73

Bài 10
PP QUANG PHỔ HẤP THU THẤY ĐƯC
I. ĐẠI CƯƠNG VỀ PP PHÂN TÍCH QUANG
1. Nguyên tắc
Chiếu bức xạ vào vật chất và ghi nhận kết quả tương tác (hấp thu, phát xạ, tán xạ) ở
dạng tín hiệu hay đại lượng đo có thể giúp đònh tính và đònh lượng mẫu.

kết qua
û
đo
ghi tín hiệu

Bức xạ vật chất

2. Tương tác giữa bức xạ điện từ và vật chất
2.1 Bức xạ điện từ
2.1.1 Tính chất
Bức xạ điện tù vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt
Tính chất sóng
Tính chất sóng của bức xạ điện từ thể hiện ở hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa. Các
đại lượng đặc trưng cho tính chất sóng bao gồm:

- Độ dài sóng λ : khoảng cách giữa hai
cực đại hay hai cực tiểu (cm, µm, nm)
- Chu kỳ T : thời gian truyền từ

74

Tùy thuộc vào trò số của độ dài sóng, phổ điện từ được chia ra làm nhiều vùng,
trong đó các vùng được quan tâm nhiều là tử ngoại (UV), thấy được (VIS) và hồng
ngoại (IR):
UV VIS IR
(tử ngoại) (thấy được) (hồng ngoại)
160 400 800 λ(nm)
Ánh sáng trắng là tổng hợp của các bức xạ vùng thấy được.
2.2 Vật chất
2.2.1 Nội năng của vật chất
Vật chất có nội năng E = E
q
+ E
dđ
+ E
đt
với:
- E
q
:
năng lượng do chuyển động quay của phân tử xung quanh trục với tần số quay ν
q
.
-
E
dđ
:
năng lượng do sự dao động của các hạt nhân nguyên tử xung quanh vò trí cân
bằng của chúng trong phân tử với tần số dao động ν

3
…
(ký hiệu chung là

E
*

) :

các trạng thái kích thích.
2.3 Tương tác giữa bức xạ và vật chất
Chiếu bức xạ vào vật chất, có thể có các hiện tượng :
- Bức xạ bò phản xạ ở bề mặt vật chất
- Bức xạ bò hấp thu hay tán xạ và chỉ có một phần bức xạ được truyền qua.
- Vật chất phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ (sau khi hấp thu)
.
2.3.1 Sự hấp thu bức xạ của vật chất - Phổ hấp thu
Khi bức xạ truyền đến vật chất (lỏng, rắn, khí), năng lượng của một số bức xạ bò
giữ lại một cách chọn lọc, ta nói bức xạ đã bò vật chất hấp thu:
E
0
(n
ề
n; c
ơ
b
ả
n)

E

– E
0

- Chỉ các bức xạ có tần số đúng bằng ν
q
, ν
d
và ν
đt
mới bò vật chất hấp thu.
− Đường biểu diễn sự giảm năng lượng bức xạ theo đại lượng đặc trưng cho bức xạ (độ
dài sóng, tần số hay số sóng) khi bức xạ chiếu qua mẫu gọi là phổ hấp thu. Vật hấp thu
ở dạng nguyên tử hay phân tử có phổ hấp thu nguyên tử hay phổ hấp thu phân tử tương
ứng.
2.3.2 Sự phát xạ của vật chất - Phổ phát xạ
Khi hấp thu bức xạ, vật chất (nguyên tử, phân tử) được bổ sung năng lượng và
chuyển từ mức năng lượng thấp sang mức năng lượng cao hơn. chẳng hạn từ trạng thái
điện tử cơ bản lên trạng thái điện tử kích thích. Tuy nhiên, phần năng lượng mà phân
tử được bổ sung chỉ được giữ lại trong thời gian rất ngắn và sẽ bò biến đổi theo nhiều
cách khác nhau:
- Sự va chạm giữa các phân tử dẫn tới việc phân bố lại năng lượng giữa chúng; phần
năng lượng “dư ” do bức xạ hấp thu có thể bò chuyển thành năng lượng quay, năng
lượng dao động và năng lượng chuyển động tònh tiến của các phân tử khác.
- Từ trạng thái điện tử kích thích, phân tử có thể trở về trạng thái điện tử cơ bản và
phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ; các bức xạ phát ra có thể có cùng tần số với bức
xạ đã bò hấp thu (phát xạ cộng hưởng) hoặc có tần số nhỏ hơn (phát xạ huỳnh quang
hoặc lân quang).

