intTypePromotion=1

Khóa luận tốt nghiệp: Phương pháp phân tích phổ nguyên tử và ứng dụng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:55

0
4
lượt xem
2
download

Khóa luận tốt nghiệp: Phương pháp phân tích phổ nguyên tử và ứng dụng

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Phương pháp phân tích phổ nguyên tử và ứng dụng" tiến hành nghiên cứu nhằm 2 mục tiêu tìm hiểu về phương pháp phân tích quang phổ nguyên tử; tìm hiểu về ứng dụng của phương pháp quang phổ nguyên tử. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Phương pháp phân tích phổ nguyên tử và ứng dụng

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ TRỊNH THỊ LAN HƯƠNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ NGUYÊN TỬ VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Đình Trọng Hà Nội, 2017 i
  2. LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo – PGS.TS Lê Đình Trọng với sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy trong suốt quá trình làm khóa luận. Em cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa vật lý Trường đại học sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn này. Cuối cùng em xin được cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, khích lệ và tạo điều kiện để em có thể hoàn thành khóa luận một cách tốt nhất. Hà Nội, tháng 4 năm 2017 Sinh viên thực hiện Trịnh Thị Lan Hương ii
  3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận là kết quả nghiên cứu của riêng tôi. Trong khi nghiên cứu tôi đã kế thừa nghiên cứu của các nhà khoa học, các nhà nghiên cứu với sự trân trọng và biết ơn. Những kết quả nêu trong khóa luận chưa được công bố trên bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, tháng 4 năm 2017 Sinh viên thực hiện Trịnh Thị Lan Hương iii
  4. MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Lời cam đoan Mở đầu Nội dung Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ NGUYÊN TỬ .............................................................................................................3 1.1. Vài nét về lịch sử phổ .....................................................................................3 1.2. Sự phân loại phổ ............................................................................................4 1.2.1. Sự phân chia theo đặc trưng của phổ .........................................................4 1.2.2. Sự phân chia theo độ dài sóng ...................................................................5 1.3. Sự xuất hiện phổ nguyên tử ...........................................................................6 1.3.1. Tóm tắt về cấu tạo nguyên tử ....................................................................6 1.3.2. Sự xuất hiện phổ phát xạ và hấp thụ nguyên tử .........................................7 1.4. Khái quát về phương pháp phân tích phổ nguyên tử........................................9 1.4.1. Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử ............................................10 1.4.2. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ............................................11 Chương 2. ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ PHÁT XẠ VÀ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ ..............................................................12 2.1. Đại cương về phân tích phổ phát xạ nguyên tử AES ................................12 2.1.1. Nguyên tắc của phép đo phổ phát xạ nguyên tử ......................................12 2.1.2. Đối tượng của phép đo phổ phát xạ .........................................................13 2.1.3. Nguồn kích thích phổ phát xạ nguyên tử .................................................13 2.1.4. Máy đo phổ phát xạ .................................................................................26 2.