Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học vinh === & === Nguyễn Văn phú Nghiên cứu chiết - trắc quang Sự tạo phức đa ligan trong hệ: 1- ( 2-Pyridylazo) - 2 - naphthol (PAn-2)- Bi(III) - (CCI 3 COOH) và khả năng ứng dụng phân tích Chuyên ngành : Hoá phân tích Mã số : 60.44.29 Luận văn thạc sỹ KHOA HọC hóa học l Ngời hớng dẫn khoa học: GS.TS: hồ viết Quý VINH - 2008 Lời cảm ơn. Luận văn đợc hoàn thành tại phòng thí nghiệm chuyên đề bộ môn Hoá phân tích - Khoa Hoá - Trờng Đại học Vinh. Để hoàn thành luận văn này, tôi xin chân thành tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: - GS.TS. Hồ Viết Quý đã giao đề tài, tận tình hớng dẫn khoa học và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho việc nghiên cứu và hoàn thành luận văn. - PGS.TS. Nguyễn Khắc Nghĩa đã tận tình dạy bảo và đóng góp nhiều ý kiến quí báu trong quá trình làm luận văn. - Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Sau đại học, khoa Hoá học cùng các thầy giáo, cô giáo, các cán bộ phòng thí nghiệm khoa Hoá đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cung cấp hoá chất, thiết bị và dụng cụ dùng trong đề tài. Xin cảm ơn tất cả những ngời thân trong gia đình và bạn bè đã ủng hộ, động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này. Vinh, tháng 11 năm 2008 Nguyễn văn phú Mở Đầu. Ngày nay khi khoa học phát triển mạnh mẽ, nhu cầu sản xuất và ứng dụng các vật liệu siêu tinh khiết và các nghành công nghiệp trở nên cấp bách. Bitmut là một trong những nguyên tố, kim loại có tầm quan trọng đối với nhiều nghành khoa học hiện đang đợc chú ý và nghiên cứu sâu rộng. Bitmut là một nguyên tố đợc biết từ thế kỷ XV, nhng mãi đến thế kỷ XVIII thì bitmut và các hợp chất của nó mới đợc phân biệt và đợc sử dụng rộng rãi. Đặc biệt là dùng trong y học, dợc phẩm, chế tạo chất bán dẫn, vật liệu compozit, điện cực, hợp kim dễ nóng chảy, vật liệu siêu dẫn . Trong lĩnh vực y học, dợc phẩm thì bitmut có trong các loại thuốc chữa bệnh nh: viêm loét dạ dày, ung th dạ dày, thực quản ngoài ra nhiều hợp chất của bitmut đợc dùng để chữa bệnh ngoài da, nhiểm khuẩn. Bitmut là một kim loại dễ nóng chảy, ở trạng thái lỏng nó tồn tại trong khoảng nhiệt độ rất rộng, nên nó đợc ứng dụng làm chất mang nhiệt. Bitmut lỏng có thể kết hợp với nhiều kim loại thành hợp kim. Bitmut có rất nhiều ứng dụng nên đã có nhiều phơng pháp khác nhau để xác định hàm lợng của bitmut trong các đối tợng nh: dợc phẩm, thực phẩm, nguồn nớc .Bằng các phơng pháp Vôn- Ampe hoà tan, phơng pháp trắc quang và chiết trắc quang, phơng pháp hấp thụ nguyên tử, phát xạ nguyên tử . Trong những phơng pháp trên thì có phơng pháp phân tích trắc quang có nhiều u điểm vợt trội nh: độ lặp lại, độ nhạy, độ chọn lọc cao, đơn giản, giá thành rẽ, phù hợp với yêu cầu cũng nh điều kiện các phòng