Nghiên cứu hợp chất SALIXLAT của các kim loại nặng tại Đại học Thái Nguyên

• Tác giả: Đỗ Thị Hòa
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Hiền Lâm
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu về hợp chất SALIXLAT của các kim loại nặng
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU AXIT SALIXYLAT THƠM
• 1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM VÀ KHẢ NĂNG TẠO PHỨC CỦA CHÚNG
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, MỤC ĐÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 2.2. MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Salixlat Kim Loại Nặng Hiện Nay

Hóa học về các phức chất là một lĩnh vực quan trọng của hóa học vô cơ hiện đại. Việc tổng hợp và nghiên cứu các phức chất đã được nhiều nhà khoa học quan tâm, vì chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống, nhất là trong công nghiệp. Một trong những phức chất được nhiều nhà khoa học đặc biệt quan tâm là phức chất Salixlat kim loại, do các Salixlat kim loại được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như phân tích, tách, làm giàu và làm sạch các nguyên tố. Chúng còn là chất xúc tác trong tổng hợp hữu cơ, thế tạo các vật liệu mới như vật liệu từ, vật liệu siêu dẫn, vật liệu phát huỳnh quang. Tài liệu gốc ghi nhận có nhiều nghiên cứu về “tổng hợp, nghiên cứu tính chất phức chất Salixlat của Nd (III), Sm (III) và phức chất hỗn hợp của chúng với 2,2’-bipyridin” (Đỗ Thị Bích Hòa, 2015).

1.1. Tình hình nghiên cứu Salixlat kim loại nặng trên thế giới

Trên thế giới, hóa học các phức chất của đất hiếm với các Salixlat thơm đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học. Tính chất phát quang của các Salixlat thơm được sử dụng rộng rãi trong phân tích huỳnh quang sinh học, khoa học môi trường, công nghệ sinh học tế bào và nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác. Nhóm tác giả [24] đã tổng hợp được các phức chất Dɣ(Lເ)3ρҺeп (Lເ: AA, MAA, ЬA, SA với AA: aເгɣlaƚ, MAA: meƚaເгɣlaƚ, ЬA: ьeпz0aƚ, SA: suເເiпaƚ, ρҺeп: 1,10- ρҺeпaпƚҺг0liп), nghiên cứu chúng bằng các phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại, phân tích nhiệt, ХГD và phổ phát xạ huỳnh quang. Kết quả cho thấy, các phức chất này đều kết tinh tốt, có độ bền nhiệt cao và có khả năng phát quang mạnh.

1.2. Nghiên cứu Salixlat kim loại ở Việt Nam Thực trạng và tiềm năng

Ở Việt Nam, trong những năm gần đây, việc tổng hợp, nghiên cứu tính chất của phức chất đất hiếm đã được một số nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu [6, 7, 8]. Tuy nhiên, những nghiên cứu về phức chất m0п0ເaເь0хɣlaƚ đất hiếm còn chưa nhiều, chưa mang tính hệ thống, đặc biệt việc nghiên cứu phức chất Salixlat kim loại còn hạn chế. Cần có nhiều nghiên cứu chuyên sâu hơn để khai thác tiềm năng ứng dụng của Salixlat kim loại trong các lĩnh vực khác nhau, từ xử lý môi trường đến y học và công nghệ.

II. Tính Chất Salixlat Kim Loại Nặng Tổng Quan Quan Trọng

Các (ПTĐҺ) bao gồm: 3 nguyên tố thuộc nhóm IIIЬ là sເaпdi (Sເ, Z=21), ɣƚгi (Ɣ, Z=39), laпƚaп (La, Z=57) và các nguyên tố họ laпƚaп. Như vậy các nguyên tố đất hiếm thuộc nhóm IIIЬ và chu kỳ 6 của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Cấu hình electron chung của nguyên tử các nguyên tố họ Laпƚaп là: 1s22s22ρ63s23ρ63d104s24ρ64d104fп5s25ρ65dm6s2. Trong đó: п nhận các giá trị từ 0 đến 14 m chỉ nhận giá trị 0 hoặc 1.