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo phổ phát xạ nguyên tử .....................29 2.1.6. Ưu điểm và nhược điểm của phép đo phổ phát xạ ..................................31 2.2. Đại cương về phương pháp quang phổ hấp thụ ........................................31 2.2.1. Nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ ......................................................31 iv
  5. 2.2.2. Đối tượng của phép đo phổ hấp thụ .........................................................32 2.2.3. Nguồn phát bức xạ đơn sắc......................................................................33 2.2.4. Máy đo phổ hấp thụ .................................................................................37 2.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo phổ hấp thụ......................................40 2.2.6. Ưu điểm và nhược điểm của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử .................42 Chương 3. ỨNG DỤNG ..........................................................................................44 3.1. Ứng dụng của phép đo phổ phát xạ nguyên tử AES .................................44 3.1.1. Khả năng và phạm vi ứng dụng ................................................................44 3.1.2. Ứng dụng phân tích định tính bằng AES .................................................45 3.2. Ứng dụng của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS ................................47 3.2.1. Khả năng và phạm vi ứng dụng ................................................................47 3.2.2. Ứng dụng của phương pháp nguyên tử hóa bằng ngọn lửa ……………48 KẾT LUẬN ..............................................................................................................49 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................50 v
  6. MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Trong thời đại công nghiệp và đô thị hóa hiện nay, môi trường sống của chúng ta bị ô nhiễm trầm trọng. Các chất thải từ các khu công nghiệp, các phương tiện giao thông vào không khí, nước, đất, thực phẩm chứa một lượng lớn các kim loại nặng độc hại. Chúng xâm nhập vào cơ thể người, động vật qua đường hô hấp, ăn uống dẫn đến sự nhiễm độc. Bên cạnh đó các nhà khoa học cũng chỉ ra rằng nhiều nguyên tố kim loại tham gia vào thành phần cấu trúc và quan trọng đối với cơ thể sống và con người. Sự thiếu hụt của nhiều nguyên tố kim loại vi lượng trong các cơ thể người như: canxi trong xương, sắt trong máu, phốt pho trong nhân tế bào... là những nguyên nhân dẫn đến suy nhược cơ thể và bệnh tật. Do đó việc nghiên cứu các kim loại cần thiết cũng như các kim loại độc hại trong môi trường nhằm đề ra các biện pháp bảo vệ và chăm sức khỏe cộng đồng là vô cùng quan trọng. Vậy câu hỏi đặt ra là làm thế nào để biết được sự có mặt của các nguyên tố kim loại trong các đối tượng vật chất khác nhau? Phương pháp nghiên cứu quang phổ nguyên tử ra đời đã đáp ứng được yêu cầu đó. Nó nghiên cứu cấu trúc vật chất dựa vào quang phổ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: khoa học kĩ thuật, y học, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, địa chất... Nhờ phương pháp này ta xác định được các kim loại. Ví dụ như Cr, Ni, Cu trong nước tiểu, Fe trong máu...Xác định được các nguyên tố Cd, Cu, Mo,Zn trong nước biển. Trong thiên văn cũng nhờ nghiên cứu quang phổ mà biết được thành phần cấu tạo của mặt trời và các vì sao... Hiện nay hai phương pháp phân tích quang phổ đang được sử dụng phổ biến là phân tích phổ phát xạ (AES) và hấp thụ nguyên tử (AAS). Nó là một trong những công cụ đắc lực để xác định các kim loại độc hại trong nghiên cứu bảo vệ môi trường. Ở nước ta phương pháp phân tích phổ phát xạ và hấp thụ nguyên tử cũng đã 1
