Bài giảng môn học Phân tích thực phẩm

Nội dung text: Bài giảng môn học Phân tích thực phẩm

1. TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Bộ môn Quản lý chất lƣợng và An toàn thực phẩm BÀI GIẢNG PHÂN TÍCH THỰC PHẨM (Hệ Đại học) Biên soạn: VŨ HOÀNG YẾN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 08/2012 2
2. MỤC LỤC MỤC LỤC 3 BẢNG VIẾT TẮT 6 Chƣơng 1 ĐẠI CƢƠNG VỀ PHÂN TÍCH THỰC PHẨM 7 1.1. Khái niệm phân tích thực phẩm 7 1.2. Mục đích phân tích thực phẩm 7 1.3. Phân loại phƣơng pháp phân tích trong thực phẩm 7 1.4. Các kỹ thuật phân tích ứng dụng trong thực phẩm 7 1.5. Lựa chọn phƣơng pháp phân tích 7 1.6. Lấy mẫu và xử lý mẫu trong phân tích thực phẩm 8 1.6.1. Các khái niệm 8 1.6.2. Các qui định về lấy mẫu 8 1.6.3. Kỹ thuật lấy mẫu 10 1.6.4. Gửi mẫu và nhận mẫu 12 1.6.5. Xử lý mẫu 13 1.7. Xử lý số liệu phân tích bằng phƣơng pháp thống kê trong phân tích thực phẩm 15 1.7.1. Giá trị trung bình 15 1.7.2. Phƣơng sai 15 1.7.3. Độ lệch chuẩn 15 1.7.4. Ƣớc lƣợng khoảng tin cậy của kết quả phân tích 16 1.7.5. Các ví dụ 17 Chƣơng 2 PHÂN TÍCH HÓA HỌC CỔ ĐIỂN 18 2.1. Phân tích trọng lƣợng 18 2.1.1. Giới thiệu chung về phƣơng pháp phân tích trọng lƣợng 18 2.1.2. Các phƣơng pháp phân tích trọng lƣợng 18 2.2. Chuẩn độ thể tích 23 2.2.1. Giới thiệu chung về phƣơng pháp chuẩn độ thể tích 23 2.2.2. Các phƣơng pháp chuẩn độ thể tích 26 Chƣơng 3 PHÂN TÍCH CÔNG CỤ 32 3.1. Phân tích đo điện thế 32 3.1.1. Đặc điểm của phân tích đo điện thế 32 3.1.2. Thế điện cực 32 3.1.3. Phƣơng pháp đo độ điện thế 35 3
3. 3.2. Phân tích quang học 38 3.2.1. Phƣơng pháp đo chỉ số khúc xạ, đo góc quay cực 38 3.2.2. Phƣơng pháp quang phổ hấp thu phân tử 41 3.2.3. Phƣơng pháp quang phổ hấp thu nguyên tử 45 3.3. Phân tích sắc ký 47 3.3.1. Cơ sở lý thuyết 47 3.3.2. Quá trình sắc ký cơ bản 47 3.3.3. Phân loại các phƣơng pháp sắc ký phổ biến 47 3.3.4. Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) 48 3.3.5. Sắc ký khí 49 Chƣơng 4 PHÂN TÍCH MỘT SỐ CHỈ TIÊU TRONG THỰC PHẨM 52 4.1. Xác định độ ẩm 52 4.1.1. Ý nghĩa của việc xác định độ ẩm trong thực phẩm 52 4.1.2. Một số phƣơng pháp xác định độ ẩm 52 4.2. Xác định hàm lƣợng muối khoáng 59 4.2.1. Ý nghĩa của việc xác định hàm lƣợng muối khoáng 59 4.2.2. Xác định tro tổng 59 4.2.3. Xác định tro không tan trong HCl 61 4.2.4. Xác định hàm lƣợng muối ăn 61 4.2.5. Định lƣợng Fe bằng phƣơng pháp UV-VIS với thuốc thử 1,10-phenaltroline 66 4.3. Xác định độ chua 66 4.3.1. Ý nghĩa của việc xác định độ chua trong thực phẩm 66 4.3.2. Xác định độ chua toàn phần 66 4.3.3. Xác định độ acid d bay hơi 69 4.3.4. Xác định độ acid cố định 70 4.3.5. Xác định độ acid toàn phần bằng phƣơng pháp chuẩn độ điện thế 71 4.4. Phân tích hàm lƣợng glucide 74 4.4.1. Ý nghĩa của việc xác định hàm lƣợng glucide trong thực phẩm 74 4.4.2. Xử lý mẫu thử 74 4.4.3. Phƣơng pháp Bertrand 76 4.4.4. Xác định đƣờng khử bằng phƣơng pháp Lane – Eynon 78 4.4.5. Phƣơng pháp quang phổ với thuốc thử DNS 79 4.4.6. Xác định dextrine bằng phƣơng pháp kết tủa với cồn 80 4
4. 4.5. Xác định hàm lƣợng protide 81 4.5.1. Ý nghĩa của việc xác định hàm lƣợng protide trong thực phẩm 81 4.5.2. Xác định hàm lƣợng protide thô 82 4.5.3. Xác định hàm lƣợng protein 86 4.5.4. Xác định hàm lƣợng đạm formon bằng phƣơng pháp Sorensen 88 4.5.5. Xác định hàm lƣợng đạm thối bằng phƣơng pháp cất kéo hơi nƣớc 90 4.6. Xác định hàm lƣợng lipide 92 4.6.1. Ý nghĩa của việc xác định hàm lƣợng lipide 92 4.6.2. Xác định hàm lƣợng lipide thô trong thực phẩm rắn bằng phƣơng pháp Soxhlet 92 4.6.3. Xác định hàm lƣợng lipide trong thực phẩm lỏng bằng phƣơng pháp Adam Rose 96 4.6.4. Xác định chỉ số acid, chỉ số peroxide, chỉ số iod trong dầu mỡ động thực vật 97 4.7. Phân tích một số phụ gia thực phẩm 102 4.7.1. Ý nghĩa của việc phân tích một số phụ gia thực phẩm 102 4.7.2. Định danh phẩm màu hữu cơ tan trong nƣớc bằng phƣơng pháp sắc ký giấy 102 4.7.3. Xác định hàm lƣợng nitrite, nitrate trong thực phẩm 105 4.7.4. Xác định chất bảo quản sorbic, benzoic bằng phƣơng pháp sắc ký lỏng cao áp 108 4.8. Phân tích một số chất độc trong thực phẩm 110 4.8.1. Xác định hàn the bằng phƣơng pháp bán định lƣợng 110 4.8.2. Xác định aflatoxin 113 4.8.3. Xác định dƣ lƣợng hóa chất bảo vệ thực vật nhóm clo hữu cơ bằng phƣơng pháp sắc ký khí (GC-ECD) 116 PHỤ LỤC 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 126 5
5. BẢNG VIẾT TẮT AOAC Hiệp hội các nhà hóa học phân tích chính thống TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam AAS Phƣơng pháp phổ hấp thu nguyên tử ICP Quang phổ phát xạ plasma SPE Chiết pha rắn UV - VIS Tử ngoại – khả kiến HCL Đèn catot rỗng EDL Đèn phóng điện không điện cực LC Sắc ký lỏng HPLC Sắc ký lỏng hiệu năng cao (sắc ký lỏng cao áp) LCMS Sắc ký lỏng ghép khối phổ GC Sắc ký khí GCMS Sắc ký khí ghép khối phổ DAD Detector chuỗi diod PDA Detector quét phổ RF Detector huỳnh quang GLC Sắc ký khí - lỏng GSC Sắc ký khí - rắn TCD Detector dẫn nhiệt FID Detector ion hóa ngọn lửa NPD Detector nitơ phospho ECD Detector cộng kết điện tử 6
6. Chƣơng 1 ĐẠI CƢƠNG VỀ PHÂN TÍCH THỰC PHẨM 1.1. Khái niệm phân tích thực phẩm Phân tích thực phẩm là việc sử dụng các phƣơng pháp phân tích lý học, hóa học, hóa lý, vi sinh vật để xác định các chỉ tiêu hóa lý, vi sinh vật, cảm quan của sản phẩm nhằm xác định một loại thực phẩm nào đó có đạt hay không đạt tiêu chuẩn qui định. Trong nội dung cuốn giáo trình này chỉ trình bày các phƣơng pháp phân tích hóa học và lý học để xác định một số chỉ tiêu hóa lý của thực phẩm. 1.2. Mục đích phân tích thực phẩm Phân tích thực phẩm nhằm mục đích kiểm tra, đánh giá một loại thực phẩm nào đó có đáp ứng các tiêu chuẩn về phẩm chất và thành phần dinh dƣỡng theo đúng qui định. Phân tích thực phẩm nhằm kiểm soát chất lƣợng sản phẩm trong hoạt động sản xuất, đảm bảo tính đồng nhất, tính an toàn về các chỉ tiêu chất lƣợng của sản phẩm; kiểm soát sự lãng phí nếu có trong quá trình sản xuất. Mặt khác phân tích thực phẩm nhằm tạo cơ sở để nghiên cứu phát triển sản phẩm mới. Phân tích thực phẩm nhằm cung cấp số liệu về chất lƣợng thực phẩm để đƣa ra những nhận định khách quan phục vụ cho công tác quản lý nhà nƣớc về an toàn vệ sinh thực phẩm. Đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm chính là bảo vệ quyền lợi và sức khỏe ngƣời tiêu dùng. 1.3. Phân loại phƣơng pháp phân tích trong thực phẩm Phân tích định tính là phƣơng pháp cho phép nhận biết các chất, cấu trúc, thành phần có trong mẫu phân tích thực phẩm nhờ vào các thiết bị phân tích hay các phản ứng hóa học đặc trƣng đối với chất cần xác định. Phân tích định lƣợng là phƣơng pháp cho phép xác định số lƣợng, giá trị của đối tƣợng có trong mẫu, đƣợc biểu di n giá trị %, mg/kg, mg/l, μg/kg, μg/l 1.4. Các kỹ thuật phân tích ứng dụng trong thực phẩm Phân tích hóa học cổ điển: phân tích trọng lƣợng và chuẩn độ thể tích Phân tích công cụ: phân tích điện hóa, phân tích sắc ký, phân tích quang phổ 1.5. Lựa chọn phƣơng pháp phân tích Lựa chọn các phƣơng pháp phân tích dựa vào các yếu tố: Có tính tiên tiến: Thể hiện ở độ đúng, độ chính xác, tính chọn lọc, tính đặc trƣng. Có tính thực tế: Phƣơng pháp thử đƣa ra phải phù hợp với điều kiện thực tế, có tính khả thi cao (phù hợp trang thiết bị, máy, kỹ thuật, hóa chất, thuốc thử, trình độ con ngƣời ). Có tính kinh tế: Phƣơng pháp thử đƣa ra ít tốn kém mà vẫn đáp ứng các nêu cầu nêu trên. Có tính an toàn cao: An toàn lao động và bảo vệ sức khỏe (ít dùng hóa chất độc hại, tránh đƣợc các thao tác kỹ thuật phức tạp, nguy hiểm ). Phân tích thực phẩm sử dụng các phƣơng pháp chính thức nhƣ AOAC (Association of Officical Analytical Chemists), tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) hoặc các 7
7. phƣơng pháp mới từ các tạp chí khoa học sau khi đã đƣợc phòng kiểm nghiệm thẩm định phƣơng pháp phân tích. 1.6. Lấy mẫu và xử lý mẫu trong phân tích thực phẩm Lấy mẫu là khâu quan trọng trong việc đánh giá chất lƣợng của lô sản phẩm, nó đòi hỏi phải hết sức thận trọng, bởi vì mẫu phản ánh chính xác mọi đặc điểm chất lƣợng và phải đặc trƣng cho thành phần trung bình của lô sản phẩm. Lấy mẫu không đúng phƣơng pháp, kết quả phân tích mẫu thử sẽ không phản ánh đúng đặc tính của lô sản phẩm, từ đó dẫn đến việc đánh giá không đúng chất lƣợng lô sản phẩm đó. 1.6.1. Các khái niệm Lấy mẫu thực phẩm: là các thao tác kỹ thuật nhằm thu đƣợc một lƣợng thực phẩm nhất định đại diện và đồng nhất phục vụ cho việc phân tích, đánh giá chất lƣợng, vệ sinh an toàn thực phẩm. Lô sản phẩm thực phẩm: là một số lƣợng xác định của một loại sản phẩm cùng tên, chất lƣợng, nguyên liệu, thời hạn sử dụng và đƣợc sản xuất tại cùng một cơ sở. Lô hàng đồng nhất: là lô hàng bao gồm những sản phẩm có cùng tên gọi, cùng một loại phẩm chất và khối lƣợng, đựng trong cùng một kiểu bao bì, cùng kích thƣớc, sản xuất trong cùng một ngày hay nhiều ngày (tùy theo thỏa thuận của ngƣời có hàng và ngƣời lấy mẫu) theo cùng một qui trình công nghệ sản xuất. Mẫu ban đầu (mẫu riêng): là lƣợng mẫu lấy ra từ vị trí định cỡ ban đầu của lô sản phẩm (bao gói, kiện thùng) đã đƣợc chỉ định lấy mẫu Mẫu chung: là tập hợp tất cả các mẫu riêng. Mẫu đại diện: là lƣợng mẫu đƣợc lấy ra từ mẫu chung dùng để đánh giá chất lƣợng của lô sản phẩm. Mẫu đại diện đƣợc chia thành 3 phần: Mẫu kiểm nghiệm: là mẫu chung dùng để kiểm nghiệm, đánh giá các chỉ tiêu tại phòng kiểm nghiệm. Mẫu lƣu: là mẫu có cùng đặc tính của mẫu kiểm nghiệm và đƣợc lƣu tại cơ sở kiểm nghiệm, cơ sở đƣợc lấy mẫu 1.6.2. Các qui định về lấy mẫu 1.6.2.1. Đối tƣợng lấy mẫu Với hệ thống tự kiểm tra của nhà sản xuất: nguyên liệu thực phẩm, bao bì đóng gói, sản phẩm trung gian, bán thành phẩm, thành phẩm. Với hệ thống quản lý nhà nƣớc: thực phẩm và các nguyên liệu thực phẩm đang trong quá trình lƣu thông hoặc tồn trữ trong kho. 1.6.2.2. Ngƣời lấy mẫu Đối với cơ sở sản xuất: cán bộ chuyên môn của phòng kiểm tra chất lƣợng sản phẩm tiến hành lấy mẫu có sự chứng kiến của đại diện bộ phận sản xuất. Việc lấy mẫu đƣợc tiến hành bởi các thanh tra viên, cán bộ lấy mẫu có chuyên môn có chứng chỉ lấy mẫu do cơ quan có thẩm quyền cấp. 8
8. Phải tiến hành lập biên bản lấy mẫu, biên bản bàn giao mẫu và dán tem niêm phong theo mẫu đƣợc qui định, phải chuẩn bị đầy đủ thủ tục, dụng cụ, thiết bị lấy mẫu và bảo quản mẫu. Thực hiện đúng các qui trình kỹ thuật đảm bảo tính khách quan, trung thực trong quá trình lấy mẫu, vận chuyển và bàn giao mẫu cho đơn vị kiểm nghiệm. 1.6.2.3. Các yêu cầu về lấy mẫu Mẫu thực phẩm phải đại diện cho cả lô hàng đồng nhất. Trƣớc khi lấy mẫu phải xem xét lô hàng có đồng nhất không và kiểm tra tình trạng bao bì của lô hàng đó. Mẫu hàng lấy đƣa đi kiểm nghiệm phải là mẫu trung bình, nghĩa là sau khi chia thành lô hàng đồng nhất, mẫu sẽ lấy đều ở các góc, ở phía trên, phía dƣới, giữa lô hàng và trộn đều. Đối với thực phẩm lỏng nhƣ nƣớc chấm, nƣớc mắm, dầu ăn, thƣờng đựng trong các bể và thùng to, dùng ống cao su sạch, khô cắm vào các vị trí trên, dƣới, giữa cạnh bể hay thùng để lấy mẫu hoặc khuấy kỹ cho đều trƣớc khi lấy mẫu. Đối với các thực phẩm rắn nhƣ gạo, chè, thuốc lá thì lấy ở trên, dƣới, giữa các bao hoặc các đống ở vị trí trong lô hàng đồng nhất. Đối với các thực phẩm đóng gói dƣới dạng đơn vị nhƣ hộp, chai, lọ mẫu lấy giữ nguyên bao bì. Phƣơng pháp lấy mẫu cụ thể đƣợc qui định trong các tiêu chuẩn Việt Nam đối với từng loại, nhóm thực phẩm. Tỷ lệ lấy mẫu từ 0,5 đến 1% tùy theo số lƣợng nhƣng mỗi lần lấy không ít hơn lƣợng cần thiết để gửi mẫu và kiểm nghiệm (Xem phụ lục I) Lƣợng mẫu tối thiểu là lƣợng mẫu đủ để kiểm nghiệm một chỉ tiêu của sản phẩm. Tùy thuộc vào mục đích kiểm tra lƣợng mẫu lấy có thể đƣợc tăng hay giảm phù hợp với yêu cầu kiểm tra. Trong trƣờng hợp không đủ để lƣu mẫu, mọi thay đổi cần ghi rõ trong biên bản lấy mẫu và biên bản bàn giao mẫu. Quá trình lấy mẫu phải đƣợc giám sát và ghi chép đầy đủ. Tất cả các dấu hiệu không đồng nhất, hƣ hỏng của sản phẩm và bao bì bảo quản đều phải ghi chép lại. Sau khi lấy mẫu phải lắc kỹ nếu là thực phẩm lỏng, trộn đều nếu thực phẩm rắn rồi chia thành mẫu thử trung bình để gửi đi kiểm nghiệm hóa lý, cảm quan, vi sinh vật. Sau khi kết thúc quá trình lấy mẫu, mẫu kiểm nghiệm phải đƣợc bàn giao ngay cho đơn vị kiểm nghiệm trong thời gian sớm nhất. Lưu ý: Điều kiện bảo quản trong suốt quá trình lấy mẫu, vận chuyển, bàn giao và lƣu mẫu phải phù hợp với các yêu cầu về bảo quản do nhà sản xuất công bố. Thời gian lƣu mẫu đối với mẫu lƣu và mẫu kiểm nghiệm căn cứ vào tình hình thực tế của đặc tính yêu cầu bảo quản mẫu. 9
