TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TIỂU LUẬN MÔN CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HÓA LÝ
ĐỀ TÀI:
KỸ THUẬT PHÂN TÍCH TRẮC QUANG VÀ
MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG PHÂN TÍCH CÁC
CHỈ TIÊU MÔI TRƯỜNG NƯỚC (Fe, Mn) GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN NGỌC VINH
NHÓM : 13
LỚP: ĐHHO8ALT
KHÓA: 2012 – 2014
Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 3 Năm 2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC


Phúc
12086411
3
Nguyễn Thị
Long
12085501
4
Trịnh Thị
Nhung
12085441
5
Đổ Thị Ngọc
Thúy
12085401
6
Hồ Hạnh
Uyên
12086381
ii

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẮT VÀ MANGAN 2
1.1. Tổng quan 2
1.2. Đặc trưng và tác hại nguồn nước nhiễm sắt, mangan [2], [7] 2
1.2.1. Đặc trưng nguồn nước nhiễm sắt, mangan 2
1.2.1.1. Sắt 2

2.2.3.1.
Ph
ư
ơ
n
g

pháp đường
chuẩn 10
2.2.3.2.
Ph
ư
ơ
n
g

pháp thêm
chuẩn 11
2.2.3.3.
Ph
ư
ơ
n
g

pháp
vi sai 12
2.2.4. Các phương pháp xác định sắt Fe(II) [4] 12
2.2.4.1. Xác định hàm lượng sắt bằng thuốc thử thioxianat 12
2.2.4.2. Xác định hàm lượng sắt bằng thuốc thử axit sunfosalixilic 13

biêt sự có mặt của thành phần sắt và mangan trong nguồn nước tự nhiên, chúng gây ảnh hưởng
đáng kể đến việc cấp nước và đặc biệt đối với nguồn nước ngầm.
Để có được nguồn nước sạch trong sinh hoạt và không bị nhiễm thành phần độc tố trong
nước, cần phải xử lý sắt và mangan là tiêu chí hàng đầu trong khâu xử lý nước sạch khi đưa
vào sử dụng.
Có nhiều phương pháp xử lý sắt và mangan như oxy hoá sắt, làm thoáng, khử… Trong bài
tiểu luận này chúng tôi sẽ giới thiệu với thầy và các bạn cách xử lý sắt và mangan trong nước
bằng phương pháp trắc quang.
2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẮT VÀ MANGAN
1.1. Tổng quan
Sắt và mangan đều ảnh hưởng đáng kể đến việc cấp nước, đặc biệt đối với nguồn nước
ngầm. Một số nguồn nước ngầm không chứa Fe va Mn, trong khi một số nguồn nước ngầm khác
lại chứa một lượng đáng kể. Điều này chỉ có thể giải thích trên cơ sở hóa vô cơ.
Fe và Mn tồn tại trong nguồn nước do sự thay đổi điều kiện môi trường dưới tác dụng của
các phản ứng sinh học xảy ra trong các trường hợp sau:
󰂽 Nước ngầm chứa một lượng lớn Fe và Mn hoặc cả Fe và Mn sẽ không chứa oxi hòa tan và
có hàm lượng CO
2
cao. Fe và Mn tồn tại dưới dạng Fe
2+
và Mn
2+
. Hàm lượng CO
2
cao chứng

cacbonat, CO
2
, O
2
, các chất hữu cơ tan trong nước sẽ oxy hóa hay khử sắt làm cho sắt có thể tồn
tại ở dạng tan hay kết tủa. Trong nước mặt do ion sắt II dễ bị oxy hóa nên sắt thường tồn tại ở

3

dạng Fe
3+
thường là Fe(OH)
3
dưới dạng keo hữu cơ, cặn huyền phù…
Hàm lượng sắt trong nước ngầm thường cao và phân bố phụ thuộc vào các lớp trầm tích
dưới đất sâu nơi dòng nước chảy qua. Khi tiếp xúc với oxy hoặc các tác nhân oxy hóa, ion Fe
2+

bị oxy hóa thành Fe
3+
và kết tủa thành Fe(OH)
3
có màu nâu đỏ.
Một số dạng tồn tại của sắt trong nước:
󰂽 Các hợp chất vô cơ của ion sắt hóa trị II: FeS, Fe(OH)
2
, FeCO
3
, Fe(HCO
3