  7. được phát triển và ứng dụng trong hơn hai chục năm nay. Từ tầm quan trọng đó của phương pháp phân tích quang phổ phát xạ và hấp thụ nguyên tử mà em chọn đề tài “ Phương pháp phân tích phổ nguyên tử và ứng dụng ’’. 2. Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu về phương pháp phân tích quang phổ nguyên tử. - Tìm hiểu về ứng dụng của phương pháp quang phổ nguyên tử. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Cơ sở lý thuyết của sự xuất hiện phổ phát xạ và hấp thụ nguyên tử. - Các nguyên tắc cơ bản của phương pháp phân tích phổ phát xạ và hấp thụ nguyên tử. - Những ứng dụng cơ bản của chúng trong các lĩnh vực nghiên cứu. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp quang phổ nguyên tử. - Nghiên cứu về ứng dụng của phương pháp này. 5. Phương pháp nghiên cứu Thu thập và nghiên cứu tài liệu. Tổng hợp lại những vấn đề cơ bản về phương pháp này và ứng dụng của nó, từ đó đi đến kết luận. 6. Cấu trúc khóa luận Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích quang phổ nguyên tử. Chương 2: Đại cương về phương pháp phân tích phổ phát xạ và hấp thụ. Chương 3: Ứng dụng. 2
  8. NỘI DUNG Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ NGUYÊN TỬ 1.1. Vài nét về lịch sử phổ Từ năm 1670 đến 1672, Newton đã khám phá ra sự tán sắc ánh sáng giải thích việc ánh sáng đi qua lăng kính trở thành nhiều màu, và một thấu kính hay lăng kính sẽ hội tụ các ánh sáng màu trở thành ánh sáng trắng. Newton còn cho thấy ánh sáng màu không thay đổi tính chất bằng việc phân tích các tia màu và chiếu vào các vật khác nhau và ông chú ý rằng dù: phản xạ, tán xạ hay truyền qua màu sắc vẫn được giữ nguyên. Vì thế màu mà ta quan sát là kết quả vật tương tác với ánh sáng đã có sẵn màu sắc không phải là kết quả của vật tạo ra màu. Năm 1800, nhà thiên văn học Sir William Herschel đã làm thí nghiệm với lăng kính, bìa giấy và nhiệt kế với bóng sơn đen để quan sát sự gia tăng nhiệt độ khi ông di chuyển từ ánh sáng màu tím đến ánh sáng đỏ trong cầu vồng tạo ra từ ánh sáng mặt trời qua lăng kính. Ông đã phát hiện ra rằng điểm nóng nhất thực sự nằm phía trên ánh sáng đỏ. Bức xạ phát nhiệt này không thể nhìn thấy được, ông đặt tên cho bức xạ không nhìn được này là “tia nhiệt” (calorific ray) mà ngày nay chúng ta gọi nó là tia hồng ngoại. Năm 1801, Ritter quyết định làm lại thí nghiệm của Herschel, tuy nhiên mục đích chính của ông là quan sát xem tốc độ làm cho giấy bạc clorua chuyển màu của tất cả các ánh sáng có giống nhau hay không. Ritter phát hiện ra rằng tia hồng ngoại gần như không thể làm cho giấy chuyển màu và tia có ánh sáng màu tím làm cho giấy chuyển màu nhanh nhất. Năm 1802, William Hyde Wollatson phát hiện ra những vạch sẫm rất mảnh cắt ngang phổ của ánh sáng mặt trời. Sau đó 12 năm Joseph Von Fraunhofer đã giải thích được nguyên nhân của những vạch tối đó là do các chất khí của mặt trời đã hấp thụ ánh sáng. 3
