Trường Đại Học Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh Khoa Công Nghệ Hóa Học Môn học: Thuyết trình: PHÂN TÍCH HÓA LÝ ỨNG DỤNG TRONG LỌC HÓA DẦU KỸ THUẬT HỒNG NGOẠI VỚI BIẾN ĐỔI FOURIER (FT-IR) VÀ ỨNG DỤNG GVHD: TS Nguyễn Ngọc Vinh Nhóm: SVTH: 01 Ngô Mạnh Linh 08097421 02 Phạm Văn Ninh 08219371 03 Đinh Thái Phi Bằng 08107761 04 Kim Đức Nhơn 08106021 05 Nguyễn Đình Hưởng 08901841 06 Nguyễn Đại Khoa 08104791 NỘI DUNG Giới thiệu Các loại dao động yếu tố ảnh hưởng Máy quang phổ hồng ngoại Ứng dụng phân tích lọc hóa dầu Phân tích định tính định lượng Một số ví dụ giải phổ hồng ngoại Kết luận Giới thiệu Năm 1800, William Herschel phát tia hồng ngoại Phổ kế IR trở thành thương phẩm năm 1940 (sử dụng lăng kính) Giữa năm 1950, thay cách tử nhiễu xạ (diffraction grating) Năm 1965, đưa vào sử dụng máy quang phổ FT-IR Giới thiệu - Tia hồng ngoại xạ điện từ có bước sóng dài ánh sáng khả kiến ngắn xạ vi sóng có bước sóng từ 7,8.10-7m – 10-3 m Vùng Bước sóng (µm) Số sóng (cm-1) Hồng ngoại gần 0,78 – 2,5 12800 – 400 Hồng ngoại 2,5 – 50 4000 – 200 50 – 1000 200 – 10 Hồng ngoại xa - Vùng hồng ngoại thường sử dụng nằm khoảng 4000 – 400 cm -1 THE ELECTROMAGNETIC SPECTRUM GAMMA RAYS X RAYS UV VISIBLE INFRARED Giới thiệu ĐIỀU KIỆN HẤP THỤ BỨC XẠ HỒNG NGOẠI Quy tắc 1: phân tử hấp thụ xạ hồng ngoại, chuyển thành trạng thái kích thích dao động phải thay đổi momen lưỡng cực điện dao động Khi liên kết phân tử không tồn lưỡng cực không hấp thụ xạ hồng ngoại: Liên kết không phân cực suốt với hồng ngoại Quy tắc 2: Xảy hấp thụ xạ hồng ngoại để gây bước chuyển mức lượng đao động tương ứng với ∆v=+1 Theo quy tắc này, bước nhảy mức lượng lên mức 2, bị cấm, có xác suất (tín hiệu) nhỏ Các loại dao động yếu tố ảnh hưởng 2.1 Các loại dao động 1) Dao động phân tử - Dao động quay - Dao động điều hòa 2) Dao động riêng - Dao động hóa trị + Dao động đối xứng + Dao động bất đối xứng - Dao động biến dạng 3) Dao động nhóm chức Các loại dao động yếu tố ảnh hưởng 2.1 Các loại dao động 1) Dao động phân tử - Dao động quay: Các phân tử bị chiếu xạ điện từ có bước sóng vùng hồng ngoại xa (200 – 10 cm-1) quay quanh trục cân Năng lượng quay: h2 Eq = nhv = J +1) ( Ip J: Số lượng tử quay = 0, 1, 2, 3, r: khoảng cách nguyên tử phân tử I: momen quán tính = M.r2 h: số Planck = 6.625.10 -34 (J.s) M: khối lượng rút gọn = m1.m2 m1 + m2 - Phổ quay phân tử cho phép xác định khoảng cách nguyên tử góc liên kết Các loại dao động yếu tố ảnh hưởng 2.1 Các loại dao động 1) Dao động phân tử - Dao động điều hòa: Là dao động lắc nghĩa vật thể chuyển động quanh vị trí cân với biên độ không đổi Năng lượng dao động điều hòa: Tần số dao động điều hòa: æ 1ö Ed = h.vd ç n+ ÷ ÷ ç ÷ ç è 2ø k v= 2p M n : số lượng tử dao động k : số lực - Thực tế, dao động nguyên tử phân tử dao động điều hòa biên độ dao động thay đổi Các loại dao động yếu tố ảnh hưởng 2.1 Các loại dao động 2) Dao động riêng - Dao động hóa trị: làm thay đổi chiều dài liên kết nguyên tử phân tử không làm thay đổi góc liên kết + Dao động