9. 1.6.3. Kỹ thuật lấy mẫu 1.6.3.1. Lấy mẫu ngẫu nhiên đơn giản Thƣờng áp dụng khi lấy mẫu trong kho, trong một tập hợp ta lấy ra một lƣợng mẫu bất kì. Địa điểm bất kì đó thƣờng dựa vào bảng ngẫu nhiên. Ví dụ trong kho có 10000 sản phẩm xếp theo một trật tự nhất định có thể xác định đƣợc vị trí từ 1 đến 10000 theo một qui luật nào đấy. Ta cần lấy ra 200 mẫu sản phẩm, vậy lấy các sản phẩm ở vị trí nào? Hãy dùng bảng số liệu ngẫu nhiên (bảng 1.1). Từ một vị trí bất kì trong bảng ngẫu nhiên ta chọn một số có 4 chữ số, số đó là mẫu số 1 cần lấy. Lần lƣợt dóng sang phải (hoặc sang trái, lên trên, xuống dƣới) ghi lại các con số có 4 chữ số tiếp theo cho đủ 200 số nhƣ vậy. Giá trị của 200 con số vừa ghi đƣợc chính là vị trí của 200 mẫu cần lấy trong tập hợp 10000 sản phẩm. Theo cách lấy mẫu ngẫu nhiên đơn gian này, mẫu sẽ đại diện khá chặt cho lô hàng nên ta có độ chính xác cao nhƣng thứ tự lấy mẫu không theo một trật tự nào nên lấy mẫu khá vất vả, đôi khi không thực hiện đƣợc. Bảng 1.1. Bảng số ngẫu nhiên (trích) 1.6.3.2. Lấy mẫu ngẫu nhiên hệ thống Thƣờng áp dụng cho các dây chuyền sản xuất liên tục hoặc trong thời gian chuyển hàng vào bể chứa. Kỹ thuật nêu lên cách lấy mẫu sản phẩm theo chu kì thời 10
10. gian sản xuất hoặc thứ tự sản phẩm đƣợc sản xuất ra trên dây chuyền đó. Thông thƣờng ngƣời ta lấy các sản phẩm sản xuất ra cách đều đặn nhau một giá trị K nào đó gọi là khoảng lấy mẫu. Khoảng lấy mẫu phụ thuộc vào độ lớn của cỡ lô (N) và độ lớn của cỡ mẫu (n). Một cách tổng quát, khoảng lấy mẫu đƣợc tính theo công thức dƣới đây và mẫu đầu tiên nằm một cách ngẫu nhiên giữa 1 và K N: là tổng số sản phẩm trong lô n: là số mẫu cần lấy ra Ví dụ trong một ca sản xuất sẽ đóng đƣợc 10000 lon bia liên tục. Để kiểm tra chất lƣợng sản phẩm của ca đó ngƣời ta cần lấy ra 200 lon làm mẫu. Khoảng lấy mẫu sẽ là: K= 10000 / 200 = 50. Có nghĩa là cứ cách 50 hộp trong dây chuyền đóng lon liên tục ta lại lấy 1 lon mẫu. Nhƣng lon mẫu đầu tiên sẽ là lon thứ mấy trong dây chuyền? Ta chọn ngẫu nhiên một số có 2 chữ số nằm trong khoảng 00 đến 50, để đảm bảo rằng trong 50 lon bia đầu tiên ta có một lon làm mẫu. Số thứ tự đó trong dây chuyền sẽ là mẫu số 1. Những mẫu tiếp đƣợc nhận các giá trị liên tục trong dãy số tự nhiên với công sai bằng 50 (khoảng lấy mẫu). Giả sử: mẫu đầu tiên là lon thứ 33 trong dây chuyền thì mẫu thứ 2 là lon thứ 33+50= 83 trong dây chuyền mẫu thứ 3 là lon thứ 83+50= 133 trong dây chuyền mẫu thứ 4 là lon thứ 133+50= 183 trong dây chuyền 1.6.3.3. Lấy mẫu nhiều mức Ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp này khi nào sản phẩm bảo quản trong kho đƣợc xếp xắp trên các giá, trong thùng, trong hộp. Kỹ thuật lấy mẫu lúc này là phân chia lô hàng trong kho thành nhiều mức. Mức thứ 1: các giá Mức thứ 2: các thùng Mức thứ 3: các hộp Nguyên lý lấy mẫu nhƣ sau: Lấy ngẫu nhiên một số đơn vị ở mức thứ nhất Tiếp theo trong số các đơn vị ở mức thứ nhất đã chọn đƣợc ta lấy ngẫu nhiên một số đơn vị ở mức thứ 2. Cuối cùng ta chọn ngẫu nhiên các mẫu ở mức thứ 3 từ số các đơn vị ở mức thứ 2 đã đƣợc chọn. Việc lấy mẫu nhƣ vậy gọi là lấy mẫu theo mức giảm dần. Đặc điểm của lấy mẫu nhiều mức là đơn giản hơn nhƣng kém chính xác hơn so với lấy mẫu ngẫu nhiên đơn giản. 11
11. Sau khi lấy đƣợc mẫu đại diện theo các phƣơng pháp trên đây, đối với các chỉ tiêu nguy hiểm nhƣ độc tố (trừ vi sinh vật) ta mang đấu trộn các mẫu với nhau để tạo nên một hỗn hợp và lấy một phần đi phân tích. Còn đối với các chỉ tiêu vật lý và hóa học khác ta phải phân tích 100% số mẫu lấy đƣợc để đi đến kết luận cho lô hàng. 1.6.4. Gửi mẫu và nhận mẫu 1.6.4.1. Gửi mẫu Chia mẫu thử trung bình thành 3 phần bằng nhau tiến hành bao gói, bảo quản theo đúng qui định của từng loại sản phẩm không đƣợc làm cho tính chất các chỉ tiêu cần xác định bị thay đổi. Trong đó hai phần đƣợc gửi ngay đến phòng kiểm nghiệm theo phiếu ghi nội dung sau: Tên cơ quan chủ quản của cơ sở sản xuất Tên cơ sở sản xuất Tên và loại sản phẩm Số liệu và khối lƣợng của lô hàng Khối lƣợng mẫu gửi đến kiểm tra Ngày tháng năm lấy mẫu Lý do lấy mẫu Yêu cầu kiểm tra các chỉ tiêu gì Họ tên chức vụ ngƣời lấy mẫu Trong hai phần mẫu gửi đến kiểm nghiệm thì một phần đem kiểm nghiệm còn một phần lƣu lại phòng kiểm nghiệm. Phần mẫu thử còn lại đƣợc giử lại cơ sở làm đối chứng khi có khiếu nại. Thời gian lƣu mẫu không đƣợc quá thời gian bảo hành cho từng loại sản phẩm. Lưu ý: Dụng cụ đựng mẫu thử có thể là bao bì ban đầu của sản phẩm hoặc đóng gói trong các dụng cụ không đƣợc làm ảnh hƣởng đến sản phẩm (chai, lọ thuỷ tinh sạch có nút nhám) Trƣờng hợp mẫu gửi đi xa kiểm nghiệm hoặc có nghi vấn, tranh chấp phải đóng gói kỷ, phía ngoài gián niêm phong có đóng dấu tránh trƣờng hợp bị đánh tráo. Thực phẩm để bị hƣ hỏng phải gửi mẫu nhanh đến nơi kiểm nghịêm trong thời gian thực phẩm còn tốt. 1.6.4.2. Nhận mẫu Mẫu trung bình khi gửi đến phòng kiểm nghiệm cần tiến hành những trình tự sau: Kiểm tra xem bao bì có hợp lý không Kiểm tra lại phiếu gửi kiểm nghiệm, biên bản lấy mẫu nhãn dán, xác định loại thực phẩm Xác định yêu cầu kiểm nghiệm Tiến hành kiểm nghiệm (trƣờng hợp có nhiều mẫu thì ngay lập tức bảo quản mẫu) Mẫu gửi đến không phù hợp thì không đƣợc nhận mẫu để phân tích. 12
12. 1.6.5. Xử lý mẫu Xử lý mẫu là khâu đầu tiên nhƣng rất quan trọng trong phân tích mẫu. Nó thƣờng là nguồn sai số lớn cho kết quả, thậm chí quyết định sự thành công của phƣơng pháp phân tích. Một số ít trƣờng hợp mẫu phân tích có thể ở trạng thái rắn, nhƣng đa số trong các trƣờng hợp đòi hỏi phải hòa tan để chuyển mẫu rắn thành dung dịch có nồng độ xác định. Cũng có vài trƣờng hợp, dù mẫu đã ở trạng thái lỏng, cũng cần phải xử lý mẫu trƣớc khi tiến hành phân tích, chẳng hạn nhƣ phải xử lý mẫu nƣớc trƣớc khi phân tích hàm lƣợng kim loại nặng bằng kỹ thuật AAS, ICP Việc hòa tan - xử lý mẫu phải tuân thủ các yêu cầu cụ thể sau đây: Không làm mất mẫu trong quá trình hòa tan. Không đƣa thêm quá nhiều cấu tử lạ vào dung dịch mẫu vì sẽ gây bất lợi cho quá trình phân tích. Có thể chia kỹ thuật xử lý mẫu thành hai nhóm: 1.6.5.1. Nhóm hòa tan phân hủy mẫu Dùng các tác nhân hóa học có thể kết hợp với tác nhân lý học chuyển mẫu có thành phần phức tạp thành dạng đơn giản hơn tạo điều kiện thuận lợi cho phân tích. Để hiệu quả và ít tốn thời gian, trƣớc khi hòa tan mẫu nên tra cứu tài liệu và lƣu ý khảo sát các yếu tố có liên quan đến bản chất của mẫu (quan trọng nhất là độ tan trong các dung môi khác nhau), về thành phần định tính và định lƣợng của mẫu, các phƣơng pháp dự định sẽ dùng để tiến hành phân tích từ những yếu tố đã khảo sát, chọn dung môi, hóa chất và điều kiện thích hợp nhất để hòa tan mẫu. Việc chọn dung môi và hóa chất hòa tan mẫu thƣờng đƣợc tiến hành theo thứ tự sau đây: nƣớc cất → acid mạnh → base mạnh → chất oxi hóa mạnh Ví dụ: Dùng nƣớc cất hòa tan các muối d tan nhƣ nitrate; halogenure; sulfate; đƣờng Dùng acid mạnh kết hợp với nhiệt độ cao để hòa tan mẫu, chuyển mẫu phân tích thành dạng dung dịch. Dùng các chất oxy hóa và nhiệt độ cao để phân hủy các chất hữu cơ, vô cơ hóa mẫu để phân tích kim loại, phân tích nitơ tổng Dùng dung môi hữu cơ để hòa tan một số chất: xác định aflatoxin, xác định chỉ số acid dầu mỡ động thực vật 1.6.5.2. Nhóm tách pha Dùng các kỹ thuật chƣng cất, kết tủa, chiết để loại các chất cản trở hoặc tách các chất phân tích ra khỏi mẫu. Chƣng cất: Dùng kỹ thuật cất để tách các thành phần nếu hệ số phân bố giữa cá pha của chúng khác nhau nhiều. Bảng 1.2. Tách một số chất phân tích bằng kỹ thuật chƣng cất Mẫu phân tích Chất phân Xử lý mẫu Chất thu Cách thu 13
13. tích nhận mẫu Bia, rƣợu Etanol Đuổi CO2, Etanol chƣng cất Mẫu thực phẩm chứa nitơ Nitơ tổng Vô cơ hóa, NH3 Dung dịch số thêm acid H3BO3 NaOH Rƣợu vang, các sản phẩm SO2 + trong quá trình chế biến có sử sulfit Acid hóa SO2 NaOH dụng sunfit Kết tủa: là kỹ thuật tách các chất ra khỏi mẫu để phân tích định lƣợng. Ví dụ: Kết tủa protein bằng acid tricloacetic, kết tủa bằng dung môi hữu cơ (metanol, etanol, acetonitril) Chiết lỏng lỏng: Chiết xuất là kỹ thuật đƣợc dùng rất phổ biến để chuyển chất phân tích hòa tan trong dung môi sang một dung môi thứ hai không hòa tan trong dung môi thứ nhất. Ví dụ: Chiết Soxhlet, chiết phẩm màu thực phẩm bằng các dung môi n-hexcan, aceton. Chiết pha rắn (Solid phase extraction SPE): Tách chất phân tích từ mẫu bằng một chất rắn, sau đó rửa giải bằng dung môi thích hợp. Lưu ý: Mẫu càng mịn quá trình hòa tan càng d . Do đó, trƣớc khi xử lý mẫu, mẫu thực phẩm phải đƣợc nghiền mịn và đồng nhất. Trường hợp thực phẩm đồng nhất đặc hoặc lỏng: + Trƣờng hợp thực phẩm là một khối to đồng nhất, lấy một phần mẫu, cắt thái nhỏ, tán nhuy n (thực phẩm đặc) hoặc khuấy đều (thực phẩm lỏng) để riêng vào lọ kín. + Thực phẩm nhƣ thóc, gạo, bột phải trộn kỹ, xay nhuy n cho vào lọ nút nhám để phân tích dần. Khi cần lấy mẫu để phân tích phải trộn lại đều và kỹ. Thực phẩm đặc không đồng nhất: Lấy phần đại diện của mẫu rồi cắt nhỏ tán nghiền nhuy n. Thực phẩm đặc lẫn lỏng không đồng nhất: + Phần đặc lỏng nhƣ nƣớc sốt có thể gạn bớt chất lỏng vào cốc thủy tinh, phần đặc vào chén sứ tán nhuy n phần đặc, trộn lại và đồng nhất mẫu. Cho vào lọ hoặc hộp đậy kín. Nếu không tách riêng đƣợc thì cho tất cả tán nhuy n đồng nhất, + Phần lỏng và phần đặc riêng biệt nhau: kiểm nghiệm chất lỏng và đặc riêng biệt. + Trƣờng hợp kiểm nghiệm cho các chất có khả năng trao đổi và hòa tan trong chất lỏng thì chỉ có thể kiểm nghiệm chất lỏng nhƣng phải sau thời gian tối thiểu 30 ngày kể từ ngày sản xuất. 14
14. 1.7. Xử lý số liệu phân tích bằng phƣơng pháp thống kê trong phân tích thực phẩm 1.7.1. Giá trị trung bình Trung bình ( ̅) (mean, arithmetic mean, average): là đại lƣợng dùng để chỉ giá trị đạt đƣợc khi chia tổng các kết quả thí nghiệm lặp lại cho số thí nghiệm lặp lại. Giả sử có tập số liệu thí nghiệm lặp lại x1, x2, xn thì giá trị trung bình số học của tập số liệu gồm n thí nghiệm lặp lại là: ∑ ̅ Giá trị trung bình có tính chất sau: Tổng độ lệch giữa giá trị riêng rẽ và giá trị trung bình bằng không. ∑( ̅) Tổng các bình phƣơng độ lệch nhỏ hơn tổng bình phƣơng của bất cứ độ lệch nào giữa giá trị đơn lẻ và giá trị a nào đó không phải giá trị trung bình. ∑( ̅) ∑( ) với a ̅ 1.7.2. Phƣơng sai (variance) Phƣơng sai (2 và s2) là giá trị trung bình của tổng bình phƣơng sự sai khác giữa các giá trị riêng rẽ trong tập số liệu so với giá trị trung bình. Phƣơng sai không cùng thứ nguyên với các đại lƣợng đo. Nếu tập số liệu lớn thì: ∑ ( ̅) Nếu tập số liệu nhỏ (n 30) thì: ∑ ( ̅) Nếu phƣơng sai càng lớn thì độ tản mạn của các giá trị đo lặp lại càng lớn hay độ lặp lại kém. 1.7.3. Độ lêch chuẩn (standard deviation) Độ lệch chuẩn là một đại lƣợng thống kê mô tả dùng để đo mức độ phân tán của một tập dữ liệu đã đƣợc lập thành bảng tần số. Có thể tính ra độ lệch chuẩn bằng cách lấy căn bậc hai của phƣơng sai. Khi hai tập dữ liệu có cùng giá trị trung bình cộng, tập nào có độ lệch chuẩn lớn hơn là tập có dữ liệu biến thiên nhiều hơn. Trong trƣờng hợp hai tập dữ liệu có giá trị trung bình cộng không bằng nhau, thì việc so sánh độ lệch chuẩn của chúng không có ý nghĩa. Độ lệch chuẩn còn đƣợc sử dụng khi tính sai số chuẩn. Khi lấy độ lệch chuẩn chia cho căn bậc hai của số lƣợng quan sát trong tập dữ liệu, sẽ có giá trị của sai số chuẩn. 15