  9. Từ năm 1860 đến 1861, nhà khoa học Robert Wilhelm Eberhard Bunsen cùng với Gustav Kirchhoff đã so sánh được bước sóng của những vạch Frauhofer khi nghiên cứu quang phổ phát xạ của nguyên tố bị nung nóng và phát hiện ra natri, sắt, magie, cacium, crom và những kim loại khác trên mặt trời. Trong những thí nghiệm này họ cũng phát hiện ra hai nguyên tố mới là caesium và rubidium. Năm 1865, lí thuyết điện từ của Jonh Clerk Maxwell khẳng định lại lần nữa tính chất sóng của ánh sáng. Đặc biệt lý thuyết này kết nối các hiện tượng quang học với các hiện tượng điện từ học cho thấy ánh sáng chỉ là trường hợp riêng của sóng điện từ. Năm 1900, thuyết lượng tử ánh sáng của Planck ra đời ánh sáng hay bức xạ nói chung gồm những lượng tử năng lượng E được gọi là photon, phát ra từ nguồn sáng. Lượng tử ánh sáng E được tính theo hệ thức do Planck đề xướng: E = hv (v là tần số bức xạ). Năm 1919, Johannes Stark nghiên cứu ra hiệu ứng Doppler trong ánh sáng và sự tách các vạch phổ dưới tác dụng của từ trường. Từ năm 1900 đến nay hơn 25 giải Nobel được trao cho các nhà khoa học nghiên cứu về quang phổ. 1.2. Sự phân loại phổ Tuỳ theo quan niệm dựa theo điều kiện kích thích phổ, phương tiện thu ghi và quan sát phổ, cũng như bản chất của quá trình sinh ra phổ mà người ta có một số cách phân chia cơ bản sau: 1.2.1. Sự phân chia theo đặc trưng của phổ Theo cách này người ta có những phổ quang học sau: - Phổ nguyên tử, gồm có: phổ phát xạ nguyên tử, phổ hấp thụ nguyên tử, phổ huỳnh quang nguyên tử. Đây là phổ do sự chuyển mức năng lượng của các điện tử hóa trị của nguyên tử ở trạng thái khí (hơi) tự do, khi bị kích thích mà sinh ra. - Phổ phân tử, gồm có: phổ hấp thụ phân tử trong vùng UV-VIS, phổ hồng ngoại (IR và NIR), phổ tán xạ Raman. Phổ này được quyết định bởi các điện tử hóa trị của nguyên tử ở trong phân tử, đó là những điện tử hóa trị nằm trong liên kết hay 4
  10. một cặp còn tự do, chuyển mức năng lượng khi bị kích thích. - Phổ Rơn-ghen (tia X), là phổ của điện tử nội của nguyên tử, gồm có: phổ phát xạ tia X, phổ huỳnh quang tia X, phổ nhiễu xạ tia X. - Phổ cộng hưởng từ, gồm có: cộng hưởng từ điện tử (ERMS), cộng hưởng từ proton hay hạt nhân (NRMS). - Phổ khối, phổ này được quyết định bởi khối lượng của các Ion phân tử hay các mảnh Ion của chất phân tích bị cắt ra (tỉ số m/z). 1.2.2. Sự phân chia theo độ dài sóng Như chúng ta đã biết, bức xạ điện từ có đủ mọi bước sóng, từ sóng dài hàng ngàn mét đến sóng ngắn vài micromet hay nanomet. Do đó phổ của bức xạ điện từ đầy đủ phải chứa hết tất cả các vùng sóng đó. Nhưng trong thực tế không có một dụng cụ quang học nào có thể có khả năng thu nhận, phân li hay phát hiện được toàn bộ vùng phổ như thế. Vì thế người ta chia phổ điện từ thành nhiều miền (vùng phổ) khác nhau. Đó là nguyên tắc của cách chia thứ hai này (Bảng 1.1). Trên đây là hai cách phân chia chính hay được sử dụng.Sự phân chia này có tính chất giới thiệu chung toàn bộ vùng phổ. Trong khóa luận này em chỉ đề cập đến phổ nguyên tử với hai phương pháp phân tích phổ nguyên tử hấp thụ và phát xạ. Bảng 1.1: Sự phân chia phổ theo độ dài sóng Số TT Tên vùng phổ Độ dài sóng 1 Tia gama () < 0.1 nm 2 Tia X 0.1 ÷ 5 nm 3 Tử ngoại 80 ÷ 400 nm 4 Khả kiến 400 ÷ 800 nm 5 Hồng ngoại 1÷ 400 μm 6 Sóng ngắn 400 ÷ 1000 μm 7 Sóng Rađa 0.1 ÷ 1 cm 8 Sóng cực ngắn 0.1 ÷ 50 cm 9 Tivi-FM 1÷ 10 m 10 Sóng rađio 10 ÷ 1500 m 5
  11. 1.3. Sự xuất hiện phổ nguyên tử 1.3.1. Tóm tắt về cấu tạo nguyên tử Nguyên tử của mọi nguyên tố hóa học đều gồm một hạt nhân nguyên tử và các electron (điện tử). Hạt nhân chiếm thể tích rất nhỏ trong không gian của nguyên tử (khoảng 1/10.000 thể tích nguyên tử), nhưng lại chiếm hầu như toàn bộ khối lượng của nguyên tử. Nếu coi đường kính nguyên tử là 10-8 cm, thì đường kính hạt nhân chỉ chiếm khoảng 10-12 cm. Như vậy, lớp vỏ của nguyên tử ngoài hạt nhân là rất rộng, nó chính là không gian chuyển động của điện tử. Sự chuyển động của điện tử trong không gian này rất phức tạp. Song