, khi phân tích lượng vết các kim loại trong nhiều trường hợp không cần thiết phải làm giàu sơ bộ các nguyên tố cần xác định. Đặc biệt là khi xác định các nguyên tố vi lượng trong các loại mẫu của y học, sinh học …. - Tuy nhiên, độ ổn định của phép đo không dùng ngọn lửa kém hơn phép đo dùng ngọn lửa. Ảnh hưởng của phổ nền thường rất lớn. Khoa học phát triển, thì việc khắc phục những nhược điểm này là không khó khăn. - Phép đo không ngọn lửa đòi hỏi một lượng mẫu tương đối nhỏ (mỗi lần đo khoảng 20 - 50  L). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 - Nguyên tử hoá mẫu không dùng ngọn lửa là quá trình nguyên tử hoá tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng của dòng điện công suất lớn và trong môi trường khí trơ. II.1.2.3. Sự hấp thụ bức xạ cộng hƣởng: - Khi hướng vào lớp hơi nguyên tử tự do Me chùm bức xạ điện từ (chính là các tia phát xạ phát ra từ đèn catot rỗng làm bằng chính kim loại cần xác định) có tần số đúng bằng tần số cộng hưởng của nguyên tố kim loại Me, sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ cộng hưởng để chuyển lên các mức năng lượng kích thích gần nhau: Me + h  Me* Quá trình này tuân theo định luật Bouguer – Lambert – Beer. - Trong phổ hấp thụ nguyên tử, chỉ một số nguyên tử có khả năng hấp thụ bức xạ cộng hưởng thực tế bằng số nguyên tử chung của nguyên tố cần xác định và ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ nguồn nhiệt nên phương pháp này có độ nhạy cao. II.1.2.4. Phƣơng pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử: Hình 2.1: Sơ đồ khối của phổ kế hấp thụ nguyên tử dùng ngọn lửa 1. Nguồn bức xạ (đèn catot) 4. Detector quang 2. Đèn 5. Cấu trúc ghi phổ 3. Máy lọc ánh sáng đơn sắc - Cấu tạo của đèn catot rỗng: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 Hình 2.2: Đèn catot rỗng 1. Bóng thuỷ tinh 2. Anot 3. Catot 4. Cửa sổ thạch anh Đèn catot rỗng là một bóng thuỷ tinh hình trụ, đường kính 3 - 5cm, có cửa sổ bằng thuỷ tinh hay thạch anh. Anot được chế tạo từ thanh kim loại. Cả hai cực được đặt trong bóng thuỷ tinh có chứa khí trơ (agon hay neon) với áp suất không lớn (0,2 – 2MPa). Đèn catot rỗng được nối với dòng điện 300 – 500V, ổn định và phải có độ ổn định cao. Dòng phóng của đèn thường là vài miliampe. Khi đèn làm việc, mật độ dòng ở mặt bên trong catot cao hơn mặt ngoài. Vì vậy tại lỗ mở của catot sẽ phát sáng. Catot của đèn được chế tạo từ kim loại, hợp kim khó nóng chảy có chứa nguyên tố cần xác định. - Việc giảm cường độ của bức xạ cộng hưởng do hiện tượng hấp thụ của các nguyên tử tự do của nguyên tố nghiên cứu tuân theo định luật hấp thụ bức xạ nguyên tử Bouguer - Lambert - Beer: A = lg I I 0 = Cl.. Mật độ quang tỷ lệ thuận với nồng độ chất nghiên cứu trong mẫu. Ta xác định định lượng theo 2 phương pháp: + Phương pháp đường chuẩn: Người ta đo mật độ quang của vài dung dịch chuẩn rồi xây dựng đồ thị A = f(CTC). Sau đó đo mật độ quang của dung dịch nghiên cứu với cùng điều kiện đã đo dung dịch chuẩn rồi dựa vào đồ thị để xác định CX của dung dịch nghiên cứu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 + Phương pháp thêm: Tiến hành như trong phép đo phổ phát xạ nguyên tử, chỉ khác là thay cho S (độ đen), ta xây dựng sự phụ thuộc mật độ quang tại vạch phổ cộng hưởng (  ): A = f(CCT) và ngoại suy đến A = 0. Nếu dùng một dung dịch chuẩn, đầu tiên đo  XA của dung dịch nghiên cứu, sau đó thêm vào dung dịch nghiên cứu một nồng độ của dung dịch tiêu chuẩn nguyên tố nghiên cứu, đo mật độ quang của dung dịch đã thêm được AX + Ch. Từ các kết quả đó ta có: AX = XCl..  AX + Ch = )(.. chX CCl    CX = Cch XchX X AA A  II.1.3. Các loại trừ sai số do các nguyên tố đi kèm và sai số phông:[11] Trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, người ta khắc phục sai số phông bằng cách dùng 2 phương pháp hiệu chỉnh sai số của phông nền như sau: - Hiệu chỉnh sai số phông dùng đèn đơteri (hiệu chỉnh ánh sáng có bước sóng liên tục). - Phương pháp tự đảo: ở đây dòng điện ánh sáng có cường độ thấp, ta đo được tổng tín hiệu của hấp thụ nguyên tử và tín hiệu phông. Còn khi dùng dòng điện ánh sáng có cường độ cao xuất hiện tín hiệu hấp thụ của phông. Sau đó máy tự động trừ đi tín hiệu tổng phần tín hiệu phông và nhờ vậy ta chỉ đo được tín hiệu hấp thụ nguyên tử của nguyên tố nghiên cứu. II.2. CÂU HỎI: Câu 1: Hãy cho biết nguyên tắc của phép đo AAS? HDTL: Phương pháp phân tích dựa trên cơ sở ._.đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố được gọi là phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (phép đo AAS). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 Cơ sở lý thuyết của phép đo này là sự hấp thụ năng lượng (bức xạ đơn sắc) của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi (khí) khi chiếu chùm tia bức xạ qua đám hơi của nguyên tố ấy trong môi trường hấp thụ. Để thực hiện phép đo AAS phải thực hiện 3 nguyên tắc sau: + Chọn các điều kiện và một loại trang bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi của các nguyên tử tự do. Đó là quá trình hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu. + Chiếu chùm tia sáng bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử vừa điều chế được ở trên. Các nguyên tử của nguyên tố cần xác định trong đám hơi đó sẽ hấp thụ chọn lọc những bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ của nó. Ở đây, phần cường độ của chùm tia sáng đã bị nguyên tử hấp thụ phụ thuộc vào nồng độ của nó trong môi trường hấp thụ. Nguồn cung cấp chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần nghiên cứu được gọi là nguồn phát bức xạ đơn sắc hay bức xạ cộng hưởng. + Tiếp đó, nhờ một hệ thống máy quang phổ, người ta thu toàn bộ chùm sáng, phân li và chọn một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố cần nghiên cứu để đo cường độ của nó. Cường độ đó chính là tín hiệu hấp thụ của vạch phổ hấp thụ nguyên tử. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ C, giá trị cường độ này là phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ C của nguyên tố ở trong mẫu phân tích theo phương trình: A  = a.C b a = K.Ka : hằng số thực nghiệm b: hằng số bản chất, 0 < b  1 Thông thường, người ta thường sử dụng trong khoảng nhiệt độ để b = 1 (không phụ thuộc tuyến tính) để ứng dụng phân tích. Câu 2: Để thực hiện được phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, hệ thống máy đo phổ hấp thụ nguyên tử phải bao gồm các phần cơ bản nào? HDTL: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 Muốn thực hiện được phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, hệ thống máy đo phổ hấp thụ nguyên tử phải bao gồm 4 phần cơ bản sau: + Phần 1: Nguồn phát tia phát xạ công hưởng (vạch phổ phát xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích), để chiếu vào môi trường hấp thụ chứa các nguyên tử tự do của nguyên tố. Đó chính là các đèn catot rỗng (HCL), các đèn phóng điện không cực (EDL), hay nguồn phát bức xạ liên tục đã được biến điệu. + Phần 2: Hệ thống nguyên tử hoá mẫu phân tích. Hệ thống này được chế tạo theo hai loại kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu. Đó là kỹ thuật nguyên tử hoá bằng ngọn lửa đèn khí (lúc này ta có phép đo F - AAS) và kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa (lúc này có phép đo ETA - AAS). + Phần 3: Là máy quang phổ, nó là bộ đơn sắc, có nhiệm vụ thu, phân li và chọn tia sáng (vạch phổ) cần đo hướng vào nhân quang điện để phát tín hiệu hấp thụ AAS của vạch phổ. + Phần 4: Là hệ thống chỉ tín hiệu hấp thụ của vạch phổ (tức là cường độ của vạch phổ hấp thụ hay nồng độ nguyên tố phân tích). Hệ thống này có thể là các trang bị: - đơn giản nhất là một