Các phương pháp phân tích hóa học nước biển

nh bảng (bảng 4.1). Khi đó, kết quả được tính theo công thức sau: P (μgP/l) = k[(C + Y).h/H - Y] (4.6) Bảng 4.1: Hệ số hiệu chỉnh theo độ muối khi xác định nồng độ Phôtphat trong nước biển bằng phương pháp so màu S%o k S%o k S%o k S%o k S%o k 0 1.00 8 1.18 16 1.25 24 1.31 32 1.34 1 1.04 9 1.19 17 1.26 25 1.31 33 1.34 2 1.05 10 1.20 18 1.26 26 1.32 34 1.35 3 1.09 11 1.22 19 1.27 27 1.32 35 1.35 4 1.11 12 1.23 20 1.28 28 1.32 36 1.35 5 1.12 13 1.23 21 1.29 29 1.32 37 1.36 6 1.14 14 1.24 22 1.29 30 1.33 38 1.36 7 1.16 15 1.25 23 1.30 31 1.33 39 1.37 102 4.2.7. Thứ tự công việc Bước 1: Khi thuận tiện, chuẩn bị sẵn dung dịch chuẩn chính KH2PO4, dung dịch H2SO4 50% và Amoni Molipdat 10%. Các chai lọ, dụng cụ cần được tẩy rửa sạch và sấy khô trước khi sử dụng. Bước 2: Chuẩn bị dung dịch Amoni Molipdat trong axit Sunfuric và dung dịch Thiếc Clorua như đã mô tả. Bước 3: Chuẩn bị dung dịch chuẩn làm việc KH2PO4 có nồng độ 0,0025 mgP/l. Bước 4: Làm các thí nghiệm trắng và tính toán kiểm tra ngay độ bẩn của hoá chất, nước cất... Nếu không đạt yêu cầu (giá trị độ bẩn tổng cộng lớn hơn 3μgP/l) thì phải thay hoá chất, nước cất khác. Bước 5: Chuẩn bị loạt mẫu phân tích (số lượng vừa phải đủ phân tích trong vòng 25-30 phút). Bước 6:. Lấy 100 ml mỗi mẫu nước nghiên cứu ở loạt mẫu đã chuẩn bị cho vào các ống trụ đến vạch mức 100, ghi lại số hiệu mẫu và số hiệu ống trụ. Bước 7: Điều chế thang chuẩn gồm 4 hoặc 5 dung dịch chuẩn có nồng độ khác nhau nhưng gần với nồng độ Phôtphat dự kiến của loạt mẫu nước. Bước 8: Thêm đồng thời vào mỗi một mẫu và mỗi một chuẩn một lượng 2 ml Amoni Molipdat trong axit Sunfuric và 2 giọt Thiếc Clorua, đậy nút và khuấy trộn chúng bằng cách đảo lắc. Sau 5 phút màu của cả mẫu và chuẩn hiện lên hoàn toàn thì tiến hành so màu. Bước 9: So màu lần lượt từng mẫu với những chuẩn có màu gần nhất. Việc so màu được thực hiện ở cặp ống trụ Hener bằng cách cân bằng màu. Ghi lại các kết quả so màu. Bước 10: Công việc được lặp lại từ bước 5 đến bước 9 cho loạt mẫu khác; được lặp lại từ bước 2 cho ngày làm việc khác. Bước 11: Tính toán kết quả có thể thực hiện sau khi phân tích xong số mẫu 103 hoặc sau ngày làm việc. Kết quả tính phải được người thứ hai kiểm tra. 4.3. XÁC ĐỊNH SILICAT TRONG NƯỚC BIỂN 4.3.1. Phương pháp xác định Ở mục 4.2.1 “phương pháp xác định Photphat” đã nói rõ về nguyên tắc xác định Silicat, ở đây chỉ nhắc lại những nét cơ bản nhất. Trong nước biển, axit Silisic có thể kết hợp với một số phân tử nước để tạo thành hợp chất phức tạp hơn (H8SiO6). Khi cho hợp chất phức tạp này tác dụng với Amoni Molipdat sẽ tạo ra Heteropoliaxitsilisic H8Si(Mo2O7)6 nhuộm màu vàng. Dùng chất khử đặc trưng là muối Mor, Molipden của Hetero-poliaxit này sẽ bị khử và sản phẩm có màu xanh Molipden. 