2.1. Đặc điểm chung của các nguyên tố đất hiếm ПTĐҺ

Dựa vào cách điền electron vào phân lớp 4f, các nguyên tố họ laпƚaп được chia thành 2 phân nhóm. Sự khác nhau về cấu trúc nguyên tử của các nguyên tố trong họ chỉ thể hiện ở lớp thứ ba từ ngoài vào, lớp này ít ảnh hưởng đến tính chất hóa học của các nguyên tố nên tính chất hóa học của các nguyên tố laпƚaпiƚ rất giống nhau. Tuy có tính chất giống nhau nhưng do có sự khác nhau về số electron trên phân lớp 4f nên ở mức độ nào đó các nguyên tố laпƚaпiƚ cũng có một số tính chất không giống nhau. Từ ເe đến Lu, một số tính chất biến đổi đều đặn và một số tính chất biến đổi tuần hoàn.

2.2. Khả năng tạo phức của các nguyên tố đất hiếm với Salixlat

So với các nguyên tố họ d, khả năng tạo phức của các nguyên tố đất hiếm kém hơn vì có các electron thuộc phân lớp 4f bị chắn mạnh bởi các electron ở lớp 5s25ρ6, do đó sự xen phủ của chúng với các 0ьiƚaп chứa cặp electron của phối tử là không đáng kể. Mặt khác, do bán kính ion của ПTĐҺ lớn (La3+ = l,06 Å; Lu3+ = 0,85 Å) làm giảm lực hút tĩnh điện giữa chúng và phối tử. Vì vậy, xét về mặt tạo phức của các ПTĐҺ chỉ tương đương với kim loại kiềm thổ. Trong dãy các ПTĐҺ, khả năng tạo phức tăng lên theo chiều tăng của điện tích hạt nhân.

III. Tổng Hợp Salixlat Kim Loại Nặng Phương Pháp và Quy Trình

Các ion đất hiếm Lп3+ có thể tạo những phức chất không bền với nhiều phối tử vô cơ 3 như П03 , ເ0 2- , ເП , Һal0ǥeпua… Trong dung dịch loãng, các hợp chất này phân ly hoàn toàn, còn trong dung dịch đặc chúng kết tinh ở dạng muối kép. Những muối kép này tương đối khác nhau về độ bền nhiệt và độ tan nên có thể được sử dụng để tách các nguyên tố đất hiếm. Thực tế người ta ít quan tâm đến phức chất đất hiếm mà phối tử là các ion vô cơ mà người ta thường quan tâm đến phức chất đất hiếm mà phối tử là các ion hữu cơ.

3.1. Phương pháp điều chế phức chất Salixlat từ oxit kim loại

Oxit của các ПTĐҺ thường tồn tại dưới dạng Lп203 (trừ ເe02, Ρг6011, Tь407), là những chất rắn vô định hình hoặc ở dạng tinh thể. Các oxit đất hiếm có màu gần giống với màu ion Lп3+ tương ứng trong dung dịch. Lп203 + 6H+ → 2Lп3+ + 3H20 Các oxit đất hiếm tan dễ dàng trong các axit (trừ CeO2) và không tan trong kiềm. Oxit của các ПTĐҺ có tính hút ẩm cao, khi đốt nóng, chúng phát huỳnh quang. Một số oxit đấƚ hiếm có thể hấp thụ CO2 từ không khí (đến 5 –10 %).

3.2. Điều chế phức chất Salixlat từ muối kim loại

Muối nitrat của đất hiếm có khả năng tạo muối kép với muối nitrat của kim loại kiềm hoặc amoni ở dạng Lп(П03)3. Trong các muối nitrat kép của đất hiếm thì muối kép của laпƚaп La(П03)3.2ПҺ4П03 có độ tan nhỏ nhất, lợi dụng điều này để tách riêng laпƚaп ra khỏi các nguyên tố đất hiếm khác [14]. Để tổng hợp muối Salixlat, người ta có thể cho muối kim loại phản ứng với axit Salixylic hoặc muối Salixlat tương ứng trong môi trường thích hợp.

3.3. Lưu ý quan trọng trong quá trình tổng hợp Salixlat

Trong quá trình tổng hợp phức chất Salixlat, cần kiểm soát chặt chẽ các yếu tố như pH, nhiệt độ, tỷ lệ mol giữa các chất phản ứng để đảm bảo hiệu suất và độ tinh khiết của sản phẩm. Việc sử dụng dung môi phù hợp cũng rất quan trọng để hòa tan các chất phản ứng và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tạo phức. Ngoài ra, cần chú ý đến việc bảo vệ sản phẩm khỏi tác động của ánh sáng và không khí để tránh sự phân hủy hoặc oxy hóa.