1.2.2.1. Sắt
Mặc dù sắt không gây độc hại cho cơ thể, tuy nhiên nước có hàm lượng sắt cao hơn 0,5
mg/l thường có mùi tanh khó chịu, chứa nhiều cặn bẩn màu vàng (kết tủa Fe(OH)
3
) nước thường
đục, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng ăn uống, sinh hoạt, sản xuất (làm ố vàng quần áo khi
giặt), một số nghành công nghiệp đòi hỏi chất lượng cao như: giấy, du lịch, tơ, sợi, dệt, thực
phẩm, dược phẩm… Các cặn sắt kết tủa có thể làm tắt hoặc làm giảm khả năng vận chuyển của
các ống dẫn nước. Tiêu chuẩn nước uống và nước sạch đều quy định hàm lượng sắt nhỏ hơn 0,5
mg/l.
Sắt là nguyên tử vi lượng cần thiết để cho cơ thể cấu tạo hồng cầu. Vì thế, sắt với hàm
lượng 0,3 mg/l là mức ấn định cho phép đối với nước sinh hoạt. Vượt quá giới hạn trên, sự có
mặt của sắt trong nước gây ra một số ảnh hưởng bất lợi cho người sử dụng trong sinh hoạt gia
đình, trong công nghiệp và thương mại. Sắt thường đọng lại trong các đường ống cấp nước làm
giảm áp suất của nước trong ống dẫn nên ảnh hưởng tới quá trình phân phối nước.
1.2.2.2. Mangan
Mangan được hấp thụ vào cơ thể người thông qua 3 con đường: hô hấp, tiếp xúc và tiêu
hóa. Trong đó, sự hấp thụ qua đường hô hấp là nhanh nhất, thường xảy ra với những công nhân
làm việc tại các khu công nghiệp sản xuất gang thép và chế tạo ắc qui. Còn đối với con người nói
chung, mangan được hấp thụ thông qua ăn uống là chủ yếu. Sự hấp thụ mangan liên quan tới một
số yếu tố như: hàm lương sắt, canxi trong thực phẩm, chất tanin trong trà, các loại thức ăn xơ…
Sau khi được hấp thụ mangan sẽ được vận chuyển qua máu đến các cơ quan trong cơ thể. Hàm
lượng mangan cao nhất thường được tìm thấy trong xương, gan, cật, tụy, tuyến thượng thận, các
mô giàu ti thể và sắc tố. Sự tập trung hàm lượng mangan thấp nhất là ở mỡ. Trong cơ thể người,
mangan có thể tồn tại ở một vài trạng thái oxi hóa trong các hợp chất phức hoặc ở dạng ion tự do.
Sau khi thực hiện các quá trình trao đổi chất, mangan được thải loại ra khỏi cơ thể qua: phân,
nước tiểu, mồ hôi, tóc và sữa mẹ.
Theo khảo sát, một cậu bé 10 tuổi dùng nước sinh hoạt có nồng độ mangan cao gấp 3 lần
so với tiêu chuẩn cho phép của WHO (0,4 mg/L) trong thời gian 5 năm có biểu hiện khả năng ghi
nhớ dưới mức trung bình. Nhiễm độc mangan từ nước uống làm giảm khả năng ngôn ngữ, giảm

k.C
b

Với: I: cường độ vạch phổ; C: nồng độ; k: hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào phép đo gồm hệ
thống máy đo, xử lý mẫu; 0 < b ≤ 1.
Ở các giá trị C < C
o
thì b = 1 với C
o
được gọi là nồng độ giới hạn. Lúc này sẽ có sự phụ
thuộc tuyến tính giữa I và C: I = k.C
Khi xác định sắt người ta thường nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa đèn khí, hồ quang
điện rồi thu, phân ly và ghi phổ phát xạ.
2.1.2. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) [6]
Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử dựa vào khả năng hấp thụ chọn lọc các bức
xạ cộng hưởng của các nguyên tử ở trạng thái tự do. Đối với mỗi nguyên tố vạch cộng
hưởng thường là vạch quang phổ nhạy nhất của phổ phát xạ nguyên tử của chính nguyên tử
đó. Thông thường thì khi hấp thụ bức xạ cộng hưởng nguyên tử sẽ chuyển từ trạng thái ứng
với mức năng lượng cơ bản sang mức năng lượng cao hơn gần với mức năng lượng cơ bản
nhất, người ta gọi đó là bước chuyển cộng hưởng.
Trong phương pháp này quá trình nguyên tử hóa mẫu có thể thực hiện
bằng
phương pháp
không ngọn lửa và phương pháp sử dụng ngọn lửa. Trong điều kiện nhiệt độ không quá cao

7

(1500 – 3000
o
C) đa số các nguyên tử tạo thành ở trạng thái cơ bản.

