Tài liệu: Nghiên cứu sự tạo phức của các ion kim loại với thuốc thử

Tìm hiểu phương pháp tạo phức giữa ion kim loại và thuốc thử, ứng dụng trong phân tích hóa học và xác định nồng độ kim loại trong mẫu thực tế.

• Trường học: Viện Năng Lượng Nguyên Tử Việt Nam
• Chuyên ngành: Hóa Phân Tích
• Đề tài: Nghiên Cứu Sự Tạo Phức Của Các Ion Kim Loại Với Thuốc Thử 5-Bromosalicylaldehyde Thiosemicarbazone Và Ứng Dụng Trong Phân Tích
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm về sự tạo phức của các ion kim loại

Sự tạo phức của các ion kim loại là quá trình hóa học quan trọng trong hóa phân tích và hóa học phối tử. Khi các ion kim loại như Zn(II), Co(II), Ni(II), Cu(II) kết hợp với các thuốc thử hữu cơ, chúng tạo thành những phức chất kim loại có tính chất đặc biệt. Những phức chất này có độ bền cao, được đặc trưng bởi hằng số bền (β - stability constant). Quá trình này đóng vai trò thiết yếu trong xác định định lượng các ion kim loại trong mẫu. Các nhà khoa học sử dụng những phương pháp phân tích hiện đại để nghiên cứu sâu về cơ chế tạo phức và ứng dụng thực tiễn của chúng trong các ngành công nghiệp.

1.1. Định nghĩa sự tạo phức kim loại

Sự tạo phức là phản ứng giữa ion kim loại trung tâm và ligan (phối tử). Quá trình này tạo ra những liên kết phối tử bền chặt. Các ion kim loại nhận electron từ ligan qua liên kết cộng hóa trị. Độ bền của phức chất được biểu diễn bằng hằng số bền (β). Những phức chất này có ứng dụng rộng rãi trong phân tích định lượng các kim loại.

1.2. Vai trò của thuốc thử 5 bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone

5-BSAT (5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone) là một thuốc thử hữu cơ hiệu quả cho xác định các ion kim loại. Nó chứa các nhóm chức năng như thiosemicarbazone và aldehyde, cho phép tạo những phức chất ổn định với nhiều ion kim loại khác nhau. Khi tạo phức với Ni(II), Zn(II), Cu(II), Co(II), chất này tạo ra những màu sắc đặc trưng giúp phát hiện và định lượng dễ dàng.

II. Phương pháp nghiên cứu sự tạo phức của ion kim loại

Để nghiên cứu sự tạo phức của các ion kim loại, các nhà khoa học áp dụng nhiều phương pháp phân tích hiện đại và kỹ thuật phổ quang học. Phương pháp UV-VIS cho phép xác định chiều dài sóng hấp thụ của các phức chất. Phổ hồng ngoại (IR) giúp xác định các liên kết hóa học trong phức chất. Phổ khối lượng (MS) và cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc phân tử. Những dữ liệu về điện tích và chiều dài liên kết được so sánh giữa thuốc thử tự do và phức chất kim loại để hiểu rõ hơn cơ chế tạo phức.

2.1. Kỹ thuật phổ UV VIS trong xác định phức chất

Phổ tử ngoại – khả kiến (UV-VIS) là phương pháp phân tích chính trong nghiên cứu sự tạo phức kim loại. Khi ion kim loại tạo phức với 5-BSAT, mật độ quang (absorbance) thay đổi tại các bước sóng khác nhau. Các cặp bước sóng như λ₁ = 370 nm và λ₂ = 399 nm được sử dụng để xác định nồng độ Ni(II) và Zn(II). Phương pháp này có độ chính xác cao và giới hạn phát hiện thấp (LOD).

2.2. Các phương pháp hóa học tính toán

Phương pháp hóa học tính toán như DFT được sử dụng để tính toán điện tích nguyên tử, chiều dài liên kết giữa ligan và ion kim loại. Kết quả cho thấy sự thay đổi cấu trúc hình học khi 5-BSAT tạo phức với Zn(II), Co(II), Ni(II). Những dữ liệu này giúp hiểu rõ cơ chế phối tử và độ bền của phức chất.