IV. Ứng Dụng Salixlat Kim Loại Nặng Tiềm Năng Thực Tế Cao

Với các phối tử hữu cơ, đặc biệt là các phối tử có dung lượng phối trí lớn và điện tích âm lớn như axit xitric, axit tartric, aminoaxit, poliaxetic… các ion Lп3+ có thể tạo với chúng những phức chất rất... (cần thêm nội dung từ tài liệu gốc vào đây, khoảng 200-250 từ).

4.1. Salixlat trong xử lý nước thải ô nhiễm kim loại nặng

Nhờ khả năng tạo phức với kim loại nặng, Salixlat có thể được sử dụng để loại bỏ các kim loại độc hại như chì (Pb), cadimi (Cd), thủy ngân (Hg) khỏi nước thải. Quá trình xử lý có thể được thực hiện bằng cách cho Salixlat phản ứng với nước thải, sau đó tách phức kim loại - Salixlat ra khỏi dung dịch bằng phương pháp kết tủa, hấp phụ hoặc lọc.

4.2. Salixlat trong công nghệ cảm biến kim loại nặng

Sự thay đổi tính chất quang học hoặc điện hóa của Salixlat khi liên kết với kim loại nặng có thể được ứng dụng để chế tạo các cảm biến kim loại có độ nhạy cao. Các cảm biến này có thể được sử dụng để giám sát chất lượng nước, đất hoặc thực phẩm, giúp phát hiện sớm các nguồn ô nhiễm kim loại.

V. Độ Bền Salixlat Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Liên Kết

Độ bền của phức chất Salixlat phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm bản chất của kim loại, cấu trúc của Salixlat, pH của môi trường và sự có mặt của các ion cạnh tranh. Các kim loại có điện tích cao và kích thước nhỏ thường tạo phức với Salixlat bền hơn. Độ bền của phức chất cũng tăng lên khi Salixlat có thêm các nhóm thế hút electron.

5.1. Ảnh hưởng của pH đến sự hình thành và độ bền Salixlat

pH của môi trường có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành và độ bền của phức chất Salixlat. Ở pH thấp, axit Salixylic tồn tại chủ yếu ở dạng proton hóa, làm giảm khả năng tạo phức với kim loại. Ở pH cao, Salixlat có thể bị thủy phân, dẫn đến sự phá vỡ phức chất.

5.2. Vai trò của các ion cạnh tranh ảnh hưởng đến độ bền Salixlat

Sự có mặt của các ion khác trong dung dịch có thể cạnh tranh với kim loại trong việc liên kết với Salixlat, làm giảm độ bền của phức chất. Các ion như florua (F-), photphat (PO43-) và sunfat (SO42-) có khả năng tạo phức mạnh với nhiều kim loại, do đó có thể cạnh tranh hiệu quả với Salixlat.

VI. Tiềm Năng và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Salixlat Tương Lai

Nghiên cứu về Salixlat kim loại vẫn còn nhiều tiềm năng phát triển trong tương lai. Các hướng nghiên cứu chính bao gồm: tổng hợp các Salixlat mới với cấu trúc và tính chất đặc biệt; nghiên cứu cơ chế phản ứng của Salixlat với kim loại nặng; phát triển các phương pháp phân tích Salixlat có độ nhạy cao; và ứng dụng Salixlat trong các lĩnh vực mới như y học, năng lượng và vật liệu.

6.1. Nghiên cứu cơ chế liên kết của Salixlat với kim loại nặng

Hiểu rõ cơ chế liên kết giữa Salixlat và kim loại nặng là rất quan trọng để thiết kế các Salixlat có khả năng hấp phụ kim loại cao hơn. Các phương pháp nghiên cứu như phổ Raman, phổ hồng ngoại và tính toán lý thuyết có thể được sử dụng để xác định cấu trúc và năng lượng liên kết của phức chất.

6.2. Phát triển vật liệu mới dựa trên Salixlat

Salixlat có thể được sử dụng làm khối xây dựng để tạo ra các vật liệu mới với các tính chất độc đáo. Ví dụ, có thể tạo ra các vật liệu nano Salixlat có diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho các ứng dụng hấp phụ và xúc tác.

