MỞ ĐẦU Trong môi trƣờng nƣớc nitơ tồn tại ở nhiều dạng hợp chất khác nhau nhƣng có thể chia thành hai nhóm lớn đó là nitơ vô cơ và nitơ hữu cơ. Nitơ vô cơ tồn tại ở ba dạng chính đó là: amoni (NH4+); nitrat (NO3-) và nitrit (NO2-). Amoni không gây độc trực tiếp cho con ngƣời nhƣng sản phẩm chuyển hóa từ amoni là nitrit và nitrat là yếu tố gây độc. Nitrat tạo chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành nitrosamin là nguyên nhân gây ung thƣ ở ngƣời cao tuổi [6].
Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nƣớc dùng để pha sữa. Khi vào cơ thể, nitrat chuyển hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn đƣờng ruột. Ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con ngƣời. Khi tác dụng với các amin hay ankyl cacbonat trong cơ thể ngƣời chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thƣ [26].
Trong cơ thể nitrit có thể ôxi hóa sắt II ngăn cản quá trình hình thành Hemoglobin làm giảm lƣợng ôxi trong máu có thể gây ngạt, nôn, khi nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong. Có rất nhiều phƣơng pháp để xác định amoni, nitrat và nitrit nhƣ phƣơng pháp trắc quang, phƣơng pháp cực phổ, phƣơng pháp điện cực chọn lọc ion, phƣơng pháp sắc kí, phƣơng pháp phân tích bơm mẫu vào dòng chảy… trong các đối tƣợng mẫu khác nhau. Các phƣơng pháp này có độ nhạy tốt, nhƣng cần thiết phải có điều kiện phân tích nghiêm ngặt, máy móc và trang thiết bị hiện đại, cồng kềnh, mất nhều thời gian. Bên cạnh đó, việc lấy mẫu, vận chuyển và bảo quản mẫu ảnh hƣởng đến sự tồn tại các dạng nitơ trong nƣớc.
Hiện nay ở các nƣớc nhƣ Mỹ, Đức, Nhật. ngƣời ta đã sản xuất ra các kit thử xác định nhanh amoni, nitrat và nitrit dựa trên phản ứng tạo phức màu của chất phân tích với thuốc thử, kết hợp thang đo màu để phân tích bán định lƣợng. Tuy nhiên, khi về Việt Nam giá thành của các bộ kit tăng lên đáng kể và khó đặt mua. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ở Việt Nam hiện nay cũng có bộ kit thử phân tích amoni, nitrat và nitrit của Bộ Công An sản xuất, tuy nhiên bộ kit cũng chỉ dùng phân tích định bán định lƣợng.
Với mục đích chế tạo kit thử amoni, nitrat và nitrit kết hợp máy đo quang cầm tay để có thể xác định lƣợng vết amoni, nitrit và nitrat trong mẫu nƣớc ngoài hiện trƣờng với thời gian phân tích ngắn, giảm hóa chất độc hại, giảm sai số do chuyển hóa các dạng nitơ trong quá trình vận chuyển và bảo quản mẫu, đơn giản hóa dụng cụ phòng thí nghiệm, giảm chi phí phân tích, tiện lợi, linh hoạt và phù hợp với điều kiện phân tích ở nƣớc ta, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu chế tạo kit thử định lượng amoni, nitrit và nitrat trong nước”. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu chế tạo kit thử dạng bột, hạn chế tối đa dung dịch, sử dụng dụng cụ phân tích đơn giản để xác định lƣợng vết amoni, nitrit và nitrat trong nƣớc ngay tại hiện trƣờng bằng cách kết hợp với máy đo quang cầm tay. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung về nitrit, nitrat và amoni 1.
Tính chất lí, hóa học của nitrit, nitrat và amoni 1. Tính chất lí, hóa học của nitrit Trong muối nitrit nguyên tử N ở trạng thái lai hóa sp2, hai obitan lai hóa tham gia tạo thành liên kết σ với hai nguyên tử O và một obitan lai hoá có cặp electron tự do. Một obitan 2p còn lại không lai hoá của nitơ có một electron độc thân tạo nên liên kết π không định chỗ với hai nguyên tử oxy. Nhờ có cặp electron tự do ở nitơ, ion NO2- có khả năng tạo liên kết cho nhận với ion kim loại.
