TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
NGUYỄN LÊ THANH VÂN
NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP TRẮC QUANG
XÁC ĐỊNH ASEN BẰNG THUỐC THỬ SAFRANINE
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
Hà Nội - 2012
TRNG I HC KHOA HC T NHIấN
I HC QUC GIA H NI
DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG
HÌNH
Trang
Hình 1.1: Ảnh hƣởng của pH đến dạng tồn tại của asen 4
Hình 1.2: Đồ thị ảnh hƣởng của pH/E
h
đến dạng tồn tại của asen 4
Hình 1.3: Bệnh ung thƣ da do asen gây ra 11
Hình 1.4: Biểu đồ phân bố khu vực ô nhiễm asen trên thế giới 13
Hình 1.5: Ô nhiễm asen tại Việt Nam 15
Hình 1.6: Ô nhiễm asen tại đồng bằng châu thổ sông Hồng 16
Hình 3.1: Phổ hấp thụ quang của dung dịch Safranin khi có mặt As(III);
KIO
3
và HCl 33
Hình 3.2: Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang theo thời gian 35
Hình 3.3 : Ảnh hƣởng của nồng độ
KIO
3
đến độ hấp thụ quang của dung dịch 37
Hình 3.4: Ảnh hƣởng của nồng độ
Safranin đến độ hấp thụ quang của dung
dịch 39
Hình 3.5. Đồ thị khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ HCl………… 40
Hình 3.6: Đồ thị khảo sát khoảng tuyến tính xác định As(III) …… 49
Hình 3.7: Đƣờng chuẩn xác định As(III) ….49
Hình 3.8: Đƣờng thêm chuẩn xác định As(III) trong mẫu nƣớc ngầm số 8…52
Hình 3.9: Đƣờng thêm chuẩn xác định As(III) trong mẫu nƣớc ngầm số 1 57
2+
đến phép xác định As(III) 6,0ppm 45
Bảng 3.9: Ảnh hƣởng của ion Fe
3+
đến phép xác định As(III) 2,0ppm 46
Bảng 3.10: Ảnh hƣởng của ion Cu
+
đến phép xác định As(III) 2,0ppm ……47
Bảng 3.11: Khảo sát khoảng tuyến tính xác định As(III)………… …… 48
Bảng 3.12: Xác định hàm lƣợng asen trong mẫu nƣớc ngầm số 8… 52
Bảng 3.13: Đánh giá độ lặp lại của phƣơng pháp…………….… …… 54
Bảng 3.14: Thông tin về các mẫu nƣớc ngầm…………………………… 55
Bảng 3.15: Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm số 1……… 56
Bảng 3.16: Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm số 2 …….57
Bảng 3.17: Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm 3 … 58
Bảng 3.18: Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm 4 …… 59
Bảng 3.19: Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm 5 …… 60
Bảng 3.20: Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm 6 …… 62
Bảng 3.21: Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm 7 63
Bảng 3.22: Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm 8 … 65
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 3
1.1. Giới thiệu chung về asen 3
1.1.1. Các dạng tồn tại và tính chất lý hóa học của asen (As) 3
1.1.1.1. Các dạng tồn tại của asen 3
1.1.1.2. Tính chất vật lý 5
1.1.1.3. Tính chất hóa học 5
2.1.2. Nội dung nghiên cứu 28
2.2. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 29
2.2.1. Dụng cụ, thiết bị 29
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33
3.1. Nghiên cứu phƣơng pháp xác định As (III) dựa trên hệ phản ứng oxi hóa
khử As(III), KIO
3
và Safranin. 33
