Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ PHƯƠNG PHÁP AES 1.1 Sự phân loại phổ Phân tích quang phổ là tên gọi chung cho một hệ các phương pháp phân tích quang học dựa trên cơ sở ứng dụng những tính chất quang học của nguyên tử, Ion, phân tử và nhóm phân tử. Ví dụ, tính chất phát xạ hay hấp thụ quang của nguyên tử, tinh chất hấp thụ quang của phân tử, v. Vì vậy tùy theo quan niệm, dựa theo những 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 thành những phép đo khác nhau, như phép đo phổ phát xạ nguyên tử, hấp thụ nguyên tử, phép đo phổ hồng ngoại,. Tuy thế, nhưng có hai cách phân chia sau đây là phù hợp hơn: 1.1 Sự phân chia theo đặc trưng của phổ Theo cách này người ta có những phương pháp phân tích quang học sau: Phương pháp phân tích phổ nguyên tử, gồm có: a) Phổ pháp xạ nguyên tử b) Phổ hấp thụ nguyên tử c) 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.
Phương pháp phân tích phổ phân tử, gồm có: a) Phổ hấp thụ phân tử trong vùng UV-VIS b) Phổ hồng ngoại (IR và NIR) c) 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 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 3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ♦Phổ cộng hưởng từ, gồm: a) Cộng hưởng từ điện tử (ERMS). b) Cộng hưởng từ proton (hạt nhân: NRMS)) ♦ Phương pháp phân tích khỏi phổ: 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). Đây là cách phân chia được sử dụng rộng rãi và được coi như là hợp lí nhất và tương ứng với ngay từng phép đo cụ thể.2 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 Sự phân chia phổ theo độ dài sóng STT Tên vùng phổ Độ dài sóng 1 Tia gama (γ) < 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 Trong bảng 1.1, vùng phổ từ 3 đến 5 là vùng phổ quang học.
Các phổ này xuất hiện do sự chuyển mức năng lượng của các điện tử hóa trị của nguyên tử và phân tử, khi bị kích thích. Việc phân chia theo cách này cũng có những điểm chưa rõ ràng, như trong vùng tử ngoại và khả kiến thì có cả phổ của nguyên tử và phân tử, mà bản chất của hai loại phổ đó và sự kích thích của hai loại đó lại rất khác nhau.com https://fb.com/tailieudientucntt Trên đây là hai cách phân chia chính còn hay được dùng. Tất nhiên còn có một số cách phân chia khác. Nhưng có nhiều nhược điểm và ít được sử dụng, nên không đề cập đến ở đây.
Sự phân chia này có tính chất giới thiệu chung toàn bộ vùng phổ. Song, trong giáo trình này chúng tôi chỉ đề cập đến phổ phát xạ nguyên tử, và phương pháp phân tích ứng dụng tính chất phát xạ của nguyên tử ở trạng thái hơi được gọi là Kĩ thuật phân tích phổ phát xạ nguyên tử.2 Sự xuất hiện phổ phát xạ nguyên tử 1.1 Tóm tắt về cấu tạo nguyên tử Hàng ngày chúng ta thường đã quen với những tên gọi, sắt (Fe), đồng (Cu) chì (Pb), bạc (Ao), vàng (Au), nhôm (Aj), kẽm (Zn),. Đó là những nguyên tố hóa học. Đến nay người ta đã biết trên 110 nguyên tố hóa học khác nhau.
Nhưng về mặt hóa học và theo thuyết của Đalton, nguyên tố hóa học bao gồm những nguyên tử của cùng một loại và nguyên tử là phần tử nhỏ nhất còn giữ được tính chất hóa học của nguyên tố. Nguyên tử của mỗi nguyên tố hóa học có cấu tạo khác nhau nên chúng có tính chất khác nhau. Quyết định tính chất vật lí và hóa học của chúng là cấu tạo của lớp vỏ electron trong nguyên tử, đặc biệt là các điện tử hóa trị. Nguyên tử của mọi nguyên tố hóa học đều được xây dựng từ một hạt nhân nguyên tử và các electron (điện tử).