15. ∑ ( ̅) √ với n 30, f=n-1 là số bậc tự do. 1.7.4. Ƣ c lƣợng khoảng tin cậy c a k t quả phân tích Khoảng tin cậy của đại lƣợng đo là giá trị thực biểu thị khoảng tồn tại giá trị trung bình hay còn gọi là khoảng bất ổn của số liệu thực nghiệm trung bình. Khi tiến hành thí nghiệm nhiều lần thu đƣợc các kết quả lệch nhau, nhiệm vụ của ngƣời phân tích là ƣớc lƣợng đƣợc khoảng tin cậy và biểu di n kết quả thu đƣợc với một xác xuất tin cậy Khi đó giới hạn tin cậy đƣợc tính theo công thức sau: ̅ √ n: là số lần thí nghiệm lặp lại. s hay SD: là độ lệch chuẩn tP;f: là hệ số student, tra bảng, với P là xác xuất tin cậy, f=n-1 là số bậc tự do Chuẩn t đƣợc dùng để tính khoảng tin cậy của số liệu thực nghiệm, so sánh giá trị trung bình thực nghiệm và giá trị thật, so sánh 2 giá trị trung bình hoặc tính độ không đảm bảo đo của độ lệch chuẩn mẫu khi số mẫu nhỏ. Giá trị t đƣợc tra trong bảng phân bố student hai phía với độ tin cậy thống kê 95% và bậc tự do f= n-1 (xem bảng 1.4) Bảng 1.3. Bảng hệ số phân phối student Bậc tự do Mức tin cậy (xác suất bắt gặp P) f=n-1 50% 80% 90% 95% 99% 1 1.000 3.078 6.314 12.706 63.657 2 0.816 1.886 2.920 4.303 9.925 3 0.765 1.638 2.353 3.182 5.841 4 0.741 1.533 2.132 2.776 4.604 5 0.727 1.476 2.015 2.571 4.032 6 0.718 1.440 1.943 2.447 3.707 7 0.711 1.415 1.895 2.365 3.500 8 0.706 1.397 1.860 2.306 3.355 16
16. 9 0.703 1.383 1.833 2.262 3.250 10 0.700 1.372 1.812 2.228 3.169 1.7.5. Các ví dụ Ví dụ 1: Hàm lƣợng % cacbohydrat trong mẫu thực phẩm sau 5 lần xác định là 12,6; 11,9; 13,0; 12,7 và 12,5. Tính giá trị trung bình, phƣơng sai, độ lêch chuẩn và hãy biểu di n kết quả với xác suất là 95%. Xtb = (12,6+11,9+13+12,7+12,5) : 5 = 12,54% s2 = 0,1296 s = 0,36 Nếu lấy với xác suất P = 95% thì hàm lƣợng thực của cacbohydrat nằm trong khoảng tin cậy: tS 0,36 pf. 2,776 0,5 n 5 12,54% - 0,50% < M < 12,54% + 0,50% hay kết quả nằm trong khoảng từ 12,04% đến 13,04% với xác xuất tin cậy là 95% Ví dụ 2: Xác định hàm lƣợng đạm trong mẫu thức ăn 4 lần lặp lại thu đƣợc các kết quả sau: 12,5%; 12,7%; 13,1 % và 12,4 %. Tính giá trị trung bình, phƣơng sai, độ lêch chuẩn, khoảng tin cậy và biểu di n kết quả với xác suất là 95%.(Sinh viên tự giải). 17
17. Chƣơng 2 PHÂN TÍCH HÓA HỌC CỔ ĐIỂN 2.1. Phân tích trọng lƣợng 2.1.1. Gi i thiệu chung về phƣơng pháp phân tích trọng lƣợng Phân tích trọng lƣợng là phƣơng pháp dựa trên cơ sở xác định khối lƣợng của chất cần phân tích đã đƣợc tách ra khỏi các chất khác (có cùng trong mẫu thử) dƣới dạng tinh khiết. 3+ Ví dụ: Khi phân tích ion Fe trong dung dịch, làm kết tủa nó dƣới dạng Fe(OH)3 o bằng dung dịch NH4OH. Lọc kết tủa và rửa sạch. Nung kết tủa ở 1000 C đến khối lƣợng không đổi, nhằm chuyển kết tủa thành Fe2O3. Để nguội mẫu nung đến nhiệt độ phòng, rồi cân khối lƣợng của nó bằng cân phân tích. Từ khối lƣợng cân tính ra khối lƣợng ion Fe3+. Một số ƣu điểm và nhƣợc điểm của phƣơng pháp phân tích trọng lƣợng: Xác định độ chính xác cao đạt tới 0,01 – 0,005 % vƣợt xa độ chính xác của chuẩn độ Xác định đƣợc nhiều kim loại (cation) và các á kim (anion), các thành phần của hợp kim, quặng, silicat Đơn giản về nguyên tắc, dụng cụ phân tích thông thƣờng. Độ đúng và độ lặp lại tốt (nếu cẩn thận) Kéo dài thời gian, không kinh tế nhƣ tiêu hao điện năng 2.1.2. Các phƣơng pháp phân tích trọng lƣợng Có thể chia phƣơng pháp phân tích trọng lƣợng thành 3 phƣơng pháp: phƣơng pháp tách, phƣơng pháp kết tủa và phƣơng pháp bay hơi. 2.1.2.1. Phƣơng pháp tách Cấu tử cần xác định đƣợc tách ra dƣới dạng tự do, rửa sạch, làm khô và đƣợc cân trên cân phân tích. Ngƣời ta thƣờng sử dụng phƣơng pháp tách để tách các kim loại trong hỗn hợp của nó. Ví dụ: Để xác định vàng trong hỗn hợp vàng – đồng, ngƣời ta hòa tan hỗn hợp vào nƣớc cƣờng thủy (hỗn hợp acid HNO3 đặc và acid HCl đặc). Dung dịch thu đƣợc 3+ cho tác dụng với H2O2, ion Au sẽ bị khử đến trạng thái tự do và đƣợc tách ra khỏi hỗn hợp, còn ion Cu2+ không phản ứng. 3+ + 2Au + 6H2O2 2Au + 6H + 3O2 Phƣơng pháp tách dùng để xác định trọng lƣợng tro: mẫu rắn đƣợc đốt cháy và nung đến khối lƣợng không đổi. Tro thu đƣợc đem cân. Dựa vào trọng lƣợng của tro ngƣời ta tính hàm lƣợng phần trăm của nó trong mẫu đã cho. Ngoài ra, ngƣời ta còn sử dụng phƣơng pháp điện trọng lƣợng để tách các chất có trong dung dịch: chất cần xác định đƣợc dòng điện tách ra và bám trên một điện cực bằng Pt. Dựa vào khối lƣợng tăng của thanh Pt, ngƣời ta suy ra hàm lƣợng. Phƣơng pháp tách dùng để xác định hàm lƣợng chất béo tự do trong thực phẩm thƣờng sử dụng các phƣơng pháp nhƣ phƣơng pháp Soxhlet, Adam Rozơ. Chất béo đƣợc tách ra khỏi thực phẩm bằng cách hòa tan chất béo vào dung môi thích hợp. Đuổi 18
18. dung môi, thu đƣợc chất béo tự do, từ đó xác định đƣợc hàm lƣợng chất béo trong thực phẩm. 2.1.2.2. Phƣơng pháp kết tủa Sự tách trực tiếp chất cần xác định hoặc các thành phần của nó ra khỏi sản phẩm dƣới dạng tinh khiết hóa học gặp nhiều khó khăn, đôi khi không thực hiện đƣợc, do vậy cần sử dụng phƣơng pháp kết tủa để tách chất cần xác định. Kết tủa định luợng cấu tử cần xác định bằng các phƣơng pháp hóa học dƣới dạng hợp chất ít tan có thành phần xác định nghiêm ngặt. Kết tủa tách ra đƣợc rửa, sấy hay đem nung và đƣợc cân trên cân phân tích. Quá trình nung có thể gây ra sự biến đổi về mặt hóa học của tủa vì vậy trong phân tích ngƣời ta phân biệt dạng kết tủa và dạng cân. Cần phân biệt dạng kết tủa và dạng cân. Dạng kết tủa là dạng tạo thành khi cho chất phân tích tác dụng với thuốc thử thích hợp. Dạng cân là dạng tạo thành sau khi đƣợc xử lý bằng nhiệt (sấy và nung) đƣợc cân để xác định hàm lƣợng. Dạng cân cũng có thể là dạng kết tủa. 2- Ví dụ: Khi xác định ion SO4 trong nƣớc bằng phƣơng pháp trọng lƣợng, kết tủa chúng bằng ion Ba2+ 2- 2+ SO4 + Ba = BaSO4 ↓ chất cần xác định dạng kết tủa dạng cân Trong một số trƣờng hợp dạng cân và dạng kết tủa khác nhau 3+ - 2Fe + OH → Fe(OH)3 ↓ → Fe2O3 chất cần xác định dạng kết tủa dạng cân 2.1.2.3. Phƣơng pháp bay hơi Chƣng cất định lƣợng cấu tử cần xác định dƣới dạng hợp chất bay hơi. Phần cần tách ra bằng cách đốt nóng mẫu phân tích hoặc bằng tác dụng của thuốc thử thích hợp làm giải phóng ra sản phẩm bay hơi. Có phƣơng pháp trực tiếp và gián tiếp. Phƣơng pháp trực tiếp: Cấu tử cần phân tích đƣợc bay hơi sau đó hấp thu vào chất hấp thu phù hợp, dựa vào sự tăng khối lƣợng chất hấp thu ngƣời ta tính đƣợc lƣợng cấu tử cần xác định. Ví dụ: Chƣng cất cồn trong bia, rƣợu. Nhiệt độ bay hơi của cồn thấp hơn nhiệt độ sôi của nƣớc, do đó cồn đƣợc tách ra bằng phƣơng pháp chƣng cất, cồn đƣợc hấp thu vào trong nƣớc. Sử dụng cồn kế hoặc dùng phƣơng pháp tỉ trọng để xác định độ cồn trong bia, rƣợu. Phƣơng pháp gián tiếp: Trong phƣơng pháp này là xác định phần còn lại của chất sau khi đã tách hoàn toàn chất cần xác đinh. Hiệu số trƣớc và sau khi cất chất cần xác định ra sẽ tính đƣợc chất cần xác định. Ví dụ: Xác định độ ẩm trong bột mì, độ ẩm của gạo, chè, cafe, cacao Trong quá trình sấy, hơi nƣớc sẽ bị bốc hơi. Lƣợng nƣớc trong thực phẩm sẽ đƣợc tính bằng cách tính hiệu số khối lƣợng thực phẩm trƣớc và sau khi sấy, từ đó tính đƣợc độ ẩm trong thực phẩm. 19
19. Trong các phƣơng pháp phân tích trọng lƣợng, phƣơng pháp kết tủa đƣợc sử dụng chủ yếu trong phân tích. Dƣới đây sẽ trình bày các kỹ thuật trong phƣơng pháp kết tủa. Tiến trình của phƣơng pháp tạo kết tủa bao gồm các công đoạn sau: Cân mẫu Dung dịch Kết tủa Lọc và rửa tủa Sấy hoặc nung Cân và tính toán kết quả. Các yêu cầu đối với dạng tủa và dạng cân: – Dạng tủa: + Tủa phải có độ tan nhỏ để tủa đƣợc hoàn toàn. + Có độ tinh khiết cao, ít hấp phụ hay lẫn chất bẩn + Tủa cần có tinh thể lớn để ít bị tan trong quá trình lọc, rửa. + Tủa phải chuyển sang dạng cân một cách d dàng và hoàn toàn. – Dạng cân: + Dạng cân phải bền với môi trƣờng, không bị hút ẩm, không bị phá hủy + Phải có công thức xác định để tính thừa số chuyển F đúng + Thừa số chuyển F ứng với dạng cân càng nhỏ càng tốt Cách tính toán trong phương pháp trọng lượng: Đối với kết tủa ở dạng kết tủa tinh thể (ví dụ nhƣ BaSO4, AgCl ) khối lƣợng của chất cần xác định đƣợc tính theo công thức sau: gA = 0,5.F, trong đó F: là thừa số phân tích trọng lƣợng, F = mMA / nMAl, 0,5 là khối lƣợng của dạng cân chất cần xác định ( đối với kết tủa dạng thể) Đối với kết tủa vô định hình, khối lƣợng của chất cần xác định: gA = 0,1.F, 0,1 là khối lƣợng của dạng cân chất cần xác định (đối với kết tủa dạng vô định hình) Ví dụ: Phân tích hàm lƣợng Fe trong dung dịch phân tích theo khối lƣợng của Fe2O3 đã đƣợc tách ra. Ta có F = 2MFe / MFe2O3 Phân tích hàm lƣợng Fe2O3 trong dung dịch phân tích theo khối lƣợng của Fe đã đƣợc tách ra. Ta có F = MFe2O3 / 2MFe Trong công thức tính F, tử số là chất cần xác định, mẫu là dạng cân. Sau khi đã chọn đƣợc phản ứng tạo kết tủa phù hợp, các bƣớc tiếp theo của kỹ thuật tạo kết tủa bao gồm: chọn dạng thuốc thử và lƣợng thuốc thử, tạo kết tủa, lọc và rủa tủa, sấy hoặc nung, cân và tính toán kết quả. a. Chọn thuốc thử và lƣợng thuốc thử Các yêu cầu đối với dạng tủa và dạng cân ảnh hƣởng đến yêu cầu đối với chất làm kết tủa (thuốc thử). Yêu cầu chọn thuốc thử: Lý tƣởng nhất, một thuốc thử tạo tủa khối lƣợng phải tác dụng một cách đặc hiệu hay ít nhất một cách chọn lọc với chất cần phân tích. Trên thực tế, các thuốc thử chuyên biệt hay đặc hiệu chỉ phản ứng với một loại chất hóa học thì rất hiếm. Các thuốc thử chọn lọc có thể tác dụng với một số giới hạn loại chất hóa - - - học phổ biến hơn. Thí dụ nhƣ AgNO3 là thuốc thử chọn lọc vì tạo tủa với Cl , Br , I và 20
20. SCN- trong môi trƣờng acid. Trái lại, dimetylglioxim là thuốc thử chuyên biệt vì chỉ tạo kết tủa với Ni2+ trong môi trƣờng kiềm. Thuốc thử tạo kết tủa lý tƣởng vì tính chuyên biệt hay tính chọn lọc phải tác dụng với chất cần phân tích để tạo ra sản phẩm có tính chất sau: – D lọc, d rửa để loại các chất nhi m bẩn. – Có độ tan thấp, đủ để không mất tủa một cách định lƣợng khi lọc và rửa. – Trơ với các cấu tử của môi trƣờng. – Có thành phần xác định sau khi làm khô và sau khi nung (nếu cần). Lƣợng thuốc thử: Để đảm bảo kết tủa đƣợc hoàn toàn chất phân tích, lƣợng thuốc thử sẽ đƣợc cho với lƣợng dƣ từ 10 – 15% so với lƣợng đƣợc tính từ phản ứng. Đối với những thuốc thử có tính bay hơi, lƣợng thuốc thử gấp 2 – 3 lần so với lý thuyết. Chú ý: Trong một số trƣờng hợp, lƣợng thuốc thử dƣ có tác dụng làm tan tủa tạo 2+ thành. Thí dụ: để định lƣợng ion Hg , ngƣời ta sử dụng KI để tạo kết tủa HgI2. Nhƣng lƣợng KI dƣ, HgI2 sẽ tạo phức K2[HgI4] tan. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết tủa: Trong giai đoạn kết tủa, nếu dung dịch đậm đặc sẽ hình thành các kết tủa có tinh thể nhỏ. Trái lại đối với các tủa vô định hình, sự tăng nồng độ sẽ dẫn đến sự chuyển các dạng keo không bền sang dạng kết tủa. Trong quá trình tủa đƣợc hình thành thƣờng kèm theo chất bẩn. Nguyên nhân của sự làm kết tủa bẩn là sự cộng kết. Cộng kết là hiện tƣợng khi kết tủa lắng xuống mang theo các tạp chất khác mà trong điều kiện riêng lẻ thì các tạp chất này không thể kết tủa đƣợc. Thí dụ: FeCl3 không tủa với H2SO4 nhƣng nếu kết tủa BaCl2 bằng H2SO4 với sự có mặt của FeCl3 thì bên cạnh tủa BaSO4 có lẫn cả tủa Fe2(SO4)3. Sau khi nung Fe2(SO4)3 sẽ chuyển thành Fe2O3 có màu đỏ, làm tủa BaSO4 có màu. Sự cộng kết có nhiều nguyên nhân khác nhau, ngƣời ta phân biệt 3 dạng cộng kết: hấp phụ, hấp lƣu và nội hấp. Ngoài ra sự hậu tủa còn là nguyên nhân gây bẩn tủa. b. Tạo kết tủa Với tủa tinh thể. Nhiều tủa tinh thể nhƣ BaCrO4, BaSO4, CaC2O4 thỉnh thoảng thu đƣợc dƣới dạng những tinh thể rất mịn có thể qua đƣợc lỗ lọc gây ra sự mất khối lƣợng của dạng tủa trong quá trình xử lý. Hiện tƣợng bẩn tủa là một trong những yếu tố ngăn cản sự kết tủa. Để hạn chế các yếu tố ảnh hƣởng đến kết quả phân tích, việc tạo các kết tủa tinh thể cần tuân theo các điều kiện sau: + Tiến hành kết tủa với dung dịch mẫu và thuốc thử loãng. + Thêm dung dịch thuốc thử vào chậm và khuấy trong quá trình tạo tủa. + Thực hiện kết tủa với dung dịch chất kết tủa ở nhiệt độ cao. Trong một số trƣờng hợp, cần thêm vào chất làm tăng độ tan và tránh hiện tƣợng cộng kết. Thí dụ: tạo tủa BaSO4, ngƣời ta thêm HCl để giảm tủa phụ BaCO3 và giảm cộng kết Ba(OH)2. 21