4.3.2. Dụng cụ và hoá chất Những thiết bị và dụng cụ để phân tích nước biển xác định Silicat được chuẩn bị như khi xác định Phôtphat. Chỉ khác là các bình chứa dung dịch chuẩn chính và chuẩn làm việc cùng một số bình chứa khác phải tráng Parafin ở bên trong trể tránh sự hoà tan thuỷ tinh. Các hoá chất bao gồm: Dung dịch Amoni Molipdat 10% và axit Sunfuric 50% Hai dung dịch này được chuẩn bị như khi xác định Photphat. Chỉ khác là chúng không được hoà trộn với nhau để thành hỗn hợp Amoni Molipdat trong axit Sunfuric mà luôn được bảo quản riêng. Nước biển không có Silic Lấy nước biển khơi tầng mặt và lọc nó qua một phễu sứ lớn, trong phễu sứ có đặt tờ giấy lọc đã được rải một lớp Nhôm ôxyt nung đỏ. Khi nước biển đi qua lớp Nhôm ôxyt này, Silic của nó bị giữ lại. Nước biển không có Silic được chứa trong bình đã tráng Parafin hoặc chứa trong bi đông nhôm. Có thể dùng nước cất để thay cho nước biển không có Silic, nhưng khi tính 104 toán phải có thêm số hiệu chỉnh theo độ muối. Dung dịch muối Mor (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O Lấy 100 gam muối Mor khô và đun nóng vừa với 400 ml nước biển không Silic. Sau đó thêm vào 7 ml H2SO4 50%. Nếu hỗn hợp xuất hiện kết tủa hoặc vẩn đục (đó là Sắt ôxyt) thì phải để nó lắng đọng và gạn lấy phần trong suốt. Phần trong suốt được bổ sung thêm 450 ml H2SO4 đậm đặc, tinh khiết. Sau khi dung dịch đã nguội, thể tích chung được nâng lên thành 2 lít bằng nước biển không Silic. Có thể chuẩn bị dung dịch này trong bình chứa thường nhưng sau đó phải bảo quản nó ở bình đã tráng Parafin Dung dịch chuẩn chính Natri Silicat Na2SiO3 (có thể thay bằng Na2SiF6) Lấy 1,0696 gam Thạch anh (SiO2) tán nhỏ với 6 gam Xôđa (Na2CO3) khô trong chén bạch kim. Đun nóng thận trọng hỗn hợp ở nhiệt độ cao cho đến khi thành chất lỏng đồng nhất (khi đun CO2 bay lên). Sau khi nguội, chuyển hỗn hợp vào bình 1 lít và rửa chén bạch kim nhiều lần bằng nước biển không Silic. Thể tích cuối cùng của dung dịch là 1 lít. Bảo quản dung dịch này trong bình đã tráng Parafin. Dung dịch được chuẩn bị như trên có nồng độ 500 mgSi/l. Dung dịch chuẩn làm việc Lấy 10 ml chuẩn chính hoà với 90 ml nước biển không Silic. Dung dịch này có nồng độ 50 mgSi/l. Dung dịch chuẩn làm việc chỉ chuẩn bị trước lúc làm việc và bảo quản nó trong bình tráng Parafin. 4.3.3. Lấy và bảo quản mẫu nước Nên sử dụng những lọ đựng mẫu có màu xanh lá cây (vì thuỷ tinh màu khó hoà tan hơn). Trước khi lấy mẫu, cần phải tráng lọ vài lần bằng chính nước cần lấy. Mẫu phải được phân tích càng sớm càng tốt nhưng không được để quá 12 giờ kể từ khi lấy mẫu. Muốn để mẫu lâu hơn phải đưa dung dịch H2SO4 50% vào mẫu với tỷ lệ 4 giọt cho 100 ml mẫu và bảo quản nó ở nơi tối, nhiệt độ thấp. 105 4.3.4. Quá trình xác định Vì Silic vô cơ thường tồn tại trong nước biển với nồng độ lớn, có thể tới hàng nghìn μgSi/l, nên có hai cách so màu áp dụng cho hai trường hợp khác nhau: trường hợp thứ nhất khi nồng độ Silic của nước biển lớn hơn 500 μgSi/l và trường hợp thứ hai - nhỏ hơn. Việc nhận biết định tính giá trị này và lựa chọn cách so màu thích hợp phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người nghiên cứu. Trường hợp thứ nhất: Khi nồng độ Silic của mẫu lớn hơn 500 μgSi/l - Chuẩn bị loạt mẫu: Lấy 100 ml mỗi mẫu nước cho vào các ống trụ có vạch mức 100 (ống trụ phải được tráng bằng nước mẫu), ghi lại số hiệu ống trụ tương ứng với số hiệu mẫu. - Điều chế thang chuẩn: Thang chuẩn trong trường hợp này phải có nồng độ lớn hơn 500 μgSi/l và gần với nồng độ dự kiến của mẫu. Nếu lấy 1 ml dung dịch chuẩn làm việc (nồng