điện kế chỉ năng lượng hấp thụ (E) của vạch phổ. - một máy tự ghi pic của vạch phổ. - hoặc bộ hiện số digiltal. - hay bộ máy in (printer). - hoặc máy tích phân. Câu 3: Hãy nêu những ưu, nhược điểm của phép đo AAS? HDTL: * Ưu điểm: - Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chọn lọc cao. Gần 60 nguyên tố hoá học có thể được xác định bằng phương pháp này với độ nhạy từ 1.10-4 đến 1.10-5 %. Đặc biệt, nếu sử dụng kỹ thuật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 nguyên tử hoá không ngọn lửa thì có thể đạt đến độ nhạy n.10-7%. Chính vì độ nhạy cao, nên phương pháp phân tích này đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực để xác định lượng vết các kim loại. Đặc biệt là trong phân tích các nguyên tố vi lượng trong các đối tượng mẫu y học, sinh học, nông nghiệp, kiểm tra các hoá chất có độ tinh khiết cao. - Đồng thời cũng do có độ nhạy cao nên trong nhiều trường hợp không phải làm giàu nguyên tố cần xác định trước khi phân tích. Do đó tốn ít nguyên liệu mẫu, tốn ít thời gian không cần phải dùng nhiều hóa chất tinh khiết cao khi làm giàu mẫu. Mặt khác cũng tránh được sự nhiễm bẩn mẫu khi xử lí qua các giai đoạn phức tạp. Đó cũng là một ưu điểm lớn của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử. - Các động tác thực hiện nhẹ nhàng. Các kết quả phân tích lại có thể ghi lại trên băng giấy hay giản đồ để lưu giữ lại sau này. Đồng thời, với các trang thiết bị hiện nay, người ta có thể xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu. Các kết quả phân tích lại rất ổn định, sai số nhỏ. * Nhược điểm: - Phép đo AAS chỉ cho ta biết thành phần nguyên tố của chất ở trong mẫu mà không chỉ ra trạng thái liên kết của nguyên tố ở trong mẫu. Vì thế nó chỉ là phương pháp phân tích thành phần hoá học của nguyên tố. - Muốn thực hiện phép đo AAS cần phải có một hệ thống máy AAS tương đối đắt tiền. Do đó nhiều cơ sở không đủ điều kiện xây dựng phòng thí nghiệm và mua sắm máy móc. - Phép đo có độ nhạy cao nên sự nhiễm bẩn rất có ý nghĩa đối với kết quả phân tích hàm lượng vết. Vì thế môi trường không khí phòng thí nghiệm phải không có bụi, các dụng cụ hoá chất dùng trong phép đo phải có độ tinh khiết cao. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 Câu 4: Nêu những yêu cầu và nhiệm vụ của ngọn lửa trong kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu? HDTL: Trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, ngọn lửa là môi trường hấp thụ. Nó có nhiệm vụ hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu phân tích tạo ra đám hơi của các nguyên tử tự do có khả năng hấp thụ bức xạ đơn sắc để tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử, vì thế ngọn lửa đèn khí muốn dùng vào mục đích để hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu phân tích nó cần phải thoả mãn một số yêu cầu sau: + Ngọn lửa đèn khí phải làm nóng đều được mẫu phân tích. Hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu phân tích với hiệu suất cao, để đảm bảo cho phép phân tích đạt độ chính xác và độ nhạy cao. + Năng lượng (nhiệt độ) của ngọn lửa phải đủ lớn và có thể điều chỉnh được tuỳ theo từng mục đích phân tích mỗi nguyên tố. Đồng thời lại phải ổn định theo thời gian và lặp lại được trong các lần phân tích khác nhau để đảm bảo cho phép phân tích đạt kết quả đúng đắn. + Ngọn lửa phải thuần khiết. + Ngọn lửa phải có bề dày đủ lớn để có được lớp hấp thụ đủ dày làm tăng độ nhạy của phép đo. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 Câu 5: Hãy trình bày cấu tạo của ngọn lửa đèn khí? HDTL: Hình 2.3 : Cấu tạo của ngọn lửa đèn khí. Ngọn lửa đèn khí gồm 3 phần chính là: + Phần tối của ngọn lửa. Trong phần này hỗn hợp khí được trộn đều và đốt nóng cùng với các hạt sol khí (thể aerosol) của mẫu phân tích. Phần này có nhiệt độ thấp (700 - 1200oC). Dung môi hoà tan mẫu sẽ bay hơi trong phần này và mẫu được sấy nóng. + Vùng trung tâm của ngọn lửa. Phần này có nhiệt độ cao và thường không có màu hoặc có màu xanh rất nhạt. Trong phần này hỗn hợp khí được đốt cháy tốt nhất và không có phản ứng thứ cấp. Vì thế trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử người ta phải đưa mẫu vào phần này để nguyên tử hoá và thực hiện phép đo. Nghĩa là nguồn đơn sắc phải chiếu qua phần này của ngọn lửa. + Phần vỏ và đuôi của ngọn lửa: vùng này có nhiệt độ thấp, ngọn lửa có màu vàng và thường xảy ra nhiều phản ứng thứ cấp không có lợi cho phép đo phổ hấp thụ nguyên tử. Câu 6: Hãy trình bày những quá trình xảy ra trong ngọn lửa? Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 HDTL: Ngọn lửa là môi trường nguyên tử hoá mẫu của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (F-AAS). Trong ngọn lửa có nhiều quá trình xảy ra đồng thời: có quá trình chính và cũng có quá trình phụ. Trong đó nhiệt độ của ngọn lửa là yếu tố quyết định mọi diễn biến của các quá trình. Trước hết, khi mẫu ở thể sol khí được dẫn lên đèn nguyên tử hoá, dưới tác dụng nhiệt của ngọn lửa, ở miệng đèn, là sự bay hơi của dung môi hoà tan mẫu và các chất hữu cơ trong thể sol khí. Như vậy, mẫu còn lại là các hạt rắn rất nhỏ mịn trong ngọn lửa và nó được dẫn tiếp vào vùng trung tâm ngọn lửa. Tiếp đó là quá trình hoá hơi và nguyên tử hoá của các hạt mẫu bột khô đó. Ở đây các chất sẽ có các quá trình chính sinh ra phổ và quá trình phụ không sinh ra phổ diễn biến theo tính chất nhiệt hoá của chất mẫu. * Yếu tố quyết định các quá trình chính là: - Nhiệt độ của ngọn lửa. - Bản chất của chất mẫu và thành phần của chất mẫu. - Tác dụng ảnh hưởng của chất phụ gia thêm vào mẫu. * Các quá trình phụ tuy có mức độ khác nhau, nhưng trong một mối tương quan nhất định trong ngọn lửa, đặc biệt là nhiệt độ ngọn lửa, thì tất cả các quá trình đó đều có thể xảy ra cùng với các quá trình chính của phép đo F-AAS. Do đó phải chọn các điều kiện phù hợp để hạn chế đến mức nhỏ nhất các quá trình phụ và giữ cho nó không đổi suốt trong một phép đo xác định một nguyên tố. Câu 7: Hãy cho biết cơ chế của các quá trình xảy ra trong ngọn lửa? HDTL: Các quá trình xảy ra trong ngọn lửa thường theo 2 cơ chế chính: + Nếu Eh < Ea tức là năng lượng hoá hơi (Eh) của các hợp phần có trong mẫu nhỏ hơn năng lượng nguyên tử hoá (Ea) của nó, thì trước hết các hợp phần này sẽ hoá hơi ở dạng phân tử. Sau đó các phân tử khí này mới bị phân li (nguyên tử hoá) thành các nguyên tử tự do (cơ chế I). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 + Nếu Eh > Ea tức là năng lượng phân li Ea của các hợp phần của mẫu là nhỏ hơn năng lượng hoá hơi Eh của chính nó, thì trước hết các hợp phần này sẽ bị phân li thành các nguyên tử tự do, rồi sau đó mới hoá hơi (cơ chế II). Cơ chế I: MnAm (l)  MnAm (k)  n.M (k) + m.A (k) M (k) + n (h  )  phổ AAS Cơ chế II: MnAm (l)  n.M (r,l) + m.A (l,r)  n.M (k) M (k) + n (h  ) ……… phổ AAS Câu 8: Hãy tóm tắt các quá trình nguyên tử hoá mẫu? HDTL: Các quá trình nguyên tử hoá mẫu: 1. Dẫn mẫu vào buồng Aersol hoá. 2. Quá trình aerosol hoá mẫu. 3. Hoá hơi, nguyên tử hoá: MeA (r)  MeA (l)  MeA (k) 4. Sự phân li, kích thích, hấp thụ, ion hoá, phát xạ: Me o + A . (phân li) Me o + h  (hấp thụ bức xạ) MeA  Me o + E (kích thích) Me o – e (ion hoá) Me o + …. 