21. Cần lƣu ý thời gian để tránh bẩn do hậu tủa. Với tủa vô định hình. Các kết tủa vô định hình có khuynh hƣớng hấp phụ và tạo thành dung dịch keo, do đó, khi kết tủa, cần tiến hành rửa tủa từ dung dịch nóng và có mặt của chất điện ly. Để ngăn cản hiện tƣợng hấp phụ, nên tiến hành tủa từ dung dịch đặc, khuấy mạnh và sau khi tủa hình thành, tiến hành lọc, rửa tủa bằng nƣớc nóng. Không nên để tủa tiếp xúc với dung dịch một thời gian dài. c. Lọc và rửa tủa Lọc và rửa tủa là 2 kỹ thuật rất quan trọng trong phƣơng pháp tạo thành kết tủa. Sự chính xác của kết quả phụ thuộc vào thao tác ở giai đoạn này. Lọc tủa: Lọc là giai đoạn tách kết tủa ra khỏi dung dịch tạo tủa. Tùy theo lƣợng tủa và cách chuyển từ dạng tủa sang dạng cân, ngƣời ta có thể sử dụng dụng cụ lọc thích hợp nhƣ giấy lọc hay ph u lọc. – Giấy lọc + Để lọc lấy tủa, ngƣời ta sử dụng giấy lọc không tro. Giấy lọc này sau khi đốt cháy và nung, để lại khối lƣợng tro rất nhỏ, có thể bỏ qua. + Giấy lọc không tro có độ mịn khác nhau. Tùy theo kích thƣớc của các hạt kết tủa, ngƣời ta sử dụng các loại giấy lọc mỏng hay dày, đƣợc phân biệt bằng một dãi băng có màu bao chung quanh hộp giấy lọc. Giấy lọc băng đỏ đƣợc dùng trong các trƣờng hợp lọc các kết tủa dạng keo vô định hình. Để lọc phần lớn các kết tủa có thể sử dụng loại bằng màu trắng có độ mịn trung bình, cuối cùng lọc các kết tủa tinh thể nhỏ nhƣ BaSO4 hay CaC2O4, ngƣời ta dùng giấy lọc mịn nhất (băng màu xanh biển). + Khi tiến hành lọc, điều quan trọng nhất là phải chú ý đến lƣợng tủa cần lọc để chọn kích thƣớc của giấy lọc phù hợp. Tủa không đƣợc chiếm hơn 1/3 chiều cao của giấy lọc để đảm bảo tủa sẽ đƣợc rửa sạch sau khi lọc. – Ph u lọc: Ph u lọc xốp hiện nay đƣợc dùng phổ biến trong các phòng thí nghiệm. Ph u lọc làm bằng sứ, lọc dƣới áp suất giảm. Loại lọc này chịu đƣợc nhiệt độ cao nhƣng lại có nhƣợc điểm là hút ẩm. Rửa tủa: Mục đích của rửa tủa là để loại các tạp chất bẩn bám trên bề mặt của kết tủa. Các chất bẩn hấp phụ này ở trạng thái cân bằng với các ion tƣơng ứng trong dung dịch. Vì vậy khi rửa, ngƣời ta rửa bằng nƣớc hay một dung dịch nào đó mà nồng độ của ion coi nhƣ bằng 0. Với cùng một thể tích dịch rửa tối đa cho phép, rửa nhiều lần sẽ tốt hơn rửa một lần. Khi rửa tủa cần phải biết loại dung dịch rửa nào thích hợp đối với kết tủa. Ngƣời ta phân biệt 4 loại dung dịch rửa: – Rửa bằng dung dịch của chất tạo kết tủa. Rất ít kết tủa thu đƣợc có độ tan đủ nhỏ để ngƣời ta có thể bỏ qua khối lƣợng tủa bị mất trong quá trình rửa tủa. Phần lớn trƣờng hợp tủa bị mất do rửa vƣợt quá giới hạn của sai số cho phép. Để hạn chế sự mất này, kết tủa sau khi đƣợc tạo thành sẽ đƣợc rửa bằng dung dịch loãng của chất tạo kết tủa. Thí dụ để rửa 0,1g tủa CaC2O4 thu đƣợc, nếu dùng 200ml nƣớc để rửa thì lƣợng tủa bị mất là 1,3% trong khi nếu rửa tủa bằng 200ml dung dịch (NH4)2C2O4 0,01M thì lƣợng tủa bị hao hụt là 0,0067%. 22
22. Chất tạo tủa thêm vào phải là chất bay hơi để lƣợng thừa của chất này có thể bị loại sau khi nung. – Rửa tủa bằng dung dịch chất điện ly. Có nhiều chất kết tủa khi rửa với nƣớc sẽ tạo hiện tƣợng pepti hóa, trở thành dạng keo và đi qua đƣợc lọc nhƣ trƣờng + - họp của tủa AgCl (AgCl: Ag .NO3 ), ngƣời ta xử lý bằng cách rửa tủa keo này với dung dịch có chứa chất điện ly bay hơi để có thể loại sau khi nung nhƣ HNO3 hay NH4NO3. – Rửa tủa bằng dung dịch ngăn cản sự thủy phân. Đối với các kết tủa khi rửa bằng nƣớc sẽ xảy ra hiện tƣợng thủy phân, điều này đƣa đến việc dạng cân thu đƣợc không còn là hợp chất có thành phần xác định nữa, ngƣời ta rửa tủa bằng một dung dịch có tính chất ngăn cản sự thủy phân. Thí dụ tủa MgNH4PO4 nếu rửa với nƣớc, hiện tƣợng thủy phân xảy ra theo phản ứng: MgNH4PO4 + H2O MgHPO4 + NH4OH Nếu dùng nƣớc rửa là NH4OH, cân bằng sẽ dịch chuyển về bên trái, làm giảm sự thủy phân. NH4OH bị loại d dàng sau khi nung kết tủa. – Rửa tủa với nƣớc đơn thuần. Áp dụng đối với các kết tủa khi rửa với nƣớc, sự mất tủa không đáng kể. Trƣờng hợp này cần để ý đến nhiệt độ của nƣớc rửa, nếu tủa tan trong nƣớc nóng thì phải rửa tủa bằng nƣớc lạnh. d. Sấy hoặc nung Sau khi lọc, ngƣời ta sấy tủa cho đến khối lƣợng không đổi. Sự sấy có tác dụng loại dung môi và tất cả các chất có thể bay hơi. Nhiệt độ và phƣơng pháp sấy phụ thuộc vào phƣơng pháp lọc và dạng tủa thích hợp. Trong một số trƣờng hợp ngƣời ta nung sản phẩm để chuyển thành dạng cân có thành phần xác định. Nhiệt độ đòi hỏi để thu đƣợc sản phẩm thích hợp tùy thuộc vào các chất kết tủa. Ở nhiệt độ 110oC, đủ để loại nƣớc và chất bẩn d bay hơi. Để sấy sản phẩm ngƣời ta có thể dùng tủ sấy, đèn Busen hoặc đèn Meker. Khi nung kết tủa, giấy lọc cháy thành than, than tạo thành có thể khử một số chất khi nung. Trong trƣờng hợp này cần phải dùng ph u lọc sứ thay cho giấy lọc. e. Cân và tính toán kết quả: Giai đoạn xác định lƣợng cân thu đƣợc. Dạng cân đã đƣợc sấy và nung đem cân trên cân phân tích (lƣu ý dùng cân phân tích cân đƣợc đến 0,1mg). Từ giá trị cân, ta có thể tính toán đƣợc kết quả. 2.2. Chuẩn độ thể tích 2.2.1. Gi i thiệu chung về phƣơng pháp chuẩn độ thể tích 2.2.1.1. Điểm tƣơng đƣơng Sự chuẩn độ đạt tới điểm tƣơng đƣơng là khi tại điểm đó lƣợng chất chuẩn thêm vào tƣơng đƣơng về số đƣơng lƣợng gam với lƣợng chất phân tích có trong mẫu. Điểm tƣơng đƣơng là một điểm lý thuyết, không thể xác định bằng thực nghiệm. 2.2.1.2. Điểm kết thúc Điểm kết thúc là thời điểm gây ra sự biến đổi tính chất vật lý hay sự đổi màu của chất chỉ thị. Điểm kết thúc thƣờng không trùng với điểm tƣơng đƣơng và gây ra sai số 23
23. chuẩn độ. Sự sai biệt về thể tích giữa điểm tƣơng đƣơng và điểm kết thúc gọi là sai số trong chuẩn độ. Trong các phƣơng pháp phân tích thể tích, sai số trong chuẩn độ Et đƣợc xác định: Et = |Veq - Vfin| Veq: thể tích lý thuyết của thuốc thử cần thiết để đạt đến điểm tƣơng đƣơng Vfin: thể tích thật sự sử dụng để phát hiện điểm kết thúc của phản ứng Trong phƣơng pháp chuẩn độ, việc xác định điểm kết thúc có thể sử dụng chất chỉ thị. 2.2.1.3. Phân loại các phƣơng pháp chuẩn độ thể tích Trong dung dịch, các ion tham gia theo hai nhóm phản ứng chính: Phản ứng trao đổi gồm các phản ứng: trung hòa, kết tủa và tạo phức Phản ứng oxy hóa - khử Do đó, các phƣơng pháp phân tích thể tích đƣợc chia thành 4 nhóm: Phƣơng pháp trung hòa Phƣơng pháp oxy hóa – khử Phƣơng pháp kết tủa Phƣơng pháp tạo phức 2.2.1.4. Các kỹ thuật chuẩn độ Dựa theo thao tác tiến hành phản ứng giữa chất cần xác định và thuốc thử có thể chia các kỹ thuật chuẩn độ thành 2 nhóm: Chuẩn độ trực tiếp Chuẩn độ gián tiếp a. Chuẩn độ trực tiếp Là chuẩn độ chỉ dựa vào một phản ứng duy nhất giữa chất cần xác định và dung dịch thuốc thử. Chính vì thế, các phản ứng và các thao tác trung gian giảm đi, do đó kết quả chuẩn độ trực tiếp thƣờng chính xác hơn chuẩn độ gián tiếp. Ví dụ: Chuẩn độ xác định đô chua trong thực phẩm bằng dung dịch chuẩn NaOH với chỉ thị phenolphtalein, hay chuẩn độ xác định hàm lƣợng muối ăn NaCl bằng dung dịch AgNO3 với chỉ thị K2CrO4 (phƣơng pháp Mohr). Trong phƣơng pháp chuẩn độ này, số đƣơng lƣợng gam của chất cần xác định luôn bằng số đƣơng lƣợng gam thuốc thử cần đung cho chuẩn độ, tức là Vxđ . Nxđ = Vtc . Ntc b. Chuẩn độ gián tiếp Đƣợc dùng khi chất cần phân tích không phản ứng trực tiếp đƣợc với dung dịch tiêu chuẩn hoặc không thể tiến hành chính xác phản ứng trực tiếp giữa chúng. Tùy theo các phản ứng xảy ra trong quá trình thao tác chuẩn độ mà chia chuẩn độ gián tiếp thành 3 loại: Chuẩn độ ngƣợc Chuẩn độ thế Chuẩn độ thế ngƣợc 24
24. + Chuẩn độ ngƣợc: Còn gọi là chuẩn độ nghịch. Chuẩn độ ngƣợc sử dụng 2 dung dịch tiêu chuẩn, đầu tiên cho chất cần xác định phản ứng với một lƣợng chính xác và lấy dƣ của dung dịch tiêu chuẩn thứ nhất, sau đó lƣợng dƣ của dung dịch tiêu chuẩn này đƣợc xác định lại bằng một dung dịch tiêu chuẩn thứ hai. Ví dụ: Xác định hàm lƣợng muối ăn NaCl bằng phƣơng pháp Volhard, chó nó tác dụng với dung dịch tiêu chuẩn AgNO3 lấy dƣ, sau đó chuẩn độ lại lƣợng AgNO3 dƣ bằng dung dịch tiêu chuẩn KSCN với chỉ thị là dung dịch muối phèn nhôm. + Chuẩn độ thế: Khi chất cần xác định và dung dịch tiêu chuẩn không phản ứng 2+ với nhau (ví dụ: ion Ca không phản ứng với KMnO4) hoặc phản ứng không tuân theo một định lƣợng nhất định (ví du: phản ứng giữa K2Cr2O7 với Na2S2O3 trong môi tƣờng acid mạnh), vì thế định lƣợng chất cần xác định bằng một chất thử thứ 3 là chất có phản ứng định lƣợng với dung dịch tiêu chuẩn. Ví dụ: Xác định hàm lƣợng đƣờng khử bằng phƣơng pháp Bertrand. Nhóm -CHO hoặc nhóm xeton -CO- trong phân tử đƣờng không thể phản ứng trực tiếp với dung dịch KMnO4 theo phƣơng pháp oxy hóa – khử, vì thế ta tiến hành chuẩn độ nhƣ sau: cho vào dung dịch đƣờng khử một lƣợng dƣ thuốc thử Fehling, tạo thành kết tủa 3+ 2+ đỏ gạch Cu2O. Hòa tan kết tủa vào bằng dung dịch Fe tạo thành dung dịch Fe . 2+ Lƣợng dung dịch Fe tạo thành sẽ đƣợc chuẩn độ bằng dung dịch KMnO4. Từ kết quả thu đƣợc ta có thể tính đƣờng hàm lƣợng đƣờng khử có trong thực phẩm. Trong chuẩn độ thế luông thỏa mãn mối quan hệ: số đƣơng lƣợng gam của chất cần xác định bằng số đƣợng lƣợng gam chất tiêu chuẩn: Vxđ . Nxđ = Vtc . Ntc, dù sử dụng một lần hay nhiều lần thay thế. + Chuẩn độ thế ngƣợc: Đó là cách chuẩn độ phối hợp giữa chuẩn độ thế với chuẩn độ ngƣợc. Trong chuẩn độ thế ngƣợc, đƣơng lƣợng gam của chất tham gia phản ứng tính theo phƣơng pháp chuẩn độ thế còn số đƣơng lƣợng gam của chúng tính theo phƣơng pháp ngƣợc. Ví dụ: Chuẩn độ xác định ion Ca2+ bằng phƣơng pháp định lƣợng dƣới dạng 2+ ocalat. Cho ion Ca phản ứng với dung dịch chuẩn (NH4)2C2O4 lấy dƣ, lọc bỏ kết tủa, dung dịch thu đƣợc chuẩn độ bằng dung dịch tiêu chuẩn KMnO4 2+ + Ca + (NH4)2C2O4 dƣ = CaC2O4 + 2NH4 (phản ứng thế) + 2+ + + 5(NH4)2C2O4 + 2KMnO4 + 16H = 10CO2 + 2Mn + 2K + 10NH4 + 8H2O (phản ứng chuẩn độ) 2+ 2- Các phản ứng trên cho thấy: 1 ion Ca đƣợc thế bởi sự mất đi của 1 ion C2O4 , 1 2- 2+ ion C2O4 khi tham gia phản ứng chuẩn độ nhƣờng 2e, do đó, 1 ion Ca tƣơng đƣơng 2+ 2+ với 2e, suy ra: ĐCa = MCa /2. Cũng theo các phản ứng trên ta có: ( ) ( ) 2.2.1.5. Tính toán kết quả Để tính kết quả trong phƣơng pháp phân tích thể tích cần phải biết thể tích và nồng độ của chất chuẩn. 25
25. Tính kết quả dựa vào nồng độ đƣơng lƣợng: Đối với nồng độ đƣơng lƣợng, ngƣời ta kết thúc chuẩn độ tại lân cận điểm tƣơng đƣơng. Ở đó, số đƣơng lƣợng (hay mili đƣơng lƣợng) thuốc thử bằng số đƣơng lƣợng (hay mili đƣơng lƣợng) của chất cần xác định. Lấy VB (ml) dung dịch chất B (chất chuẩn) có nồng độ xác định NB dùng chuẩn độ tại điểm kết thúc hết VA (ml) chất cần định lƣợng A có nồng độ NA. Để tính nồng độ của chất A, áp dụng qui tắc hợp thức: VA.NA = VB.NB Nồng độ chất A đƣợc suy ra từ công thức: Từ nồng độ xác định, tính đƣợc: Hàm lƣợng g/l: P(g/l) = NA.ĐA ĐA: đƣơng lƣợng gam của chất cần định lƣợng Hàm lƣợng tính theo %: 2.2.2. Các phƣơng pháp chuẩn độ thể tích 2.2.2.1. Chuẩn độ acid – base a. Nguyên tắc Chuẩn độ acid – base là phƣơng pháp định lƣợng dựa vào phản ứng trung hòa giữa acid và base tạo ra muối và nƣớc, thực chất là phản ứng giữa proton H+ với anion OH- Phản ứng chuẩn độ: + - H + OH H2O Ở 298oK, chúng ta có số tích số ion của nƣớc: + - -14 Kw = [H ][OH ] = 10 và pH + pOH = 14 Trong quá trình chuẩn độ thì nồng độ H+ và OH- thay đổi tức là pH thay đôi. Trong phƣơng pháp chuẩn độ acid - base, dùng chất chuẩn là acid để xác định nồng độ của base, và dùng chất chuẩn là base để xác định nồng độ của acid. b. Phân loại các phản ứng chuẩn độ trong phƣơng pháp acid – base: Chuẩn độ acid mạnh bằng base mạnh Chuẩn độ base mạnh bằng acid mạnh Chuẩn độ acid yếu bằng base mạnh Chuẩn độ base yếu bằng acid mạnh Chuẩn độ đa acid yếu bằng base mạnh Chuẩn độ đa base yếu bằng acid mạnh c. Chất chỉ thị màu dùng trong phƣơng pháp acid – base 26