o
: Ngưỡng của sự tuyến tính của định luật Lambert – Beer cho phương pháp AAS.
k: Hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào điều kiện phân tích.
Thông thường số nguyên tử kích thích trong đám hơi không quá 1 – 2% nên phương
pháp này có độ nhạy, độ chính xác cao, thực hiện nhanh và khá đơn giản.
Khi xác định sắt người ta thường nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa đèn khí axetylen +
không khí rồi dùng nguồn sáng đơn sắc có bước sóng mà đám hơi hấp thụ cộng hưởng chiếu
vào đám hơi nguyên tử rồi thu phân ly và ghi phổ hấp thụ.
Ưu nhược điểm của phương pháp AAS [3]
Ưu điểm
󰂽 Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chọn lọc tương đối cao gần 60 nguyên tố
hóa học có thể được xác định bằng phương pháp này với độ nhạy từ 1.10
-4
đến 1.10
-5
. Đặc
biệt, nếu sử dụng kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa thì có thể đạt đến độ nhạy 10
-7
%.
Chính vì có độ nhạy cao, nên phương pháp này được sử dụng rộng rất rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực để xác định vết các kim loại. Đặc biệt là trong phân tích các nguyên tố vi lượng trong
các đối tượng mẫu y học sinh học nông nghiệp kiểm tra hóa chất có độ tinh khiết cao.

8

󰂽 Do có độ nhạy cao nên trong nhiều trường hợp không cần phải làm giàu mẫu nguyên tố xác
định trước khi phân tích, do đó tốn ít nguyên liệu mẫu, tốn ít thời gian không cần dùng nhiều
hóa chất tinh khiết cao. Mặc khác cũng tránh được sự nhiễm bẩn mẫu khi xử lí qua các giai
đoạn phức tạp.
󰂽 Các động tác thực hiện nhẹ nhàng. Các kết quả phân tích có thể được lưu lại trên máy tính.

số hấp thụ phân tử, ε: là đại lượng xác định, phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ, vào bước
sóng λ của bức xạ đơn sắc và vào nhiệt độ; l: bề dày của cuvet đựng dung dịch, đo bằng cm;
C: nồng độ dung dịch, đo bằng mol/l; D: mật độ quang; K: hệ số tỷ lệ, K = ε.l

9

Sơ đồ khối tổng quát của một thiết bị đo quang được trình bày trên hình 2.1.
Hình 2.1. Sơ đồ khối tổng quát của một thiết bị đo quang
Sơ đồ máy so màu quang điện hai chùm tia được trình bày trên hình 2.2.

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên tắc hệ thống máy UV – VIS hai chùm tia
1- Đèn vonfram; 2- Cuvet chứa dung dịch so sánh; 3- Kính lọc sáng; 4- Cuvet chứa
dung dịch phân tích; 5- Tế bào quang điện với hiệu ứng quang điện ngoài; 6- Gương; 7- Tế
bào quang điện; 8- Điện kế để chuẩn hóa 100% T.
2.2.2. Các điều kiện tối ưu của một phép đo quang [4]
2.2.2.1. Sự đơn sắc của bức xạ điện từ
Định luật Lambert – Beer càng chính xác hay là sự phụ thuộc D = f (C) càng tuyến tính

10

nếu bức xạ đơn sắc chiếu vào dung dịch càng đơn sắc.
2.2.2.2. Bước sóng tối ưu – bước sóng cực đại
λ
max

Mỗi một chất chỉ hấp thụ ánh sáng cực đại tại một bước sóng nhất định gọi là λ
max
. Do đó,
định luật Lambert – Beer càng chính xác cho chất phân tích tại giá trị
λ

phương pháp phân tích định
lư
ợ
ng
[4]
2.2.3.1.
Ph
ư
ơ
n
g

pháp đường
chuẩn
Xây dựng đường chuẩn D = f (C)

11

Nguyên tắc: chuẩn bị một dãy dung dịch chất chuẩn cần phân tích có nồng độ chính xác
khác nhau, tăng dần: C
1
, C
2
, C
3
, C
4
, C
5
,…

cao, thường có thể loại bỏ được sai số hệ thống.
Nhược điểm: dung dịch chuẩn thường có thành phần không giống như dung dịch mẫu
phân tích nên có thể có những ảnh hưởng mà ta không xác định được, nhiều thao tác nên tốn
thời gian.
2.2.3.2.
Ph
ư
ơ
n
g
pháp thêm chuẩn
Đo mật độ quang D
x
cho dung dịch phân tích có nồng độ C
x
: D
x
= K.C
x
.
Thêm vào dung dịch phân tích một lượng chính xác chất chuẩn phân tích
C
ch
,
đưa vào máy
đo mật độ quang, được giá trị D: D = K.(C
x
+
C
ch