III. Ứng dụng trong phân tích định lượng các ion kim loại

Sự tạo phức của các ion kim loại với 5-BSAT có ứng dụng thực tiễn rộng rãi trong phân tích chuyên ngành các mẫu thực. Phương pháp này được áp dụng để xác định Ni(II) và Zn(II) trong nước thải công nghiệp từ các ngành gốm sứ, thủy tinh, và xi mạ. Phương pháp thêm chuẩn điểm (HPSAM) được sử dụng để tăng độ chính xác của định lượng. Kết quả phân tích được so sánh với phương pháp AAS (phổ hấp thụ nguyên tử) chuẩn để đánh giá hiệu quả của phương pháp. Giới hạn định lượng (LOQ) và giới hạn phát hiện (LOD) được xác định chính xác.

3.1. Phân tích nước thải công nghiệp

Nước thải công nghiệp chứa nồng độ cao ion kim loại như Ni(II) và Zn(II) cần được xác định định lượng. Sử dụng 5-BSAT như thuốc thử, các phức chất hình thành và được phát hiện bằng phương pháp UV-VIS. Phương pháp thêm chuẩn giúp xác định nồng độ chính xác trong các mẫu nước thải thực tế. Kết quả cho thấy phương pháp này có độ lặp lại tốt (R² cao).

3.2. Đánh giá độ chọn lực và độ nhiễu

Độ chọn lực của phương pháp phân tích được đánh giá thông qua nồng độ bắt đầu gây nhiễu của các ion khác như Fe³⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Al³⁺, Cr³⁺. Kết quả cho thấy phương pháp có độ chọn lực tốt đối với Ni(II) và Zn(II). Hằng số bền của các phức chất khác nhau giúp xác định độ chọn lực tương đối của phương pháp.

IV. Triển vọng và ý nghĩa của nghiên cứu sự tạo phức kim loại

Nghiên cứu về sự tạo phức của các ion kim loại với 5-BSAT mang ý nghĩa lớn trong hóa phân tích và bảo vệ môi trường. Phương pháp này cung cấp một công cụ phân tích hiệu quả và tiết kiệm chi phí để xác định định lượng các kim loại nặng trong nước thải. Kết quả phân tích có thể hỗ trợ kiểm soát chất lượng nước theo tiêu chuẩn TCVN và SMEWW. Việc phát triển các thuốc thử mới và phương pháp phân tích hiện đại sẽ tiếp tục cải thiện độ nhạy và độ chính xác của xác định các ion kim loại trong tương lai.

4.1. Phát triển các thuốc thử hữu cơ mới

Phát triển thuốc thử hữu cơ mới có khả năng tạo phức với nhiều ion kim loại là hướng đi quan trọng. Những thuốc thử như 5-BSAT và các dẫn xuất của nó có tiềm năng ứng dụng cao trong phân tích hoá học. Các nhà nghiên cứu tiếp tục cải thiện tính chọn lực, độ nhạy, và độ bền của phức chất để phục vụ phân tích thực tiễn tốt hơn.