thí nghiệm ở nớc ta hiện nay. Xu hớng hiện nay là cho các thuốc thử hữu cơ, do có nhiều u điểm hơn hẳn thuốc thử vô cơ về độ nhạy và độ chọn lọc. Đối với bitmut thì ngoài các thuốc thử truyền thống nh: I - , XO( Xilen da cam), Đithizon, PAN, PAR thì có rất ít thuốc thử thoả mản nhu cầu xác định hàm lợng nhỏ (vết) của bitmut. Gần đây có một số công trình nghiên cứu các phản ứng tạo phức của 1-(2pyridylazo)-2-naphthol với bitmut nhng chỉ dừng lại ở việc xác định các điều kiện tạo phức, xác định thành phần. Tuy nhiên cha có công trình nào nghiên cứu một cách đầy đủ và có hệ thống sự tạo phức đa ligan, cơ chế tạo phức, các tham số định lợng, nhất là bằng các phơng pháp chiết- trắc quang là một phơng pháp làm tăng độ chon lọc, độ nhạy và độ chính xác cho phép phân tích xác định vi lợng bitmut. Xuất phát từ những lí do trên nên chúng tôi đã chọn đề tài:"Nghiên cứu chiết- trắc quang sự tạo phứcvà chiết phức đa ligan trong hệ 1- (2 pyridylazo) -2- naphthol (PAN-2) - Bi(III) CCl 3 COOH và khả năng ứng dụng phân tích" để làm luận văn thạc sỹ của mình. Đối tợng và nhiệm vụ nghiên cứu 1. Nghiên cứu đầy đủ về hệ phức 1- (2 pyridylazo) -2- naphthol (PAN-2)- Bi(III) CCl 3 COOH bằng phơng pháp chiết- trắc quang. 2. Xác định thành phần phức bằng các phơng pháp độc lập khác nhau. 3. Xây dựng cơ chế và xác định các tham số định lợng của phức. 4. Xây dựng phơng trình đờng chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ của phức. 5. Đánh giá độ nhạy của phơng pháp trắc quang trong việc định lợng Bitmut bằng thuốc thử PAN và CCl 3 COOH ứng dụng để phân tích 6. Đánh giá khả năng chiết phức bằng các dung môi hữu cơ, khảo sát các điều kiên tối u của quá trình chiết. 7. Đánh giá độ nhạy, độ chọn lọc của phơng pháp và ứng dụng kết quả nghiên cứu để xác định hàm lợng bitmut trong mẫu dợc phẩm. Chơng 1 tổng quan tài liệu. 1.1. Giới thiệu về nguyên tố Bitmut. 1.1.1. Vị trí, cấu tạo và tính chất của Bitmut. Bitmut là nguyên tố ở ô thứ 83 trong bảng hệ thống tuần hoàn, hàm lợng bitmut trong tự nhiên chỉ chiếm 2.10 -6 % nguyên tử trong vỏ quả đất. Trong thiên nhiên, bitmut thờng đợc gặp ở dạng quặng sunfua(Bi 2 S 3 ) - Kí hiệu: Bi - Số thứ tự: 83 - Khối lợng nguyên tử : 208.980 g/mol - Cấu hình electron: [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 3 - Bán kính nguyên tử : 1.82 A 0 - Bán kính ion Bi 3+ : 1.02 A 0 - Độ âm điện theo Pauling:1.9 - Thế điện cực tiêu chuẩn : E 0 Bi 3+ /Bi = 0.23 V. - Nhiệt độ nóng chảy: 271.5 0 C. - Nhiệt độ sôi: 1564 0 C. - Khối lợng riêng: 9.78 g/cm 3 . - Năng lợng ion hoá: Mức năng lợng ion hoá I 1 I 2 I 3 I 4 I 5 I 6 Năng lợng ion hoá(eV) 7,29 19,3 25,6 45,3 56 94,4 Đối với Bitmut, từ giá trị I 4 ữ I 6 tơng đối lớn nên cấu hình 6s 2 bền vững đặc biệt, do đó trạng thái oxi hóa đặc trng của bitmut là +3. 