hóa trị đối xứng: kéo nén + Dao động hóa trị bất đối xứng: bên kéo bên nén - Dao động biến dạng: làm thay đổi góc liên kết không làm thay đổi chiều dài liên kết nguyên tử phân tử Đối xứng Bất đối xứng Biến dạng Các kiểu dao động phân tử nước Các loại dao động yếu tố ảnh hưởng 2.1 Các loại dao động 2) Dao động riêng - Đối với phân tử có N nguyên tử tổng số dao động là: 3N – phân tử thẳng 3N – phân tử không thẳng VD: phân tử CO2 (thẳng) có 3.3 – = dao động gồm dao động đối xứng, dao động bất đối xứng dao động biến dạng Đối xứng Bất đối xứng Các kiểu dao động phân tử CO Biến dạng Máy quang phổ hồng ngoại 3.3 Chuẩn bị mẫu: 1) Đo mẫu khí, hơi: Cuvet khí: Có nhiều loại với chiều dài quang trình khác nhau: 5- 20 cm Là ống thuỷ tinh dài, 5-10cm, 130-200ml, hai cửa số muối hai đầu, hai van nạp thoát khí Nếu cuvet dài, bên có hệ thống gương Nạp mẫu khí vào cuvet vận hành qua hệ thống van, bơm hút chân không Cuvet khí Máy quang phổ hồng ngoại 3.3 Chuẩn bị mẫu: 2) Đo mẫu lỏng: Cuvette lỏng gồm nhiều thành phần ghép lại với nhau: vòng đệm, cửa sổ, tâm giá đỡ Máy quang phổ hồng ngoại 3.3 Chuẩn bị mẫu: 3) Đo mẫu rắn: Mẫu ép với KBr: Nghiền mẫu thật mịn sau ép với lượng KBr lớn từ 10 -100 lần máy ép nén thành viên dẹt với chiều dày khoảng 0.1 mm Viên dẹt thu suốt với chất phân tích phân tán đồng Lượng mẫu cần thiết để ép màng khoảng 2-5 mg Ứng dụng phân tích lọc hóa dầu 4.1 Parafin - Quang phổ hồng ngoại hydrocacbon bão hòa đặc trưng xuất vùng hấp thụ đặc trưng liên kết nhóm chức metyl -CH3 (3000 – 2800 cm-1), metylen -CH2- (1400 -1300 cm-1), metyliden -CH – (700 cm-1) Ứng dụng phân tích lọc hóa dầu 4.2 Olefin - Đối với hợp chất mà phân tử olephin đối xứng tâm dao động hóa trị C=C không xuất dao động không làm thay đổi momen lưỡng cực - Trong hợp chất không đối xứng cường độ hấp thụ liên kết tăng liên kết đôi dịch chuyển phía đầu mạch - Vị trí đỉnh hấp thụ dao động hóa trị liên kết C=C 1680-1640 cm -1 phụ thuộc vào cấu trúc hình học mức độ liên kết - Trong phân tử olephin tồn dao động hóa trị biến dạng liên kết C-H, dao động lắc, dao động quạt dao động hóa trị liên kết C=C - Đối với hợp chất olephin vòng (xicloanken) tần số dao động C=C thay đổi theo độ lớn vòng nhóm chúng Ứng dụng phân tích lọc hóa dầu 4.3 Aromatic Hyrocacbon thơm có dao động ba vùng sau: + Dao động hóa trị liên kết C-H 3100-3000 cm-1 + Dao động hóa trị C-C vùng 2000-1650 cm-1 + Dao động biến dạng C-H vùng 900-650 cm-1 - Sự hấp thụ hợp chất thơm vùng 1600-1500 cm -1 gồm vạch phổ 1600,1580, 1500, 1450 cm-1 - Theo số lượng vị trí vạch phổ xác định loại vòng benzen (para, octo, hay meta ) - Loại vòng benzen xác định theo vạch phổ vùng 2000-1600cm-1 Ứng dụng phân tích lọc hóa dầu 4.3 Aromatic m-xylen o-xylen p-xylen Phân tích định tính định lượng 5.1 Phân tích định tính - Phương pháp phổ hồng ngoại có kết xác có mặt nhóm chức phân tử đặc tính liên kết cấu trúc vị trí nhóm hợp chất - Cần phải nắm tần số dao động đặc trưng nhóm chức liên kết nguyên tử  so sánh tra cứu - Kết hợp với phương