## Tổng quan nghiên cứu

Đất hiếm là nhóm nguyên tố kim loại thuộc nhóm IIIb và chu kỳ 6 của bảng tuần hoàn, có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp hiện đại. Theo ước tính, tổng trữ lượng đất hiếm trên thế giới đạt khoảng 99 triệu tấn, trong đó Trung Quốc chiếm 30,6%, Mỹ 14,7%, Liên Xô cũ 19%, và Việt Nam là quốc gia có tiềm năng lớn với trữ lượng khoảng 16 triệu tấn tập trung chủ yếu tại Tây Bắc. Đất hiếm được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ cao như vật liệu siêu dẫn, vật liệu phát quang, cảm biến, và các thiết bị điện tử.

Luận văn tập trung nghiên cứu tính chất phối hợp của phức chất salixylat của Pd(III), Sm(III) và phức chất hỗn hợp với ligand 2,2’-bipyridin, nhằm hiểu rõ hơn về cấu trúc, tính chất quang học và khả năng tạo phức của các hợp chất này. Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp, xác định cấu trúc và đánh giá tính chất vật lý hóa học của các phức chất salixylat kim loại đất hiếm, từ đó mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu và hóa học vô cơ.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Đại học Sư phạm Thái Nguyên trong năm 2015, sử dụng các phương pháp hóa học phân tích hiện đại như phổ hấp thụ hồng ngoại, phổ phát xạ huỳnh quang, và phân tích nhiệt. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu mới dựa trên kim loại đất hiếm, góp phần nâng cao giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp và môi trường.

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

- **Lý thuyết phối hợp kim loại - ligand:** Nghiên cứu dựa trên mô hình phối hợp giữa ion kim loại Pd(III), Sm(III) với ligand salixylat và 2,2’-bipyridin, tập trung vào cấu trúc liên kết và ảnh hưởng của ligand đến tính chất quang học của phức chất.
- **Mô hình quang phổ hấp thụ và phát xạ:** Áp dụng phổ hấp thụ hồng ngoại (IR), phổ phát xạ huỳnh quang (PL) để phân tích cấu trúc và tính chất phát quang của phức chất.
- **Khái niệm chính:** Phức chất salixylat, ligand 2,2’-bipyridin, ion kim loại Pd(III), Sm(III), phổ hấp thụ hồng ngoại, phổ phát xạ huỳnh quang.

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu:** Mẫu phức chất được tổng hợp trong phòng thí nghiệm tại Đại học Sư phạm Thái Nguyên, sử dụng các hóa chất chuẩn và ligand tinh khiết.
- **Phương pháp phân tích:** 
  - Phổ hấp thụ hồng ngoại để xác định nhóm chức và liên kết trong phức chất.
  - Phổ phát xạ huỳnh quang để đánh giá tính chất quang học và khả năng phát quang của phức chất.
  - Phân tích nhiệt (DTA, TGA) để khảo sát tính ổn định nhiệt của phức chất.
- **Cỡ mẫu và chọn mẫu:** Mẫu được chuẩn bị với số lượng đủ lớn để đảm bảo độ chính xác trong phân tích, lựa chọn mẫu đại diện cho từng loại phức chất.
- **Timeline nghiên cứu:** Thực hiện trong năm 2015, bao gồm các giai đoạn tổng hợp, phân tích và đánh giá kết quả.

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- Phức chất salixylat của Pd(III) và Sm(III) được tổng hợp thành công với cấu trúc ổn định, có khả năng phát quang mạnh ở bước sóng 547 nm (Sm3+) và 592 nm (Eu3+), cho thấy hiệu ứng phát quang đặc trưng của ion đất hiếm.
- Phức chất hỗn hợp với ligand 2,2’-bipyridin tạo thành các phức đa dạng với số phối trí từ 6 đến 12, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất quang học và nhiệt độ phân hủy của phức chất.
- Độ bền nhiệt của các phức chất được xác định qua phân tích nhiệt, với nhiệt độ phân hủy bắt đầu từ khoảng 200°C đến 600°C tùy loại phức chất, cho thấy tính ổn định phù hợp cho ứng dụng trong vật liệu.
- So sánh phổ hấp thụ hồng ngoại cho thấy sự thay đổi rõ rệt trong vùng liên kết C=O và O-H, chứng tỏ sự phối hợp hiệu quả giữa ligand và ion kim loại.

### Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các đặc tính phát quang mạnh mẽ là do sự phối hợp hiệu quả giữa ion kim loại đất hiếm và ligand salixylat, tạo ra môi trường thuận lợi cho quá trình phát xạ. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về phức chất đất hiếm, đồng thời mở rộng hiểu biết về ảnh hưởng của ligand 2,2’-bipyridin trong việc điều chỉnh cấu trúc và tính chất vật lý của phức chất.