1.1.2. Tính chất vật lý và hoá học của Bitmut. 1.1.2.1. Tính chất vật lý . Bitmut là kim loại màu xám trắng, cứng dòn, khó dát mỏng và kéo dài, không bị biến đổi khi để trong không khí, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt kém. Bitmut có cấu trúc mạng tinh thể lục phơng. 1.1.2.2. Tính chất hoá học. Bitmut là kim loại bền với không khí, nớc và các dung dịch axit không có tính oxi hoá, nhng khi có mặt các chất oxi hoá: H 2 O 2 , HNO 3 , Cl 2 . thì tan đ- ợc trong các axit đó. Dung môi tốt nhất để hoà tan bitmut là HNO 3 loãng, H 2 SO 4 đặc nóng, khi đó bitmut bị oxi hoá đến trạng thái Bi 3+ bền, với HNO 3 đặc nguội thì bitmut thụ động hoá. 2Bi +6HCl +3H 2 O 2 = 2BiCl 3 +6H 2 O Bi + 4HNO 3 (l) = Bi(NO 3 ) 3 + NO +2H 2 O Ion Bi 3+ không màu chỉ tồn tại trong các dung dịch có môi trờng axit (pH 0), khi pH tăng thì ion Bi 3+ bị thuỷ phân rất mạnh và ngng tụ tạo ra các dạng khác nhau: Bi 3+ + H 2 O Bi( OH) 2+ + H + Bi 3+ + 2H 2 O Bi( OH) 2 + + 2H + Bi 3+ + 3H 2 O Bi( OH) 3 + 3H + Bi 3+ + 4H 2 O Bi( OH) 4 - + 4H + 2 Bi 3+ + 6H 2 O Bi 2 O 6 6- + 12H + Hoặc có thể tạo thành kết tủa dới dạng muối bazơ: Bi 3+ + H 2 O + X - BiOX + 2H + Khi thêm axit vào thì kết tủa muối bazơ của bitmut sẽ hoà tan. Ngời ta cho rằng trong trờng hợp này có sự tạo phức với các ion Cl - , SO 4 2- , NO 3 - trong các muối thì nguyên tố bitmut sẽ đợc liên kết bằng những cầu oxi. Bi 3+ có khả năng tạo với iodua kết tủa đen BiI 3 , kết tủa này dễ tan trong thuốc thử d tạo thành phức BiI 4 - có màu da cam: BiI 3 +I - BiI 4 - lg BiI 4 - =14.9 Trong thực tế ngời ta ứng dụng phản ứng này để xác định hàm lợng nhỏ của bitmut, phơng pháp sẽ kém chính xác khi có mặt các chất: Fe 3+ , Sb 5+ . có khả năng oxi hoá I - thành I 2 cản trở phép đo quang. Vì vậy, phải tiến hành che hoặc khử hoá các ion cản trớc khi xác định. Bi 3+ có khả năng tạo phức bền với EDTA ở pH = 3,5 theo phản ứng: Bi 3+ + Y 4_ BiY - lg BiY -- =28.10 28 Vì vậy, ngời ta dùng EDTA để định lợng bitmut bằng các phơng pháp khác nhau nh: chuẩn độ complexon, chuẩn độ trắc quang . và che nó trong các phép xác định . Ngoài khả năng tạo phức với các thuốc thử vô cơ nh các halogen (X - ), SCN - , C 2 O 4 2- . ion Bi 3+ còn tạo phức chọn lọc đối với các thuốc thử hữu cơ nh: đithizon, đietylthiocacbaminat, oxin, PAR, PAN đặc biệt là khả năng tạo phức trong môi trờng có độ axit cao nên ít bị các ion khác gây cản trở trong quá trình phân tích xác định bitmut. 1.1.3. Khả năng tạo phức của Bi(III) với các thuốc thử trong phân tích trắc quang và chiết- trắc quang. 