Chương 1: Mở đầu | Bài giảng môn Phân tích bằng công cụ | Đại học Bách khoa hà nội

Phần I: Các phương pháp phân tích quang học Chương 1. Mở đầu Tran Thi Thuy
Department of Analytical Chemistry
School of Chemical Engineering – Hanoi University of Science and Technology (HUST) Outline 1.1 Mở đầu
1.2 Các tính chất cơ bản của bức xạ điện từ
1.3 Câu hỏi ôn tập 2 HUST SCE 9/22/2020 1.1. Mở đầu Phương pháp quang học là việc sử dụng
ánh sáng là tín hiệu đo để có thông tin về
nồng độ hóa học.
Hình 1.1. Phổ hấp thụ của ozone, chỉ ra cực đại hấp thụ ở
vùng bức xạ tử ngoại ở bước sóng gần 260 nm 3 HUST SCE 1.1. Mở đầu
Ozon được tạo ra ở độ cao 20-40 km do sự tương tác giữa tia UV (hν) của mặt trời và O2 O2 + hν → O O + O2 → O3 Ozon hấp thụ tia cực tím là nguyên nhân gây cháy da và ung thư da.
Hình 1.2. Lượng O3 trung bình trong khí quyển tại
Halley ở Nam Cực trong tháng Mười. 4 HUST SCE 1.1. Mở đầu
Một lời giải thích bắt đầu với chlorofluorocarbons (CCl2F2), Freon-12, trước
đây được sử dụng trong tủ lạnh và điều hòa không khí. Các hợp chất này tồn
tại lâu dài, nó không có sẵn trong tự nhiên, lan tỏa tới tầng bình lưu, nơi họ xúc tác phân hủy ozone. CCl2F2 + hν → CClF2 + Cl
(a) (Sự tạo thành Cl bằng quang hóa) Cl + O3 → ClO + O2 (b) O3 → O + O2 (c) O + ClO → Cl + O2 (d)
Cl được tạo ra từ (d), phản ứng lại ở (b), do đó một đơn nguyên tử Cl có thể
phá hủy 105 phân tử O3. Chuỗi phản ứng kết thúc khi Cl hoặc ClO phản ứng
với hydrocacbon hoặc NO2 tạo ra HCl hoặc ClONO2.
Để bảo vệ cuộc sống từ bức xạ tia cực tím, các điều ước quốc tế hiện nay
cấm hoặc loại bỏ chlorofluorocarbons, và có một nỗ lực để tìm sản phẩm thay thế an toàn. 5 HUST SCE 1.1. Mở đầu
Hình 1.3. Quá trình xảy ra với phân tử khi hấp thụ ánh
sáng ở các vùng khác nhau 6 HUST SCE
1.2. Tính chất cơ bản của bức xạ điện từ
1.2.1. Tính chất sóng
Theo mô hình sóng, bức xạ điện từ là những dao động có
hai thành phần điện trường và từ trường làm truyền theo
một phương. Các thành phần điện trường và từ trường
vuông góc với nhau và được biểu diễn bằng các sóng phân cực phẳng
Hình 1.4. Thành phần điện trường và từ trường 7 HUST SCE
1.2.1. Tính chất sóng Các tham số sóng:
Tần số ν là số dao động mà bức xạ điện từ thực hiện trong một giây.
Bước sóng λ là quãng đường giữa hai điểm cân bằng bất kỳ mà bức xạ điện
từ đi qua (khoảng cách giữa hai cực đại hay cực tiểu).
Vận tốc truyền bức xạ điện từ vi (m/s) là tích số giữa tần số ν và
bước sóng λ (tính bằng m): vi = ν λ (1-1)
Vận tốc của bức xạ điện từ phụ thuộc vào thành phần của môi
trường mà bức xạ điện từ đi qua. Chỉ số dưới diễn tả môi trường mà nó truyền qua. 8 HUST SCE
1.2.1. Tính chất sóng Môi trường chân không:
vận tốc của bức xạ điện từ (c) trở nên không phụ thuộc
vào bước sóng và nó đạt cực đại. C = 2,99792×108 m/s.