độ lớn, giảm sai số của thuốc thử thừa, của phép đo nói chung. Nội dung của phương pháp trắc
quang như sau:
󰂽 Đo mật độ quang D
x
cho dung dịch phân tích so với dung môi.
󰂽 Đo mật độ quang của dung dịch chuẩn C
1
và C
2
(C
2
> C
1
) so với dung môi được các giá
trị D
1
, D
2
.
󰂽 Nếu ta dùng dung dịch có nồng độ C
1
làm dung dịch so sánh để đo mật độ quang của
dung dịch có nồng độ C
2
và C
x
thì ta có:
D
tđ
= D



 









 

 



 


2.2.4. Các phương pháp xác định sắt Fe(II) [4]
Phương pháp đo quang dựa vào tính chất hấp thụ chọn lọc ánh sáng trong vùng nhìn thấy
của chất màu. Để xác định sắt người ta dùng một số thuốc thử sau để tạo phức màu: axit
sunfosalixilic trong môi trường đệm amoni (pH = 8 – 11), amoni thioxianat trong môi trường
HNO
3
1:1, o-phenantrolin trong môi trường pH = 3 – 9 hay 2,2-bipyridyl trong môi trường axit
axetic,…
2.2.4.1. Xác định hàm lượng sắt bằng thuốc thử thioxianat

làm cho màu của phức bị nhạt đi.
+




-






-

Fe(SCN
2+
+H
2
PO
4
-
→FeHPO
4
+
+HSCN
2.2.4.2. Xác định hàm lượng sắt bằng thuốc thử axit sunfosalixilic
Axit sunfosalixilic tạo với sắt các ion phức có màu khác nhau: tại pH = 2 – 2,5
[Fe(Sal)]
+1
14

2.2.4.3. Xác định hàm lượng sắt bằng thuốc thử o-phenantrolin
Thuốc thử o-phenantrolin phản ứng với ion Fe
2+
tạo thành phức chất có màu tím đỏ.
Khoảng pH thích hợp cho quá trình tạo phức khá rộng từ 3 – 9.
Mangan có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình xác định nên khi mẫu phân tích có mặt
mangan thì không định lượng được sắt bằng phương pháp này. Lượng đồng trong mẫu lớn (> 10
mg/l) cũng gây ảnh hưởng nhưng có thể loại trừ ảnh hưởng đó bằng cách tiến hành phản ứng
trong khoảng pH = 3 – 4.
2.2.4.4. Xác định hàm lượng sắt bằng thuốc 2,2 - bipyridyl
Mẫu sau khi xử lý chứa Fe
3+
. Dùng axit ascobic khử Fe
3+
về Fe
2+
rồi định lượng sắt
bằng dung dịch 2,2- bipyridyl trong môi trường axit axetic.
Dung dịch Fe
2+
tạo với 2,2- bipyridyl trong môi trường axit axetic phức chất
có màu hồng.
Hàm lượng sắt có trong mẫu phụ thuộc vào độ đậm nhạt của phức.

4
-
có
hai cực đại ở bước sóng λ= 525 nm (f = 2230) và λ= 545 nm (ε = 2420).
 Chất oxi hóa là peiodat
Phản ứng oxi hóa:
2Mn
2+
+ 5IO
4
-
+ 3H
2
O → 2MnO
4
-
+ 5IO
3
-
+ 6H
+

Diễn ra tương đối nhanh trong dung dịch nóng chứa HNO
3
hoặc H
2
SO
4
. Có tác giả còn đề
nghị thêm một ít AgNO

đặc trong 100 ml hỗn hợp
phân tích. Khi nồng độ axit lớn thì cường độ cực đại của màu không đạt được hoặc màu bị yếu đi
và có màu hơi vàng. Vì vậy khi nồng độ Mn bé người ta dùng nồng độ axit bằng 2N (5-6% thể
tích H
2
SO
4
). Fe(III) làm chậm quá trình oxi hóa. Nếu trong dung dịch có mặt các chất khử phản
ứng với iodat hoặc pemanganat cần phải đuổi chúng hoặc phân hủy chúng trước khi thêm
peiodat. Mặc dầu có thể có một lượng nhỏ Cl
-
bị oxi hóa bởi IO
4
-
tuy vậy tốt hơn cả nên đuổi
chúng bằng cách làm bay hơi với H
2
SO
4
, đặc biệt nếu chất phân tích chứa ít Mn. Các ion Fe
2+
,
SO
3
2-
, NO
2
-
, Br
-