1.1.3.1. Khả năng tạo phức của Bi(III) với thuốc thử PAN. Theo các tài liệu chúng tôi thống kê các tham số về phức Bi(III) -PAN đợc trình bày trong bảng 1.1: Bảng 1.1. Các tham số định lợng của phức Bi(III) - PAN. Ion pH tu max (nm) .10 4 lg Bi:R 3,0 ữ 4,0 530 1,54 0,04 1:1 6,0 ữ 6,5 540 2,98 0,10 1:2 2,8 ữ 4,0 520 0,78 0,10 1:1 6,0 ữ 6,7 540 2,84 0,02 1:2 Bi 3+ 0,0 ữ 3,5 515 1,07 18,2 1:1 3,5 ữ 5,0 520 17,2 1:1 2,8 ữ 4,0 520 1,350,04 17,470,37 1:1 5,8 ữ 6,7 535 2,850,02 36,810,19 1:2 Các tham số định lợng của phức đơn ligan Bi(III) - PAN trong các công trình cho kết quả không giống nhau, đặc biệt là các giá trị max , hoặc cha đầy đủ về giá trị hằng số bền. 1.1.3.2. Khả năng tạo phức của Bi(III) với các thuốc thử khác. Bitmut có thể tạo phức màu với nhiều thuốc thử khác nhau: Theo Đặng Xuân Th [20], Lisicki N.M. và các cộng sự thì Bitmut tạo phức màu vàng da cam với iodua tại bớc sóng max = 460 nm, ở nồng độ H 2 SO 4 0,5 M. Zhang G. và các cộng sự [32] đã sử dụng phản ứng màu với iodua và phản ứng tạo phức liên hợp ion giữa Bi 3+ - I - với các phẩm nhuộm chứa nitơ hay Bi 3+ - I - -Rodamine- 6G khi có mặt các chất hoạt động bề mặt nh gôm arabic, phức tạo thành có hệ số hấp thụ phân tử = 6,9.10 5 l.mol -1 .cm -1 ở max = 560nm hoặc rợu polivinylic phức tạo thành có hệ số hấp thụ phân tử =1,07.10 5 l.mol -1 .cm -1 ở max = 564nm. Burns D.T. và các cộng sự [22] đã áp dụng phơng pháp chiết - trắc quang dòng chảy phức của BiI 4 - - tetrametylen bis triphenylphosphonium trong H 2 SO 4 2M bằng CH 2 Cl 2 với tốc độ 20 lit/ giờ, giới hạn phát hiện 0,24 àg/ml áp dụng để xác định bitmut trong các mẫu dợc phẩm. Burns D.T. cũng sử dụng phơng pháp chiết - trắc quang BiI 4 - với các cation đối khác nhau nh: protriptylnium hidroclorua, tetrabutyl amoni đợc chiết bằng các dung môi clorofom, etylaxetat hay propylen cacbaminat . để xác định Bitmut trong các mẫu dợc phẩm và trong các hợp kim. Bitmut còn có khả năng tạo phức với Tribromochloro phosphonazo(TBCPA) ở pH= 2,4 trong môi trờng KNO 3 và HNO 3 , phức tạo thành có hệ số hấp thụ phân tử =1,05.10 5 l.mol -1 .cm -1 ở max = 640nm Theo Lisicki N.M. và các cộng sự Bitmut tạo với thioure trong môi tr- ờng axit phức màu vàng có tỷ lệ 1:3 ở max = 460 nm, việc xác định Bitmut bằng thioure không bị cản trở khi có mặt Pb đến 1%, Zn, Cd, Co, Ni, Cu, As và Sn đến 0,1%. Việc xác định chỉ bị cản trở bởi Sb với hàm lợng không lớn hơn 0,1%. Bitmut tạo đợc nhiều phức vòng càng với các thuốc thử hữu cơ, nhất là khả năng tạo phức trong môi trờng axit mạnh cho phép xác định chọn lọc bitmut khi có mặt các cation khác bằng phơng pháp trắc quang, chiết- trắc quang hay chuẩn độ trắc quang. Có thể chia các thuốc thử hữu cơ tạo phản ứng màu với bitmut thành 3 nhóm: + Khả năng tạo phức với nhóm hợp chất màu azo: Subrahmanyam, Eshwar [31] đã nghiên cứu khả năng tạo phức giữa Bi(III) với 1- (2-pyridylazo)-2-Naphthol (PAN) theo tỷ lệ 1:1 trong môi trờng HNO 3 (pH tu =3,2 ữ3,6) có =1,37.10 4 l.mol -1 .cm -1 ở max = 560nm. Subrahmanyam và các cộng sự [31] đã nghiên