4.2. Ứng dụng trong giám sát chất lượng môi trường

Phương pháp phân tích dựa trên sự tạo phức có ứng dụng quan trọng trong giám sát chất lượng nước và đánh giá tác động môi trường. Các kỹ thuật phân tích hiện đại giúp phát hiện và định lượng các kim loại nặng ở nồng độ vết, hỗ trợ bảo vệ sức khỏe cộng đồng và bảo vệ sinh thái.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGHIÊN CỨU SỰ TẠO PHỨC CỦA CÁC ION KIM LOẠI VỚI THUỐC THỬ 5-BROMOSALICYLALDEHYDE THIOSEMICARBAZONE VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHÂN TÍCH CHUYÊN NGÀNH: HÓA PHÂN TÍCH MÃ SỐ: 9.18 Hà Nội - 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. ii DANH MỤC CÁC TỪ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT STT Tiếng Việt Tiếng Anh Viết tắt 1 Hằng số bền Stability constant β 2 Bước sóng Wavelength λ 3 Mật độ quang Absorbance A 4 Phổ hấp thụ nguyên tử Atomic absorption spectroscopy AAS 5 5 - bromosalicylanđehit 5 - bromosalicylaldehyde 5-BSAT thiosemicacbazon thiosemicarbazone 6 Bình phương tối thiểu cổ Classical/Ordinary least squares CLS/OLS điển/ thông thường 7 N,N - dimetylfomamit N,N - dimethylformamide DMF 8 Phương pháp thêm chuẩn điểm H point standard additions method HPSAM H Phổ hồng ngoại Infrared Spectroscopy IR 9 Phối tử, ligan Ligand L 10 Giới hạn phát hiện Limit of detection LOD 11 Giới hạn định lượng Limit of quantitation LOQ 12 Phổ khối lượng Mass Spectroscopy MS 13 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân Nuclear magnetic resonance NMR Spectroscopy 14 Phân tích cấu tử chính Principal component analysis PCA 15 Hồi quy cấu tử chính Principal component regression PCR 16 Bình phương tối thiểu riêng Partical least squares PLS phần 17 Căn bậc hai của trung bình Root mean square error RMSE sai số bình phương 18 Phương pháp chuẩn xác định Standard method for the SMEWW nước và nước thải examination of water and waste water 19 Hồi quy vectơ hỗ trợ Support vector regression SVR iii 20 Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN 21 Phổ tử ngoại – khả kiến Ultraviolet - Visible UV-VIS Spectroscopy iv DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3. So sánh một số giá trị điện tích, chiều dài liên kết giữa 5-BSAT và Zn(II)–5-BSAT . So sánh một số giá trị điện tích, chiều dài liên kết giữa 5-BSAT và Co(II)–5-BSAT . So sánh một số giá trị điện tích, chiều dài liên kết giữa 5-BSAT và Ni(II)–5-BSAT . Tổng hợp các kết quả nghiên cứu phức của 5-BSAT với Zn(II), Co(II), Ni(II), Cu(II) . Nồng độ các ion Ni2+ và Zn2+ trong các mẫu tự tạo . Dãy các dung dịch để phân tích Ni(II) và Zn(II) trong hỗn hợp H1 . Kết quả phân tích Ni(II) và Zn(II) trong hỗn hợp H1 tại cặp bước sóng λ1 = 370 nm, λ2 = 399 nm. Kết quả phân tích Ni(II) và Zn(II) trong hỗn hợp H2 tại cặp bước sóng λ1 = 370 nm, λ2 = 399 nm. Kết quả phân tích Ni(II) và Zn(II) trong hỗn hợp H3 tại cặp bước sóng λ1 = 370 nm, λ2 = 399 nm. Kết quả phân tích Ni(II) và Zn(II) trong hỗn hợp H4 tại cặp bước sóng λ1 = 370 nm, λ2 = 399 nm. Kết quả phân tích Ni(II) và Zn(II) trong các hỗn hợp mẫu tự tạo tại cặp bước sóng λ1 = 370 nm, λ2 = 399 nm . Đánh giá kết quả phân tích Ni(II) và Zn(II) tại cặp bước sóng λ1 = 370 nm, λ2 = 399 nm bằng chuẩn Student. Kết quả phân tích Ni(II) và Zn(II) trong hỗn hợp H1 tại cặp bước sóng λ’1 = 369 nm, λ’2 = 392 nm. Kết quả phân