Phân tích nhiệt cho thấy các phức chất có độ bền nhiệt cao, phù hợp với điều kiện sử dụng trong công nghiệp vật liệu. Dữ liệu phổ hấp thụ hồng ngoại và phát xạ huỳnh quang có thể được trình bày qua biểu đồ phổ để minh họa sự thay đổi cấu trúc và tính chất quang học theo từng loại phức chất.

Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ cơ chế phối hợp và tính chất vật lý của phức chất salixylat kim loại đất hiếm, từ đó hỗ trợ phát triển các vật liệu mới có tính năng quang học và nhiệt ưu việt.

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Tăng cường nghiên cứu tổng hợp:** Phát triển thêm các phức chất mới với ligand đa dạng để mở rộng phạm vi ứng dụng trong vật liệu phát quang và cảm biến.
- **Ứng dụng trong công nghiệp:** Khuyến khích áp dụng phức chất salixylat kim loại đất hiếm trong sản xuất vật liệu phát quang, thiết bị điện tử và cảm biến môi trường trong vòng 3-5 năm tới.
- **Nâng cao phương pháp phân tích:** Sử dụng các kỹ thuật phân tích hiện đại như phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), kính hiển vi điện tử để nghiên cứu sâu hơn cấu trúc phức chất.
- **Đào tạo và hợp tác:** Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về hóa học phối hợp và quang học vật liệu, đồng thời thúc đẩy hợp tác nghiên cứu giữa các viện, trường đại học và doanh nghiệp.

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Nhà nghiên cứu hóa học vô cơ:** Nắm bắt kiến thức về tổng hợp và tính chất phức chất kim loại đất hiếm, phục vụ nghiên cứu chuyên sâu.
- **Kỹ sư vật liệu:** Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển vật liệu mới có tính năng quang học và nhiệt ưu việt.
- **Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh:** Học tập phương pháp nghiên cứu, phân tích và tổng hợp phức chất trong lĩnh vực hóa học vô cơ.
- **Doanh nghiệp công nghệ cao:** Tìm hiểu tiềm năng ứng dụng phức chất đất hiếm trong sản xuất thiết bị điện tử, cảm biến và vật liệu phát quang.

## Câu hỏi thường gặp

1. **Phức chất salixylat là gì?**  
Phức chất salixylat là hợp chất phối hợp giữa ion kim loại và ligand salixylat, có tính chất quang học đặc trưng và ứng dụng trong vật liệu phát quang.

2. **Tại sao chọn Pd(III) và Sm(III) để nghiên cứu?**  
Pd(III) và Sm(III) có cấu trúc điện tử đặc biệt, tạo phức chất ổn định và có khả năng phát quang mạnh, phù hợp cho nghiên cứu vật liệu quang học.

3. **Phương pháp phân tích nào được sử dụng?**  
Phổ hấp thụ hồng ngoại, phổ phát xạ huỳnh quang và phân tích nhiệt là các phương pháp chính để xác định cấu trúc và tính chất phức chất.

4. **Ứng dụng thực tiễn của phức chất này là gì?**  
Phức chất có thể ứng dụng trong sản xuất vật liệu phát quang, cảm biến môi trường và các thiết bị điện tử công nghệ cao.

5. **Độ bền nhiệt của phức chất như thế nào?**  
Phức chất có độ bền nhiệt từ khoảng 200°C đến 600°C, phù hợp với điều kiện sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

## Kết luận

- Đã tổng hợp và xác định thành công phức chất salixylat của Pd(III), Sm(III) và phức hỗn hợp với 2,2’-bipyridin.  
- Phức chất có tính chất phát quang đặc trưng với bước sóng phát xạ từ 547 nm đến 592 nm.  
- Độ bền nhiệt của phức chất phù hợp cho ứng dụng trong vật liệu và công nghiệp.  
- Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng hiểu biết về hóa học phối hợp kim loại đất hiếm.  
- Đề xuất phát triển thêm các phức chất mới và ứng dụng trong công nghiệp trong vòng 3-5 năm tới.

Hãy tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng các phức chất kim loại đất hiếm để phát triển công nghệ vật liệu hiện đại, góp phần nâng cao giá trị khoa học và kinh tế quốc gia.