3.1.1. Nghiên cứu chọn điều kiện tối ƣu của phản ứng chỉ thị 33
3.1.1.1. Phổ hấp thụ của sản phẩm phản ứng chỉ thị 33
3.1.1.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian phản ứng 34
3.1.1.3. Ảnh hƣởng của nồng độ KIO
3
36
3.1.1.4. Ảnh hƣởng của nồng độ thuốc thử Safranine: 37
3.1.1.5. Ảnh hƣởng của nồng độ HCl: 39
3.1.2. Đánh giá phƣơng pháp phân tích 41
3.1.2.1. Độ chọn lọc của phƣơng pháp phân tích [21] 41
3.1.2.2. Khảo sát khoảng tuyến tính 47
3.2. Phân tích mẫu thực tế 55
3.2.1. Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm 55
KẾT LUẬN 67
1
MỞ ĐẦU
Hiện nay, môi trƣờng ô nhiễm là vấn đề mang tính toàn cầu, là hệ quả từ
khai thác mỏ, công nghiệp, nông nghiệp, và các hoạt động quân sự… Cùng
với ô nhiễm hợp chất hữu cơ thì sự có mặt kim loại và á kim cũng là những
nguồn chính của ô nhiễm nghiêm trọng có thể đe dọa sức khỏe con ngƣời
[19]. Trong số các nguyên tố độc hại asen (As) - nguyên tố có tính độc, chức
giếng khoan tại Việt Nam đã đƣợc tiến hành trong những năm vừa qua. Trong
số các phƣơng pháp phân tích nhƣ phƣơng pháp động học – trắc quang,
phƣơng pháp phổ khối plasma cảm ứng cao tần (ICP - MS), phƣơng pháp phổ
hấp thụ nguyên tử (AAS), hoặc nhiều phƣơng pháp khác thì phƣơng pháp
trắc quang là phƣơng pháp đang đƣợc quan tâm nghiên cứu để xác định asen
vì phƣơng pháp này có độ nhạy và độ chính xác cao, quy trình phân tích đơn
giản không tốn nhiều hoá chất và không đòi hỏi trang thiết bị đắt tiền. Vì vậy,
để đóng góp vào việc phát triển ứng dụng phƣơng pháp này với đối tƣợng
nghiên cứu là nƣớc ngầm chúng tôi chọn đề tài: “ Nghiên cứu phƣơng pháp
trắc quang xác định asen bằng thuốc thử Safranine”. 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về asen
1.1.1. Các dạng tồn tại và tính chất lý hóa học của asen (As)
1.1.1.1. Các dạng tồn tại của asen
Asen (ký hiệu As) có số nguyên tử là 33, là nguyên tố phổ biến thứ 12
trong vỏ trái đất chiếm 1.10
-4
2-
,
H
2
AsO
4
-
, H
3
AsO
4
;
còn dạng As(III) hay các arsenit gồm H
3
AsO
3
, H
2
AsO
3
-
,
HAsO
3
2-
và AsO
3
3-
. Asen còn tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hữu cơ nhƣ:
chỉ có thể tồn tại trong môi trƣờng axit mạnh và bazơ mạnh). Ở
điều kiện khử và pH thấp (<9,2) dạng As(III) không mang điện chiếm đa số
H
3
AsO
3
.
Hình 1.2: Đồ thị ảnh hưởng của pH/E
h
đến dạng tồn tại của asen 5
1.1.1.2. Tính chất vật lý
Asen là nguyên tố có một vài dạng thù hình dạng kim loại và không kim
loại. Asen tồn tại 3 dạng As
α
: là dạng bền, tƣơng đối cứng giòn; As
β
: dạng vô
định hình, giòn; As
γ
: gồm nhiều phân tử As
4
giả bền, mềm nhƣ sáp, dễ tan
trong dung môi CS
2
. As
4
tự NH
3
, PH
3
.
Nó có một số tính chất vật lý sau:
- Độ dài liên kết As-H: 1,52A
o
, góc liên kết 92
o
- Năng lƣợng liên kết trung bình = 71 kcal/mol
- Nhiệt độ nóng chảy là: -116
o
C, nhiệt độ sôi là: -62
o
C
- Là chất khí không màu, nặng hơn không khí khoảng 2,7 lần và có mùi
hạnh nhân đắng hay mùi tỏi.