26. Chất chỉ thị màu thƣờng dùng trong phƣơng pháp acid – base là chất chỉ thị acid – base hay chất chỉ thị pH. Đó là những hợp chất hữu cơ biểu lộ tính acid yếu hoặc base yếu có thể thay đổi màu theo pH của dung dịch. Bản thân các chất chỉ thị này là các acid yếu hoặc các base hữu cơ yếu mà ở dạng phân tử hoặc ion chúng có màu khác nhau. Điều này do sự phân ly hoặc liên hợp của chất chỉ thị kèm theo sự chuyện vị cấu trúc bên trong dẫn đến sự đổi màu. Phản ứng điển hình của chỉ thị acid – base dƣới dạng sau: + - Hind + H2O H3O + Ind hoặc: - - Ind + H2O Hind + OH Trong các dung dịch acid mạnh, chỉ thị Hind là dạng chiếm ƣu thế, tƣơng ứng với “màu acid” và Ind- sẽ là “màu kiềm” của nó. Trong các dung dịch kiềm các ion Ind- sẽ chiếm ƣu thế tƣơng ứng với “màu kiềm” của chất chỉ thị đó. Bảng 2.1. Một số chất chỉ thị thƣờng dùng trong phƣơng pháp acid – base Màu chỉ thị trong Khoảng pH đổi Màu chỉ thị trong Chỉ thị môi trƣờng acid màu chỉ thị môi trƣờng kiềm Metyl da cam Đỏ da cam 3,1 – 4,4 Vàng Phenolphtalein Không màu 8,2 - 10 Tím đỏ (hồng) Giấy quỳ Đỏ 5 - 8 Xanh Tashiro Tím 5,5 Xanh lục Metyl đỏ Đỏ 4,4 -6,2 Vàng Alizarin vàng Vàng 10,1 - 12 Tím Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự đổi màu của chất chỉ thị: Ảnh hƣởng của các ion trong dung dịch: Các chất điện lý trong dung dịch có tác dụng đến màu sắc của chất chỉ thị trên hai khía cạnh: Thay đổi cƣờng dộ màu của một trong hai dạng màu của chất chỉ thị; Ảnh hƣởng đến cân bằng của chất chỉ thị. Do đó trong nhiều trƣờng hợp phải hiệu chỉnh lại pH của khoảng đổi màu của chất chỉ thị. Ảnh hƣởng của nhiệt độ: Khi thay đổi nhiệt độ của dung dịch sẽ làm thay đổi sự đổi màu của chất chỉ thị, vì làm thay đổi khả năng phân ly của dung môi, của acid, base, muối và cả của chất chỉ thị. Ảnh hƣởng của dung môi: Khi thay đổi dung môi thì sự phân ly của acid – base thay đổi. Chỉ thị acid – base do đó cũng thay đổi theo dung môi. Đó là nguyên nhân gây nên sự ảnh hƣởng của dung môi đến sự đổi màu của chỉ thị. d. Ứng dụng của phƣơng pháp chuẩn độ acid – base: Dùng các phản ứng acid – base để xác định độ kiềm của nƣớc, xác định độ chua (acid) trong một số thực phẩm, 27
27. xác định CO2 tự do trong nƣớc giải khát, xác định nitơ toàn phần bằng phƣơng pháp Kjeldahl 2.2.2.2. Chuẩn độ oxy hóa khử a. Nguyên tắc Phản ứng oxy hóa khử là phản ứng trong đó có sự thay đổi số oxy hóa của một hay một vài nguyên tố. Ox1 + Kh2 Kh1 + Ox2 Trong phản ứng oxy hóa khử gồm có: chất oxy hóa là chất chứa nguyên tố nhận electron; chất khử là chất chứa nguyên tố cho electron Ox1 + ne Kh1 Kh2 – ne Ox2 Yêu cầu của phản ứng: Các phản ứng xảy ra theo một chiều xác định Phản ứng phải xảy ra hoàn toàn Tốc độ phản ứng phải đủ nhanh Phải xác định đƣợc điểm tƣơng đƣơng - + 2+ 2+ 3+ Ví dụ: MnO4 + 8H +Fe Mn + Fe + 4H2O - + - 2+ MnO4 + 8H + 5e Mn + 4H2O (quá trình khử) - MnO4 : chất oxy hóa Fe2+ - e- → Fe3+ (quá trình oxy hóa) Fe3+: chất khử b. Một số khái niệm cơ bản Thế điện cực của kim loại: Khi nhúng một thanh kim loại Me vào nƣớc hay dung dịch muối của nó sẽ xuất hiện một tầng điện kép trên bề mặt kim loại và lớp dung dịch sát bề mặt kim loại. Sự chênh lệch thế trong tầng điện kép đƣợc gọi là thế điện cực của kim loại, kí hiệu là . Ở điều kiện tiêu chuẩn và nồng độ của cation kim loại trong dung dịch là 1 mol/l, thế điện cực đƣợc so sánh với điện cực hydro tiêu chuẩn và gọi là thế điện cực tiêu chuẩn của kim loại, kí hiệu là o. Ở điều kiện không phải là điều kiện chuẩn, nồng độ của cation kim loại thay đổi, thế điện cực của kim loại đƣợc tính theo biểu thức của Nerst: Thế oxy hóa – khử: Khi nhúng một thanh kim loại trơ về mặt hóa học vào dung dịch chứa cặp oxy hóa và khử thì trên mặt thanh kim loại và dung dịch cũng xuất hiện một tầng điện kép và thế chênh lệch trong tần điện kép đó đƣợc gọi là thế oxy hóa – khử. Thế oxy hóa – khử đƣợc ký hiệu là EOx/Kh 28
28. Ví dụ: Nhúng một thanh Pt vào dung dịch chứa cặp Fe2+ và Fe3+. Điện cực này ký hiệu: và thế của cặp oxy hóa – khử này đƣợc ký hiệu: Cũng giống nhƣ thế điện cực của kim loại, để xác định thế oxy hóa – khử ngƣời ta cũng phải tạo lập một pin điện gồm một điện cực là điện cực cần đo thế oxy hóa – khử và điện cực còn lại là điện cực hydro tiêu chuẩn. Trong điều kiện không phải là tiêu chuẩn và nồng độ các dạng oxy hóa, khử đều là 1 mol/l thì E đo đƣợc gọi là E tiêu chuẩn, ký hiệu là Eo. Trong điều kiện không phải là tiêu chuẩn và nồng độ các dạng oxy hóa, khử khác 1 mol/l thì E đo đƣợc là thế oxy hóa – khử của cặp oxy hóa – khử đó trong điều kiện đã cho. Chúng ta có thể tính thế oxy hóa – khử qua biểu thức Nerst: [Ox] và [Kh] tính theo mol/l Ở 298oK, F=96500, chuyển ln sang lg, ta có công thức: c. Phân loại một số phản ứng oxy hóa khử Tên phƣơng pháp oxy hóa khử là tên của chất oxy hóa: Phƣơng pháp permanganate (KMnO4) Phƣơng pháp iod Phƣơng pháp bicromat (K2Cr2O7) d. Ứng dụng phƣơng pháp oxy hóa khử Sử dụng phƣơng pháp permanganate để: Định lƣợng muối Fe(II): Fe(II) có tính khử trong thực tế hay sử dụng muối Mohr Fe2+ → Fe3+ Định lƣợng muối Fe(III): Phải khử ion Fe(III)về ion Fe(II). Ion Fe(II) đƣợc tạo nên đƣợc chuẩn độ bằng dung dịch permanganat. Sử dụng phƣơng pháp iod để xác định chỉ số peroxide, chỉ số iod trong dầu mỡ động thực vật; xác định hàm lƣợng cafein trong cafe, trà 2.2.2.3. Chuẩn độ phức chất a. Nguyên tắc Phƣơng pháp tạo phức dựa trên phản ứng tạo phức của các chất. Cấu tạo chung phức chất: Ion trung tâm: là ion kim loại có phân lớp d còn trống Ligand: nhóm phân tử, ion có nguyên tố còn điện tử tự do 29
29. Ion trung tâm và ligand nối với nhau bằng liên kết cộng hóa trị và liên kết phối trí. Phƣơng pháp phức chất dựa trên việc dùng các phản ứng tạo phức tan hoặc các muối ít phân ly. + - - Ví dụ: Ag + CN → [Ag(CN)2] 3+ - 3- Al + 6F → [AlF6] b. Các phƣơng pháp chuẩn độ phức chất Trong phân tích thể tích ngƣời ta thƣờng dùng các phƣơng pháp: phƣơng pháp thủy ngân (II), phƣơng pháp bạc, phƣơng pháp complexon Phƣơng pháp complexon dựa trên phản ứng tạo phức của các ion kim loại với nhóm thuốc thử hữu cơ có tên gọi chung là complexon. Phƣơng pháp complexon là phƣơng pháp phân tích chuẩn độ dựa trên việc dùng phản ứng của ion kim loại tạo phức với complexon, tạo thành muối nội phức, bền, ít phân ly, tan trong nƣớc. c. Chất chỉ thị thƣờng dùng trong phƣơng pháp complexon Chất chỉ thị màu dùng trong phƣơng pháp complexon là chất chỉ thị có khả năng tạo với ion kim loại phức có màu khác với màu riêng của chất chỉ thị. Chất đó đƣợc gọi là chất chỉ thị kim loại. Nhƣ vậy phép chuẩn độ ion kim loại bằng EDTA gồm 2 giai đoạn: Phản ứng giữa ion kim loại tự do và complexon Phản ứng giữa complexon và ion kim loại trong phức. Chất chỉ thị này có mặt trong dung dịch chuẩn độ ở một giá trị pH nào đó có khả năng tạo phức tan, có màu với cation kim loại cần xác định. Nhƣng phức này kém bền hơn phức tạo bởi với EDTA và cation kim loại đó. Chất chỉ thị thƣờng đƣợc sử dụng rộng rãi trong phép chuẩn độ complexon là - Eriocrom T black (ký hiệu H2Ind ): là một loại acid đa bậc yếu. Chất chỉ thị này có phạm vi đổi màu khác nhau: Khi sử dụng chất chỉ thị này trong chuẩn độ xác định hàm lƣợng các cation kim loại thƣờng dùng pH = 6,3 – 11,6 nên tồn tại dạng HInd2- có màu xanh. HInd2- tạo phức kém tan, kém bền với cation kim loại có màu đỏ. Nhƣ vậy nếu chỉnh dung dịch chuẩn độ có pH = 6,3 – 11,6 khi cho chất chỉ thị Eriocrom T black vào dung dịch sẽ có màu đỏ nếu trong dung dịch có các cation kim loại. Dùng EDTA chuẩn độ dung dịch này thì việc kết thúc chuẩn độ khi dung dịch chuẩn độ có màu đỏ chuyển sang màu xanh. Eriocrom T black tạo phức đỏ hoặc hồng với ion kim loại Mg2+, Zn2+, Cd2+ thƣờng đƣợc dùng để chuẩn độ trực tiếp các ion đó trong môi trƣờng pH = 10 dùng hỗn hợp đệm ammonia. 30
30. d. Ứng dụng của phản ứng tạo phức trong phân tích thực phẩm: xác định Ca, Mg trong sữa, xác định độ cứng của nƣớc, tạo các hợp chất phức màu trong phƣơng pháp quang phổ. 2.2.2.4. Chuẩn độ kết tủa a. Nguyên tắc Chuẩn độ kết tủa là phƣơng pháp định lƣợng dựa trên việc dùng phản ứng kết tủa (tạo thành hợp chất ít tan) giữa thuốc thử và chất cần định lƣợng. Yêu cầu của các phản ứng kết tủa: Các chất kết tủa tạo ra phải có tích số hòa tan càng nhỏ càng tốt, tức là độ hòa tan của chất đó rất nhỏ. Tốc độ phản ứng tạo kết tủa phải đủ nhanh Các kết tủa không có khả năng hấp phụ các chất khác có trong dung dịch Không xảy ra hiện tƣợng cộng kết Phải có khả năng xác định điểm tƣơng đƣơng Chuẩn độ kết tủa cho phép ta định lƣợng các anion nhƣ: Cl-, Br-, CN-, SCN-, 2- 3- CrO4 , PO4 và ngƣợc lại định lƣợng các cation tạo thành tủa với các anion trên. b. Phân loại các phƣơng pháp chuẩn độ kết tủa Phƣơng pháp bạc: dựa trên việc dùng dung dịch chuẩn là AgNO3 để tạo thành các kết tủa không tan hoặc ít tan giữa ion Ag+ với các hologenua. Phƣơng pháp Hg(I): dựa trên việc dùng dung dịch chuẩn muối thủy ngân (I) tạo thành hợp chất Hg(I) không tan nhƣ Hg2Cl2, Hg2Br2, Hg2I2. Phƣơng pháp Hg(II): dựa trên việc dùng dung dịch chuẩn muối thủy ngân (II) tạo thành hợp chất Hg(II) kém phân ly nhƣ HgCl2, Hg(SCN)2, Hg(CN)2 Tuy nhiên các phƣơng pháp thủy ngân (I) và (II) có nhƣợc điểm là muối thủy ngân rất độc nên ít sử dụng. c. Ứng dụng của phƣơng pháp kết tủa: Xác định hàm lƣợng NaCl bằng phƣơng pháp Mohr. 31
31. Chƣơng 3 PHÂN TÍCH CÔNG CỤ 3.1. Phân tích đo điện th 3.1.1. Đặc điểm c a phân tích đo điện th Phân tích đo điện thế là phƣơng pháp xác định nồng độ các ion (các chất) dựa vào sự thay đổi thế điện cực khi nhúng vào dung dịch phân tích. Phƣơng pháp này ra đời sau khi có phƣơng trình Nernst mô tả sự phụ thuộc định lƣợng của thế điện cực E vào hoạt độ các cấu tử của một bán phản ứng oxy hóa khử: Ox + ne Kh (3.1) ln (3.2) Eo: Điện thế oxy hóa khử tiêu chuẩn của cặp ox khử (V) R: hằng số khí lý tƣởng (8,314 JoK-1mol-1 T: Nhiệt độ tuyệt đối (oK) F: Số Faraday (96485 Coulomb) n: Số electron tham gia trong cặp ox –kh aox, akh : Hoạt độ dạng oxy hóa và dạng khử fox, fkh: Hệ số hoạt độ dạng oxy hóa và dạng khử ox, kh: Nồng độ cân bằng dạng oxy hóa và dạng khử (mol/l) Thay giá trị các hằng số R, F, nhiệt độ 25oC (T = 298,15oK), đổi logarit neper thành logarit thập phân (lna = 2,303. Loga) chấp nhận hệ số hoạt độ f ox = fkh = 1, ta có phƣopƣng trình Nerst ở dạng cân bằng: (3.3) Với điện cực là thanh kim loại M (ví dụ Ag, Cu, Cd, Pb, Zn ) nhúng vào dung dịch muối của nó thì: (3.4) Với dung dịch chứa 2 dạng ion có mức độ oxy hóa khác nhau của cùng một kim loại M, ví dụ Mm+ và Mn+ (m>n), phƣơng trình Nerst có dạng: (3.5) Thế điện cực đo đƣợc từ hai phƣơng trình (3.4) và (3.5) là số liệu cho phân tích đo thế. 3.1.2. Th điện cực Việc đo thế điện cực trong quá trình phân tích đo điện thế đƣợc thực hiện bằng cách đo sức điện động của một pin galvanic có hai điện cực: 32
32. Điện cực chỉ thị là điện cực mà điện thế của nó trực tiếp hoặc gián tiếp phụ thuộc nồng độ chất nghiên cứu. Điện cực so sánh là điện cực thứ hai có điện thế ổn định thƣờng là đã biết giá trị điện thế. Đây là điện cực dùng so sánh để đo thế điện cực của điện cực chỉ thị. 3.1.2.1. Điện cực chỉ thị Yêu cầu của điện cực chỉ thị: Thế điện cực phải lặp lại và thiết lập đủ nhanh khi thay đổi nồng độ cần phân tích. Đối với điện cực chỉ thị thì thanh kim loại nhúng vào dung dịch muối của kim loại đó thì phải thuận nghịch. Điện cực phải có độ bền hóa học cao để điện cực không tác dụng với cấu tử khác trong dung dịch nghiên cứu. Trong phƣơng pháp đo điện thế ngƣời ta dùng điện cực màng và điện cực kim loại làm điện cực chỉ thị. Điện cực kim loại loại 1 là loại điện cực chế tạo từ bản hoặc dây kim loại, nhúng vào dung dịch muối tan của kim loại đó. Ví dụ: Ag/AgNO3; Cd/Cd(NO3)2. Tuy nhiên chỉ các điện cực kim loại chế từ bạc, thủy ngân, cađimi, crom, coban, kẽm, chì tạo đƣợc điện cực loại 1, đáp ứng yêu cầu thuận nghịch và cho kết quả lặp lại.Với một số kim loại ngƣời ta dùng hỗn hợp kim loại thay cho kim loại để chế tạo điện cực – điện cực hỗn hợp – cho kết quả lặp lại tốt hơn. Điện cực loại 1 dùng để xác định nồng độ kim loại trong dung dịch. Điện cực kim loại loại 2 đƣợc chế tạo từ các bản hoặc dây kim loại có phủ bên ngoài một lớp muối ít tan của kim loại đó và đƣợc nhúng vào muối chứa anion cùng tên trong lớp phủ. Các điện cực calomel, điện cực bạc là điện cực kim loại loại hai. Điện cực kim loại loại hai cũng thƣờng đƣợc dùng làm điện cực so sánh. Ví dụ với điện cực bạc cloric: AgCl (r) + e Ag (r) +Cl- Phƣơng trình Nerst cho cân bằng trên: o - Ei = E AgCl – 0,0592lg Cl 3.1.2.2. Điện cực màng Điện cực màng là một bán pin điện hóa. Trong điện cực này, hiệu số điện thế trên mặt ngăn cách của các pha của vật liệu chế tạo điện cực – chất điện li phụ thuộc nồng độ (chính xác hơn là hoạt độ) các ion xác định trong dung dịch. Vật liệu chế tạo là màng chất rắn hoặc là màng chất lỏng có chứa các ion xác định. Khi vật liệu màng tiếp xúc với dung dịch nƣớc các ion có thể chuyển vào dung dịch, hoặc các ion cần xác định có thể chuyển từ dung dịch nƣớc vào màng. Do đó trên bề mặt của màng có điện tích trái dấu với điện tích các ion có trong dung dịch và trên mặt ngăn cách các pha sẽ xuất hiện một hiệu điện thế mà giá trị của hiệu điện thế phụ thuộc hoạt độ các ion trong dung dịch. Nhƣ vậy điện cực màng làm việc không phải do phản ứng điện hóa vận chuyển ion mà là do hiệu số điện thế xuất hiện trên bề mặt ngăn cách các pha và sự trao đổi cân bằng dung dịch nghiên cứu với dung dịch phụ ở bên trong màng. Một số điện cực thƣờng gặp trong thực tế phân tích. 33