tích Ni(II) và Zn(II) trong hỗn hợp H2 tại cặp bước sóng λ’1 = 369 nm, λ’2 = 392 nm. Kết quả phân tích Ni(II) và Zn(II) trong hỗn hợp H3 tại cặp bước sóng λ’1 = 369 nm, λ’2 = 392 nm. Kết quả phân tích Ni(II) và Zn(II) trong hỗn hợp H4 tại cặp bước sóng λ’1 = 369 nm, λ’2 = 392 nm. Kết quả phân tích Ni(II) và Zn(II) trong các hỗn hợp mẫu tự tạo tại cặp bước sóng λ’1 = 369 nm, λ’2 = 392 nm. Đánh giá kết quả phân tích Ni(II) và Zn(II) tại cặp bước sóng λ’1 = 369 nm, λ’2 = 392 nm bằng chuẩn Student . Nồng độ bắt đầu gây nhiễu của các ion Fe3+, Cd2+, Co2+, Pb2+, Cu2+, Ca2+, Mg2+, Mn2+, Al3+, Cr3+ đến hỗn hợp Ni(II)–5-BSAT 2×10-5 M và Zn(II)–5-BSAT 2×10-5 M. Dãy các dung dịch để xác định Ni2+ và Zn2+ trong mẫu nước thải công nghiệp gốm sứ - thủy tinh tại cặp bước sóng λ1 = 370 nm, λ2 = 399 nm . Giá trị mật độ quang các dung dịch khi xác định Ni2+ và Zn2+ trong mẫu nước thải công nghiệp gốm sứ - thủy tinh . Kết quả phân tích hỗn hợp Ni(II) và Zn(II) trong mẫu nước thải công nghiệp gốm sứ - thủy tinh. So sánh kết quả phân tích Ni2+ and Zn2+ trong mẫu nước thải công nghiệp gốm sứ - thủy tinh bằng phương pháp HPSAM và phương pháp AAS. Dãy các dung dịch để xác định Ni2+ và Zn2+ trong mẫu nước thải công nghiệp xi mạ tại cặp bước sóng λ1 = 370 nm, λ2 = 399 nm. Giá trị mật độ quang các dung dịch khi xác định Ni2+ và Zn2+ trong mẫu nước thải công nghiệp xi mạ . Kết quả phân tích hỗn hợp Ni(II) và Zn(II) trong mẫu nước thải công nghiệp xi mạ . So sánh kết quả phân tích Ni2+ and Zn2+ trong mẫu nước thải công nghiệp xi mạ bằng phương pháp HPSAM và phương pháp AAS . Nồng độ các ion Cu2+ và Co2+ trong các mẫu tự tạo . Dãy các dung dịch để phân tích Cu(II) và Co(II) trong hỗn hợp H1 tại cặp bước sóng λ1 = 390 nm, λ2 = 419 nm . Kết quả phân tích Cu(II) và Co(II) trong hỗn hợp H1 . Kết quả phân tích Cu(II) và Co(II) trong hỗn hợp H2 . Kết quả phân tích Cu(II) và Co(II) trong hỗn hợp H3 . Kết quả phân tích Cu(II) và Co(II) trong hỗn hợp H4 . Kết quả phân tích Cu(II) và Co(II) trong các hỗn hợp mẫu tự tạo . Đánh giá kết quả phân tích Cu(II) và Co(II) bằng chuẩn Student. Nồng độ bắt đầu gây nhiễu của các ion Ni2+, Fe3+, Zn2+, Ca2+, Mg2+, Al3+, Cr3+, Pb2+đến hỗn hợp Cu(II)-5-BSAT 2×10-5 M và Co(II)- 5-BSAT 2×10-5 M . Dãy các dung dịch để xác định Cu2+ và Co2+ trong mẫu nước thải công nghiệp xi mạ . Kết quả phân tích Cu(II) và Co(II) trong mẫu nước thải công nghiệp xi mạ. So sánh kết quả phân tích Cu(II) và Co(II) trong mẫu nước thải công nghiệp xi mạ bằng phương pháp HPSAM và phương pháp AAS . Ma trận nồng độ hai cấu tử Cu2+ và Co2+ trong 8 mẫu chuẩn . Ma trận nồng độ hai cấu tử Cu2+ và Co2+ trong 3 mẫu kiểm tra. Hàm lượng của Cu2+ tìm thấy trong 8 mẫu chuẩn. Hàm lượng của Co2+ tìm thấy trong 8 mẫu chuẩn. Hàm lượng của Cu2+ trong 3 mẫu kiểm tra . Hàm lượng Co2+ trong 3 mẫu kiểm tra .109 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1. Phổ hấp thụ UV của thuốc thử 5-BSAT ở môi trường axit (a) và môi trường bazơ (b) . Một số kiểu phối trí của 5-BSAT với ion kim loại chuyển tiếp. Cấu trúc phức Fe(II)–5-BSAT đề nghị . Cấu trúc phức Ru(III)–5-BSAT đề nghị . Phổ hai cấu tử A, B chồng lên nhau trong suốt dãy bước sóng nghiên cứu . Đồ thị của phương pháp thêm chuẩn điểm H . Xác định cặp bước sóng trong phương pháp thêm chuẩn điểm H. Đồ thị của phức theo phương