Về hóa tính:
AsH
3
là hợp chất thu nhiệt nên dễ bị phân hủy khi đun nóng (300
o
C),
asen bám lên thành bình tạo một lớp lấp lánh nhƣ gƣơng.
6
AsH
3
bốc cháy trong không khí tạo thành As
2
O
3
2AsH
3
+ 3O
2
→ As
2
O
3
+ 3H
2
O + 44,2 kcal
AsH
3
tác dụng với HgCl
2
tẩm trên giấy lọc tạo ra hợp chất có màu biến đổi từ
vàng → đỏ → nâu.
AsH
2
(HgCl) → AsH(HgCl)
2
→ As(HgCl)
3
→ As
2
2
O
3
, As
2
S
3
, AsCl
3
,
AsO
3
3-
, H
2
AsO
3
…
* As
2
O
3
: Là oxit màu trắng hay còn gọi là asen trắng, ít tan trong nƣớc
(1,7g trong 100g H
2
O) ở 15
o
C dung dịch bão hòa chứa khoảng 1,5% As
2
O
o
C tan vào nƣớc cho dung
dịch 2%. As
2
O
3
tan tốt trong kiềm
As
2
O
3
+ 4NaOH → 2NaHAsO
3
+ H
2
O
Khi đun nóng, As
2
O
3
bị C,H
2
khử dễ dàng sinh ra kim loại
As
2
O
3
+ 6H
2
→ 2As + 3H
O
6
+ 8HNO
3
+ 14H
2
O → 12H
3
AsO
4
+ 8NO↑
As
2
O
3
tác dụng với kim loại trong môi trƣờng axit
As
2
O
3
+ 6Zn + 12HCl → 6ZnCl
2
+2AsH
3
+ H
2
O
Phản ứng này ứng dụng trong phân tích định lƣợng.
* AsX
3
H
3
AsO
3
không điều chế đƣợc ở dạng tự do mà chỉ tồn tại trong dung
dịch nƣớc.
Khi đó có cân bằng: H
3
AsO
3
↔ H
2
O + HAsO
2
K
pl
= 6.10
-10
cân bằng chuyển dịch mạnh về phía phải.
* Tác dụng với Na
2
S và (NH
4
)
2
S
Các sunfua kim loại kiềm và sunfua amoni đều không tạo đƣợc kết tủa
sunfua với các dung dịch axit H
3
OH
Nhƣng tác dụng giữa AsO
3
3-
và Na
2
S trong môi trƣờng axit HCl 6N tạo
kết tủa vàng
2AsO
3
3-
+ 12H
+
+ 3Na
2
S → As
2
S
3
↓ + 6H
2
O + 6Na
+
(vàng)
Có thể tách kết tủa ra đƣợc
* Tác dụng với H
2
S
8
3
AsO
3
↓ vàng
Ag
3
AsO
3
↓ + 6NH
4
OH → 3[Ag(NH
3
)
2
]
+
+ AsO
3
3-
+ 6H
2
O
* Tác dụng với dung dịch CuSO
4
Dung dịch CuSO
4
tác dụng với H
3
AsO
trong môi trƣờng axit
3AsO
3
3-
+ Cr
2
O
7
2-
+ 8H
+
→ 3AsO
4
3-
+ 2Cr
3+
+ 4H
2
O
* Tác dụng với I
2
Phản ứng trong môi trƣờng NaHCO
3
pH = 8
AsO
3
3-
+ I
2
AsO
4
… As (V) có mức oxi hóa cao nhất của Asen. Hợp
chất As(V) có tính axit mạnh hơn tính bazơ.
* As
2
O
5
: trong các hợp chất As(V) thì hợp chất As
2
O
5
là chất hình khối
giống thủy tinh.
Nó không bền, tan trong nƣớc và bị thủy phân mạnh, có tính chất tƣơng
tự P
2
O
5
.