33. a. Điện cực thủy tinh đo pH Điện cực thủy tinh thƣờng có dạng một bình cầu nhỏ có thành mỏng (1). Trong bình cầu chứa dung dịch HCl (hoặc một dung dịch đệm nào đó) (2). Bên trong bình cầu có đặt điện cực bạc clorua (3). Toàn bộ đƣợc đặt trong ống bảo vệ (4). Màng th y tinh: Thành phần thủy tinh của màng quyết định tính chọn lọc của + nó. Thủy tinh có khoảng 22% Na2O, 6% CaO và 72% SiO2 chọn lọc với ion H cho đến pH ~ 9. Ở pH > 9 nó đáp ứngvới cả ion Na+ và một số ion điện tích +1. Hiện nay ngƣời ta còn dùng công thức khác, thay natri và calci bằng lithi và bary để chế tạo điện cực thủy tinh có tính chọn lọc cao hơn. Khi hai mặt của màng thủy tinh đƣợc hỷđat hóa sẽ xuất hiện quá trình trao đổi ion giữa các cation +1 trong màng thủy tinh và proton của dung dịch. H+ + Na+Gl- = Na+ + H+ Gl- dung dịch thủy tinh dung dịch thủy tinh Gl – là các vị trí màng điện tích âm ở trên bề mặt thủy tinh. Màng thủy tinh dẫn điện là nhờ sự di chuyển của các ion Na+ ở trong màng thủy tinh và ion H+ ở bề mặt hydrat hóa gel . Bề dày của màng thủy tinh dao động trong khoảng 0,03 ÷ 0,1mm, có điện trở 50 – 500MΩ. Hình 3.1. Cấu tạo điện cực th y tinh b. Điện cực thủy tinh cho kim loại M+ Một số nghiên cứu thay đổi thành phần thủy tinh chọn lọc với các ion khác ngoài proton. Thủy tinh có thêm Al2O3 hoặc B2O3 cho kết quả mong muốn, đáp ứng nhiều + + + + + + ion điện tích +1 nhƣ Na , K , NH4 , Rb , Cs , Ag . Hiện một số điện cực thủy tinh loại này đã có mặt trên thị trƣờng. 3.1.2.2. Điện cực so sánh Yêu cầu của điện cực so sánh: bền theo thời gian, điện thế phải lặp lại và trơ với các thành phần trong dung dịch nghiên cứu, không thay đổi khi có dòng điện nhỏ chạy qua. 34
34. Các loại điện cực bạc clorua, điện cực calomel thƣờng đƣợc dùng làm điện cực so sánh. a. Điện cực bạc clorua Điện cực bạc clorua đƣợc chế tạo bằng dây bạc hoặc một bản bạc kim loại có phủ lớp bạc clorua nhúng vào dung dịch KCl. Thƣờng dùng điện cực bạc cloria với dung dịch KCl bão hòa hoặc dung dịch KCl 3M làm dung dịch phụ bên trong. Điện thế điện cực loại này phụ thuộc hoạt độ của anion của hợp chất khó tan phủ lên bề mặt điện cực. b. Điện cực calomel Điện cực calomel đƣợc chế tạo từ Hg kim loại, calomel (Hg2Cl2) và KCl. Điện thế của điện cực này cũng phụ thuộc hoạt độ ion clorua. Tất cả các điện cực đều có calomel bão hòa, chỉ nồng độ KCl khác nhau: 0,1M, 3M, bão hòa. Thông thƣờng để giữ thế điện cực của điện cực bạc clorua và calomel không thay đổi ngƣời ta thƣờng chuẩn bị các điện cực này ở điều kiện trong dung dịch KCl bão hòa hay dung dịch KCl 3M. 3.1.3. Phƣơng pháp đo độ điện th Nguyên tắc: Trong thực tế để đo thế điện cực một điện cực chỉ thị nào đó, ngƣời ta ghép nó với một điện cực so sánh chọn trƣớc thành một pin galvanic và đo sức điện động của pin galvanic tạo thành. EX = Ect - Ess + Ekt Ex là sức điện động của pin cần đo Ess là điện thế điện cực so sánh Ect là điện thế chỉ thị Ekt là điện thế khuếch tán hay còn gọi là điện thế của hợp chất lỏng Thiết bị đo điện thế gọi là điện thế kế. Các điện thế kế này có thể đo sức điện động có độ chính xác đến 0,1mV. Ngày nay sử dụng các điện thế kế điện tử để đo sức điện động cho kết quả chính xác và phép đo đƣợc tiến hành tiện lợi hơn nhiều. 3.1.3.1. Phƣơng pháp đo điện thế trực tiếp Phƣơng pháp đo điện thế trực tiếp dựa vào việc ứng dụng trực tiếp phƣơng trình Nernst để tính hoạt độ hay nồng độ của ion tham gia phản ứng theo sức điện động của pin galvanic của mạch đo (hay thế điện cực). Trƣớc kia phƣơng pháp đƣợc dùng để đo pH dung dịch. Ngày nay với việc xuất hiện các điện cực chọn lọc ion, phƣơng pháp đo điện thế trực tiếp đã trở nên phổ biến hơn với tên gọi: phƣơng pháp đo ion hay phƣơng pháp ionometric. Đo pH: Một số loại điện cực nhƣ điện cực hydro, điện cực quinonhidro, điện cực antimon, điện cực thủy tinh có thế điện cực thay đổi theo nồng độ ion H+. Điện cực hydro có cấu trúc cồng kềnh để điện cực làm việc ổn định lại khá phức tạp nên ít có ý nghĩa trong thực ti n phân tích. Điện cực quinhidron, do nhiều lý do chỉ đƣợc sử dụng trong phƣơng pháp chuẩn điện thế các acid bằng base. Sử dụng điện cực thủy tinh để đo pH của các dung dịch cần đo. 35
35. Trƣớc khi đo pH cần phải ngâm rửa điện cực bằng dung dịch HCl 0,1M. Khi đó ion H+ của dung dịch HCl sẽ trao đổi với ion Na+ của màng thủy tinh của điện cực và thiết lập một cân bằng nào đó. Với công việc chuẩn bị này, các proton trên mặt điện cực đã thiết lập một cân bằng xác định với dung dịch và có thể dùng điện cực này làm điện cực chỉ thị để đo pH của các dung dịch. Vậy phản ứng điện cực trên điện cực thủy tinh chính là sự trao đổi các ion H+ giữa bề mặt điện cực và dung dịch. Nghĩa là ở đây không có sự dịch chuyển điện tử mà là sự dịch chuyển ion. Các ion H+ trên mặt ngoài của màng sẽ cân bằng với ion H+ của dung dịch nghiên cứu và trên mặt phân cách sẽ xuất hiện điện thế. Vậy điện thế của màng thủy tinh EM đặc trƣng cho pH của dung dịch nghiên cứu. Việc đo pH của dung dịch khi dùng điện cực thủy tinh có thể đƣợc + thực hiện với việc đo sức điện động của hệ (Hg.Hg2Cl2/KCl/CH (1)/thủy tinh/HCl/AgCl.Ag) tức là đo sức điện động của pingalvanic gồm điện cực calomel và điện cực thủy tinh. Một ƣu điểm của điện cực thủy tinh là có thể dùng để đo pH trong một phạm vi rộng, cân bằng thiết lập nhanh, có thể xác định pH của cá hệ thống không có tính oxi hóa - khử. Nhƣợc điểm cơ bản của điện cực thủy tinh là d bị vỡ, vì cân bằng của điện cực thủy tinh thiết lập nhanh, nên điện cực có tốc độ phản hồi đủ lớn. Vì vậy, ngoài việc dùng để đo pH của các dung dịch, ngƣời ta có thể dùng điện cực thủy tinh làm điện cực chỉ thị cho quá trình định phân theo phƣơng pháp đo điện thế các dung dịch acid - base. Trƣớc khi đo pH với điện cực thủy tinh cần phải hiệu chuẩn điện cực máy đo pH bằng các dung dịch đệm chuẩn, tiếp đến là đo pH của dung dịch phân tích. 3.1.3.2. Phƣơng pháp chuẩn độ điện thế (phƣơng pháp đo điện thế gián tiếp) Chuẩn độ điện thế là một phƣơng pháp phân tích mà việc xác định điểm tƣơng đƣơng của quá trình định phân đƣợc thực hiện bằng cách đo điện thế của dung dịch phân tích trong quá trình định phân. Tại gần điểm tƣơng đƣơng xảy ra sự thay đổi đột ngột của thế điện cực chỉ thị nhờ đó xác định đƣợc điểm tƣơng đƣơng. Việc xác định điểm tƣơng đƣơng theo phƣơng pháp chuẩn độ điện thế chỉ đƣợc thực hiện khi có ít nhất một cấu tử tham gia phản ứng định phân có tham gia trong quá trình điện cực. Ví dụ để xác định điểm tƣơng đƣơng của quá trình định phân theo phƣơng pháp acid – base ta dùng điện cực thủy tinh làm điện cực chỉ thị. Để xác định các halogenua ta dùng điện cực bạc clorua Để xác định điểm tƣơng đƣơng dựa vào điểm uốn trên đồ thị E – V hoặc pH – V hoặc điểm cực đại trên đồ thị (∆E/∆V) – V hoặc (∆pH/∆V) – V khi cho những lƣợng biến đổi thể tích dung dịch chuẩn rất bé ở gần điểm tƣơng đƣơng. 36
36. Hình 3.2 a) Đƣờng định phân dạng tích phân b) Đƣờng định phân dạng vi phân Trên hình trình bày các kiểu đƣờng định phân trong phƣơng pháp chuẩn độ điện thế. Trong phƣơng pháp chuẩn độ điện thế ngƣời ta cũng dùng các phản ứng thông thƣờng: phản ứng acid – baseo, phản ứng oxi hóa – khử, phản ứng tạo phức và phản ứng tạo kết tủa. Ưu điểm của chuẩn độ điện thế: Trong cùng điều kiện, chuẩn độ đo thế có ƣu điểm hơn chuẩn độ dung chỉ thị hóa học (nhìn mắt): - Độ nhạy cao hơn có thể chuẩn độ dung dịch có nồng độ thấp hơn - Tranh sai số chủ quan khi phát hiện điểm kết thúc chuẩn độ bằng mắt thƣờng - Có thể chuẩn độ dung dịch có màu, đục, chuẩn độ phân riêng hỗn hợp nhiều thành phần - Có thể tự động hóa việc chuẩn độ điện thế Ứng dụng của phương pháp đo điện thế: Cả hai phƣơng pháp đo điện thế trực tiếp và chuẩn độ điện thế đều có ứng dụng rộng rãi trong thực tế phân tích. Phƣơng pháp đo điện thế trực tiếp quan trọng trong thực tế là việc xác định pH của các dung dịch bằng điện cực thủy tinh cũng nhƣ việc xác định một số ion khác nhờ điện cực chọn lọc ion. Dựa vào các điện cực ion, ngƣời ta có thể xác định đƣợc các ion Cu2+, Ag+, Ca2+, Na+, K+, Cl-, F- và đã ứng dụng thành công các điện cực này trong đối tƣợng công nghiệp và sản phẩm môi trƣờng. Việc ứng dụng đo điện thế của dung dịch phân tích để xác định điểm tƣơng đƣơng trong phân tích thể tích (chuẩn độ điện thế) đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các quá trình định phân các acid, base và các muối. Phƣơng pháp chuẩn độ điện thế sử dụng các điện cực màng chọn lọc ion: từ điện cực thủy tinh cho đên các loại màng chọn lọc ion đặc thù làm tang độ nhạy, độ chính xác của phƣơng pháp phân tích thể tích. Dùng phƣơng pháp chuẩn độ điện thế có thể xác định đƣợc điểm tƣơng đƣơng của các dung dịch đục, dung dịch có màu thẫm đồng thời có thể định phân đƣợc các dung dịch loãng, hỗn hợp phức tạp Nhờ phƣơng pháp chuẩn độ điện thế, ngƣời ta có 37
37. thể tự động hóa đƣợc quá trình phân tích.Ngày nay, ngƣời ta đã chế tạo các máy chuẩn độ điện thế tự động với các điện cực để chuẩn độ acid – base, chuẩn độ oxy hóa khử, chuẩn độ kết tủa, chuẩn độ hàm lƣợng nƣớc 3.2. Phân tích quang học 3.2.1. Phƣơng pháp đo chỉ số khúc xạ, đo góc quay cực 3.2.1.1. Phƣơng pháp đo chỉ số khúc xạ Nguyên tắc: Chỉ số khúc xạ của một chất so với khôngkhí là tỷ số giữa giá trị sin của góc tới và giá trị sin của góc khúc xạ của tia sáng truyền từ không khí vào chất đó. Chỉ số khúc xạ còn đƣợc gọi là chiết suất thƣờng đƣợc xác định bằng khúc xạ kế. Chỉ số khúc xạ đƣợc đo với chùm tia có bƣớc sóng tƣơng ứng với vạch D của Natri o (589,3nm) và ở nhiệt độ 20 ± 0,5 C và đƣợc ký hiệu là: n D20 Nồng độ của dung dịch có thể xác định theo công thức: C = n, no là chỉ số khúc xạ của dung dịch và dung môi F là độ tăng của chỉ số khúc xạ khi nồng độ tăng 1% (xác định bằng thực nghiệm) Khúc xạ kế Abbe: a. Nguyên tắc hoạt động: Khúc xạ kế Abbe dựa trên nguyên tắc phản xạ toàn phần. Cụ thể là xác định góc tới hạn của sự phản xạ toàn phần của tia sáng đi từ môi trƣờng có chỉ số khúc xạ cao (nhƣ thủy tinh) vào môi trƣờng có chỉ số khúc xạ bé hơn của chất cần đo. b. Cấu tạo Hình 3.3. Sơ đồ đƣờng đi c a tia sáng trong hệ lăng kính c a khúc xạ k Abbe Bộ phận chính của khúc xạ kế Abbe gồm hai lăng kính tam giác vuông bằng thủy tinh có cùng chiết suất N. Hai lăng kính này đƣợc ghép với nhau theo mặt huyền sao cho chúng song song với nhau và giữa chúng có khoảng cách nhỏ có thể chứa lớp chất lỏng cần đo. Khúc xạ kế còn có các bộ phận hỗ trợ khác nhƣ: 38