độ 50 mgSi/l) để hoà với nước biển không silic thành 100 ml thì nồng độ của chuẩn này là 500 μgSi/l. Cần chuẩn bị thang chuẩn có từ 4-5 dung dịch chuẩn với nồng độ khác nhau nhưng gần với nồng độ Silic dự kiến của mẫu. - Tạo màu cho chuẩn và mẫu: Sau khi đã có thang chuẩn, cho thêm đồng thời vào loạt ống trụ chứa mẫu đã chuẩn bị và các ống trụ có dung dịch chuẩn 4 giọt H2SO4 50% (nếu khi lấy mẫu nước đã thêm H2SO4 để bảo quản mẫu rồi thì lúc này không phải cho thêm axit vào mẫu nữa). Tiếp theo cho thêm vào tất cả các ống trụ 2 ml Amoni Molipdat 10% và đậy nút các ống trụ lại, khuấy đều bằng cách đảo lắc. - So màu của mẫu với chuẩn: Sau 20 phút khuấy đảo các dung dịch, màu vàng của chuẩn và mẫu hiện rõ thì tiến hành so màu ở các ống trụ Hener, giống như đã mô tả khi xác định Phôtphat. Kết quả so màu được ghi vào sổ. Tiếp tục so màu mẫu khác cho hết số mẫu có trong loạt mẫu đã chuẩn bị. Sau khi phân tích hết loạt mẫu, tiếp tục chuẩn bị loạt mẫu mới và thang 106 chuẩn mới để phân tích với quy trình hoàn toàn tương tự. Ở đây đã sử dụng màu vàng làm cơ sở để so màu. Thực tế màu vàng này là màu của cả hai loại Heteropoliaxit có chứa Silic và Phôtpho (xem phần phương pháp xác định Phôtphat, mục 4.2.1). Do đó kết quả nhận được sau khi tính toán phải được trừ đi giá trị nồng độ Phôtphat của mẫu nước. Tuy nhiên trong một số trường hợp khi nồng độ Silic lớn hơn nồng độ Phôtphat nhiều lần thì có thể bỏ qua phép trừ này mà vẫn không ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Ở một số vùng biển, nhất là các vùng biển ven bờ, cửa sông... nồng độ Silic vô cơ có thể đạt trên một vài nghìn μgSi/l trong khi đó nồng độ Phôtphat rất nhỏ, có khi chỉ đạt 2-3 μgP/l. Trường hợp thứ hai: Khi nồng độ Silic của mẫu nhỏ hơn 500 μgSi/l. Ở trường hợp này, màu vàng rất yếu do nồng độ Silic nhỏ nên không thể sử dụng màu này làm cơ sở để so màu. Đương nhiên ở đây phải điều chế thang chuẩn có nồng độ nhỏ. Ví dụ nếu lấy 0,5 ml dung dịch chuẩn làm việc để pha thành 100 ml thì chuẩn này có nồng độ 250 μgSi/l. Cần chuẩn bị thang chuẩn có từ 4-5 dung dịch chuẩn nồng độ khác nhau nhưng gần với nồng độ Silic dự kiến của mẫu. Sau khi đã chuẩn bị loạt mẫu và thang chuẩn, thêm các hoá chất vào cả mẫu và chuẩn giống như ở cách thứ nhất. Sau 3-5 phút cho thêm 5 ml dung dịch muối Mor vào tất cả chuẩn và mẫu, đậy nút các ống trụ lại và khuấy đều bằng cách đảo lắc. Năm phút sau màu xanh Molipden hiện lên và ổn định trong vòng 30 phút. Việc so màu cho hết loạt mẫu cũng được thực hiện trong khoảng thời gian này, giống như khi xác định Phôtphat. Trong trường hợp này (dùng muối Mor), kết quả nhận được sau khi tính toán chính là nồng độ thực của Silic trong mẫu nước. Sau khi đã phân tích hết loạt mẫu đã chuẩn bị, tiếp tục chuẩn bị loạt mẫu mới và thang chuẩn mới để phân tích. Với mục đích xác định Silicat, không cần thực hiện các thí nghiệm trắng bởi vì nồng độ Silic có trong hoá chất, nước cất, nước biển không Silic nhỏ bé không đáng kể so với nồng độ của nó trong nước 107 biển. Tuy nhiên, nếu muốn đạt được độ chính xác cao hơn thì phải làm thí nghiệm trắng. 