5. Sự khử oxi của oxit bởi cacbon: MeO + C  Me + CO 6. Các phản ứng hoá học khác (hợp chất bền nhiệt monoxit): Me + O  MeO Me + xC  MeCx Câu 9: Hãy nêu những yêu cầu đối với hệ thống nguyên tử hoá mẫu? HDTL: Hệ thống nguyên tử hoá mẫu có 5 yêu cầu: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 1. Hệ thống nguyên tử hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu phân tích với hiệu suất cao và ổn định, để đảm bảo cho phép đo có độ nhạy cao và độ lặp lại tốt. 2. Phải cung cấp được năng lượng đủ lớn và có thể điều chỉnh được dễ dàng theo yêu cầu để có thể nguyên tử hoá được nhiều loại mẫu và phân tích được nhiều nguyên tố. 3. Cuvet chứa mẫu để nguyên tử hoá phải có độ tinh khiết cao. Không làm nhiễm bẩn mẫu, không có phổ phụ gây khó khăn cho phép đo của nguyên tố cần phân tích. 4. Hạn chế, có ít hay không có các quá trình phụ trong quá trình nguyên tử hoá mẫu thực hiện phép đo. 5. Tiêu tốn ít mẫu phân tích. Câu 10: Nêu những yêu cầu tối thiểu mà nguồn phát tia bức xạ đơn sắc trong phép đo phổ AAS phải thoả mãn? HDTL: Có 4 yêu cầu: - Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc phải tạo ra được các tia phát xạ nhạy (các vạch phát xạ nhạy, đặc trưng) của nguyên tố cần phân tích. Chùm tia phát xạ đó phải có cường độ ổn định, phải lặp lại trong các lần đo khác nhau trong cùng điều kiện, phải điều chỉnh được với cường độ mong muốn cho mỗi phép đo. - Nguồn phát tia bức xạ phải cung cấp được một chùm tia phát xạ thuần khiết chỉ bao gồm một số vạch nhạy đặc trưng của nguyên tố phân tích. Phổ nền của nó phải không đáng kể. Có như thế mới hạn chế được những ảnh hưởng về vật lí và về phổ cho phép đo AAS. - Chùm tia sáng đơn sắc do nguồn đó cung cấp phải có cường độ cao. Nhưng lại phải bền vững theo thời gian và phải không bị các yếu tố vật lí khác nhiễu loạn, ít bị ảnh hưởng bởi các dao động của điều kiện làm việc. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 - Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc phải bền lâu, không quá đắt tiền và không quá phức tạp cho người sử dụng. Câu 11: Nêu những yếu tố có thể ảnh hưởng đến kết quả phân tích trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử? HDTL: Nhóm 1: Là các thông số của hệ máy đo phổ. Các thông số này cần được khảo sát và chọn cho từng trường hợp cụ thể. Thực hiện công việc này chính là quá trình tối ưu hoá các thông số của máy đo cho một đối tượng phân tích. Nhóm 2: Là các điều kiện nguyên tử hoá mẫu. Các yếu tố này thể hiện rất khác nhau tuỳ thuộc vào kỹ thuật được chọn để thực hiện quá trình nguyên tử hoá mẫu. Nhóm 3: Là kỹ thuật và phương pháp được chọn để xử lý mẫu. Trong công việc này nếu làm không cẩn thận sẽ có thể làm mất hay làm nhiễm bẩn thêm nguyên tố phân tích vào mẫu. Nhóm 4: Các ảnh hưởng về phổ. Nhóm 5: Các yếu tố ảnh hưởng vật lý. Nhóm 6: Các yếu tố ảnh hưởng hoá học. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 Câu 12: Các yếu tố về phổ có ảnh hưởng như thế nào trong phép đo AAS? HDTL: Các yếu tố về phổ gồm: - Sự hấp thụ nền: yếu tố này có trường hợp xuất hiện rõ ràng nhưng cũng có thể không xuất hiện. Nó phụ thuộc vào vạch phổ được chọn để đo nằm trong vùng phổ nào. Nói chung trong vùng khả kiến thì yếu tố này thể hiện rõ ràng, còn trong vùng tử ngoại thì ảnh hưởng này ít xuất hiện do phổ nền trong vùng tử ngoại là yếu. Hơn nữa sự hấp thụ nền còn phụ thuộc vào thành phần nền của mẫu phân tích. Ví dụ: Khi xác định Pb trong mẫu sinh học bằng phép đo ngọn lửa thì sự hấp thụ nền là không đáng kể. Khi xác định Pb trong nước biển thì ảnh hưởng này lại là vô cùng lớn. - Sự chen lấn của vạch phổ: yếu tố này xuất hiện khi các nguyên tố thứ ba ở trong mẫu phân tích có nồng độ lớn và đó thường là nguyên tố cơ sở của mẫu. Tuy nguyên tố này có các vạch phổ không nhạy nhưng do nồng độ lớn nên các vạch này vẫn xuất hiện với độ rộng lớn. - Sự hấp thụ của các hạt rắn: trong môi trường hấp thụ, đặc biệt là trong ngọn lửa đèn khí, nhiều khi còn có chứa cả các hạt rắn rất nhỏ li ti của vật chất mẫu chưa bị hoá hơi và nguyên tử hoá, hay các hạt muội cacbon của nhiên liệu chưa được đốt cháy hoàn toàn. Các loại hạt này thường có thể có ở lớp vỏ của ngọn lửa. Yếu tố này gọi là hấp thụ giả. Nó thể hiện rất rõ ràng khi chọn không đúng chiều cao của đèn nguyên tử hoá mẫu và khi hỗn hợp khí cháy không được đốt cháy tốt. Câu 13: Ảnh hưởng của yếu tố vật lí trong phép đo AAS? Biện pháp loại trừ? HDTL: - Độ nhớt và sức căng bề mặt của dung dịch mẫu: yếu tố này ảnh hưởng nhiều đến tốc độ dẫn mẫu vào buồng aerosol hoá của mẫu, từ đó ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Tốc độ dẫn mẫu tỷ lệ nghịch với độ nhớt của dung dịch mẫu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 Hình 2.4 : Ảnh hưởng của độ nhớt đến tốc độ dẫn mẫu (1cp 1g/m.s) Trong mỗi quá trình phân tích một nguyên tố, nhất thiết phải đảm bảo cho mẫu phân tích và các mẫu đầu lập đường chuẩn phải có cùng nồng độ axit, loại axit và thành phần hoá học, vật lí của các nguyên tố khác, nhất là chất nền của mẫu. Để loại trừ ảnh hưởng này, người ta dùng các biện pháp sau: + Đo và xác định theo phương pháp thêm tiêu chuẩn. + Pha loãng mẫu bằng một dung môi hay một nền phù hợp. + Thêm vào mẫu một chất đệm có nồng độ đủ lớn. + Dùng bơm để đẩy mẫu với một tốc độ xác định mà ta mong muốn. - Hiệu ứng lưu: yếu tố này thể hiện rõ ràng trong phép đo phổ không ngọn lửa. Nó phụ thuộc vào bản chất các nguyên tố. Muốn loại trừ ảnh hưởng này, người ta làm như sau: + Làm sạch cuvet sau mỗi lần nguyên tử hoá mẫu. + Dùng các cuvet được chế tạo từ các loại graphit đã được hoạt hoá toàn phần, có bề mặt chắc và mịn. + Khi phân tích nên đo các mẫu có nồng độ nhỏ trước. + Thêm vào mẫu những chất đệm có nồng độ phù hợp. + Tráng bề mặt trong của cuvet graphit bằng một lớp các hợp chất bền nhiệt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 - Sự ion hoá: quá trình ion hoá thường làm giảm số nguyên tử tự do của nguyên tố phân tích trong môi trường hấp thụ tạo ra phổ. Để loại trừ yếu tố này, người ta làm như sau: + Chọn điều kiện nguyên tử hoá có nhiệt độ thấp. + Thêm vào mẫu phân tích một chất đệm cho sự ion hoá. - Sự kích thích phổ phát xạ: yếu tố này làm giảm nồng độ của các nguyên tử trung hoà có khả năng hấp thụ bức xạ trong môi trường hấp thụ. Do đó cũng làm giảm cường độ của vạch phổ hấp thụ. Để loại trừ nó, người ta làm như sau: + Chọn nhiệt độ nguyên tử hoá mẫu thấp phù hợp mà tại nhiệt độ đó sự kích phổ phát xạ là không đáng kể hoặc không xảy ra đối với nguyên tố phân tích. + Thêm vào mẫu các chất đệm để hạn chế sự phát xạ của nguyên tố phân tích. Câu 14: Các yếu tố hoá học có ảnh hưởng như thế nào trong phép đo AAS? HDTL: Trong phép đo AAS, các ảnh hưởng hoá học cũng rất đa dạng và phức tạp. Nó xuất hiện cũng rất khác nhau trong mỗi trường hợp cụ thể và cũng có nhiều trường hợp không xuất hiện. Các ảnh hưởng của hoá học có thể làm kết quả xảy ra theo các hướng sau: - Làm giảm cường độ của vạch phổ của nguyên tố phân tích, do sự tạo thành các hợp chất bền nhiệt, khó hoá hơi và khó nguyên tử hoá. Ví dụ, ảnh hưởng của các ion silicat, sunfat, photphat, florua. - Làm giảm cường độ của vạch phổ, do sự tạo thành các hợp chất dễ hoá hơi và dễ nguyên tử hoá hay do hạn chế được ảnh hưởng của sự ion hoá và sự kích thích phổ phát xạ của nguyên tố phân tích. Đó chính là tác dụng của một số hợp chất, chủ yếu là muối halogen của kim loại kiềm và kiềm thổ hay lantan clorua. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 - Sự tăng cường độ vạch phổ khi nguyên tố phân tích tồn tại trong nền của mẫu là những hợp chất dễ hoá hơi. Lúc đó các chất nền này có tác dụng như là một chất mang cho sự hoá hơi của nguyên tố phân tích và làm nó được hoá hơi với hiệu suất cao hơn. - Sự giảm cường độ vạch phổ khi nguyên tố phân tích tồn tại trong nền của mẫu là những hợp chất bền nhiệt, khó hoá hơi. Lúc này các nguyên tố nền kìm hãm sự hoá hơi của nguyên tố phân tích. Các chất nền này thường là những hợp chất bền với nhiệt của các nguyên tố như Al, đất hiếm .... Câu 15: Phương trình cơ bản của phép đo AAS? HDTL: Trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, mối quan hệ giữa cường độ của một vạch phổ hấp thụ của một nguyên tố phân tích và nồng độ của nó trong môi trường hấp thụ tuân theo định luật hấp thụ quang Lambert - Beer. Nghĩa là nếu chiếu chùm tia sáng đơn sắc cường độ I0 đi qua một môi trường chứa một loại nguyên tử tự do nồng độ N và có bề dày L (cm), thì mối quan hệ giữa I0 và phần cường độ sáng I đi qua môi trường đó: lg I I 0 = K ’ . N . L lg I I 0 : năng lượng của tia sáng đã bị mất đi do sự hấp thụ của các nguyên tử tự do trong môi trường đó, nó chính là cường độ của vạch hấp thụ A. Ta có: A = K’ . N . L Gọi C là nồng độ của nguyên tố trong mẫu phân tích: N = k . C b k: hằng số thực nghiệm, phụ thuộc tất cả các điều kiện để hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu. (k = const) b: hằng số bản chất, phụ thuộc C (0 < b  1) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31  A = K’ . L . C b ; K = K’.k gọi là hằng số thực nghiệm của phép đo AAS. Tổng quát: A = a . C b  là phương trình cơ sở của phương pháp phân tích định lượng dựa theo việc đo phổ hấp thụ của một nguyên tố để xác định nồng độ (hàm lượng) của nó. Khoảng nồng độ 0  C  C0 (C0 là nồng độ giới hạn khi b bắt đầu khác 1) gọi là khoảng tuyến tính. Câu 16: Trong phép đo AAS, nồng độ của nguyên tố phân tích thường được biểu diễn như thế nào? HDTL: Trong phép đo AAS, nồng độ của nguyên tố phân tích được biểu diễn theo 4 cách sau: * Nồng độ phần trăm (%): được biểu thị bằng số gam của chất phân tích có trong 100 gam mẫu đem phân tích: C% = m mX .100 mX: số gam chất phân tích có trong mẫu lấy để phân tích m: số gam mẫu phân tích. * Nồng độ microgam/mL hay microgam/L: được sử dụng phổ biến trong phân tích lượng vết và được biểu thị theo hai cách: + Số microgam của chất phân tích có trong một lit dung dịch mẫu (  g/L) hay số microgam chất phân tích có trong một mililit dung dịch mẫu (  g/L). Ví dụ: CPb = 1,2  g/L nghĩa là trong 1 lit dung dịch mẫu có 1,2  g của Pb + Số  g của chất phân tích có trong 1 gam mẫu (hoặc 1kg mẫu). Ví dụ: CPb = 2,5  g/L thì có nghĩa là trong 1 gam mẫu có 2,5  g Pb. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 * Nồng độ ppm và ước số của nó: + Với mẫu rắn: nếu 1 gam mẫu có chứa 10-6 gam chất phân tích thì giá trị này (10-6g) được gọi là ppm. Các ước số của đơn vị ppm là ppb, ppp, ppa (các đơn vị kém nhau 1000 lần). + Với mẫu lỏng: nếu 1 ml mẫu có chứa 10-6 gam chất phân tích và khi tỷ trọng của dung dịch mẫu bằng 1 thì đại lượng 10-6g/ml mẫu cũng được định nghĩa là 1 ppm. * Nồng độ mol/l (M): biểu thị số phân tử gam chất phân tích có trong 1 lit dung dịch mẫu: CM = V n Câu 17: Độ nhạy là gì? Độ nhạy phụ thuộc vào những yếu tố nào? HDTL: * Độ nhạy là một đại lượng chỉ ra khả năng của một phương pháp phân tích theo một kỹ thuật đo nào đó được áp dụng cho phương pháp phân tích đó. Phương pháp phân tích có độ nhạy cao tức là nồng độ giới hạn dưới có thể phân tích được là nhỏ. * Độ nhạy phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: + Các đặc trưng, tính chất của hệ thống máy đo như hệ quang học, dụng cụ thu nhận và phát tín hiệu đo. Đó chính là các đặc trưng kỹ thuật của hệ thống máy quang phổ. + Các điều kiện và kỹ thuật thực hiện nguyên tử hoá mẫu để đo phổ. Vì thế phương pháp nguyên tử hoá trong ngọn lửa có độ nhạy kém hơn phương pháp nguyên tử không ngọn lửa. + Khả năng và tính chất hấp thụ bức xạ của mỗi vạch phổ, của mỗi nguyên tố. Vạch phổ nào có khả năng hấp thụ càng mạnh thì phép đo theo vạch đó có độ nhạy càng cao. Đối với một nguyên tố các vạch phổ khác nhau cũng sẽ có độ nhạy khác nhau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 Ngoài ra còn một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến độ nhạy của một phương pháp phân tích như: độ axit của mẫu, nguyên tố cản trở có trong mẫu. Câu 18: Xác định nồng độ của một nguyên tố trong mẫu phân tích theo phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, người ta thực hiện theo những phương pháp nào? HDTL: Dựa theo phương trình định lượng cơ bản của phép đo AAS qua việc đo cường độ của vạch hấp thụ của nguyên tố phân tích và xác định nồng độ của chất phân tích trong mẫu đo phổ theo một trong hai phương pháp chuẩn hoá sau: * Phương pháp đường chuẩn: còn gọi là phương pháp 3 mẫu đầu. Nguyên tắc: dựa vào phương trình cơ bản của phép đo: A = K.C và một dãy mẫu đầu để xây dựng một đường chuẩn và từ đường chuẩn này và giá trị AX để xác định nồng độ CX của nguyên tố cần phân tích trong mẫu đo phổ, rồi từ đó tính được nồng độ của nó trong mẫu phân tích. Cách xử lý: Trước hết người ta phải chuẩn bị một dãy mẫu đầu, dãy mẫu chuẩn (thông thường là 5 mẫu đầu) và các mẫu phân tích trong cùng một điều kiện. Sau đó chọn các điều kiện phù hợp và đo cường độ của một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố phân tích trong tất cả các mẫu đầu và mẫu phân tích đã được chuẩn bị ở trên. Ta dựng được một đường biểu thị mối quan hệ giữa các giá trị cường độ ứng với các nồng độ tương ứng. Đó là đường chuẩn của phương pháp. * Phương pháp thêm tiêu chuẩn: Nguyên tắc: dùng ngay mẫu phân tích làm nền để chuẩn bị một dãy mẫu đầu, bằng cách lấy một lượng mẫu phân tích nhất định và gia thêm vào đó những lượng nhất định của nguyên tố cần xác định theo từng bậc nồng độ (theo cấp số cộng). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 Cách xử lý: Trước hết thêm lượng vào mẫu đầu. Tiếp đó, chọn các điều kiện thí nghiệm phù hợp và một vạch phổ của nguyên tố phân tích, tiến hành ghi vạch phổ đó theo tất cả dãy mẫu đầu. Từ các giá trị cường độ ứng với các nồng độ thêm vào của nguyên tố phân tích, ta dựng được một đường, đó chính là đường chuẩn của phương pháp thêm. Câu 19: Các thông số của hệ máy đo phổ AAS thường bao gồm các yếu tố nào? HDTL: Các thông số của hệ máy đo phổ AAS thường bao gồm các yếu tố: - Vạch phổ: vạch phổ được chọn để xác định nguyên tố mà mình mong muốn. Vạch phổ này phải thoả mãn điều kiện: + Không bị các vạch khác chen lấn, gây nhiễu hay trùng lặp. + Phải rõ ràng và nét, có độ dài sóng chính xác. + Cường độ vạch phổ hấp thụ A phải phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ C trong một vùng nồng độ nhất định. + Vạch phổ phải nằm trên một nền không quá tối. + Tất nhiên khi cần xác định các nồng độ rất nhỏ thì phải chọn vạch phổ có độ nhạy cao và ngược lại. - Cường độ đèn đèn catot rỗng (HCL): cường độ dòng điện làm việc của HCL nên chọn cường độ dòng nằm trong vùng từ 60% - 85% so với cường độ cực đại ghi trên HCL. Khi cần độ nhạy cao thì chọn cận dưới, khi cần ổn định thì chọn cận trên. - Khe đo của máy quang phổ: nên chọn một giá trị phù hợp nhất cho phép đo định lượng một nguyên tố theo vạch phổ đã được chọn, làm sao chỉ để cho vừa đủ vạch phổ cần đo vào khe đo là tốt nhất. - Chiều cao đèn nguyên tử hoá mẫu: Burner head Hight. - Thời gian đo: phụ thuộc đặc trưng kỹ thuật từng máy đo phổ. - Lượng mẫu: tốc độ dẫn mẫu, lượng mẫu bơm vào. - Vùng tuyến tính: được chọn để định lượng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 - Phương tiện để chỉ thị kết quả đo. - Bổ chính nền khi đo: phụ thuộc vào vạch phổ khi đo. - Nhân quang nhận tín hiệu AAS: là thang năng lượng hấp thụ của phép đo AAS. Câu 20: Các phương pháp xác định trực tiếp theo AAS gồm mấy giai đoạn? các giai đoạn xảy ra như thế nào? HDTL: Về nguyên tắc thì tất cả các nguyên tố và các chất có phổ hấp thụ nguyên tử chúng ta đều có thể xác định nó một cách trực tiếp theo phổ hấp thụ nguyên tử của nó từ dung dịch mẫu phân tích. Nghĩa là các phương pháp xác định trực tiếp chỉ phù hợp cho việc xác định các kim loại có vạch phổ hấp thụ nguyên