trong một điều kiện nhất định và một cách tương đối, người ta vẫn thừa nhận các điện tử chuyển động trong không gian của nguyên tử theo các quỹ đạo (orbital). Nhưng theo quan điểm hiện đại của cơ lượng tử thì đó là các đám mây electron. Trong lớp vỏ nguyên tử, điện tử phân bố thành từng lớp ứng với số lượng tử chính của nguyên tử n (n = 0, 1, 2,…). Trong từng lớp lại có nhiều quỹ đạo ứng với số lượng tử phụ ℓ (ℓ = 0, 1,…, n-1) của nguyên tử. Đó là các phân lớp (s, p, d, f). Các điện tử chuyển động trên các orbital càng gần hạt nhân thì có năng lượng càng thấp và năng lượng của chúng theo thứ tự tăng dần từ trong ra ngoài trong lớp vỏ electron được xác định bởi qui tắc Klechkowski. Các điện tử hoá trị ở lớp ngoài cùng của nguyên tử là nhân tố tạo ra phổ phát xạ và hấp thụ nguyên tử. Theo nguyên lí vững bền thì điện tử bao giờ cũng chiếm và làm đầy những quỹ đạo có mức năng lượng thấp trước. Sau đó mới đến những quỹ Hình 1.1: Sơ đồ phân bố năng lượng đạo có mức năng lượng cao hơn. Thứ trong nguyên tử và sinh phổ. tự sắp xếp đó là: ls, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p,... (Hình 1.1). Như vậy theo thuyết 6
  12. cấu tạo nguyên tử, các nguyên tử chỉ có thể có một số mức năng lượng gián đoạn E0, E1, E2,… mà không có các trạng thái năng lượng trung gian. 1.3.2. Sự xuất hiện phổ phát xạ và hấp thụ nguyên tử Trong điều kiện bình thường, nguyên tử ở trạng thái cơ bản không thu và cũng không phát năng lượng dưới dạng các bức xạ. Đây là trạng thái bền vững và nghèo năng lượng. Nhưng nếu chúng ta hoá hơi vật chất, để đưa các nguyên tử đến trạng thái hơi tự do và cung cấp cho đám hơi đó một năng lượng phù hợp, thì nguyên tử sẽ chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích đặc biệt là các điện tử hoá trị của nó sẽ chuyến lên mức năng lượng cao hơn theo sơ đồ: Ao + ΔE → A* (Cơ bản) (Bị kích thích) Hình 1.2. Quá trình phát xạ và hấp thụ Nhưng trạng thái kích thích này không bền, chỉ khoảng 10-8 ÷ 10-9 s, sau đó nguyên tử có xu hướng trở về trạng thái có mức năng luợng thấp hơn, lúc này nguyên tử sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ (bxđt) bao gồm nhiều tia đơn sắc có bước sóng khác nhau nằm trong dải phổ quang học (190 – 1100 nm)... Bức xạ này chính là phổ phát xạ của nguyên tử, nó có tần số được tính theo công thức: E  (E n  E o )  h (1.1) hay ΔE = h.c/λ (1.2) Trong đó: En và E0 là năng lượng ở trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản của nguyên tử; h là hằng số Planck (h = 6,626.10-34 J.s); c là tốc độ ánh sáng trong chân không (c = 3.108 m/s); λ là bước sóng của bức xạ đó. 7
  13. Nếu dùng máy quang phổ để thu chùm phát xạ đó, phân li và ghi lại các chùm tia phát xạ do nguyên tử phát ra ta sẽ được một dải phổ từ sóng ngắn đến sóng dài. Đó là phổ phát xạ của nguyên tử của các nguyên tố và nó là phổ vạch. Những nguyên tố nào có số điện tử nhiều, có nhiều năng lượng và nhiều lớp điện tử, số điện tử hoá trị càng nhiều, ...thì số vạch phổ phát xạ nhiều. Ví dụ như Fe, Mn, Ni, Ce, ... Như vậy, phổ phát xạ nguyên tử là sản phẩm sinh ra do sự tương tác vật chất, mà ở đây là các nguyên tử tự do ở trạng thái khí với một nguồn năng lượng nhiệt, điện,... phù hợp nhất định. Trong tập hợp các vạch phổ thì mỗi nguyên tử có những vạch đặc trưng riêng. Nghĩa là mỗi nguyên tố thì quang phổ của chúng có độ dài sóng đặc trưng và riêng biệt[1]. Ví dụ: Khi bị kích thích, nguyên tử Al phát ra vạch đặc trưng trong vùng UV 308,215 – 309,271nm; nguyên tử Cu phát ra vạch đặc trưng trong vùng UV 324,754 – 327,396 nm. Nhưng trong nguồn sáng, không phải chỉ có nguyên tử tự do bị