9
As
2
O
5
+ 3H
2
O → 2H
3
6
+ 4H
2
O + 4Cl
2
* As
2
S
5
: Có màu vàng, không tan trong nƣớc và HCl chỉ tan trong NaOH
và HNO
3
đặc, nƣớc cƣờng thủy.
As
2
S
5
+ 6NaOH → Na
3
AsS
4
+ Na
3
AsO
3
S + 3H
2
O
3As
AsO
4
+ H
2
S → H
3
AsO
3
+ S↓ + H
2
O
2H
3
AsO
3
+ 6HCl → 2AsCl
3
+ 6H
2
O
2AsCl
3
+ 3H
2
S → As
2
S
3↓
+ 6 HCl
(vàng)
As(V) đều là những chất độc, các hợp chất asen vô cơ độc hơn so với asen
10
hữu cơ [1]. Tính độc của asen theo thứ tự: AsH
3
>asenit> asenat >
monomethyl arsenoic axit (MMAA) > dimethyl arsenic axit (DMAA). Có
khoảng 60 – 70% asen vô cơ đi vào cơ thể và đƣợc giải phóng ra ngoài bằng
đƣờng nƣớc tiểu ở dạng DMAA và MMAA [26,28].
- Cơ chế gây độc của As(III)
Khi bị nhiễm độc AsO
3
-
, As(III) sẽ tấn công vào nhóm hoạt động –SH
của enzym, khóa chặt chức năng hoạt động của enzym làm tê liệt hoạt động
của enzym. Khi bị nhiễm As(III) ở nồng độ cao, nó sẽ làm đông tụ protein có
thể là do As(III) tấn công vào các liên kết có nhóm sunfua trong protein [14].
- Cơ chế gây độc của As(V) (AsO
4
-
): có tính chất tƣơng tự nhƣ PO
4
3-
, nó
sẽ thực hiện phản ứng thay thế PO
4
3-
gây ức chế enzym ngăn cản tạo ra chất
ATP (Adenozin triphotohat) là chất sản sinh ra năng lƣợng cho cơ thể. Khi bị
nhiễm AsO
Hình 1.3: Bệnh ung thư da do asen gây ra
Sự phơi nhiễm asen vô cơ xảy ra trong cơ thể thông qua đƣờng hít khí
bụi công nghiệp và quá trình chuyển hóa qua đƣờng thức ăn và nƣớc uống. Sự
phơi nhiễm asen hữu cơ xảy ra chủ yếu thông qua chuỗi thức ăn. Nếu một
ngày hít lƣợng bụi asen từ 0,1 4 g/ngày và cơ thể hấp thụ một lƣợng thức
ăn có hàm lƣợng asen ở khoảng từ 7 330 g/ngày thì sau khi đi vào cơ thể
có khoảng 80 100% lƣợng asen đƣợc hấp thụ qua dạ dày và lá phổi; 50
70% asen đƣợc bài tiết qua đƣờng nƣớc tiểu và một lƣợng nhỏ đƣợc hấp phụ
qua đƣờng tóc, móng tay, móng chân [28].
Ung thƣ da là độc tính phổ biến nhất của asen. Với những vùng có hàm
lƣợng asen trong nƣớc sinh hoạt < 300 g/l, trung bình (300 – 600 g/l), cao
(>600 g/l) thì tỷ lệ ung thƣ da tƣơng ứng sẽ là 2,6/1000; 10,1/1000 và
24,1/1000 [29].