tử. Vì các kim loại đều có phổ hấp thụ nguyên tử của trong những điều kiện nhất định. Ví dụ: các mẫu vô cơ là quặng, đất, đá, khoáng liệu, muối, oxit, kim loại, xi măng, hợp kim, nước, không khí và các mẫu hữu cơ là các mẫu thực phẩm, đường .... Khi phân tích các loại mẫu này thì nguyên tắc chung gồm 2 giai đoạn: * Giai đoạn 1: Xử lí mẫu để đưa nguyên tố kim loại cần xác định có trong mẫu về trạng thái dung dịch của các cation theo một kỹ thuật phù hợp để chuyển được hoàn toàn nguyên tố cần xác định vào dung dịch đo phổ. * Giai đoạn 2: Phân tích nguyên tố cần thiết theo phổ hấp thụ nguyên tử của nó theo những điều kiện nhất định phù hợp đã được nghiên cứu và chọn ra. Ở đây, giai đoạn 1 là cực kỳ quan trọng. Vì nếu xử lý mẫu không tốt thì có thể làm mất nguyên tố cần phân tích hay làm nhiễm bẩn thêm vào. Nghĩa là việc xử lý mẫu không đúng sẽ nguồn sai số rất lớn cho kết quả phân tích, mặc dù phương pháp phân tích chọn phù hợp. Câu 21: Tại sao đèn catot rỗng là nguồn được sử dụng phổ biến nhất? HDTL: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 - Đèn phát tia bức xạ đơn sắc được dùng sớm nhất và phổ biến nhất trong phép đo AAS là đèn catot rỗng và đèn này chỉ phát ra những tia phát xạ nhạy của nguyên tố kim loại làm catot rỗng. Các vạch phát xạ nhạy của một nguyên tố thường là các vạch cộng hưởng. Vì thế đèn catot rỗng cũng được gọi là nguồn phát tia bức xạ cộng hưởng. Nó là phổ phát xạ của các nguyên tố trong môi trường khí kém. - Cấu tạo của đèn catot rỗng: Hình 2.5 Đèn catot rỗng 1. Bóng thuỷ tinh. 2. Anot 3.Catot 4.Cửa sổ thạch anh Đèn catot rỗng là một bóng thuỷ tinh hình trụ, đường kính 3 - 5cm, có cửa sổ bằng thuỷ tinh hay thạch anh. Anot được chế tạo từ thanh kim loại. Cả hai cực được đặt trong bóng thuỷ tinh có chứa khí trơ (agon hay neon) với áp suất không lớn (0,2 - 2MPa). Đèn catot rỗng được nối với dòng điện 300 - 500V, ổn định và phải có độ ổn định cao. Dòng phóng của đèn thường là vài miliampe. Khi đèn làm việc, mật độ dòng ở mặt bên trong catot cao hơn mặt ngoài. Vì vậy tại lỗ mở của catot sẽ phát sáng. Catot của đèn được chế tạo của kim loại, hợp kim khó nóng chảy có chứa nguyên tố cần xác định. Câu 22: Hãy nêu những thành phần chính của đèn catot rỗng? HDTL: Đèn catot rỗng gồm 3 phần chính: (xem hình 2.5) Phần 1 là thân đèn và cửa sổ. Phần 2 là các điện cực cato và anot. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 Phần 3 là khí chứa trong đèn. Đó là khí trơ He, Ar hay Nitơ. + Thân và vỏ: Thân đèn gồm có vỏ đèn, cửa sổ và bệ đỡ các điện cực anot và catot. Bệ đỡ bằng nhựa PVC. Thân và vỏ đèn bằng thuỷ tinh hay thạch anh. Cửa sổ S của đèn có thể là thuỷ tinh hay thạch anh trong suốt trong vùng UV hay VIS là tuỳ thuộc vào loại đèn của từng nguyên tố phát ra chùm tia phát xạ nằm trong vùng phổ nào. + Điện cực: Điện cực của đèn là catot và anot. Anot được chế tạo bằng kim loại trơ và bền nhiệt như W hay Pt. Catot được chế tạo có dạng hình xylanh hay hình ống rỗng có đường kính từ 3 - 5mm, dài 5 - 6mm và chính bằng kim loại cần phân tích với độ tinh khiết cao (ít nhất 99,9%). Dây dẫn của catot cũng là kim loại W hay Pt. Nguồn nuôi là nguồn 1 chiều có thế 220 - 240V. + Khí trong đèn: Trong đèn phải hút hết không khí và nạp thay vào đó là một khí trơ với áp suất từ 5 - 15mmHg. Khí trơ đó là agon, heli hay nitơ nhưng phải có độ sạch cao hơn 99,99%. Khí nạp vào đèn phải không phát ra phổ làm ảnh hưởng đến chùm tia phát xạ của đèn và khi làm việc trong điều kiện nhất định thì tỷ số tuỳ thuộc vào từng loại đèn và từng nguyên tố kim loại làm catot rỗng. Cường độ làm việc của đèn catot rỗng thường là từ 3 - 50mA. II.3. BÀI ._.ọng khi các ion có tính chất hoá học giống nhau, chẳng hạn như khi cần tách các đất hiếm hoặc các actinit. Khi K tăng, ion sẽ bị giải hấp khỏi cột chậm hơn vì thế với dãy ion kim loại tương tự thì các ion sẽ bị rửa giải theo trình tự ngược với bán kính ion (ion lớn nhất sẽ bị rửa giải trước tiên). Câu 18: Giả sử có chứa 1 mẫu chứa chất cần phân tích A+ được đưa lên đỉnh cột trao đổi ion và liên tục thêm dung môi rửa giải dùng làm pha động vào. Cần phải dùng 1 thể tích pha động là bao nhiêu trước khi chất A+ bị rửa giải? HDTL: Về nguyên tắc thì IEC (sắc kí trao đổi ion) không khác gì các phương pháp sắc kí khác và có áp dụng phương trình: VR = Vm (1+ k ’ ) Trong đó, VR là thể tích lưu (hoặc rửa giải); Vm là thể tích pha động đựơc chứa trong cột (thể tích trống) và k’ là thừa số dung lượng, thừa số này là: k’= m S Amolm Amolm )( )(   Trong IEC, k’ cũng được biết dưới dạng D, tỉ số phân bố. Tuy nhiên trong trao đổi ion có sự cạnh tranh nên k’sẽ phụ thuộc vào bản chất và nồng độ của ion tham gia ví dụ như H3O + trong phương trình: R-H + Na + + H2O  R-Na + H3O + Như vậy thời gian lưu sẽ phụ thuộc vào nồng độ các ion trong dung môi rửa giải. Câu 19. Hãy cho biết các mối liên hệ cơ bản để dự đoán sự phân bố của chất tan trong phân bố lỏng - lỏng? HDTL: * Luật phân bố Nernst: Bất kì một hợp phần trung tính nào cũng sẽ phân bố giữa 2 dung môi trộn lẫn với tỉ số nồng độ trong 2 pha là một hằng số. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 126 D = n hc A A ][ ][ D: hằng số phânbố. [A]hc: nồng độ của chất A trong pha hữu cơ. [A]n: nồng độ của chất A trong pha nước. * Phần chất A chiết được:  = VD VD VAVA VA nnhchc hchc .1 . .][.][ .][    V: Tỷ số pha (V= Vhc/Vn) Vhc: Thể tích pha hữu cơ. Vn: Thể tích pha nước. * Phần chiết được sau n lần chiết:  = 1- [ VD.1 1  ] n D.V = 10  99% chất tan được chiết với n = 2 D.V = 0,1  50% chất tan được chiết với n = 7 * Phân bố dòng ngược : Mối liên hệ giữa hằng số phân bố D của chất tan trong quá trình chiết và nồng độ của chất tan trong các phễu chiết hoặc các phân đoạn tách khác nhau được thể hiện trong các phương trình sau: [  ] + (1-  ) n ] = 1 Phần chiết Tn, r của chất tan có mặt trong phân đoạn r với số lần chiết n được xác định theo phương trình: Tn, r = nVD VD rnn n ).1( . . !)(! !  Câu 20. Nêu một số ưu điểm, nhược điểm của kĩ thuật ion hoá theo cơ chế giải hấp sử dụng nguồn Laze với sự trợ giúp nền (MALDI)? HDTL: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 127 Khối phổ - ion hoá theo cơ chế giải hấp với sự trợ giúp nền (Mitrix - asisted Laser Desorption/Ionization Mass spectrometry: MALDI - MS) cho phép phân tích các hợp chất có phân tử lượng lớn với độ nhạy cao. Kỹ thuật ion hoá theo cơ chế giải hấp sử dụng nguồn Laze với sự trợ giúp nền cho phép phân tích chỉ với 1 lượng mẫu khá nhỏ. Hơn nữa, ưu điểm của từng kĩ thuật này là có thể phân tích các mẫu không đồng nhất. Ngoài ra, kỹ thuật này còn được sử dụng hữu hiệu khi ghép nối với thiết bị sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC). Sau đây là các ưu nhược điểm của kĩ thuật MALDI: * Ưu điểm: - Khoảng khối lượng có thể phân tích lên đến 300.000 Da. - Độ nhạy đặc trưng khoảng từ thấp hơn femtomol đến picomol, có thể đạt đến attomol. - Đây là một kĩ thuật “ion hóa mềm”, thường ít hoặc không phân mảnh. - Phù hợp cho phân tích các hỗn hợp phức tạp. * Nhược điểm: - Độ phân giải thấp. Một số thiết bị MALDI có độ phân giải cao hơn nhưng chỉ phân tích được khoảng khối lượng thấp và độ nhạy sẽ giảm. - Nếu mẫu có thể gây khó khăn khi phân tích các hợp chất có khối lượng dưới 1000 Da. Ảnh hưởng nền này phụ thuộc nhiều vào vật liệu nền. - Có thể bị phân huỷ quang học do ion hoá - giải hấp Laze. V.5 Bài tập: Dạng 1: Tính nồng độ của axit còn lại trong pha nước, khi biết hằng số phân li axit và hệ số phân bố. Cách giải: Áp dụng phương trình: K’D = D . nca nc OHK OH ][ ][ 3 3    (1) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 128 và K’D = nc hc HA HA C C (2) Từ (1) và (2)  ncHA C Bài 1: Tính nồng độ axit axetic còn lại trong pha nước nếu ta cho 60,0 ml axit axetic 0,04M chiết bằng 30,0 ml đimetyl ete ở pH = 3,0 và pH = 8,0. Biết hệ số phân bố của axit axetic giữa nước và đimetyl ete là 780. Ka = 1,60.10 -5 . Giải: * Ta có: pH = 3,0  [H3O + ] = 1,0.10 -3 M Áp dụng phương trình: K’D = D . nca nc OHK OH ][ ][ 3 3    = 780 . 