pháp khác phổ Raman để định danh xác hợp chất Phân tích định tính định lượng 5.2 Phân tích định lượng Dựa định luật Lamber-Bia: æI o ö ÷ D = lg ç = e.C.l ÷ ç ÷ ç èI ø D: mật độ quang ε: hệ số hấp thụ Io: cường độ đầu C: nồng độ I: cường độ sau l: chiều dài cuvet 1) Định lượng mẫu tinh khiết: Lập đường chuẩn D=f(C) Mật độ quang Nồng độ Phân tích định tính định lượng 5.2 Phân tích định lượng 2) Định lượng thành phần hỗn hợp: Nguyên tắc chung dựa vào tính chất độ hấp thụ hỗn hợp tổng độ hấp thụ hợp phần bước sóng DTS = D1 + D2 + D3 + + Dn = ε1.C1.l + ε2.C2.l + ε3.C3.l + + εn.Cn.l - Để xác định hàm lượng chất (định lượng) cần phải lập hệ phương trình với n hợp phần hỗn hợp D1TS = ε11.C1.l + ε12.C2.l + ε13.C3.l D2TS = ε21.C1.l + ε22.C2.l + ε23.C3.l D3TS = ε31.C1.l + ε32.C2.l + ε33.C3.l Một số ví dụ giải phổ hồng ngoại Phổ hồng ngoại C8H8O 3080 cm-1 nhóm CH vòng thơm 2760 cm-1 nhóm CH andehit 1735cm-1 nhóm andehit CO 1615 cm-1 nhóm cacbonyl liên hợp với vòng thơm 1415 cm-1 nhóm metyl (dao động biến dạng) 820 cm-1 dao động biến dạng CH vòng thơm 4-methyl bezaldehyt Một số ví dụ giải phổ hồng ngoại Phổ hồng ngoại C7H11O4 2995 cm-1 nhóm CH no đối xứng bất đối xứng 1765&1740 cm-1 vạch đúp đặc trưng cho hai nhóm CO 1380 cm-1 nhóm CH3 dao động biến dạng 1280 cm-1 đặc trưng dao động hóa trị nhóm C-O-C este 1045 cm-1 dao động hóa trị đối xứng C-O-C este Diethyl malonate KẾT LUẬN - Là phương pháp hữu hiệu để xác định chất mặt định tính định lượng - Hạn chế phương pháp không cho biết phân tử lượng - Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): cải thiện đáng kể chất lượng phổ, giảm thời gian thu số liệu - Để mở rộng phạm vi phân tích cần kết hợp với phương pháp phân tích khác máy đa hợp GC-IR (gas chromatography-infrared spectrometry ), TG-IR (thermogravimetry-infrared spectrometry ), vi mẫu, phổ phát xạ, phổ quang điện Any Question ? Tham khảo: TIẾNG VIỆT: [1] Nguyễn Thị Dung, Giáo trình phân tích quang phổ (2008); Tổng cục dạy nghề; trang 9-63 [2] Makoto Takagi; Các phương pháp phân tích hóa học (2010); NXB ĐH Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh; trang 161-180 TIẾNG ANH: [3] Barbara Stuart; Infrared Spectroscopy-Fundamentals and Applications (2004); publisher Wiley; pages 17-70 [4] Peter R Griffiths, James A de Haseth; Fourier Transform Infrared Spectrometry (2007); publisher Wiley; pages 75-93 Tham khảo: INTERNET: [5] http://en.wikipedia.org/wiki/Fourier_transform_infrared_spectroscopy (10-6-2011) [6] http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_spectroscopy (10-6-2011) [7] http://en.wikipedia.org/wiki/Fourier_transform_infrared_spectroscopy (10-6-2011) [8] http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_spectroscopy (10-6-2011) [9] http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared (10-6-2011) [10] http://mmrc.caltech.edu/FTIR/FTIRintro.pdf (12-6-2011) [11] www.jasco.hu/konyvtar/FTIR-Presentazione.PPT (12-6-2011) [12] http://congnghehoahoc.org/forum/showthread.php?t=913 (10-6-2011)