4.3.5. Tính toán kết quả Nồng độ Silicat xác định bằng phương pháp so màu bằng mắt được tính theo công thức sau: Si (μgSi/l) = C.h/H (4.7) Trong đó C và h là nồng độ và chiều cao cột dung dịch chuẩn trong ống trụ Hener, H - chiều cao cột nước phân tích trong ống trụ Hener còn lại. Khi tính toán kết quả cần chú ý những điểm sau đây: 1. Nếu sử dụng cách thứ nhất để phân tích (dùng màu vàng để so sánh) thì kết quả nhận được từ công thức trên phải trừ đi giá trị nồng độ Phôtphat của mẫu nước. Chỉ bỏ qua phép trừ trong một số trường hợp khi nồng độ Photphat không đáng kể so với nồng độ Silicat. 2. Khi cần đạt độ chính xác cao tức là phải thực hiện các thí nghiệm trắng, công thức tính toán cần phải có thêm các số hiệu chỉnh cho "độ bẩn" của hoá chất, nước cất và nước biển không Silic. Dạng công thức tính toán và ý nghĩa các số hiệu chỉnh tương tự như khi tính toán xác định Phôtphat. 3. Nếu sử dụng nước cất (chứ không phải nước biển không Silic) để pha chế các dung dịch thì trong kết quả tính toán phải có hiệu chỉnh theo độ muối của mẫu nước. Số hiệu chỉnh này đã được tính sẵn theo các giá trị độ muối khác nhau và cho thành bảng có in trong các tài liệu chuyên môn. 4.4. XÁC ĐỊNH NITRIT TRONG NƯỚC BIỂN 4.4.1. Phương pháp xác định Phương pháp xác định Nitrit (NO2-) trong nước biển dựa trên tính chất của axit Sunfonic {(NH2)C6H4(SO2OH)} có thể khử được Nitrit của nước biển để tạo thành hợp chất có tên Fenildinitro-Sunfoniaxit. Phản ứng được mô tả như sau: 108 SO2(OH) SO2(OH) C6H4 + HNO2 ⎯⎯→ C6H4 + H2O NH2 N = NOH (Axit Sunfonic) (Fenidinitro-Sunfoniaxit) Nếu cho Fenidinitro-Sunfoniaxit tác dụng với α - Naphtylamin (C10H7NH2) thì hợp chất tạo ra sau đó sẽ nhuộm màu đỏ. Cường độ màu tỷ lệ với nồng độ Nitrit của dung dịch. Phản ứng được mô tả như sau: SO2(OH) SO2(OH) C6H4 + C10H7NH2 ⎯⎯→ C6H4 + H2O N = NOH N = N - C10H6NH2 (Sunfoniaxit) (α) (màu đỏ) Phương pháp xác định Nitrit theo nguyên tắc trên được Gris đưa ra năm 1879 và được Iloxvai cải tiến thêm năm 1889, nên còn gọi là phương pháp Gris- Iloxvai. Cho đến nay phương pháp này vẫn đang được ứng dụng trong nghiên cứu hoá học biển ở nhiều nước trên thế giới. Như đã biết, NO2- là sản phẩm trung gian của quá trình đạm hoá từ NH4+ đến NO3- và do vậy nó rất bất ổn định, có khi vắng mặt hoàn toàn trong nước biển. Vì vậy, trước khi xác định Nitrit cần phải làm phép thử định tính để kiểm tra sự có mặt của nó (phép thử định tính sẽ được trình bày ở mục .4). 4.4.2. Dụng cụ và hoá chất Tất cả các dụng cụ, thiết bị để xác định Nitrit đều được chuẩn bị giống như khi xác định Phôtphat. Các hoá chất bao gồm: Axit Axetic CH3COOH đậm đặc (dấm đặc) Axit Axetic 12%: Lấy 25ml Axít Axetic đậm đặc để hoà với nước cất thành 200ml. Axit Sunforic (NH2)C6H4(SO2OH) 109 Lấy 1 gam axit Sunfonic sạch hoá học hoà với axit Axetic 12% cho đủ 300 ml. Có thể chuẩn bị hoá chất này bằng cách sau: lấy 1 gam axit Sunfonic sạch hoà với 15 ml axít Axetic đặc và 15 ml nước cất, đun nóng hỗn hợp trong khi không ngừng khuấy trộn. Sau đó nâng thể tích lên 300 ml bằng nước cất. α- Naphtylamin C10H7NH2 Lấy 0,4 gam α sạch (có màu phớt hồng) hoà với vài giọt axit Axetic đặc rồi trộn với 300 ml Axit axetic 12%. Dung dịch thu được phải trong suốt, nếu có màu tối (có tạp chất) thì cần phải điều chế lại nó bằng