Trong nguyên tử, hạt nhân ở giữa, các điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân theo những quỹ đạo (orbital) tương đối. 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 10-8cm, thì đường kính hạt nhân chỉ chiếm khoảng 10-12cm. 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. Nó vừa tuân theo quy luật của chuyển động sóng, lại vừa tuân theo quy luật chuyển động của các hạt vi mô. 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. 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). Trong từng lớp lại có nhiều quỹ đạo ứng với số lượng tử phụ 1 của nguyên tử. Đó là các phân lớp. Nhưng 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 đạo có mức năng lượng cao hơn. Thứ tự sắp xếp đó là: ls, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, v.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình 1.1a Sơ đồ phân bố năng lượng trong nguyên tử (1)-cấu tạo nguyên tử: (2)-phân bố năng lượng trong lớp vỏ nguyên tử.com https://fb.com/tailieudientucntt Quá trình phát xạ và hấp thụ của một nguyên tử. E0: Năng lượng ở trạng thái cơ bản; cm: Năng lượng ở trạng thái kích thích; + hv và + ∆E: Năng lượng kích thích; - hv: Tia phát xạ.1 b Sơ đồ phân bố năng lượng trong nguyên tử và sinh phổ 1.2 Sự xuất hiện phổ phát xạ Trong điều kiện bình thường, các điện tử chuyển động trên các quỹ đạo ứng với mức năng lượng thấp nhất. Khi đó nguyên tử ở trạng thái bền vững, trạng thái cơ bản.
Ở trạng thái này nguyên tử không thu và cũng không phát năng lượng. Nhưng nếu cungcấp năng lượng cho nguyên tử thì trạng thái đó không tồn tại nữa. Theo quan điểm của thuyết lượng tử, khi ở trạng thái khí, điện tử chuyển động trong không gian của nguyên tử, đặc biệt là các điện tử hóa trị, nếu chúng nhận được năng lượng ở bên 7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ngoài (điện năng, nhiệt năng, hóa năng,.) thì điện tử sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Khi đó nguyên tử đã bị kích thích.
Nó tồn tại ở trạng thái kích thích. Nhưng trạng thái này không bền vững. Nguyên tử chỉ lưu lại ở trạng thái này nhiều nhất là 10 8 giây. Sau đó nó luôn luôn có xu hướng trở về trạng thái cơ bản ban đầu bền vững.
Nghĩa là giải phóng năng lượng mà chúng đã hấp thụ được trong quá trình trên dưới dạng của các bức xạ quang học. Bức xạ này chính là phổ phát xạ của nguyên tử, nó có tần số được tính theo công thức: ∆E = (En – E0) = hv (1.1) hc hay: ∆E = λ trong đó: En và E0 là năng lượng của nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích n; h là hằng số Plank (6,626.s; c là tốc độ ánh sáng (3.108 m/gy; v là tần số của bức xạ đó; λ là bước sóng của bức xạ đó. Trong biểu thức trên, nếu giá trị ∆E là nm ta có quá trình hấp thụ và khi giá trị ∆E dương ta có quá trình phát xạ của nguyên tử. Nhưng trong nguyên tử, sự chuyển mức của điện tử từ mức năng lượng En không phải chỉ về mức E0, mà có rất nhiều sự chuyển mức từ En về các mức khác E01, E02, E03… cùng với mức E0.
Nghĩa là có rất nhiều sự chuyển mức của điện tử đã được lượng tử hóa, và ứng với mỗi bước chuyển mức đó ta có 1 tia bức xạ, tức là một vạch phổ. Chính vì thế mà một nguyên tố khi bị kích thích thường có thể phát ra rất nhiều vạch phổ phát xạ. Nguyên tố nào có nhiều điện tử và có cấu tạo phức tạp của các lớp điện tử hóa trị thì càng có nhiều vạch phổ phát xạ. Một cách tượng trưng ta có thể mô tả quá trình kích thích và phát xạ của nguyên tử theo mô hình trong hình 1.
Nếu dùng máy quang phổ để thu chùm ra 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. 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. nhất định phù hợp.
Nhưng trong nguồn sáng, không phải chỉ có nguyên tử tự do bị kích thích, mà có cả Ion, phân tử, nhóm phân tử. Các phần tử này cũng bị kích thích và phát ra phổ phát xạ của nó. Tất nhiên là trong mức độ khác nhau tùy thuộc vào khả năng kích thích của nguồn năng lượng.