kích thích, mà phát xạ của nó. Tất nhiên, mức độ khác nhau tùy thuộc vào khả năng kích thích của nguồn năng lượng. Vì vậy, phổ phát xạ của vật mẫu luôn bao gồm ba thành phần: - Nhóm phổ vạch: Đó là phổ của nguyên tử và ion. - Nhóm phổ đám: Đó là phổ phát xạ của các phân tử và nhóm phân tử. - Phổ nền liên tục: Đây là phổ của vật rắn bị đốt nóng phát ra, phổ của ánh sáng trắng và phổ do sự bức xạ riêng của điện tử. Ba loại phổ trên xuất hiện đồng thời khi kích thích mẫu phân tích và trong phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử người ta phải tìm cách loại bớt phổ đám và phổ nền. Đó là hai yếu tố nhiễu. Một đặc điểm quan trọng nữa là khi nguyên tử ở trạng thái hơi tự do, nếu ta chiếu một chùm tia sáng có những bước sóng (tần số xác định) vào đám hơi nguyên tử đó, thì các nguyên tử tự do đó sẽ hấp thụ các bức xạ có bước sóng nhất định ứng đúng với những tia bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ của nó. Lúc này nguyên tử đã nhận năng lượng của các tia bức xạ chiếu vào nó và nó 8
  14. chuyển lên trạng thía kích thích có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản. Đó là tính chất đặc trưng của nguyên tử ở trạng thái hơi. Quá trình đó được gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ nguyên tử của nguyên tố đó. Phổ sinh ra trong quá trình này được gọi là phổ hấp thụ nguyên tử [1].Nếu gọi năng lượng của bxđt đã bị nguyên tử hấp thu là ε = hυ thì ta có: ε = hυ = ΔE = Em – E0 (1.3) hay: ΔE = h.c/λ (1.4) Trong đó: Em và E0 là năng lượng ở trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản của nguyên tử; λ là bước sóng của vạch phổ hấp thụ. Như vậy, ứng với mỗi giá trị năng lượng ΔE; mà nguyên tử đã hấp thụ ta sẽ có một vạch phổ hấp thụ với độ dài sóng đặc trưng cho quá trình đó, nghĩa là phổ hấp thụ của nguyên tử cũng là phổ vạch. Nhưng nguyên tử không hấp thụ tất cả các bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ. Quá trình hấp thụ chỉ xảy ra đối với các vạch phổ nhạy, các vạch phổ đặc trưng và các vạch cuối cùng của các nguyên tố. Cho nên đối với các vạch phổ đó quá trình hấp thụ và phát xạ là hai quá trình ngược nhau. Trong phương trình (1.1), nếu giá trị ΔE là dương ta có quá trình phát xạ, nếu giá trị ΔE là âm ta có quá trình hấp thụ. Tùy theo từng điều kiện cụ thể để nguyên tử hóa mẫu và kích thích nguyên tử mà quá trình nào xảy ra là chính, cụ thể là: Nếu kích thích nguyên tử bằng năng lượng nhiệt ta có phổ phát xạ nguyên tử; Nếu kích thích nguyên tử bằng chùm tia đơn sắc ta có phổ hấp thụ nguyên tử. 1.4. Khái quát về phương pháp phân tích phổ nguyên tử Phương pháp phân tích quang phổ là phương pháp nghiên cứu sự tương tác của bức xạ ánh sáng trên chất khảo sát hoặc sự hấp thụ các bức xạ dưới một tác động hóa lý nào đó, được sử dụng rất phổ biến trong việc phân tích các khoáng vật, nó xem xét màu nào đậm nhất trong vạch quang phổ để xác định ra thành phần hóa học của khoáng vật đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc tinh chế đơn chất từ khoáng vật. 9
  15. Để xác định chính xác sự có mặt của một nguyên tố thì người ta phải chọn ít nhất 2 vạch chứng minh khi quan sát phổ của mẫu phân tích. Các vạch phổ này phải thỏa mãn một số điều kiện sau: - Những vạch phổ này phải rõ ràng không trùng lẫn với vạch của các nguyên tố khác nhất là nguyên tố có nồng độ lớn. - Nó phải là những vạch phổ nhạy để có thể phát hiện được những nguyên tố trong mẫu có nồng độ nhỏ (phân tích lượng vết). Hình 1.3. Sơ đồ khái quát phân tích phổ nguyên tử 1.4.1. Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES (Atomic Emision Spectrometry ) là một phương pháp phân tích hóa học sử dụng cường độ ánh sáng phát ra từ ngọn lửa, plasma, hồ quang hoặc tia lửa ở một bước sóng đặc biệt để xác định số lượng của một nguyên tố trong một mẫu. Bước sóng của dải phổ nguyên tử cho phép nhận dạng nguyên tố, trong khi cường độ của ánh sáng phát ra tỷ lệ thuận với số nguyên tử của nguyên tố. Trong phương pháp AES, mẫu được đưa tới nhiệt độ đủ cao để không những tách các nguyên tử ra mà còn gây ra một lượng đáng kể sự kích thích do va chạm của các nguyên tử trong mẫu. Việc phát các bxđt trong miền ánh sáng quang học của nguyên tử là do sự thay đổi trạng thái năng lượng của nguyên tử. 10
  16. 1.4.2. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS (Atomic Absorption Spectrometry) là một quá trình phân tích để xác định định lượng các nguyên tố hóa học sử dụng sự hấp thụ của bức xạ quang học (ánh sáng) bởi các nguyên tử tự do trong trạng thái khí. Trong phương pháp AAS, tia sáng có bước sóng đặc trưng của nguyên tố cần nghiên cứu được chiếu qua đám hơi của nguyên tử này. Sau đó một vài tia sáng bị hấp thụ bởi những nguyên tử của nguyên tố đó. Lượng tia sáng bị hấp thụ bởi nguyên tử được đo và sử dụng để xác định nồng độ của các nguyên tử trong mẫu. Các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ bức xạ điện từ tuân theo định luật hấp thụ bức xạ (định luật Bouguer – Lambert – Beer): I0 A  lg  . .C (1.5) I Trong đó: A là mật độ quang; C là nồng độ của chất hấp thụ (mol/L); I0, I là cường độ ánh sáng trước và sau khi bị nguyên tử tự do hấpthụ; ε là hệ số hấp thụ mol phân tử, phụ thuộc bước sóng λ (L.mol-1.cm-1); ℓ là độ dày lớp hơi nguyên tử mà ánh sáng đi qua (cm). 11
  17. Chương 2. ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ PHÁT XẠ VÀ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ 2.1. Đại cương về phân tích phổ phát xạ nguyên tử AES 2.1.1. Nguyên tắc của phép đo phổ phát xạ nguyên tử Từ việc nghiên cứu nguyên nhân xuất hiện phổ phát xạ, chúng ta có thể khái quát phương pháp phân tích dựa trên cơ sở đo phổ phát xạ của nguyên tử phải bao gồm các bước cơ bản sau: Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp AES 12
  18. Bước 1: Mẫu phân tích cần được chuyển thành hơi (khí) của nguyên tử hay Ion tự do trong môi trường kích thích. Đó là quá trình hóa hơi hay nguyên tử hóa mẫu. Sau đó dùng nguồn năng lượng phù hợp kích thích đám hơi đó để chúng phát xạ. Quá trình này được gọi là kích thích phổ của mẫu. Bước 2: Thu, phân li và ghi toàn bộ phổ phát xạ của vật mẫu nhờ máy quang phổ. Bước 3: Đánh giá phổ đã ghi về mặt định tính và định lượng theo những yêu cầu đã đặt ra. Đây là công việc cuối cùng của phép đo. 2.1.2. Đối tượng của phép đo phổ phát xạ Người ta sử dụng phương pháp phân tích phổ phát xạ nguyên tử để phân tích định tính, định lượng các nguyên tố hóa học thuộc các loại mẫu rắn, mẫu dung dịch, mẫu bột, mẫu quặng, mẫu khí. Tuy phân tích nhiều đối tượng nhưng thực chất là xác định các kim loại là chính nghĩa là các nguyên tố có phổ phát xạ nhạy, khi được kích thích bằng một nguồn năng lượng thích hợp; sau đó là một vài á kim như Si, P, C. Vì vậy, đối tượng chính của phương pháp phân tích dựa theo phép đo phổ phát xạ của nguyên tử là các kim loại nồng độ nhỏ trong các loại mẫu khác nhau. Với đối tượng á kim thì phương pháp này có nhiều nhược điểm và hạn chế về độ nhạy, cũng như những trang bị để thu, ghi phổ của chúng, vì phổ của hầu hết các á kim lại nằm ngoài vùng tử ngoại và khả kiến, nghĩa là phải có thêm những trang bị phức tạp mới có thể phân tích được các á kim. 2.1.3. Nguồn kích thích phổ phát xạ nguyên tử[1] Nguồn kích thích phổ phát xạ nguyên tử là bộ phận rất quan trọng, nó quyết định độ nhạy của phép đo. Các mẫu dù có ở trạng thái rắn, lỏng hay khí thì đều phải được chuyển thành các nguyên tử tự do, sau đó kích thích bởi nhiệt độ cao của nguồn. Do đó nguồn năng lượng kích thích phát xạ phổ nguyên tử phải thỏa mãn các yêu cầu: - Có năng lượng đủ lớn để hóa hơi được mẫu, nguyên tử hóa được các phân tử và kích thích được các nguyên tử đạt hiệu suất cao. - Phải ổn định và lặp lại được tốt. 13