Sức khỏe của con ngƣời bị ảnh hƣởng do quá trình chuyển hóa asen vô
cơ trong nƣớc ngầm đã trở nên phổ biến. Các nghiên cứu gần đây cho thấy
asen vô cơ có thể thực hiện quá trình chuyển hóa trong cơ thể bằng hai quá
trình đan xen nhau: sự khử liên tục và sự methyl hóa: sự khử asen (V) thành
asen (III), tiếp theo là oxi hóa methylasen (V) [20,23]. Trong máu As(V)
đƣợc khử thành As(III) và đƣợc đƣa tới tế bào gan rồi đƣợc methyl hóa tạo
12
thành methylasonate (MA) và dimethylarsenate (DMA). Các hợp chất đƣợc
tạo thành sau quá trình methyl hóa ít độc hơn so với asen vô cơ, do vậy quá
trình chuyển hóa này đƣợc xem nhƣ là cơ chế giải độc asen [20]. Một số
nghiên cứu gần đây chỉ ra As vô cơ hóa trị III đã đƣợc methyl hóa trong cơ
thể có tính độc khác nhau trong các loại tế bào của cơ thể. Trong tế bào gan,
axit monomethylarsonơ (MMA) độc gấp 26 lần so với As(III), trong một số
loại tế bào (tế bào gan, tế bào da, tế bào cuống phổi) monomethylarsine
(MMAO) độc hơn so với As vô cơ hóa trị III [20].
căn bệnh Asenicosis (bệnh nhiễm độc asen) nhƣng cho đến thời điểm này đã
phát hiện 13500 bệnh nhân, trong số 558000 ngƣời đƣợc kiểm tra ở 462 làng
thuộc 47 vùng bị liệt vào khu vực nhiễm asen cao. Trên cả nƣớc Trung Quốc
14
có tới 13 - 14 triệu ngƣời sống trong những vùng có nguồn nƣớc bị ô nhiễm
asen cao, tập trung nhiều nhất ở tỉnh An Huy, Sơn Tây, Nội Mông, Ninh Hạ,
Tân Cƣơng. Tại Sơn Tây đã phát hiện 105 làng bị ô nhiễm asen. Hàm lƣợng
asen tối đa thu đƣợc trong nƣớc uống là 4,43 mg/l gấp tới 443 lần giá trị asen
cho phép của tổ chức y tế thế giới WHO (10μg/l).
Khu vực có vấn đề lớn nhất là vùng đồng bằng châu thổ sông Ganges
nằm giữa Tây Bengal của Ấn Độ và Bangladesh (Theo Chowdhury và cộng
sự, 1999). Ở Tây Bengal, trên 40 triệu ngƣời có nguy cơ nhiễm độc asen do
sống trong các khu vực có nồng độ asen cao. Tới nay đã có 0,2 triệu ngƣời bị
nhiễm và nồng độ asen tối đa trong nƣớc cao gấp 370 lần nồng độ cho phép
của WHO. Tại Bangladesh, trƣờng hợp đầu tiên nhiễm asen mới đƣợc phát
hiện vào năm 1993, nhƣng cho đến nay có tới 3000 ngƣời chết vì nhiễm độc
asen mỗi năm và 77 triệu ngƣời có nguy cơ nhiễm asen. Tổ chức Y tế Thế
giới đã phải coi đây là "vụ nhiễm độc tập thể lớn nhất trong lịch sử".
Con số bệnh nhân nhiễm độc asen ở Archentina cũng có tới 20 000
ngƣời. Ngay cả các nƣớc phát triển mạnh nhƣ Mỹ, Nhật Bản cũng đang phải
đối phó với thực trạng ô nhiễm asen. Ở Mỹ, theo những nghiên cứu mới nhất
cho thấy trên 3 triệu ngƣời dân Mỹ có nguy cơ nhiễm độc asen, mức độ nhiễm
asen trong nƣớc uống dao động từ 0,045 – 0,092 mg/l. Còn ở Nhật Bản,
những nạn nhân đầu tiên có triệu chứng nhiễm asen đã đƣợc phát hiện từ năm
1971, cho đến năm 1995 đã có 217 nạn nhân chết vì asen.
15
1.1.3.2. Ô nhiễm asen tại Việt Nam
và tìm hƣớng giảm nhẹ.