53 3 10.6,110.0,1 10.0,1    = 768 Số mmol CH3COOH ban đầu = 0,04 . 60 = 2,40 mmol. Số mmol CH3COOH bị phân bố giữa 2 dung môi: 60,0 . ncCOOHCH C 3 + 30,0 . hcCOOHCH C 3 = 2,40 (*) Ta lại có: K’D = nc hc COOHCH COOHCH C C 3 3 = 768 Từ (*): 60,0 . ncCOOHCH C 3 + 30,0 . 768 . COOHncCHC 3 = 2,40  ncCOOHCH C 3 = 1,04 . 10 -4 M * Ta có: pH = 8,0  [H3O + ] = 1,0.10 -8 M Áp dụng phương trình: K’D = D . nca nc OHK OH ][ ][ 3 3    = 780 . 58 8 10.6,110.0,1 10.0,1    = 0,487  60,0 . ncCOOHCH C 3 + 30,0 . 0,487 . ncCOOHCH C 3 = 2,40  ncCOOHCH C 3 = 3,22 . 10 -2 M Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 129 Bài 2: Hệ số phân bố của axit acrylic giữa H2O và etyl metyl ete là 1200. Hằng số phân li axit Ka = 1,125.10 -5. Nếu ta đem 100,0 ml CH2=CH–COOH 0,05M chiết bằng 50,0 ml etyl metyl ete ở pH = 4,0 thì nồng độ của axit acrylic còn lại trong pha nước là bao nhiêu? Giải: Ta có: pH = 4,0  [H3O + ] = 1,0.10 -4 M Theo phương trình: K’D = D . nca nc OHK OH ][ ][ 3 3    = 1200 54 4 10.125,110.0,1 10.0,1    = 1079 Mặt khác: K’D = nc hc COOHCHCH COOHCHCH C C   2 2 = 1079 Số mmol axit acrylic ban đầu = 0,05 . 100 = 5,0 mmol. Số mmol axit acrylic được phân bố ở giữa 2 dung môi: 5,0 = 100,0 ncHA C + 50,0 . 768 . hcHA C hcHA C và ncHA C : tổng nồng độ của axít acrylic trong pha hữu cơ và pha nước.  hcHA C = 1079 . ncHA C  5,0 = 100,0 ncHA C + 50,0 . 1079 . ncHA C  ncHA C = 9,25 . 10 -5 M. Bài 5: Hệ số phân bố D của axit yếu HA giữa nước và đietyl ete là 800. Hằng số phân li axit Ka = 1,50.10 -5. Tính nồng độ axit HA còn lại trong pha nước nếu ta đem 50ml axit HA 0,050M chiết bằng 25,0ml đietyl ete ở pH = 2,0 và pH = 8,0. Giải: Ta biết pH = 2,0  [H3O + ] = 1,0.10 -2 M Áp dụng phương trình: K’D = D . nca nc OHK OH ][ ][ 3 3    = 800 . 52 2 10.5,110.0,1 10.0,1    = 799 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 130 Số mmol HA ban đầu = 0,050 . 50 = 2,50 mmol. Số mmol HA được phân bố giữa 2 dung môi: 50,0 . ncHA C + 25,0 . hcHA C = 2,50 hcHA C và ncHA C : tổng nồng độ của axit HA trong pha hữu cơ và pha nước. Mặt khác ta có: K’D = nc hc HA HA C C = 799  hcHA C = 799 . ncHA C  2,50 = 50,0 ncHA C + 25,0 . 799 . ncHA C  ncHA C = 1,25 . 10 -4 M. * Ta có: pH = 8,0  [H3O + ] = 1,0.10 -8 M Áp dụng phương trình: K’D = D . nca nc OHK OH ][ ][ 3 3    = 800 . 58 8 10.5,110.0,1 10.0,1    = 0,533  50,0 . ncHA C + 25,0 . 0,533 . ncHA C = 2,50  ncHA C = 3,95 . 10 -2 M Bài 6: Hệ số phân bố của I2 giữa CCl4 và H2O bằng 85. Tính nồng độ I2 còn lại trong pha nước nếu ta đem 50,0 ml dung dịch I2 1,0.10 -3M chiết bằng CCl4 theo các cách sau: Chiết 1 lần bằng 50,0 ml CCl4. Chiết 2 lần bằng 25,0 ml CCl4. Chiết 4 lần bằng 10,0 ml CCl4. Giải: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 131 Áp dụng công thức: nếu chiết n lần mỗi lần V2 ml dung môi hữu cơ thì sau n lần chiết chất A còn lại trong pha nước: Cn = C0 n VVD         )/(1 1 12 = C0 n V V D         1 21 Ta tính được I2 còn lại trong pha nước: 2I C (1) = 1,0.10 -3 1 0,50.85.0,50 0,50       = 1,16.10 -5 M 2I C (2) = 1,0.10 -3 2 0,50.85.0,50 0,50       = 5,28.10 -7 M 2I C (3) = 1,0.10 -3 5 0,50.85.0,50 0,50       = 5,29.10 -10 M Phần còn lại: hc nc A A C C Hình 4.6: Hiệu quả của số lần chiết D = 2; Vnc = 100 ml; Vhc = n 100 ; Tổng Vdmhc = 100 ml Dạng 3: Xác định hệ số phân bố, phần trăm chiết? Cách giải: Áp dụng công thức: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 132 - Hệ số phân bố điều kiện: D = n hc n aY n HX n nc MX HXD DH D n ][.. .][ 1    - % chiết: từ D = E E 100 . nc hc V V  E = D V V D nc hc  100 Bài 7: Người ta chiết thori axetyl axetonat bằng etyl benzen ở điều kiện Ka=1,17.10 -9 ; nMX D = 317; HXD = 5,75; 1 = 8.10 7 ; 2 = 4,2.10 15 ; 3 = 8,3.10 21 ; Tính % chiết thori ở pH = 5 nếu nồng độ cân bằng cuối cùng của axetyl axeton trong pha hữu cơ 10-2M; nc hc V V = 5 1 . Giải: Áp dụng công thức:  1 =            1 0 ][ ][ni i i HX hca i HD HXK K Ta có: ncHX hca HD HXK ][ ][ = 5 29 10.75,5 10.10.17,1   = 2.10 -7  1 = 1 + 8.10 7 .2.10 -7 + 4,2.10 15 .4.10 -14 + 8,3.10 21 .8.10 -21 = 251,4 n hc n a n H n HXK DH ][.. .][   = 4 29 5 10.10.17,1 75,5.10         . 1510.2,4.4,251 1 = 4,654 D = E E 100 . nc hc V V = 654,41 317  = 56,07  E = D V V D nc hc  100 = 07,56 5 1 07,56.100  = 96,56 4 (%) Bài 8: Người ta chiết thori axetyl axetonat bằng benzen ở điều kiện Ka=1,17.10 -9 ; nMX D = 315; HXD = 5,95; 1 = 7.10 7 ; 2 = 3,8.10 15 ; 3 = 7,2.10 21 ; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 133 Tính % chiết thori ở pH = 6 nếu nồng độ cân bằng cuối cùng của axetyl axeton trong pha hữu cơ là 10-3M; nc hc V V = 5 1 . Giải: Áp dụng công thức:  1 =            1 0 ][ ][ni i i HX hca i HD HXK K Ta có: ncHX hca HD HXK ][ ][ = 6 39 10.95,5 10.10.17,1   = 2.10 -7 Ta có:  1 = 1 + 7.10 7 .2.10 -7 + 3,8.10 15 .4.10 -14 + 7,2.10 21 .8.10 -21 = 225 n hc n a n H n HXK DH ][.. .][   = 4 39 6 10.10.17,1 95,5.10         . 1510.8,3.225 1 = 5,948 D = E E 100 . nc hc V V = 948,51 315  = 45,34  E = D V V D nc hc  100 = 34,45 5 1 34,45.100  = 95,78 % Bài 9: Người ta chiết Cu2+ 10-4M bằng đithizon (HX) được hoà tan trong CCl4 có mặt EDTA 10 -2M. Tính hệ số phân bố điều kiện D ở các giá trị pH = 2 và pH= 4. Hằng số bền phức Cu2+ với EDTA là 1018,8. Giải: * Ở pH = 4 ta tìm được - lg Y = 8,48. Hằng số bền điều kiện của phức Cu2+ với EDTA ở pH = 4 là ' CuY = 10 10,3 Từ đó tìm được: Y 1 = 1 + 10 10,3 . 0,01 = 2.10 -8 Hệ số phân bố điều kiện: D = n hc n aY n HX n nc MX HXK DH D n ].[.. .][ 1    Biết nồng độ [HX] = 10-4M ; Ka = 3.10 -5 DHX = 1,1 . 10 4 ; nMX D = 7.10 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 134  = 5.10 22 ; n = 2 Thay giá trị vào biểu thức trên: D = 5381 10.7 4   = 130 * Ở pH = 2 ta tìm được - lg Y = 13,44.  Y 1 = 2,3.10 3  D = 621 10.7 4  = 1,1.10 3 Bài 10: Xác định sự phân bố của chất A sau 3 lần chiết. Biết Vhc = 4ml, Vnc= 5ml và D = 2,5. Giải: Ta có: [Ap]n = p hc A Vn V D C       1 0 [A1]n =       1 5 4 5,2 0 AC = 0,333 0 AC  pha nước chiếm 33,3%. [A2]n = 2 0 1 5 4 5,2        AC = 0,111 0 AC  pha nước chiếm 11,1% [A3]n = 3 0 1 5 4 5,2        AC = 0,037 0 AC  pha nước chiếm 3,7% Dạng 3: Xác định số bậc tách lý thuyết (gọi là đĩa lý thuyết). Cách giải: Để xác định số bậc tách lý thuyết ở tỷ lệ ms/mR cho trước thì cần phải biết đường cân bằng mô tả thành phần giữa tỷ lệ khối lượng YES trong pha “cho” và tỷ lệ khối lượng YER nằm cân bằng với nó trong pha “nhận”. Mối quan hệ này được áp dụng theo định luật phân bố Nernst: YES = k.YER k: hệ số phân bố Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 135 Bài 9: Trong một thiết bị chiết ngược dòng, để loại phenol khỏi nước thải chứa phenol, người ta cần chiết phenol bằng benzen. Trong dung dịch chảy vào thiết bị (hỗn hợp nguyên liệu) tỷ lệ khối lượng phenol/nước ERY vào = 8.10 -3. Tỷ lệ khối lượng phenol/ nước trong dịch bã ở lối ra của thiết bị cho phép chứa tối đa ra ESY = 8.10 -4. Trong dịch chiết (benzen) tại lối ra của thiết bị cần đạt tỷ lệ khối lượng phenol/benzen. ra ESY = 2,85.10 -2 Cần tính lượng benzen đòi hỏi mỗi giờ và số bậc tách lý thuyết khi dòng khối lượng của nước thải là 10.000 kg/giờ. Cho biết các tỷ lệ khối lượng cân bằng như sau: YER (phenol/nước) 0,427.10 -3 0,427.10 -3 5,75.10 -3 YES (phenol/benzen) 1,109.10 -3 4,97.10 -3 53,1.10 -3 Giải: Ta có: mR = mZ ( 1 - ERY vào ) = 10.000(1 – 0,008) = 9920kg/giờ mZ: dòng khối lượng của nguyên liệu. mR: dòng khối lượng của dung môi 1. Cân bằng chất trong toàn thiết bị là: mR( ERY vào - ra ESY ) = mS( ra ESY - ERY vào ) Ta có : mS = [( ERY vào - ra ESY )/( ra ESY - ERY vào )].mR  mS = [(0,008 – 0,0008)/(0,0285 - 0)].9920 = 2506 kg/giờ (benzen). Số bậc tách lý thuyết sẽ được xác định bằng đồ thị. Do vậy, ta vẽ đường làm việc trong giản đồ đối với cân bằng phân bố đã cho, đường này xác định qua điểm A ( ESY vào = 0,008; ra ESY = 0,0285) và điểm B ( ra ERY = 0,0008; ERY vào = 0). Giữa đường làm việc và đường cân bằng chúng ta vẽ các bậc thang và tính được số bậc tách lý thuyết theo nhiệm vụ tách đề ra nth = 7. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 136 Hình 4.7 Sơ đồ xác định số bậc tách lí thuyết Lượng dung môi cần thiết tối thiểu đối với nhiệm vụ tách đặt ra, được xác định từ giá trị nghịch đảo của độ dốc của đường thẳng AB, đường thẳng này cắt đường cân bằng ở giá trị trục hoành ESY vào ứng với tỷ lệ khối lượng chất tan/chất lỏng “mang” của hỗn hợp nguyên liệu. Giá độ nghịch đảo của độ dốc được xem là tỷ lệ dung môi tối thiểu: (mS/mR )min = (YER vào - YER ra )/(YES, max ra – YES vào ) YES, max ra là tỷ lệ khối lượng lớn nhất có thể đạt giữa chất tan/dung môi trong dịch chiết tại tỷ lệ dung môi tối thiểu với YER vào và YES vào cho trước cũng như YER ra đòi hỏi. Câu 10: Trong một hỗn hợp clo hóa lưu huỳnh có phần khối lượng của mono sunfo clorua WER vào = 0,15. Từ một hỗn hợp nguyên liệu này sunfo clorua được chiết ra bằng metanol trong một thiết bị ngược dòng. Các tỷ lệ cân bằng gần như tuân theo định luật phân bố Nernst: YES = 1,3YER. Tỷ lệ khối lượng tối đa mono sunfo clorua/chất lỏng “mang” trong dịch bã tại lối ra của thiết bị chiết là YER ra = 0,0400. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 137 Cần tính tỷ lệ khối lượng tối đa mono sunfoclorua/chất lỏng “mang” trong dịch chiết và tỷ lệ dung môi tối thiểu. Đồng thời xác định số bậc tách lý thuyết đòi hỏi khi tỷ lệ dung môi bằng 1,4 tỷ lệ dung môi tối thiểu. Tỷ lệ khối lượng YES ra của chất tan so với dung môi trong dịch chiết tại lối ra của thiết bị là bao nhiêu? HDTL: Trước hết ta tính phần khối lượng trong hỗn hợp nguyên liệu: WER vào = 0,15 = (0,15/(0,15 + 0,85)) thành tỷ lệ khối lượng: YER vào = 0,15/0,85 = 0,1765 Tỷ lệ khối lượng lớn nhất YES, max ra trong dịch chiết có thể đọc được từ giá trị trên trục tung của đường cân bằng tại giá trị trục hoành YER vào . Hình 4.8 Sơ đồ xác định số bậc tách lí thuyết Tuy nhiên trường hợp này chỉ gần như tuân theo định luật phân bố Nernst do vậy ta có thể tích YES,max ra : YES, max ra = 1,30 . YER vào = 1,30. 0,1765 = 0,2295 YES ra = 0,0400 và YES vào = 0 là các giá trị đã cho. Theo phương trình: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 138 (mS/mR )min = (YER vào - YER ra )/(YES, max ra - YES vào ) = (0,1765 - 0,0400)/(0,2295 - 0) = 0,5948 Đối với tỷ lệ dung môi mS/mR = 1,4.0 . 0,5948 = 0,8327 ta vẽ được đường làm việc như hình vẽ (độ dốc 1/ 0,8327 = 1,201). Theo phương pháp vẽ bậc thang, người ta xác định được số bậc tách lý thuyết nth = 3 với số bậc tách lý thuyết này và tỷ lệ dung môi mS/mR = 0,8327 biết được tỷ lệ khối lượng chất tan/dung môi trong dịch chiết tại lối ra của thiết bị YES ra = 0,1638. Câu 11: Từ một dung dịch lỏng có thành phần khối lượng của axeton (E) WER vào = WEZ vào = 0,50 người ta chiết axeton bằng clo benzen nguyên chất trong dòng ngược chiều liên tục sao cho dịch bã ở lối ra của thiết bị chiết chỉ còn chứa phần khối lượng của axeton là WER ra = 0,10. Tính: a/ dòng khối lượng tối thiểu của dung môi. b/ phần khối lượng tối đa của axeton trong dịch chiết, thành phần của các pha cùng tồn tại cân bằng như sau: Pha nước WRR 0,9989 0,8979 0,7969 0,6942 0,5864 0,4628 0,2741 0,2566 WER 0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,6058 Pha hữu cơ WRS 0,0018 0,0049 0,0079 0,0772 0,0305 0,0724 0,2285 0,2566 WES 0 0,1079 0,2223 0,3748 0,4944 0,5919 0,6107 0,6058 Giải: Với các số liệu ở pha nước và pha hữu cơ, người ta vẽ đường binodan và đường conot đối với hệ 3 cấu tử nước (R) - axeton (E) - clo benzen (S). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 139 Hình 4.9: Đường binodan và đường conot đối với hệ 3 cấu tử nước (R) - axeton (E) - clo benzen (S). Trong đó các điểm: Z, Rn (thành phần dịch bã tại lối ra) biết được từ đầu bài, đồng thời kẻ được đường thẳng RnS. Điểm cực O tại dòng dung môi tối thiểu nằm trên đường thẳng kéo dài qua Rn và S, điểm này được xác định qua điểm cắt của mọi đường conot với đường thẳng qua Rn và S ở cách xa giản đồ tam giác nhất. Đường thẳng xuất phát từ O qua Z cắt đường binođan tại điểm S*. Điểm này cho biết thành phần khối lượng tối đa của axeton trong dịch chiết WRS ra = 0.085 (nước trong dịch chiết) WSS ra = 0,315 (clo benzen trong dịch chiết). Đường thẳng qua các điểm Z và S cũng như S* và Rn cho biết điểm hỗn hợp P. Từ các đoạn PZ và PS theo quy tắc đòn bẩy người ta nhận được: 241,0 PS PZ m m z s nghĩa là ms = 0,241mz.  đó là dòng khối lượng tối thiểu của dung môi để thực hiện nhiệm vụ tách với số bậc tách vô cùng lớn. Câu 12: Từ một hỗn hợp axeton - nước với 1 tỉ lệ khối lượng axeton/nước YER vào = 0,50 (E chất tan, đó là axeton) cần phải chiết axeton trong dòng ngược chiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 140 bằng clobenzen. Dịch bã cho phép tỉ lệ khối lượng axeton nước cao nhất là YER ra = 0,02. Các dòng khối lượng chảy vào của nguyên liệu và dung môi là bằng nhau (mz = ms vào). Dòng khối lượng chảy vào của nguyên liệu là 1000 kg/giờ. Số liệu về thành phần các pha: Pha nước WRR 0,9989 0,8979 0,7969 0,6942 0,5864 0,4628 0,2741 0,2566 WER 0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,6058 Pha hữu cơ WRS 0,0018 0,0049 0,0079 0,0772 0,0305 0,0724 0,2285 0,2566 WES 0 0,1079 0,2223 0,3748 0,4944 0,5919 0,6107 0,6058 Cần xác định: a/ số bậc tách lí thuyết. b/ Dòng khối lượng của dịch chiết. Giải: Hình 4.10 Đường binodan và đường conot đối với hệ nước - axeton - clo benzen. a/ Ta nối điểm Z (ứng với thành phần của nguyên liệu) với điểm S (ứng với clobenzen nguyên chất) bằng một đường thẳng. Bởi vì mz = ms vào do vậy điểm P nằm ở giữa của đường ZS biểu diễn thành phần hợp thành của nguyên liệu và dung môi. Thành phần đòi hỏi cuối cùng của dịch bã (Rn) và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 141 của dịch chiết S1 là cho trước. Đoạn kéo dài của đường thắng ZS1 và RnS cắt nhau tại điểm cực O. Điểm này là điểm cắt chung của tất cả các tia đi qua mọi điểm ứng với thành phần của dịch bã tại một bậc bất kì và thành phần của dịch chiết ở bậc tiếp theo. Đường conot qua S1 cho biết điểm R1. Tia cực qua R1 cho biết S2 .... Cấu trúc này được thực hiện tiếp tục xuống phía dưới cho đến khi đạt được thành phần cuối cùng của dịch bã YER ra = 0,02. Ở trư- ờng hợp này Rn = R4; có nghĩa là đòi hỏi 4 bậc tách lí thuyết. b/ Các dòng khối lượng chảy vào của nguyên liệu và dung môi được xác định là : mz + ms vào = 1000 + 1000 = 2000 kg/giờ. Từ tỉ lệ các đoạn thẳng ta có: 049,3 15,7 8,21 4 1 1 4  R S m m PS PR (a) Bởi tổng các dòng khối lượng chảy vào bằng tổng các dòng khối lượng chảy ra, ta có : gikgmm RS /200041  ờ (b) Giải (a), (b): gikgmS /1506 049,3 1 1 2000 1    ờ Dạng 4: Dựa vào sắc đồ để xác định: thời gian lưu, thể tích lưu, tốc độ chảy, độ phân giải pic, số đĩa lý thuyết của cột sắc kí. Cách giải: Áp dụng công thức: - Thời gian lưu: tR = Au L = u L (1 + k’) trong đó: uA: vận tốc của chất cần phân tích. L: chiều dài cột (cm). k’: thừa số dung tích, có f = '1 1 k ; tm = u L Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 142 - Thể tích lưu: VR (ml) = tR(s) . F (ml/s) F: tốc độ chảy. - Độ phân giải pic: R = 2/)( BA R WW t   W: chiều ngang pic. - Số đĩa lý thuyết: n = H L H: chiều cao pic. Bài tập: Cho sơ đồ của hỗn hợp chất phân tích 4.11 (A) và 4.11 (B): (dùng cho bài tập 13; 14; 15; 16). Vm V RA V' RA V RB V' RB 0 2 4 6 8 40 45 50 55 60 (W ) A (W ) B V1 V2 A B V3 Hình 4.11 (A): nồng độ là hàm của thể tích rửa giải N ồ n g đ ộ c h ấ t p h â n t í ch , m o l/ l Bơm mẫu, V = 0 Thể tích (ml) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 143 m t RA t' RA t RB t' RB 0 10 20 30 40 200 220 240 260 280 300 (W ) A (W ) B t1 t2 A B t3 t Hình 4.11 (B): Tín hiệu đo ( c, ) là hàm của thời gian Bài 13: Dùng sắc đồ trên hình vẽ (4.11A) và VS = 10 ml, hãy tính các đại l- ượng cho dưới đây: tR; tm; VR; Vm; F; V’R; t’R;  ; k’; D? Giải: Lượng Cách tính và kết quả tR Dựa vào hình 4.11(A) ta có: 250s (A); 270s (B) tm Dựa vào hình 4.11(A) ta có: 30s VR Dựa vào hình 4.11(A) ta có: 50ml (A); 54ml (B) Vm Dựa vào hình 4.11(A) ta có: 60ml F F = R R t V = 250 50 = 0,2 ml/s V’R V’R = VR - Vm = 50 - 6 = 44 ml (A) V’R = VR - Vm = 54 - 6 = 48 ml (B) t’R t’R = tR - tm = 250 - 30 = 220 s (A) t’R = tR - tm = 270 - 30 = 240 s (B)  (A là chất chuẩn) stdR R V V ' '  = 44 48 = 1,09 Hoặc stdR R t t ' '  = 220 240 = 1,09 T í n h iệ u Bơm mẫu, t = 0 Thời gian (s) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 144  (B là chất chuẩn) stdR R V V ' '  = 48 44 = 0,917 k’ k’ = m R V V - 1 = 1 6 50  = 7,33 (A) hoặc k’ = m R t t - 1 = 1 30 250  = 7,33 (A) k’ = m R V V - 1 = 1 6 54  = 8,00 (B) D D = S mR V VV  = 10 650 = 4,4 (A) D = S mR V VV  = 10 654 = 4,8 (B) Bài 14: a, Hãy tính số đĩa lý thuyết của cột sắc kí đã cho sắc đồ ở hình vẽ (4.11A)? b, Nếu cột dài 120cm thì H của cột đó là bao nhiêu? Giải: a, Từ phương trình: n = 2 4             W tR = 24       W tR và số liệu ở hình (a) ta thấy rằng: đối với pic của A ta có: n = 2 15 250.4       = 4,44.10 3 đĩa lý thuyết. đối với pic của B ta có: n = 2 17 270.4       = 4,04.10 3 đĩa lý thuyết. b, Chiều cao của pic: H = n L = 310.2,4 120 = 0,029 cm/đĩa lý thuyết. Bài 15: Tính độ phân giải của các pic trong hình (4.11)? Giải: Ta có: R = 2/)( BA R WW t   = 2/)1715( 250270   = 1,25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 145 Độ phân giải này là hợp lý đối với việc tách hoàn toàn (< 2% A sẽ ở trong pic B và < 2% B sẽ ở trong pic A) nhưng không thật hợp lí với độ phân giải đường đáy. Bài 16: Tính độ phân giải khi tách A và B nếu dùng cột dài 200cm thay cho cột 120cm của các pic trong hình (4,11)? Giải: Từ phương trình: tR = Au L = u L (1 + k’) Ta thấy thời gian lưu tỷ lệ thuận với chiều dài cột L, còn tốc độ và thừa số dung lượng không biến đổi theo chiều dài cột. Do đó: tRA = 250. 120 200 = 417s tRB = 270. 120 200 = 450s Số đĩa lý thuyết cũng tỷ lệ với chiều dài cột: n = 4,2.10 3 120 200 = 7,0.10 3 Bây giờ có thể tính bề ngang pic với phương trình: n = = 24       W tR  W = n tR 216  WA = 3 2 10.0,7 )417.(16 = 20s  WB = 3 2 10.0,7 )450.(16 = 22s Độ phân giải là: R = 2/)( BA R WW t   = 2/)2220( 417450   = 1,57 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 146 Bài 17: Một cột sắc kí khí 150cm đã được nhồi bằng các hạt 50 m và cho các kết quả thực nghiệm dưới đây khi rửa giải một chất phân tích. Hãy xác định vận tốc chảy tối u và số đĩa lý thuyết cho cột khi được vận hành ở những điều kiện tối u: Lần chạy u (cm/s) tR (s) W (s) 1 10 450 24 2 30 150 7,5 3 50 90 5 Giải: Phương trình Van Deemter chứa 3 hằng số A, B, C và do đó cần có một cực tiểu của 3 điểm để xác định chúng. Các giá trị của H sẽ được tính trước hết bằng cách tính số đĩa lý thuyết. Lần chạy 1: n = 24       W tR = 24 450.4 = 5,6.10 3  H = n L = 2 24 450.4       = 0,0267 cm Lần chạy 2: n = 24       W tR = 2 5,7 150.4       = 6,4.10 3  H = n L = 310.4,6 150 = 0,0234 cm Lần chạy 3: n = 24       W tR = 2 5 90.4       = 5,2.10 3  H = n L = 310.2,5 150 = 0,0289 cm Các giá trị này của H và những giá trị tương ứng của u có thể được sử dụng để lập đồng thời 3 phương trình: H = Cu u B A  0,0267 = C B A 10 10   A = 0,0067 cm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 147 0,0234 = C B A 30 30   B = 0,163 cm2/s 0,0289 = C B A 50 50   C = 3,8.10- 4 s Vận tốc tối u là: Uopt = C B = 410.8,3 163,0  = 21 cm/s Ở vận tốc tối u, giá trị của H là: Hmin = A + 2 BC = 0,0067 + 2 410.8,3.163,0  = 0,0224 cm Ở vận tốc tối u, số đĩa lý thuyết được tính theo: n = H L = 0224,0 150 = 6,7.10 3 đĩa lý thuyết. Bài 18: Một hỗn hợp chỉ chứa benzen (C6H6) và brombenzen (C6H5Br) cho 2 pic 9,50 cm 2 và 4,78 cm2 tương ứng trên một sắc đồ. Giả thiết là có sự đáp ứng mol như nhau. Hãy tính số % mol và số % theo trọng lượng của benzen và brombenzen trong hỗn hợp ? Giải: Diện tích (cm2) % tổng diện tích (mol %) Benzen 9,50 (9,50/14,28).100(%) = 66,5% Brombenzen 4,79 (4,78/14,28).100(%) = 33,5% Tổng 14,28 Với 100 mol hỗn hợp, 66,5 mol là benzen và 33,5 mol là brombenzen. Khối lượng của hỗn hợp này là: Số mol.M(g/mol) = g % khối lượng Benzen 66,5.78,11 = 5,194 (5,194/10,454).100(%) = 49,7% Brombenzen 33,5.157,02 = 5,260 (5,260/10,454).100(%) = 50,3% Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 148 Tổng trọng lượng = 10,454 Dạng 4: Xác định lượng chất tan còn lại trong pha nước và lượng chất tan đi vào pha hữu cơ. Cách giải: Chất A phân bố giữa pha nước và pha hữu cơ: Giả sử có m0 mmol A sau khi chiết với Vhc ml dung dịch hữu cơ từ Vn ml dung dịch nước, m1,1 là lượng chất tan còn lại trong pha nước và m0 - m1,1 lượng chất tan đi vào pha hữu cơ thì: [A]hc = hcV mm 1,10  ; [A]n = nV m 1,1 D = n hc Vm Vmm / / 1,1 1,10   m1,1 = m0              n hc V V D1 1 Bài 19: I2 có thể thu được chiết từ pha nước bằng dung môi hữu cơ. Hệ số phân bố khi chiết bằng CCl4 là 85. Nếu 50 ml của dung dịch nước chứa 2.10 - 2 mmol I2 được tiếp xúc với 30 ml CCl4. Tính lượng I2 trong pha nước và pha hữu cơ. Giải: Áp dụng công thức: m1,1 = m0              n hc V V D1 1 Ta có: lượng chất tan còn lại trong pha nước là: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 149 m1,1 = m0              n hc V V D1 1 = 2.10 -2              50 30 851 1 = 3,85.10 -4 mmol Vậy lượng chất tan còn lại trong pha hữu cơ là: m0 – m1,1 = 2.10 -2 – 0,00385.10-2  1,96.10-2 mmol Bài 20: Một chất A có thể bị chiết từ pha nước vào ete. Hệ số phân bố bằng 10. Nếu dung dịch nước chứa 2,5mg A. a, Thể tích pha nước bằng pha hữu cơ thì chiết được bao nhiêu %A? b, %A có thể bị chiết bằng bao nhiêu nếu chia Vhc làm 4 phần và chiết 4 lần? Giải: a, Áp dụng công thức: m1,1 = m0              n hc V V D1 1 Ta có: lượng chất tan còn lại trong pha nước là: m1,1 = m0              n hc V V D1 1 = 2,5              1 1 101 1 = 0,23 mg Vậy lượng chất tan còn lại trong pha hữu cơ là: m0 – m1,1 = 2,5 – 0,23 = 2,27 mg = 90,8% b, Phần trăm còn lại khi giảm Vhc: còn lại % = 100 4 1 1 101 1        = 0,67% % chiết = 100 – 0,67 = 99,33% Kết luận chƣơng IV: Chương “Các phương pháp tách, chiết và phân chia ”: đã xây dựng hệ thống câu hỏi tự luận và hệ thống bài tập có phân loại theo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 150 các dạng bài tập và đề xuất cách giải: Tính nồng độ của axit còn lại trong pha nước khi biết hằng số phân li axit và hệ số phân bố; xác định hệ số phân bố và phần trăm chiết; xác định số bậc tách lý thuyết; xác định thời gian lưu, thể tích lưu, tốc độ chảy, độ phân giải pic, số đĩa lý thuyết của cột sắc kí, xác định lượng chất tan còn lại trong pha nước và lượng chất tan đi vào pha hữu cơ. ._.