Vận tốc của bức xạ điện từ trong không khí chỉ khác rất ít
(khoảng 0,03% nhỏ hơn) vận tốc ánh sáng trong chân
không. Trong các trường hợp này phương trình (1-1) có thể viết dưới dạng:
c = ν λ = 3,00×108 m/s = 3,00×1010 cm/s (1-2) 9 HUST SCE
1.2.1. Tính chất sóng
Trong các môi trường khác, vận tốc của bức xạ điện từ bị
chậm lại do sự tương tác giữa trường điện từ của bức xạ và
các electron xung quanh các nguyên tử hay phân tử có mặt
trong môi trường. Do tần số của bức xạ là bất biến và cố
định bởi nguồn, bước sóng sẽ phải giảm khi bức xạ từ môi
trường chân không sang môi trường khác.
Hình 1.5. Sự thay đổi bước sóng khi bxđt truyền từ không
khí qua thủy tính và truyền trở lại không khí 10 HUST SCE
1.2.1. Tính chất sóng
Số sóng, được định nghĩa là nghịch đảo của bước sóng
(tính bằng đơn vị cm) là một cách khác để mô tả bức xạ
điện từ. Đơn vị của số sóng là cm– 1.
Số sóng được sử dụng rộng rãi trong phổ hồng ngoại. Số
sóng là một đơn vị thuận tiện, vì ngược với bước sóng,
nó tỉ lệ thuận với tần số (do vậy tỉ lệ với năng lượng) của
bức xạ. Như vậy, ta có thể viết: ν = kν (1-3)
ở đây, k là hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào môi trường và về
giá trị là nghịch đảo của vận tốc. 11 HUST SCE
1.2.2. Tính chất hạt
Năng lượng của photon phụ thuộc vào tần số của bức
xạ và được đưa ra dưới dạng: E = hν (1-4)
ở đây h là hằng số Planck (h = 6,63.10–34J.s).
Có thể biểu diễn năng lượng của photon dưới dạng bước sóng và số sóng: E = ℎ𝑐 = hc𝜈 (1-5) 𝜆
Chú ý là số sóng giống như tần số, tỉ lệ thuận với năng lượng 12 HUST SCE
1.2.2. Tính chất hạt
Ví dụ: Tính năng lượng photon (J) của bức xạ điện từ nếu biết ν = 2000 cm–1
Áp dụng phương trình (1-5): E = hc𝜈
= 6,63.10–34 (J.s) × 3,00.1010 𝑐𝑚 × 2000 cm–1 𝑠 = 3,98.10–20 (J) 13 HUST SCE
1.2.3. Phổ bức xạ điện từ
Hình 1.6. Mỗi một màu sắc tương ứng với một bước sóng ánh sáng khác nhau 14 HUST SCE
1.2.3. Phổ bức xạ điện từ
Bảng 1. Màu sắc của ánh sáng vùng trông thấy 15 HUST SCE
1.2.3. Phổ bức xạ điện từ
Màu sắc nào bạn trông đợi khi bạn có một dung dịch
chứa ion phức có độ hấp thụ cực đại ở vùng trông thấy ở λmax = 562 nm A. Xanh B. Tím C. Vàng D. Xanh tím 16 HUST SCE
1.2.3. Phổ bức xạ điện từ
Hình 1.7. Các sóng của phổ bức xạ điện từ thay đổi độ dài trong một
phạm vi vô cùng rộng, từ bước sóng dài như kích thước của tòa nhà là
sóng radio, đến vô cùng ngắn như hạt nhân của một nguyên tử là tia γ 17 HUST SCE
1. 3. Câu hỏi ôn tập
1. Nêu tính chất sóng và tính chất hạt của phổ bức xạ điện từ.
2. Tại sao người ta hay sử dụng số sóng trong phổ hồng ngoại?
3. Bước sóng của phổ trông thấy dao động trong miền nào?
4. Tính năng lượng (kJ) của 1 mol photon của ánh sáng đỏ với λ=650nm? ĐS. 184 kJ/mol
5. Tính năng lượng (kJ) của 1 mol photon của ánh sáng tím với λ=400nm? ĐS. 299 kJ/mol
6. Hãy tính tần số (Hz), số sóng (cm-1) và năng lượng (J/photon, và
J/mol photon) của ánh sáng trong vùng trông thấy có λ=562nm
ĐS. 5,33×1014 Hz, 1,78×104 cm-1, 3,53×10-19 J/photon, 213kJ/mol 18 HUST SCE