17
1.2. Một số phƣơng pháp xác định Asen
1.2.1. Phương pháp phân tích đo quang phân tử
1.2.1.1. Phương pháp đo quang với bạc dietyl đithiocacbamat
Dùng H mới sinh để khử asen vô cơ thành asin và dẫn khí asin vào ống
hấp thụ chứa bạc Đietylđithiocacbamat (AgDDC) trong piridin hoặc
cloroform. Khi đó asin bị hấp thụ tạo dung dịch có màu đỏ tím và tiến hành
đo độ hấp thụ quang ở bƣớc sóng = 535 nm.
AsH
3
+ 6AgDDC = AsAg
3
3AgDDC + 3H-DDC
AsAg
3
3AgDDC + 3NR
3
+ 3 HDDC = 6Ag + As(DDC)
3
+ 3(NR
3
HDDC)
Trong đó NR
3
là bazơ hữu cơ bậc 3 cần thiết cho sản phẩm cuối cùng
hình thành các hạt keo bạc quyết định màu tím đỏ.
Nguyên tắc của phƣơng pháp là As(V) phản ứng với molipdat tạo thành
axit dị đa, axit này bị khử bằng hidrazin, SnCl
2
, hydroquinon hay axit
ascorbic tạo thành molipden xanh hấp thụ quang ở λ
max
= 840 nm
H
3
AsO
4
+ 12(NH
4
)
2
MoO
4
+ 21HNO
3
→ 12(NH
4
)
3
[AsMo
12
O
40
] ↓ vàng +
21NH
4
2
SO
4
tạo thành asin:
2NaBH
4
+ 6H
3
O → 2H
3
BO
3
+ 2Na
+
+ 14H
+
12H
+
+ 2As
3+
→ 2AsH
3
+ 3H
2
(H
+
hidro mới sinh)
Khí asin sinh ra đƣợc hấp thụ vào dung dịch hỗn hợp AgNO
3
2
O → 12Ag + As
2
O
3
+ 6HNO
3
Nhƣng trong dung môi C
2
H
5
OH-H
2
O thì phản ứng này không xảy ra.
Ag
3
As.3AgNO
3
có màu vàng, trong môi trƣờng axit nitric rất loãng nó có
thể bền từ 1 đến 2 ngày. Trong dung dịch hấp thụ, nó đƣợc giữ ổn định bởi
rƣợu etylic và axit nitric và đƣợc phân tán đều trong dung dịch khi có mặt
PVA. Đo quang dung dịch sản phẩm phản ứng có màu vàng ở bƣớc sóng 408
nm. Điều kiện tiến hành phản ứng ở nhiệt độ 20-35
o
C, dung dịch hấp thụ thích
hợp pha từ các dung dịch PVA 1%, AgNO
3
0,012M (trong HNO
3
cm
-1
, phƣơng pháp
loại trừ đƣợc ảnh hƣởng của hầu hết các ion thông thƣờng có mặt trong nƣớc.
Các tác giả đã áp dụng phƣơng pháp này để xác định As(III) trong các mẫu
môi trƣờng và sinh học nhƣ mẫu tóc, mẫu móng, mẫu huyết thanh, nƣớc tiểu
và các mẫu nƣớc giếng, nƣớc thải, mẫu thực vật… Các kết quả có độ thu hồi
cao và đồng nhất với kết quả kiểm định của phƣơng pháp chuẩn[31].
1.2.1.5. Phương pháp động học xúc tác
Phƣơng pháp này dựa trên tác dụng của chất phân tích với phản ứng chỉ
thị. Đo tốc độ phản ứng chỉ thị khi nồng độ chất định phân trong phản ứng là
hằng số. Ta có phản ứng tốc độ:
D
x
/dt = k.(a-x).C.∏
c
k:
hằng số tốc độ
a: nồng độ ban đầu của chất A
a-x: nồng độ chất asen ở thời điểm t
c: nồng độ chất định phân
∏
c
: tổng nồng độ chất còn lại và là hằng số
Phƣơng pháp động học xúc tác là phƣơng pháp đơn giản, ít tốn kém, có
thể xác định As(III) dựa trên tác dụng xúc tác của nó với phản ứng oxy hóa
Copyright: Tài liệu đại học ©