38. Hệ thống thị kính có chia vạch đích (hoặc hai đƣờng thẳng giao nhau) để quan sát, gƣơng lấy ánh sáng, bộ phận tiêu sắc (khử hiện tƣợng tán sắc) để có thể dùng ánh sáng tự nhiên mà vẫn cho kết quả tốt. Thang chia góc tới hạn có thể qui đổi luôn sang giá trị chiết suất Có thể có bộ phận ổn nhiệt để duy trì nhiệt độ đo. Trƣớc khi sử dụng cần chuẩn hóa máy bằng dung dịch có chiết suất đã biết nhƣ: monobromonaphtalen (n D20 = 1,6588) hay dùng nƣớc cất mới (nD20 = 1,3330; nD20 = 1,3325; nD20 = 1,3306) Ngoài khúc xạ kế Abbe còn có khúc xạ kế cầm tay c. Ứng dụng: Xác định chỉ số khúc xạ để xác định nồng độ chất tan của chất trong dung dịch cần đo thông qua việc tra bảng liên quan giữa chỉ số khúc xạ và nồng độ chất tan. 3.2.1.2. Phƣơng pháp đo góc quay cực a. Ứng dụng của hiện tƣợng quay cực ánh sáng Một số chất có khả năng quay mặt phẳng của các chùm tia phân cực đi qua nó. Những chất nhƣ vậy đƣợc gọi là chất hoạt quang. Hoạt tính quang học của một chất là do cấu trúc của nó quyết định. Các chất hoạt quang phải chứa ít nhất 1 cacbon bất đối. Hai đồng phân quang học là hai đồng phân có hoạt tính quang học đối nhau. Góc quay cực của một chất là góc mà mặt phẳng phân cực bị quay đi khi ánh sáng phân cực đi qua chất đó hoặc dung dịch chất đó. Nếu góc quay theo chiều kim đồng hồ thì đó là chất hữu tuyền (+) còn lại là tả truyền (-). Góc quay cực riêng là tỷ số góc quay cực đo đƣợc khi chiếu chùm tia đơn sắc ứng với vạch D (589,3nm) của đèn natri qua bề dày 1dm ở nhiệt độ 20oC với tỷ trọng của chất lỏng (hay nồng độ của dung dịch tính bằng g/ml). Góc quay cực riêng đƣợc ký hiệu là: [α]D20 Góc quay cực của các chất lỏng hay dung dịch đƣợc đo bằng phân cực kế. Các phân cực kế đƣợc dùng đèn hơi natri. Căn cứ vào góc quay cực đo đƣợc có thể tính ra nồng độ dung dịch. Đó là nguyên tắc định lƣợng của phƣơng pháp này. Có thể sử dụng phƣơng pháp này để định tính, thử tinh khiết của các chất khi biết góc quay cực riêng của chúng. Phƣơng pháp hay đƣợc sử dụng để định lƣợng các dung dịch, nhất là các dung dịch đƣờng, theo công thức tính sau: C(kl/tt) = . 100 α là góc quay cực đo đƣợc, l là bề dày dung dịch b. Phân cực kế Phân cực kế là thiết bị có thể cho phép đo góc quay cực của một dung dịch chất hoạt quang. Để chuyển ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực ngƣời ta dùng kính phân cực. Lăng kính nicol (đôi khi gọi tắt là nicol) là loại kính đảm bảo cho tia ló là phân cực thẳng. Lăng kính nicol đƣợc ghép từ hai lăng kính băng lan, cắt theo những góc thích hợp và gắn với nhau bằng keo canada trong suốt. 39
39. Một phân cực kế đơn giản nhất có cấu tạo. Những bộ phận không thể thiếu là nguồn sáng đơn sắc S, một lăng kính nicol P tạo ánh sáng phân cực (nicol phân cực), ống đựngdung dịch hay chất lỏng cần đo có chiều dài xác định L và một nicol A dùng để nhận biết sự phân cực của ánh sáng (nicol phân tích) cấu trúc giống hệt nicol phân cực. Khi ống L đựng đầy chất hoạt quang (dung môi chẳng hạn) có thể quay nicol phân tích A đến vị trí Oa sao cho ánh sáng phân cực không qua đƣợc A. Thay dung môi bằng dung dịch đo mặt phẳng phân cực bị quay nên ánh sáng đi đƣợc qua A. Do đó phải quay nicol phân tích đến vị trí mới Oa’ để triệt tiêu ánh sáng. Góc aOa’ là góc quay cực đo đƣợc. Hình 3.4. Đƣờng đi c a ánh sáng qua máy phân cực k Vì mắt ngƣời không thể phân biệt đƣợc đƣợc bóng đen hoàn toàn tuyệt đối. Vì vậy thay vì xác định sự triệt tiêu ánh sáng, ngƣời ta sử dụng sự cân bằng ánh sáng nhƣ trong so màu. Muốn vậy trong phân cực kế thƣờng gắn thêm tấm Laurent, lúc đó ánh sáng nhìn thấy trong phân cực kế đƣợc phân thành hai nữa. Lúc đó ánh sáng nhìn thấy trong phân cực kế đƣợc đƣợc phân thành hai nửa. Có hai vị trí cân bằng của hai nửa đó là cả hai cùng rất sáng và cả hai nửa đều sáng rất yếu. Vị trí của cả hai nửa sáng đều yếu đƣợc chọn để xác định vị trí nicol A triệt tiêu ánh sáng phân cực tới nó. Nguồn sáng sử dụng trong phân cực kế thƣờng sử dụng đèn hơi natri để tạo ra tia D sử dụng để đo. c. Ứng dụng của phƣơng pháp đo năng suất quay cực Dùng để định tính, thử tinh khiết của các chất hoạt quang bằng cách đo năng suất quay cực của chúng và so sánh với các chỉ tiêu nêu trong các tài liệu. Kỹ thuật định lƣợng bằng phân cực kế cũng đƣợc áp dụng dựa vào quan hệ giữa góc quay cực và nồng độ của các dung dịch chất hoạt quang. Kỹ thuật này chủ yếu áp dụng để xác định các loại đƣờng. Một số phân cực kế dùng để đo đƣờng nên đƣợc gọi là đƣờng kế. Khi đó ngƣời ta chuyển góc quay thành độ đƣờng tƣơng ứng với: - Độ đƣờng quốc tế (oS): 100oS = 26,605o tƣơng ứng với góc quay của dung dịch đƣờng saccharose 16,29% với bề dày l = 2dm - Độ đƣờng Wentzke (oW): 100oW = 36,657o ứng với dung dịch đƣờng saccharose 26% với bề dày 2dm 40
40. 3.2.2. Phƣơng pháp quang phổ hấp thu phân tử Phƣơng pháp quang phổ hấp thu phân tử UV –VIS (tử ngoại khả kiến) dựa trên nguyên lý phân tử của một chât hấp thu ánh sáng đặc trƣng cho cấu trúc phân tử của nó. 3.2.2.1. Độ hấp thu Khi bức xạ đơn sắc đi qua một môi trƣờng có chứa chất hấp thu thì độ hấp thu của bức xạ tỷ lệ với nồng độ của chất hấp thu và chiều dày của môi trƣờng hấp thu (dung dịch chất hấp thu). Mối quan hệ này đƣợc tuân theo định luật Lambert – Beer và đƣợc biểu di n bằng phƣơng trình sau: A = lg(I0/I) = lg(1/T) = ε. L. C T: Độ truyền quang Io: Cƣờng độ ánh sáng đơn sắc tới I: Cƣờng độ ánh sáng sau khi truyền qua dung dịch K: Hệ số hấp thụ, phụ thuộc theo cách biểu thị nồng độ l: Chiều dày của lớp dung dịch (cm) C: Nồng độ dung dịch (mol/l) - Trƣờng hợp C tính bằng mol/l, l tính bằng cm: A = ε.L.C Khi C = 1 mol/l và l = 1cm thì A = ε (hệ số hấp thu mol) ε đặc trƣng cho bản chất của chất tan trong dung dịch, nó chỉ phụ thuộc vào bƣớc sóng, định luật Lambert - Beer chỉ đúng khi dùng bức xạ đơn sắc. - Trƣờng hợp nồng độ C tính bằng % (khối lƣợng/thể tích) và bằng 1%, l = 1cm thì: ε (1%, 1cm) là hệ số hấp thu riêng, nó đặc trƣng cho mỗi chất. Trong phân tích kiểm nghiệm hay dùng ε (1% 1cm) 3.2.2.2. Điều kiện áp dụng định luật Lambert – Beer Ánh sáng phải đơn sắc: Khi bƣớc sóng thay đổi thì hệ số hấp thu cũng thay đổi. Một chùm tia càng đơn sắc thì định luật càng đúng. Cùng một dung dịch nhƣng đo trên máy khác nhau có thể thu đƣợc giá trị A khác nhau. Có nhiều nguyên nhân nhƣng trƣớc hết là tính đơn sắc của ánh sáng. Khoảng nồng độ phải thích hợp: Do nhiều nguyên nhân vật lý (sự phản xạ, sự khuếch tán ánh sáng ) hóa học (sự phân ly, ảnh hƣởng của lực ion ) mà định luật chỉ đúng trong một giới hạn nồng độ nhất định. Vì vậy khi xây dựng phƣơng pháp định lƣợng cần khảo sát kỹ để tìm khoảng nồng độ thích hợp. Các yếu tố hóa học khác: Làm thế nào để chất hấp thu ánh sáng không bị biến đổi bởi các phản ứng hóa học trong dung dịch. Vì vậy pH của dung dịch, sự có mặt của các chất lạ có khả năng phản ứng với chất cần đo hoặc gây nhi u sự hấp thu ánh sáng của chất cần đo đều phải tính đến. Dung dịch chất cần đo phải trong suốt, chất thử phải bền dƣới tác dụng của ánh sáng UV – VIS. 3.2.2.3. Ứng dụng phƣơng pháp phổ hấp thu phân tử 41
41. Phƣơng pháp phổ hấp thu phân tử đƣợc ứng dụng rộng rãi trong kiểm nghiệm thực phẩm, kiểm nghiệm dƣợc, phân tích môi trƣờng Trong kiểm nghiệm thực phẩm, quang phổ hấp thu phân tử ứng dụng phân tích metanol, furfurol, Fe trong sữa Định tính: Về nguyên tắc có thể dựa vào phổ chất cần nghiên cứu với phổ chất chuẩn để định tính xem chất đó có đúng là chất đang đƣợc dự kiến không. Nhƣng với phổ UV – VIS có rất ít thông tin đặc trƣng về cấu trúc, vì thế hay dùng phổ hồng ngoại (IR) để xác định cấu trúc các chất đƣợc chính xác hơn. Tuy nhiên trong một số trƣờng hợp, việc định tính một số chất có thể dùng cách so sánh vị trí cực đại và cực tiểu hấp thụ và tỉ lệ mật độ quang giữa các bƣớc sóng đó phải nằm trong một giới hạn cho phép. Ví dụ: Định danh một số phẩm màu hữu cơ tan trong nƣớc (E 102 bƣớc sóng cực đại ở 426nm, E 110 bƣớc sóng cực đại ở 481nm ); cloramphenicol bƣớc sóng cực đại ở 268nm và 274nm; vitamin B12 có 4 cực đại hấp thu ở các bƣớc sóng 223nm, 267nm, 375nm và 444nm. Định lƣợng: Việc định lƣợng chất tan trong dung dịch dựa vào định luật Lambert – Beer. Khi nghiên cứu định lƣợng một chất cần: Lựa chọn bƣớc sóng đạt hấp thu cực đại Chọn khoảng nồng độ thích hợp nghĩa là khoảng nồng độ trong đó quan hệ giữa độ hấp thu và nồng độ là tuyến tính. Chất kiểm nghiệm phải tách ra khỏi hợp chất. Thực hiện phản ứng tạo màu. Chọn pH và dung môi thích hợp Các phương pháp định lượng trong phổ hấp thu phân tử: a. Phƣơng pháp so sánh So sánh cƣờng độ màu của dung dịch cần xác định với cƣờng độ màu của dung dịch chuẩn đã biết nồng độ. Điều kiện: cả hai dung dịch trên phải có cƣờng độ nằm trong khoảng tuân theo định luật Beer. Cx Ax Ctc Atc Ta cần xác định Cx: Khi sử dụng 2 dung dịch chuẩn: ( ) Với A1, A2 và C1, C2: độ hấp thu của hai dung dịch chuẩn và nồng độ của các dung dịch chuẩn tƣơng ứng, sao cho: A1< Ax< A2 cũng có nghĩa C1< Cx< C2 b. Phƣơng pháp thêm chuẩn 42
42. Phạm vi ứng dụng là xác định các chất có hàm lƣợng vi lƣợng hoặc siêu vi lƣợng, loại bỏ ảnh hƣởng của chất lạ. Có 2 phƣơng pháp là phƣơng pháp sử dụng công thức và phƣơng pháp đồ thị. Phương pháp sử dụng công thức: Ax: độ hấp thu của dung dịch xác định tƣơng ứng với thể tích Vx Ax+a: độ hấp thu của dung dịch có thêm chuẩn Ca: nồng độ chất chuẩn thêm vào Cx: nồng độ chất cần xác định trong thể tích Vx Công thức đƣợc thiết lập từ: Ax = lCx Ax+a = l(Cx + Ca) Cx đƣợc biểu di n theo đơn vị của Ca Cách thực hiện: Lấy 3 thể tích nhƣ nhau của dung dịch cần xác định nồng độ cho vào 3 bình định mức có thể tích V (ml). Bình 1: Thêm thuốc thử và các chất để tạo môi trƣờng pH cho dung dịch, dung dịch gọi là dung dịch xác định nồng độ Cx, độ hấp thu tƣơng ứng là Ax. Bình 2: Thêm một lƣợng chính xác dung dịch tiêu chuẩn đã biết chính xác nồng độ Ca, tiến hành phản ứng tạo màu giống nhƣ bình 1. Dung dịch có độ hấp thu tƣơng ứng là Ax+a Bình 3: Chỉ thêm thuốc thử và các chất để tạo pH cho dung dịch, lấy dung dịch này làm dung dịch so sánh. Áp dụng công thức: Từ Cx có trong thể tích Vx (ml) có thể qui về thể tích ban đầu của mẫu Vo (ml): ( ) Phương pháp sử dụng đồ thị: Có ít nhất 3 dung dịch thêm chuẩn. Lấy ít nhất 4 lần thể tích nhƣ nhau của dung dịch cần xác định nồng độ cho vào 4 bình định mức V (ml). Sau đó thêm chính xác một lƣợng V1, V2, V3 ml dung dịch chuẩn có nồng độ tƣơng ứng Ca1, Ca2, Ca3 vào 3 bình định mức trên. Tiến hành phản ứng tạo màu. Bình còn lại để làm dung dịch so sánh, cũng chuẩn bị giống nhƣ phƣơng pháp công thức. Độ hấp thu của các dung dịch thêm so với dung dịch so sánh. 43
43. Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc c a nồng độ và độ hấp thu trong phƣơng pháp thêm chuẩn Có thể đọc kết quả trên đồ thị hoặc sử dụng phƣơng trình hồi quy có dạng: A= aC + b (hồi quy tuyến tính y = ax + b) Ax = b Cx = b/a c. Phƣơng pháp đƣờng chuẩn Ƣu điểm là chính xác, có thể sử dụng đƣờng chuẩn nhiều lần để tiến hành xác định mẫu thử. Chuẩn bị từ 6 dung dịch chuẩn (trong khoảng tuân theo định luật Lambert - Beer) Thực hiện phản ứng màu với thuốc thử. Đo độ hấp thu quang A của dung dịch ở max so với các dung dịch so sánh đƣợc chuẩn bị giống nhƣ dung dịch chuẩn nhƣng không chứa các ion cần xác định. Biểu di n sự phụ thuộc A theo C trên đồ thị hoặc tính theo phƣơng trình hồi quy A = aC + b (a và b là hệ số cần tìm của phƣơng trình hồi quy – tƣơng quan) Dung dịch xác định: chuẩn bị và phản ứng tạo màu với thuốc thử giống nhƣ mẫu chuẩn. Ví dụ: Sử dụng dung dịch chuẩn để xây dựng đƣờng chuẩn nhƣ bảng 3.1 Bảng 3.1. Bảng số giá trị nồng độ dung dịch chuẩn và độ hấp thu đo đƣợc Bình định mức C(mg/l) A 1 0 0,010 2 0,05 0,480 3 0,1 0,930 44