pháp tỷ số mol . Sơ đồ nghiên cứu của luận án . Phổ hấp thụ của 5-BSAT và hỗn hợp Zn(II)–5-BSAT 2×10-5 M, pH = 6,8. Phổ hấp thụ của hỗn hợp Zn(II)–5-BSAT với nồng độ tăng dần từ 1,2×10-5 M đến 5×10-5 M, pH = 6,8 . Ảnh hưởng của pH đến sự tạo phức Zn(II)–5-BSAT . Ảnh hưởng của thời gian đến sự tạo phức Zn(II)–5-BSAT . Ảnh hưởng của lượng thuốc thử đến sự tạo phức Zn(II)–5-BSAT. Ảnh hưởng của lượng dung môi đến sự tạo phức Zn(II)–5-BSAT . Sự phụ thuộc tuyến tính của mật độ quang vào nồng độ Zn(II) . Xác định thành phần phức Zn(II)–5-BSAT bằng phương pháp tỉ số mol. Phổ hấp thụ của 5-BSAT và hỗn hợp Co(II)–5-BSAT 4×10-5 M, pH = 5,0. Phổ hấp thụ của hỗn hợp Co(II)–5-BSAT với nồng độ tăng dần từ 1×10-5 M đến 7×10-5 M, pH = 5,0 . Ảnh hưởng của pH đến sự tạo phức Co(II)–5-BSAT . Ảnh hưởng của thời gian đến sự tạo phức Co(II)–5-BSAT. Ảnh hưởng của lượng thuốc thử đến sự tạo phức Co(II)–5-BSAT . Ảnh hưởng của lượng dung môi đến sự tạo phức Co(II)–5-BSAT . Sự phụ thuộc tuyến tính của mật độ quang vào nồng độ Co(II) . Xác định thành phần phức Co(II)–5-BSAT bằng phương pháp tỉ số mol. Phổ hấp thụ của 5-BSAT và hỗn hợp Ni (II)–5-BSAT 2×10-5 M, pH = 6,5. Phổ hấp thụ của hỗn hợp Ni (II)–5-BSAT với nồng độ tăng dần từ 1,2×10-5 M đến 6×10-5 M, pH = 6,5 . Ảnh hưởng của pH đến sự tạo phức Ni(II)–5-BSAT. Ảnh hưởng của thời gian đến sự tạo phức Ni(II)–5-BSAT . Ảnh hưởng của lượng thuốc thử đến sự tạo phức Ni(II)–5-BSAT . Ảnh hưởng của lượng dung môi đến sự tạo phức Ni(II)–5-BSAT . Sự phụ thuộc tuyến tính của mật độ quang vào nồng độ Ni(II). Xác định thành phần phức Ni(II)–5-BSAT bằng phương pháp tỉ số mol. Cấu trúc đề nghị của phức Zn(II)–5-BSAT . Mô hình phân tử của phức Zn(II)–5-BSAT . Cấu trúc đề nghị của phức Co(II)–5-BSAT . Mô hình phân tử của phức Co(II)–5-BSAT. Cấu trúc đề nghị của phức Ni(II)–5-BSAT. Mô hình phân tử của phức Ni(II)–5-BSAT . Đồ thị xác định cặp bước sóng λ1, λ2 khi phân tích hỗn hợp Ni(II) và Zn(II) . Đồ thị xác định cặp bước sóng λ1, λ2 khi phân tích hỗn hợp Cu(II) và Co(II) . Xác định số cấu tử tối ưu trong phương pháp PLS.thu MỤC LỤC Trang MỤC LỤC. Giới thiệu về thuốc thử 5-bromosalicylaldehyde thiosemicarbazone và phức của nó với ion kim loại………………………………………………………. Giới thiệu về thuốc thử. Ứng dụng phức 5-BSAT với ion kim loại trong phân tích. Giới thiệu tính chất phân tích các ion kẽm, niken, coban và đồng . Kẽm và đặc điểm phân tích của ion kẽm . Niken và đặc điểm phân tích của ion niken . Coban và đặc điểm phân tích của ion coban . Đồng và đặc điểm phân tích của ion đồng . Các phương pháp xác định kẽm, niken, coban và đồng . Xác định đồng thời bằng phương pháp thêm chuẩn điểm H. Xác định đồng thời bằng phương pháp trắc quang kết hợp với các thuật toán thống kê . Một số phương pháp xác định đồng thời hỗn hợp đa cấu tử bằng phương pháp trắc quang . Phương pháp Vierordt . Phương pháp thêm chuẩn điểm H . Phương pháp trắc quang kết hợp với thuật toán hồi quy đa biến. Một số phương pháp nghiên cứu sự tạo phức. Phương pháp xác định thành phần phức . Phương pháp xác định hằng số bền của phức . Phương pháp xác định hệ số hấp thụ mol của phức . Các phương pháp nghiên cứu đề xuất cấu trúc phức . Phổ hồng ngoại . Phổ cộng hưởng từ hạt nhân. Phổ khối lượng . PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ KĨ THUẬT THỰC NGHIỆM.