Hấp
thu

Phát huỳnh

quang76

Nhận xét
- Vật chất có cấu trúc khác nhau nên cũng có nội năng khác nhau và vì vậy, sự hấp
thu bức xạ của vật chất có tính chọn lọc: (1) Vật chất chỉ hấp thu các bức xạ thoả
mãn điều kiện E* – E
0
; (2) Các bức xạ thỏa mãn điều kiện E* – E
0
của vật A khác
với các bức xạ thỏa mãn điều kiện E* – E
0
của vật B
⇒
ứng dụng trong HPT để
đònh tính.

phát ra bức xạ đơn sắc).
λ
1I

λ
λ
3
λ
2

2

3

4 5
177

3.2 Bộ phận chứa mẫu
Bộ phận chứa mẫu (cuvet, cell) được làm bằng vật liệu đồng
nhất cho phép truyền qua bức xạ của vùng phổ đang khảo sát
(vùng UV: thạch anh; vùng VIS : thủy tinh, thạch anh, nhựa…;
vùng IR: muối halogenur của kim loại kiềm như KBr, NaCl, LiF,
CaF
2


ra khỏi mẫu và chuyển thành tín hiệu điện do sự tương tác của photon lên bề mặt kim
loại để phát ra các electron thứ cấp); 2) hiệu ứng nhiệt điện, dựa trên nguyên tắc hoạt
động của các hiệu ứng nhiệt của bức xạ ánh sáng (sự thay đổi nhiệt độ làm thay đổi
điện thế). Cũng vì lý do trên, detector được chia thành hai loại: detector quang và
detector nhiệt. Detector quang phổ biến là tế bào quang điện.

3.5 Bộ phận đọc tín hiệu
Trong các phổ kế đơn giản, những tín hiệu dòng một chiều từ detector đi ra được
khuếch đại và đưa vào các đồng hồ đo, bộ hiện số, bộ tự ghi Ngoài ra, tùy yêu cầu
của người sử dụng, các máy quang phổ hiện nay đều có thể được nối với máy tính sử
dụng các phần mềm chuyên dụng dùng để giải phổ, tính toán và xử lý kết quả phân
tích…
Ghi chú
Máy quang phổ phát xạ nguyên tử ngọn lửa có sơ đồ khối như sau: 2

(Mẫu được phun vào ngọn lửa để được nguyên tử hóa). Máy quang phổ hấp thu
nguyên tử ngọn lửa có cấu tạo tương tự máy quang phổ phát xạ nguyên tử ngọn lửa

Tế bào
quang điện111
12

3

4

579

Cường độ hấp thu được biểu diễn thông qua các đại lượng:
Độ truyền suốt T (transmittance)
T =
o
T
I
I
hay T% = 100⋅
o
T
I
I

biểu thò phần trăm ánh sáng truyền qua dung dòch


4.2 Đònh luật Lambert – Beer
Độ hấp thu A của bức xạ tỉ lệ với bề dày chất hấp thu b và nồng độ của chất
hấp thu C:
A = ε.b.C

ε – hệ số tỉ lệ, được gọi là hệ số hấp thu của chất hấp thu, đặc trưng cho cường độ hấp
thu bức xạ của chất được khảo sát.
ε có thứ nguyên phụ thuộc vào thứ nguyên của b
và C:
-
ε (mol
– 1
.cm
– 1
.l ) nếu b (cm) , C (mol/l) : hệ số hấp thu mol
-
ε (g
– 1
.cm
– 1
.l ) nếu b (cm) , C (g/l) : hệ số hấp thu riêng
ε không phụ thuộc vào b và C mà chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thu,
nhiệt độ khảo sát và bước sóng của bức xạ bò hấp thu.
Khi
εb = const, độ hấp thu phụ thuộc bậc nhất vào nồng độ chất hấp thu (quan hệ giữa
A với C là tuyến tính). Trong thực tế, quan hệ này chỉ nghiệm đúng trong các khoảng
nồng độ thích hợp nào đó. Ở những nồng độ quá thấp hoặc quá cao, thường dẫn đến sự
sai lệch mà nguyên nhân là do mức độ liên hợp hoặc phân li của phân tử thay đổi khi
nồng độ thay đổi.