44. 4 0,15 1,370 5 0,2 1,830 6 0,25 2,281 Sau khi đo đƣợc giá trị độ hấp thu quang của các dung dịch chuẩn, chúng ta có thể tiến hành xây dựng đƣờng chuẩn và tìm ra phƣơng trình hồi quy tƣơng quan: Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc c a nồng độ và độ hấp thu A Sau khi thiết lập đƣờng chuẩn, ta đƣợc dạng phƣơng trinh y = ax + b với y là độ hấp thu quang , x là nồng độ. Đối với dung dịch xác định, ta tiến hành phản ứng và đo đƣợc hệ số hấp thu của mẫu (Amẫu = y), ta có thể tính đƣợc nồng độ của mẫu cần xác định theo phƣơng trình: 3.2.3. Phƣơng pháp quang phổ hấp thu nguyên tử 3.2.3.1. Nguyên lý của phép đo quang phổ hấp thu nguyên tử Phƣơng pháp phân tích dựa trên cơ sở đo phổ hấp thu nguyên tử của một nguyên tố đƣợc gọi là phép đo phổ hấp thu nguyên tử (AAS - Atomic Absorption Spectrophotometry). Cơ sở lý thuyết của phép đo này là sự hấp thu năng lƣợng (từ nguồn 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 trƣờng hấp thu. Vì thế để thực hiện phép đo phổ hấp thu nguyên tử của một nguyên tố cần phải thực hiện các quá trình sau: Chọn các điều kiện và thiết bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (mẫu dạng rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi dạng nguyên tử tự do. Đây là quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu. Những thiết bị để thực hiện quá trình này gọi là hệ thống nguyên tử hóa mẫu. Chúng có nhiệm vụ biến nguyên tố cần phân tích từ dạng rắn, lỏng thành hơi chứa nguyên tử tự do. Đám hơi này chính là môi trƣờng hấp thu bức xạ và sau đó đƣợc phổ hấp thu nguyên tử. 45
45. Khi chùm tia sáng bức xạ đặc trƣng (thƣờng là đèn cathod rỗng) của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử vừa đƣợc tạo ra nhƣ đã nói ở trên, các nguyên tử của nguyên tố cần xác định và tạo ra phổ hấp thu có tính đặc trƣng cho nguyên tố cần xác định. Ở đây, phần cƣờng độ của chùm tia sáng đã bị đám hơi nguyên tử hóa từ mẫu phân tích hấp thu, việc hấp thu này phụ thuộc vào nồng độ của nó trong môi trƣờng hấp thu. Nguồn cung cấp cho chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần nguyên cứu đƣợc gọi là nguồn bức xạ đơn sắc hay bức xạ cộng hƣởng. Sau đó, với những thiết bị quang học khác ta thu toàn bộ chùm ánh sáng sau khi đã đƣợc chiếu qua đám hơi nguyên tử, ánh sáng đƣợc cho phân ly qua bộ phận cách tử nhi u xạ và chọn 1 vạch phổ hấp thu của nhuyên tố cần nguyên cứu để đo cƣờng độ của nó. Cƣờng độ ánh sáng này đƣợc biến thành tín hiệu điện, đây chính là tín hiệu hấp thu của vạch phổ hấp thu nguyên tử. Trong một giới hạn nhất định cua nồng độ C, giá trị của cƣờng độ này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ C của nguyên tố trong mẩu phân tích. Sự phụ thuộc này tuân theo định luật Lambert – Beer thể hiện qua biểu thức sau: A= .C.l C: Nồng độ chất phân tích : Hệ số hấp thu mol A: Mật độ quang (độ hấp thu) Ba quá trình trên là nguyên tắc của phép đo của phổ hấp thu nguyên tử. 3.2.3.2. Các bƣớc phân tích định lƣợng bằng AAS. Chuyển mẫu sang dạng dung dịch Chuẩn bị mẫu trắng và dãy mẫu chuẩn Đo độ hấp thu của dãy chuẩn Đo độ hấp thu của nguyên tố phân tích trong dung dịch mẫu Tính nồng độ nguyên tố phân tích Số lƣợng năng lƣợng bị hấp thu tỷ lệ thuận với độ dài đi qua bộ phận nguyên tử hóa và nồng độ nguyên tử trong bộ phận nguyên tử hóa. Sự phụ thuộc này cũng tuân theo định luật Lambert – Beer: Độ hấp thu A = lg(Io/I) = ε.C.l Io: Cƣờng độ bức xạ tới I: Cƣờng độ bức xạ đi ra ε: Hệ số hấp thu l: Độ dài dãy hấp thu C: Nồng độ nguyên tử hấp thu 3.2.3.3. Ứng dụng phƣơng pháp phổ hấp thu nguyên tử Phƣơng pháp phổ hấp thu nguyên tử có thể định lƣợng đƣợc hầu hết các nguyên tố kim loại (khoảng trên 60 nguyên tố) và một số á kim nhƣ As, B với hàm lƣợng cỡ 46
46. ppb và sai số không vƣợt quá 15%. Do vậy phƣơng pháp đƣợc sử dụng khá rộng rãi trong phân tích thực phẩm, dƣợc phẩm với một số ứng dụng cụ thể nhƣ sau: Định lƣợng các kim loại: Cu, Zn, Fe, Cr, Mn Định lƣợng một số nguyên tố độc hại: As, Hg, Pb, Cd, Bi Trong quá trình định lƣợng cần phải chuẩn bị mẫu hết sức cẩn thận: dụng cụ không đƣợc dính các nguyên tố cần định lƣợng tốt nhất sử dụng dụng cụ polyetylen dùng một lần, dung môi, hóa chất sử dụng đòi hỏi độ tinh khiết cao, khí mang mẫu có độ tinh khiết cao. Đặc biệt với kỹ thuật lò graphit tuy có độ nhạy cao nhƣng chịu ảnh hƣởng đáng kể của tạp chất. 3.3. Phƣơng pháp sắc ký 3.3.1. Cơ sở lý thuy t Sắc ký là một nhóm các phƣơng pháp hóa lý dùng để tách và phân tích các thành phẩn cấu tử của một hỗn hợp cấu tử dựa vào tính chất hóa học, vật lý, hóa lý của các chất cần phân tích (cần tách) với pha động và pha tĩnh. Các tính chất đó là: Tính chất hấp phụ của các chất Tính chất trao đổi ion Sự rây phân tử theo kích thƣớc của chúng Sự phân bố của các chất giữa hai pha không tan vào nhau. 3.3.2. Quá trình sắc ký cơ bản Quá trình sắc ký có 3 giai đoạn chính: Đƣa hỗn hợp lên pha tĩnh (lên cột) Cho pha động chạy qua pha tĩnh: Dung môi qua cột, kéo theo các chất di chuyển trên pha tĩnh với tốc độ khác nhau, tách khỏi nhau và có vị trí khác nhau trên cột tạo thành sắc đồ (sắc ký đồ). Giai đoạn này gọi là khai triển sắc ký. Cho pha động tiếp tục chạy thì các chất lần lƣợt kéo ra ngoài cột. Giai đoạn này gọi là giai đoạn rửa giải sắc ký. Phát hiện chất: Các chất có màu thì phát hiện d dàng, chất không màu phát hiện bằng cách nhuộm thuốc thử và kết hợp dùng đèn tử ngoại. Ngƣời ta còn phát hiện các chất tách đƣợc qua bộ phận phát hiện gọi là detector đặt sau cột. Dựa vào cƣờng độ tín hiệu thu đƣợc ngƣời ta định lƣợng nồng độ các chất phân tích. 3.3.3. Phân loại các phƣơng pháp sắc ký phổ bi n Trên cơ sở nguyên lý sắc ký có thể phân loại các kỹ thuật sắc ký theo nhiều cách khác nhau: Dựa vào phƣơng cách lƣu giữ pha tĩnh, có thể chia sắc ký thành hai nhóm: Sắc ký cột (column chromatography): Pha tĩnh đƣợc giữ trong ống nhỏ, pha động đi qua pha tĩnh nhờ áp suất hoặc trọng lực. Sắc ký phẳng (planar chromatography): Pha tĩnh đƣợc cố định trên một mặt phẳng (giấy, bản mỏng), pha động di chuyển qua đó nhờ mao dẫn hoặc tác động của trọng lực. 47
47. Dựa vào tính chất vật lý của pha động, pha tĩnh và loại cân bằng tạo nên sự di chuyển qua cột của chất tan giữa hai pha: sắc ký lỏng (Liquid Chromatography – LC), sắc ký khí (Gas Chromatography - GC) Dựa vào phƣơng cách cho pha động chạy qua pha tĩnh có thể chia làm hai loại: Sắc ký khai triển (development chromatography): Pha động đƣa các thành trong mẫu di chuyển và tách ngay trên pha tĩnh. Sắc ký đồ nằm trên pha tĩnh. Sắc ký khai triển thƣờng thực hiện trên mặt phẳng. Sắc ký rửa giải (Elution chromatography): Pha động đƣa các thành phần trong mẫu di chuyển lần lƣợt ra ngoài pha tĩnh. Sắc ký đồ nằm ngoài pha tĩnh. Sắc ký rửa giải thƣởng nằm trong cột. Dựa theo bản chất của quá trình sắc ký có thể chia sắc ký thành các loại sau: Sắc ký phân bố (Partition chromatography): Phân tích sắc ký này giữa vào phân bố các chất giữa hai hệ lỏng – lỏng và khí – lỏng. Sắc ký hấp phụ (Adsorption chromatography): Pha tĩnh là chất rắn có khả năng hấp phụ các chất. Cân bằng này xuất hiện trong hệ lỏng – rắn và khí – rắn. Sắc ký trao đổi ion (Ion – exchange chromatography): Pha tĩnh là nhựa trao đổi ion. Nhựa này mang những ion trao đổi đƣợc với ion cùng dấu trong mẫu phân tích. Sắc ký gel (Gel permeation hoặc gel filtration chromatography). 3.3.4. Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) Sắc ký lỏng là phƣơng pháp sắc ký trong đó pha tĩnh là chất rắn, pha động là chất lỏng 3.3.4.1. Các thông số đặc trƣng của phƣơng pháp sắc ký a. Thời gian lƣu (tR): là đại lƣợng đặc trƣng cho mỗi chất phân tích, đƣợc tính từ thời điểm chất này đƣợc nạp vào cột đến lúc nó ra ở cột ở nồng độ cực đại. Thời gian lƣu là thông tin định tính về mặt sắc ký đồ là hằng số đối với một cấu tử khi tiến hành sắc ký trong những điều kiện không đổi (cột, pha động, nhiệt độ ) b. Hệ số dung lƣợng (k’) Hệ số dung lƣợng cũng đặc trƣng cho một chất, nhƣng k’ không phụ thuộc vào tốc độ dòng cũng nhƣ chiều dài cột, k’ phụ thuộc vào bản chất chất phân tích, đặc tính của pha động và pha tĩnh. ƣợ ấ ĩ ƣợ ấ độ c. Độ chọn lọc (α) Hai chất chỉ tách đƣợc khi chúng có k’ khác nhau, α đánh giá hiệu quả tách của một hệ thống sắc ký. 48
48. d. Số đĩa lý thuyết N: là đại lƣợng đặc trƣng cho một hệ thống phân tách. Đĩa lý thuyết đƣợc định nghĩa nhƣ là một khu vực của hệ thống phân tích mà trong đó một cân bằng nhiệt động học đƣợc thiết lập giữa nồng độ trung bình của một cấu tử trong pha tĩnh và trong pha động. e. Độ phân giải R: đặc trƣng cho chất lƣợng của quá trình tách, trên thực tế ngƣời ta sử dụng độ phân giải R giữa hai peak cạnh nhau. 3.3.4.2. Ứng dụng của HPLC HPLC có khả năng tách các hợp chất nhƣ: - Các hợp chất cao phân tử và ion thuộc các đối tƣợng nghiên cứu y sinh học - Các hợp chất tự nhiên không bền - Các hợp chất kém bền nhiệt, các chất d nổ Các hợp chất đó là: nucleozid, nucleotid, acid nucleic, acid amine, đƣờng, polysaccaride, sắc tố thực vật, acid hữu cơ, lipide không phân cực và phân cực, phẩm màu thực phẩm, phẩm màu dƣợc phẩm, chất hoạt động bề mặt, peroxide, các vitamin, chất chống oxy hóa, kháng sinh, alkaloid Định tính và thử độ tinh khiết: Việc định tính một chất dựa vào vị trí của peak của chất đó trên sắc đồ tức là dựa vào thời gian lƣu tR. Định lƣợng: Sắc ký là phƣơng pháp thuận lợi để định lƣợng một chất trong hỗn hợp vì chất đó đƣợc tách ra khỏi các chất khác và đƣợc định lƣợng dựa vào việc đo chiều cao hay diện tích peak. 3.3.5. Sắc ký khí Trong sắc ký khí (GC), pha động là một chất khí thƣờng là khí trơ. Mẫu phân tích đƣợc đƣa vào đầu cột và quá trình rửa giải đƣợc thực hiện nhờ dòng khí trơ qua cột sắc khí. Khác với các dạng sắc khí khác, trong GC pha động không tƣơng tác với chất phân tích mà chỉ làm chức năng vận chuyển chất phân tích qua cột Trong sắc kí khí–lỏng (GLC), pha tĩnh là chất lỏng. Pha này đƣợc bao hay gắn lên một chất mang là pha rắn, ta có sắc ký kí phân bố. Trong sắc ký khí – rắn (GSC), pha tĩnh là chất rắn: pha tĩnh rắn là chất hấp thu, đó là sắc ký khí hấp thu. Do quá trình hấp thu thƣờng có đặc trƣng không tuyến tính, lƣu giữ lâu các phân tử không phân cực, peak sắc ký thƣờng bị kéo đuôi. Cho nên GSC ít đƣợc ứng dụng ngoại trừ phân tích một số chất khí. 3.3.5.1. Nguyên tắc Dựa vào sự khác nhau về ái lực giữa các chất cần phân tích với pha tĩnh (chất rắn hoặc chất lỏng) và nhiệt độ sôi mà chúng tách ra khỏi nhau nhờ sự dịch chuyển liên tục của pha động dọc lớp pha tĩnh. Trong đó, pha động ngoài nhiệm vụ đƣa chất phân tích đến bề mặt của pha tĩnh còn có nhiệm vụ tiếp nhận các phân tử chất phân tích đã bị giữ lại trƣớc đó, giải hấp đi tới để tiếp tục tƣơng tác với phần khác của bề mặt pha tĩnh. 3.3.5.2. Ƣu điểm và nhƣợc điểm a. Ƣu điểm: 49
49. Khí có độ nhớt thấp, có thể dùng cột sắc ký dài nên khả năng phân tách rất mạnh Ít tốn dung môi (không độc hại) Thời gian ổn định cột nhanh b. Khuyết điểm: Chỉ áp dụng cho các chất có thể bay hơi mà không bị phân hủy bởi nhiệt. Khí mang chỉ đóng vai trò cơ học, không có lực tƣơng tác gì đặc biệt với chất tan. Khả năng phân tách chỉ còn phụ thuộc pha tĩnh. 3.3.5.3. Đối tƣợng phân tích: Các hợp chất đƣợc phân tích bằng phƣơng pháp sắc ký khí thƣờng phải có các đặc điểm sau: D bay hơi. Khối lƣợng phân tử không quá cao. Bền ở nhiệt độ cao. 3.3.5.4.Các đại lƣợng đặc trƣng Thời gian lƣu tuyệt đối tR: Tính từ lúc bơm mẫu cho đến lúc mẫu đi ra ngoài (xuất hiện đỉnh peak của chất, dùng để định danh) Thời gian chết tM: Thời gian một chất hoàn toàn không tƣơng tác với cột tách (không bị lƣu giữ) đi qua cột, còn gọi thời gian chất đƣợc lƣu giữ trong pha động Thời gian lƣu thực t’R: Thời gian chất bị lƣu giữ trong pha tĩnh (t’R = tR- tM) 3.3.5.5. Ứng dụng của sắc ký khí a. Định tính Diện tích hay chiều cao mũi sắc ký: là đại lƣợng phụ thuộc vào hàm lƣợng của mỗi chất có trong hỗn hợp mẫu và đƣợc dùng để định lƣợng. Dựa vào thời gian lƣu tR của cấu tử phân tích và thời gian lƣu của chất chuẩn trong cùng điều kiện phân tích sắc ký. Từ đó, ta có thể nhận biết đƣợc chất cần xác định. Tuy nhiên, nếu nhiều chất có thời gian lƣu trùng nhau thì ta có thể dùng kỹ thuật sắc ký khí ghép khối phổ để có thể định danh chính xác hơn. b. Định lƣợng Diện tích hoặc chiều cao mũi sắc ký đồ tỷ lệ với nồng độ chất cần phân tích. Nhờ vậy ta có thể tính đƣợc chính xác nồng độ chất đó trong hỗn hợp. 50
50. Thu thập Lấy mẫu Bảo quản Chiết Xử lý mẫu Làm giàu hoặc pha loãng Tách và làm sạch Phát hiện Phân tích sắc ký khí Định lƣợng Hình 3.7. Sơ đồ qui trình phân tích sắc ký khí 51