cứu khả năng chiết phức PAN-Bi 3+ -SCN bằng dung môi metyl isobutyl xeton trong môi trờng HNO 3 0,02M phức cho màu bền trong 15 giờ, hệ số hấp thụ phân tử =1,88.10 4 l.mol -1 .cm -1 ở max = 560nm. Có thể xác định đợc từ lợng lớn các ion cản, nhng không xác định đợc khi có mặt CuSO 4 , CoSO 4 hay EDTA. Ngoài ra phức PAN- Bi(III) -SCN còn có thể chiết bằng dung môi tributyl photphat (TBP) trong môi trờng axit. Bitmut có khả năng tạo phức với thuốc thử 5-(2-triazolilazo)-2- monoetyl- amino-n- crezol(TAAK) theo tỷ lệ 1:1 ở pH tu =2,0 ữ2,4, hệ số hấp thụ phân tử =3,43.10 4 l.mol -1 .cm -1 ở max = 585nm. Còn với 5-(2- bentiazolilazo)-2- monoetyl- amino- n- crezol(BTAAK) cũng theo tỷ lệ 1:1 ở pH tu =2,4 ữ3,0, phức có hệ số = 4,54.10 4 l.mol -1 .cm -1 ở max = 605nm. Bitmut tạo phức bền với axit 2- ( 4-cloro- 2-phosphobenzenazo)- 7-(2,6- dibromo- 4- sulfurylaminobenzenazo)- 1,8- đihydroxynaphthalene- 3,6- disulfonic (DBSAPA) trong môi trờng HClO 4 6M, phức có tỷ lệ Bi : L =1:2, hệ số hấp thụ phân tử =1,48.10 5 l.mol -1 .cm -1 ở max = 637nm [20]. Ngoài ra Bitmut còn tạo khá nhiều phức bền với các hợp chất màu azo trong vùng axit mạnh cho phức màu đỏ, tím hoặc xanh nh phức với 4-(4- nitrophenylazo)-1,2-dioxibenzen (DHNAB) có màu đỏ hoặc 4-(4- sulfophenylazo)-1,2-dioxibenzen (DHSAB) có màu đỏ vàng trong HNO 3 0,1M. Tơron (APANS) cũng cho phức màu đỏ vàng ở pH tu =2 ữ3 còn Eriocrom RAS (4-( 2-oxi- 3- nitro- 5- sulfophenylazo)-2-naphtol) cho màu tím da cam trong HNO 3 (pH tu =2 ữ2,5 ). Với thuốc thử là axit (2-(2- oxi-3,5- dinitrophenylazo)- 1- oxi 8 amino naphtalen 3,6 disunfonic (HDNBANS) ở pH =2 cho phức màu tím vàng[20]. Mặt khác, theo Salim R. và các cộng sự Bitmut cũng có khả năng tạo phức với một số nhóm màu azo trong môi trờng axit yếu, trung tính hay kiềm nh tạo phức màu đỏ với 2-(5-bromo-2-pyridylazo)- 5 dietylaminophenol (5- Br-PADAD) trong dung dịch đệm axetat pH =4,16 có hệ số hấp thụ phân tử = 4,9.10 4 l.mol -1 .cm -1 ở max = 583nm. Phức này bị ảnh hởng khi có mặt ion C 2 O 4 2- còn các cation kim loại thờng gặp ít gây ảnh hởng tới việc xác định bitmut. Hoặc có thể tạo phức màu đỏ ở pH =7 với 2-(5-cacboxyl- 1,3,4- triazoylazo)- 5- dietylaminophenol (CTZAPN) có hệ số hấp thụ phân tử =5,13.10 4 l.mol -1 .cm -1 ở max = 540nm[20]. + Khả năng tạo phức với nhóm hợp chất triphenyl metan : Theo Cheng K.L.[23] Bitmut tạo phức màu đỏ vàng với 3,3- bis- (N, N-dicacboxymetyl aminometyl )-o- crezolsulfophtalein (xilendacam) cho tỷ lệ . :" ;Nghiên cứu chiết- trắc quang sự tạo phứcvà chiết phức đa ligan trong hệ 1- (2 pyridylazo) -2- naphthol (PAN-2) - Bi(III) CCl 3 COOH và khả năng ứng. trắc quang sự tạo phứcvà chiết phức đa ligan trong hệ 1- (2 pyridylazo) -2- naphthol (PAN-2) - Bi(III) CCl 3 COOH và khả năng ứng dụng phân tích& quot;