, P
4
O
7
2-
. Các kim loại khác không cản trở nếu chúng không
màu. Ảnh hưởng của các kim loại Zn
2+
, Ni
2+
được loại trừ bằng cách đo so với dung dịch
phông, Cr(III) bị oxi hóa một phần bởi IO
4
-
, khi tăng nồng độ axit thì lượng Cr bị oxi hóa giảm.
Nếu trong dung dịch có đủ axit thì Ag, Pb, Hg không tạo kết tủa, tuy vậy Bi, Sn tạo nên đục ngay
cả trong dung dịch axit mạnh. Định luật Beer phù hợp khi nồng độ nhỏ nhất là C
Mn
= 150 mg/L.
Sự thay đổi nồng độ axit và lượng dư IO
4
-
không ảnh hưởng đến cường độ màu.
 Chất oxi hóa là pesunfat
Trong những điều kiện xác định, cả phương pháp pesunfat và peiodat đều cho kết quả thỏa

16

mãn. Tuy nhiên pesunfat có ưu thế hơn so với phương pháp peiodat khi mà nồng độ Mn rất bé
bởi vì việc oxi hóa hoàn toàn bằng peiodat trong những điều kiện này diễn ra rất chậm.

PO
4
là cần thiết để ngăn ngừa kết tủa MnO
2
và đảm
bảo độ oxi hóa êm dịu Mn
2+
thành MnO
4
-
nồng độ H
3
PO
4
ít nhất phải bằng 0,1M, nồng độ HNO
3

phải xấp xỉ 0,3M, không nên dùng cao hơn. Các cản trở khi có mặt Cl
-
có thể loại trừ bằng cách
thêm HgSO
4
để chuyển Cl
-
thành phức bền HgCl
4
2-
. Khi có một lượng lớn Ti thì pesunfat oxi hóa
Mn
2+

O
2
và complexon III. Người ta dùng
phương pháp này để xác định Mn trong quặng, trong thép.
2.2.5.3. Xác định Mn dựa trên sự tạo phức màu của Mn(II) với thuốc thử hữu cơ
* Thuốc thử Foocmandoxim Foocmandoxim CH
2
NO tạo với Mn(II) phức chất không màu
rất nhanh chóng chuyển thành đỏ nâu do bị oxi hóa trong không khí để tạo thành phức chất
Mn(CH
2
NO)
6
2-
. Màu tạo thành trong vài phút và bền trong 16h. λ
max
= 455 nm (ε= 11.200). Việc
xác định Mn không bị cản trở bởi Ag(I), Pb(II), Cd(II), As(III), Sn(IV), Pt(IV), Mo(VI), Al(III)
vì chúng không tạo được sản phẩm có màu với thuốc thử, có thể có sai số không đáng kể do màu
riêng của các ion này. Người ta dùng xianua CN
-
để loại trừ ảnh hưởng riêng của chúng do tạo
phức không màu.
Độ nhạy của phương pháp là 0,078mg/L. Người ta dùng phương pháp này để xác định Mn
trong axit HNO
3
, HCl đặc biệt tinh khiết, trong các dung dịch chiết ra của đất, trong các thảo

17


Mn(PAN)
2
khó tan trong nước. Lắc huyền phù với dung môi hữu cơ, phức tan và chuyển vào
tướng hữu cơ thành dung dịch phức màu đỏ tím còn thuốc thử dư có màu da cam. Lớp chiết được
dùng để đo màu xác định Mn.
* Một số thuốc thử khác

18

󰂽 Axit benzoinhiđroxamit tạo với Mn trong dung dịch NH
3
một phức màu đỏ nâu λ
max
= 500
nm (ε = 3600). Các kim loại kiềm, kiềm thổ, Al(III), Zn(II), Sn(II), Sn(IV), Cr(VI), Pt(VI),
Fe(III), Cu(II), Co(II) cản trở phép xác định, độ nhạy là 0,2γ/0,05ml. Phương pháp này dùng
để xác định Mn trong thép, đồng thau.
󰂽 Axit Antranylhiđroxamit (2-aminosunfohidroxamit) tạo với Mn(II) phức đỏ tím ở pH >
9,2; λ
max
= 490 – 580 nm độ nhạy là 0,0138γ Mn/ml.
󰂽 Metoxibenzothiohidroxamic
Thuốc thử này tạo với Mn(II) phức màu đỏ nâu chiết được bởi rượu butylic, axetat etyl
hoặc clorofoc từ dung dịch kiềm (pH = 12) λ
max
= 390 nm (ε = 12390); λ
max
= 600 nm (ε = 4200).

19