C80

- Pha một dung dòch chuẩn có nồng độ C
C
biết trước, đo độ hấp thu A
C
của dung dòch
chuẩn: A
C
= ε
C
b C
C

- Đo độ hấp thu A
m
của dung dòch mẫu: A
m
= ε
m
b C
m

(dùng chậu đo có cùng b để đo A
C
và A


của mẫu. Suy nồng độ C
m
của mẫu từ đồ thò A = f ( C ) hoặc dùng phương pháp bình
phương cực tiểu.

4.3.4 Phương pháp thêm chuẩn
Phương pháp này thường được sử dụng để giảm bớt sai số của kết quả do sự không
đồng nhất giữa dung dòch mẫu và dung dòch chuẩn (trong mẫu có chứa các cấu tử có
thể ảnh hưởng đến phép đo). Phương pháp thêm chuẩn có thể thực hiện trên căn bản
phép so sánh hoặc dùng phép đường chuẩn.



Thêm chuẩn vào mẫu và so sánh
Thêm một lượng chuẩn xác đònh C
C
vào dung dòch mẫu có nồng độ C
m
cần xác đònh.
Đo độ hấp
thu của dung dòch mẫu và dung dòch mẫu được thêm chuẩn :

Dung dòch mẫu: A
m
= ε

bC
m

Dung dòch mẫu thêm chuẩn A
m
’ = ε

b (C
m
+ C
C
)

→ C
m
= C

m
’
.

-
Lập tỉ số f =
mm
C
CC
C
−
'

-
Nếu f =1 , trong dung dòch mẫu không có sự hiện diện của cấu tử gây ảnh hưởng
đến phép đo và do đó C
m
( thật) = C
m
(đo).
-
Nếu f ≠ 1, trong dung dòch mẫu có sự hiện diện của cấu tử gây ảnh hưởng đến phép
đo và nếu 0,90
≤ f ≤ 1,10:
C
m
(thật) = C
m
(đo) . f
Ghi chú

giác về một màu sắc xác đònh. Trong vùng phổ của ánh sáng trắng sẽ có một số màu
phụ nhau, là các màu mà khi trộn chúng lại, ta sẽ có màu trắng.
Một vật có màu hay không màu được giải thích dựa vào kết quả tương tác khi
chiếu ánh sáng vào vật đó :
- Nếu ánh sáng bò khuếch tán hoàn toàn hoặc đi qua hoàn toàn thì vật đó sẽ có màu
trắng hoặc không màu đối với người quan sát. Ví dụ thủy tinh chỉ hấp thu các bức xạ
có bước sóng nhỏ hơn 360nm nên trong suốt đối với các bức xạ thấy được. Ngược lại,
nếu tất cả các tia của ánh sáng trắng đều bò vật hấp thu thì vật đó sẽ có màu đen.
- Một vật có màu, ví dụ màu đỏ là do nó đã hấp thu chọn lọc trong vùng thấy được
theo một trong các kiểu sau: 1) hấp thu tất cả các tia trừ tia màu đỏ; 2) hấp thu ở hai
vùng khác nhau của ánh sáng trắng sao cho các tia còn lại cho mắt ta có cảm giác màu
đỏ; 3)hấp thu tia phụ của tia đỏ (tức hấp thu tia màu lục).
Thật ra, để một hợp chất có màu không nhất thiết
λ
CĐ
phải nằm trong vùng thấy
được mà chỉ cần cường độ hấp thu ở vùng thấy được là đủ lớn. Quan hệ giữa màu của
tia bò hấp thu và màu của chất hấp thu (tức các màu phụ của nhau) được nêu trong
bảng sau:

Tia bò hấp thu
λ, nm
Màu
Màu của chất hấp thu
400 - 430 tím vàng lục
430 - 490 xanh vàng da cam
490 – 510 lục xanh đỏ
510 – 530 lục đỏ tím
530 - 560 lục vàng tím
560 - 590 vàng xanh

m
= A
C
. Suy ra C
m
= C
C
.
m
C
b
b

3.2 Dùng máy đo quang
Sau khi qua dung dòch, quang năng của các bức xạ truyền qua dung dòch sẽ được
biến thành điện năng (hay một dạng năng lượng khác) và máy đo sẽ cho ta độ hấp thu
A hay độ truyền suốt T của dung dòch đối với bức xạ đã chiếu qua dung dòch khảo sát.
Từ các giá trò A và T, ta sẽ xác đònh được nồng độ của cấu tử trong dung dòch theo
nhiều cách khác nhau dựa vào đònh luật Lambert-Beer: phương pháp trực tiếp; phương
pháp so sánh; phương pháp lập đường chuẩn; phương pháp thêm chuẩn vào mẫu.
Ghi chú
Phương pháp quang phổ hấp thu VIS thường được sử dụng để đònh lượng:

- Các dung dòch có màu: KMnO
4
(tím), K
2
Cr
2
O

–1
cm
–1
l)…
4. Máy quang phổ UV-VIS
Máy quang phổ VIS có thể được sản xuất độc lập hoặc ghép với nguồn UV tạo
thành hệ thống máy UV–VIS. Các thế hệ máy quang phổ UV –VIS hiện nay thường là
máy 2 chùm tia, bao gồm: 1) nguồn bức xạ (UV: deuterium; VIS : đèn W/I
2
) ; 2)Bộ tạo
đơn sắc; 3) Bộ chia chùm sáng; 4) Cuvet chứa mẫu; 5) Cuvet chứa dung môi; 6)
Detector; 7)Bộ tự ghi.
(4)

(1)

(3)

(2)

(5) (6) (7)
Các bức xạ do nguồn cung cấp được bộ tạo đơn sắc tách riêng thành từng dải
sóng hẹp (đơn sắc), được bộ phận chia chùm sáng chia thành 2 phần có cường độ bằng

84

nhau, một qua cuvet chứa dung môi và phần còn lại qua cuvet chứa mẫu. Detector sẽ
so sánh cường độ bức xạ đi qua mẫu ( I
T
) và đi qua dung môi ( I

, pH 1 - 2 . Phức tạo thành có màu đỏ, hấp thu ở
λ
= 480 nm với
ε

= 6.300 mol
- 1
.cm
- 1
. l .
a) Tính khoảng nồng độ mol thích hợp cho loạt dung dòch chuẩn, nếu dùng
máy đo cho sai số chấp nhận được khi A nằm trong khoảng 0,2
÷
0,8 và máy
đo có A
≤
3,0 ( chậu đo có b = 1 cm).
b) Dùng 20,00 ml mẫu nước tạo phức thành 50,0 ml dd đo, kết quả đònh lượng
cho nồng độ mol của DD đo C
M
= 9.10
-5
M. Tính hàm lượng Fe trong nước theo
đơn vò ppm ?
2. Đònh lượng đồng trong mẫu thực phẩm : cân 5,000 g mẫu và hòa tan thành dung
dòch. Cu
2+
được tạo phức với thuốc thử dithizone, dạng phức được chiết bằng
dung môi hữu cơ CCl
4

2

tan thành dạng Ti
4+
và trong môi trường H
2
SO
4
mạnh , Ti
4+
tạo phức với H
2
O
285

thành dạng phức vàng TiO(H
2
O
2
)
2+
, hấp thu ở 410 nm với
ε
= 720 mol
- 1
.cm
-

7
2-
), pha
thành 250,0 ml dd đo, đo được A
m
= 0,250.
- dd chuẩn : 0,200 g K
2
Cr
2
O
7
, hòa tan thành 250,0 ml dd A; lấy 5,00 ml dd A
pha thành 50,00 ml dd đo, đo được A
C
= 0,490.
Tính % Cr trong mẫu hợp kim ?
5. Đònh lượng Chì trong mẫu kim bằng phương pháp quang phổ hấp thu thấy được
với thuốc thử Arsenazo (phức có
ε
=10000 mol
- 1
cm
- 1
l ):
- dd mẫu : 0,500 g hòa tan thành 50,0 ml dd mẫu, dùng 5,00 ml tạo phức thành
50,0 ml dd đo, có A
m
= 0,40
- dd chuẩn : lấy 5,00 ml dd Pb

λ
=
455 nm với
ε
= 1800 mol
- 1
.cm
- 1
. l.
a) Nếu hàm lượng Cr(NO
3
)
3
.9H
2
O

khoảng 1 %, tính giới hạn của lượng mẫu có
thể cân để sau khi hòa tan thành 100,0 ml mẫu, lấy 50,00 ml dd đem oxy hóa
thành 100,0 ml dd đo ? Biết máy cho phép làm việc với A
≤
3,0 ; chậu đo có b = 4
cm .
b) Nếu dùng 1,000 g mẫu, pha như trên, đo được A
m
= 0,35 ; 1,00 ml dung dòch
chuẩn K
2
Cr
2