Một phức chất thƣờng gặp là natricobantinitrit Na 3[Co(NO2)6]. Đây là thuốc thử dùng để phát hiện ion K+ nhờ tạo thành kết tủa K3[Co(NO2)6] màu vàng. Nitrit kim loại kiềm bền với nhiệt, chúng không phân hủy khi nóng chảy mà chỉ phân hủy ở trên 5000C. Nitrit của kim loại khác kém bền hơn, bị phân hủy khi đun nóng, chẳng hạn nhƣ AgNO2 phân hủy ở 1400C, Hg(NO2)2 ở 750C [4, 10].
Axit nitrơ không bền, nhanh chóng bị phân hủy, nhất là khi đun nóng: 3 HNO2 → HNO3 +2NO + H2O Bởi vậy khi khí NO2 tan trong nƣớc thì thực tế tạo nên HNO3 và NO theo phản ứng: 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO Trong dung dịch nƣớc, axit nitrơ là một axit yếu (Kb= 4,5.10-4), hơi mạnh hơn axit cacbonic. Do không bền, axit nitrơ rất hoạt động về mặt hóa học. Nó vừa có tính oxi hóa vừa có tính khử. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Axit nitrơ oxi hóa đƣợc dung dịch HI đến I2, dung dịch SO2 đến H2SO4, ion Fe2+ đến ion Fe3+… còn bản thân nó biến thành NO.
Với những chất oxi hóa mạnh nhƣ KMnO4, MnO2, PbO2, axit nitrơ bị oxi hóa đến axit nitric. Các muối nitrit bền nhiệt hơn HNO2 và có thể tồn tại độc lập. Phần lớn các nitrit tan tốt trong nƣớc, trừ AgNO2. Nitrit của các kim loại kiềm nóng chảy không phân hủy.
Cũng nhƣ ion NO2-, đa số muối nitrit không có màu. Trong môi trƣờng axit, muối nitrit có tính oxi hóa và tính khử nhƣ axit nitrơ. Muối NaNO2 đƣợc dùng rộng rãi trong công nghiệp hóa học, nhất là công nghiệp nhuộm azo [4]. Tính chất lí, hóa học của nitrat Trong muối nitrat, ion NO3- có cấu tạo hình đa giác đều với góc ONO bằng 1200 và độ dài liên kết N-O bằng 1,218 A0.
Trong đó nguyên tử nitơ ở trạng thái lai hóa sp2, ba obitan lai hóa tạo thành ba liên kết σ với ba nguyên tử oxi. Obitan 2p còn lại ở nguyên tử nitơ tạo nên một liên kết π không định chỗ với nguyên tử oxi [4, 10]. Muối nitrat khan của kim loại kiềm khá bền với nhiệt (chúng có thể thăng hoa trong chân không ở 380 – 500oC). Còn các nitrat của kim loại khác dễ phân hủy khi đun nóng.
Nitrat là muối của axit kém bền HNO3. HNO3 bị thủy phân dƣới tác dụng của ánh sáng, dung dịch có màu vàng. Trong nƣớc, HNO3 là axit mạnh nên phân li hoàn toàn. Tất cả các muối nitrat đều tan trong nƣớc và là chất điện li mạnh.
Trong dung dịch, chúng phân li hoàn toàn thành các ion. Ion NO3- không có màu, nên màu của một số muối nitrat là do màu của cation kim loại trong muối tạo nên. Một số muối nitrat nhƣ NaNO3, NH4NO3,. hấp thụ hơi nƣớc trong không khí nên dễ bị chảy rữa.
Các muối nitrat dễ bị phân hủy. Độ bền nhiệt của muối nitrat phụ thuộc vào bản chất của cation tạo muối. Muối nitrat của các kim loại hoạt động mạnh (kali, natri,.) bị phân hủy thành muối nitrit và oxi. Muối nitrat của magie, kẽm, sắt, chì, đồng,.
bị phân hủy 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thành oxit kim loại tƣơng ứng, NO2 và O2. Muối nitrat của bạc, vàng, thủy ngân,. bị phân hủy thành kim loại tƣơng ứng, khí NO2 và O2 [4]. 2 NaNO3 →2 NaNO2 + O2 2 Pb(NO3)2→ 2 PbO +4 NO2 + O2 Hg(NO3)2 → Hg +2NO2 + O2 Ở nhiệt độ cao, muối nitrat phân hủy ra oxi nên chúng là các chất oxi hóa mạnh.