  19. - Điều chỉnh được độ lớn của năng lượng phù hợp cho từng phép phân tích mỗi nguyên tố trong mỗi loại mẫu. - Không tạo ra phổ phụ làm ảnh hưởng hay gây khó khăn cho việc phân tích. - Tiêu tốn ít mẫu. Trên đây là những yêu cầu chung, nếu nguồn sáng thỏa mãn được đầy đủ các yêu cầu đó là một điều rất lí tưởng. Song trong thực tế không có được nguồn năng lượng lý tưởng đó. Vì vậy, khi phân tích quang phổ phát xạ, chúng ta cần tùy theo từng trường hợp cụ thể mà xét xem yêu cầu nào cần được chú ý nghiêm ngặt và yêu cầu nào có thể châm chước được. Một số nguồn kích thích phát xạ phổ nguyên tử thường dùng được giới thiệu trong phần tiếp theo. 2.1.3.1. Ngọn lửa đèn khí Ngọn lửa đèn khí là nguồn năng lượng đầu tiên được dùng trong phân tích quang phổ phát xạ nguyên tử. Không những vậy nó còn được sử dụng trong phân tích quang phổ hấp thụ. Do sự đơn giản, ổn định, độ nhạy tương đối và rẻ tiền, nên ngày nay nó vẫn được sử dụng phổ biến. a) Đặc điểm. Ngọn lửa đèn khí là ngọn lửa được tạo thành khi đốt một chất oxy hóa (như oxy, không khí, N2O) với một chất cháy (như C2H2, propan,...) để tạo ra nhiệt độ của ngọn lửa. Nhiệt độ của ngọn lửa là yếu tố quyết định quá trình hóa hơi, nguyên tử hóa và kích thích phổ của vật chất mẫu. Nhiệt độ đèn khí thường không cao (1700 ÷ 3200 oC). Do có nhiệt độ thấp, nên ngọn lửa đèn khí chỉ kích thích được các kim loại kiềm và kiềm thổ. Và ứng với loại nguồn sáng này người ta có một phương pháp phân tích riêng. Đó là phương pháp phân tích quang phổ ngọn lửa (Flame Spectrophotometry). Nhiệt độ ngọn lửa đèn khí phụ thuộc vào: cấu tạo của đèn, bản chất của các khí cháy tạo ra ngọn lửa, tỷ lệ của thành phần của các khí. Dưới đây là một vài hỗn hợp khí đã được sử dụng để tạo ra ngọn lửa trong phép đo phổ phát xạ (Bảng 2.1). 14
  20. Bảng 2.1. Nhiệt độ của một số loại đèn khí Số TT Loại hỗn hợp khí đốt Nhiệt độ (oC ) 1 Axetylen và ôxi 2400-3100 2 Butan và ôxi 2000-2550 3 Khí đốt và ôxi 2200-2500 4 Hydro và ôxi 2100-2300 5 Axetylen và không khí 2000-2450 b) Cấu tạo Về hình dáng cấu tạo và sự phân bố nhiệt của ngọn lửa đèn khí gồm có ba phần như sau: Phần 1: Phần trong cùng sát miệng đèn là phần tối (a). Trong phần này chất đốt được trộn và nung nóng để chuẩn bị đốt cháy ở phần hai (b). Nhiệt độ trong phần này thấp (dưới 700 ÷ 1200 oC). Phần 2: là lõi của ngọn lửa (b). Trong phần này xảy ra các phản ứng đốt cháy chất khí. Nó không màu hay có màu xanh nhạt và nhiệt độ là cao nhất. Tại đỉnh b là nơi có nhiệt độ cao nhất của ngọn lửa. Phần 3: là vỏ của ngọn lửa (c). Hình 2.2. Cấu tạo của Trong phần này thường xảy ra các phản ứng thứ ngọn đèn khí cấp, có màu vàng và nhiệt độ thấp. Nó tạo thành đuôi và vỏ của ngọn lửa. Chú ý: Khi phân tích, mẫu phải được đưa vào vùng tâm có nhiệt độ cao nhất (vùng (b)) vì trong vùng này các quá trình ổn định, và hiệu suất kích thích phổ sẽ cao nhất. c) Đèn nguyên tử hóa mẫu (burner head) Là bộ phận để đốt cháy hỗn hợp khí tạo ra ngọn lửa. Tuy có nhiều kiểu khác nhau nhưng đều có cấu tạo giống nhau. Đó là hệ thống nguyên tử hóa mẫu. Song 15
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2