Khi cho than nóng đỏ vào muối kali nitrat nóng chảy, than bùng cháy. Ion NO3- trong môi trƣờng axit có khả năng oxi hoá nhƣ axit nitric. Trong môi trƣờng trung tính muối nitrat hầu nhƣ không có khả năng ôxi hóa, nhƣng trong môi trƣờng kiềm có thể bị Al, Zn khử đến NH3. 4 Zn + NO3- + 7 OH- → 4 ZnO2- + NH3 + 2 H2O Do tính chất oxi hóa trong môi trƣờng axit, nitrat còn có khả năng tham gia nitro hóa với một số chất hữu cơ nhƣ: axit sulfosalicilic, diphenylamin, antipyrin.
Khi chuyển về môi trƣờng kiềm sản phẩm của quá trình nitro hóa sẽ có màu. Đây là cơ sở cho phản ứng định lƣợng nitrat bằng phƣơng pháp trắc quang [30]. Tính chất lí, hóa học của amoni Ion amoni NH4+ có cấu tạo hình tứ diện đều với bốn nguyên tử H ở đỉnh và nguyên tử nitơ trung tâm, có bán kính ion là 1,43 Ao, gần tƣơng đƣơng với các ion kim loại Rb+= 1,48 và K+ = 1,44 Ao. Do đó muối amoni giống với muối kim loại kiềm.
Chúng thƣờng có kiến trúc kiểu NaCl hay kiểu CsCl. Hầu hết các muối amoni đều dễ tan và phân li mạnh ở trong nƣớc [10]. Muối amoni tan tốt trong nƣớc, NH4+ bị thủy phân tạo môi trƣờng axit.10-10 Các muối amoni khác với muối kim loại kiềm là đều kém bền với nhiệt. Tùy thuộc vào bản chất của axit tạo nên muối phản ứng nhiệt phân có thể xảy ra một cách khác nhau.
5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Muối amoni trong thực tế đƣợc dùng nhiều để làm phân đạm, một số muối đặc trƣng quan trọng là NH4Cl, (NH4)2SO4 và NH4NO3 [4]. Độc tính của nitrit và nitrat và amoni Amoni trong nƣớc tồn tại ở 2 dạng: không ion hoá (NH3) và ion hoá (NH4+). Độc tính của amoni phụ thuộc vào dạng tồn tại của nó trong nƣớc. Các phân tử NH3 độc hơn so với NH4+, điều này phụ thuộc vào nhiệt độ và pH của nƣớc.
Ion NH4+ ít độc hại hơn và tồn tại ở pH thấp hơn. Khi pH tăng từ 7-8 thì có sự chuyển NH4+ thành NH3. Sự có mặt của amoni trong nƣớc bề mặt gây ra khó khăn trong việc xử lý nƣớc uống do muốn xử lý chúng cần có clo, amoni có thể kết hợp với clo tạo ra cloramin làm cho hiệu quả khử trùng giảm đi rất nhiều so với clo gốc [7]. Amoni không gây ảnh hƣởng trƣ̣c tiế p đế n sƣ́c khoẻ con ngƣời , nhƣng trong quá trình khai thác, lƣu trƣ̃ và xƣ̉ lý…amoni đƣơ ̣c chuyể n hoá thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại tới con ngƣời.
Trong nƣớc ngầ m amoni không thể chuyể n hoá đƣơ ̣c do thiế u oxy , khi khai thác lên vi si nh vâ ̣t trong nƣớc , oxy trong không khí sẽ chuyể n amoni thành nitrit và nitrat. Nitrat và nitrit là những tác nhân gây ảnh hƣởng tới sức khỏe cộng đồng và là một trong những nguyên nhân gây ra hai loại bệnh: methaemoglobinemia: hội chứng da xanh ở trẻ sơ sinh và ung thƣ dạ dày ở ngƣời lớn [5]. Khi đi vào cơ thể, nitrat tham gia phản ứng khử ở dạ dày và đƣờng ruột do tác dụng của các men tiêu hoá sinh ra nitrit. Nitrit sinh ra phản ứng với Hemoglobin tạo thành methaemoglobinemia làm mất khả năng vận chuyển oxi của Hemoglobin.