cách lấy 0,4 gam α hoà với 20-30 ml nước cất, đun nóng hỗn hợp cho đến sôi. Sau khi nguội, tạp chất sẽ nổi lên trên mặt dung dịch dưới dạng kết tụ màu tím xẫm. Lọc lấy phần trong suốt và hoà nó với 300 ml axit Axetic 12%. Hỗn hợp Gris Hoà trộn dung dịch axit Sunfonic và α - Naphtylamin đã chuẩn bị như trên theo tỷ lệ 1:1. Hỗn hợp Gris nhận được phải không màu. Chú ý là cả hai hoá chất axit Sunfonic và α - Naphtylamin được chuẩn bị riêng và bảo quản trong bóng tối. Chỉ trước khi sử dụng mới hoà trộn chúng với nhau để tạo thành hỗn hợp Gris. Dung dịch chuẩn chính Natri Nitrit (hoặc Kali Nitrit) Lấy 4,9270 gam NaNO2 khô sạch (đã được sấy ở nhiệt độ 105-110oC cho đến trọng lượng không đổi) hoà với nước cất để thành 1 lít. Sau đó cho thêm 2 giọt Clorofooc để bảo vệ nó. Dung dịch này tương đối ổn định và có thể giữ nó được 2-3 tháng. Đối với KNO2 thì lượng cần lấy là 6,0770 gam. Nồng độ Nitrit (biểu diễn qua nguyên tố Nitơ) của dung dịch này là 1 gN/l. Dung dịch chuẩn trung gian Pha loãng 100 lần dung dịch chuẩn chính bằng cách lấy 1 ml chuẩn chính hoà với nước cất để thành 100 ml. Nồng độ dung dịch chuẩn trung gian là 0,01 gN/l hay 1 ml dung dịch có 0,01 mg Nitơ. Dung dịch này có thể giữ được trong 7 ngày. 110 Dung dịch chuẩn làm việc Pha loãng 10 lần dung dịch chuẩn trung gian bằng cách lấy 10 ml chuẩn trung gian hoà với 90 ml nước cất. Như vậy, 1 mililit dung dịch chuẩn làm việc có 0,001 miligam Nitơ, hay nồng độ của nó là 1000 μgN/l. Dung dịch chuẩn làm việc chỉ được chuẩn bị trong ngày làm việc Nước biển không có Nitrit Nước biển khơi tầng mặt thường không có NO2- nên có thể sử dụng ngay nó. Có thể dùng phép thử định tính để kiểm tra lại (sẽ nói ở phần sau). 4.4.3. Lấy và bảo quản mẫu nước Mẫu nước có thể được lấy trực tiếp từ máy lấy nước vào các ống trụ dung tích 100 ml cho tới vạch mức nếu việc phân tích được tiến hành ngay không để lâu quá 3-4 giờ sau khi lấy mẫu. Nếu không phân tích ngay được thì mẫu nước phải lấy vào lọ có nút thật kín, cho vào mẫu 3-4 giọt Clorofooc và bảo quản nó ở nơi tối, nhiệt độ thấp. 4.4.4. Quá trình xác định Bắt đầu ngày làm việc cần chuẩn bị dung dịch chuẩn làm việc và hoá chất Gris như đã mô tả. Thí nghiệm định tính Lấy 10 ml mẫu nước hoà với 1 ml Gris và hâm nóng hỗn hợp ở 70-80oC. Sau 10 phút đem so màu với chính mẫu nước vừa lấy (nhìn bằng mắt). Nếu có Nitrit thì ở mẫu nước có Gris sẽ xuất hiện màu hồng. Cường độ màu hồng phản ánh tương đối hàm lượng Nitrit của mẫu nước. Phân tích định lượng - Chuẩn bị loạt mẫu: Lấy 100 ml mỗi mẫu nước cho vào các ống trụ có vạch mức 100. Ghi số hiệu ống trụ tương ứng với số hiệu mẫu. - Điều chế thang chuẩn: Dùng Micro Pipet lấy lần lượt 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 và 111 1 ml dung dịch chuẩn làm việc để hoà với nước biển không có Nitrit thành 100 ml. Các dung dịch của thang chuẩn sẽ có nồng độ tương ứng là 2, 4, 6, 8, 10 μgN/l. Ta có thể điều chế các dung dịch chuẩn có nồng độ khác với các giá trị trên, sao cho nó gần với nồng độ Nitrit dự kiến trong mẫu nước. - Tạo màu cho chuẩn và mẫu: Sau khi mẫu nước và thang chuẩn có cùng nhiệt độ thì cho thêm vào mỗi một mẫu và mỗi một chuẩn 5 ml Gris, đậy nút các ống trụ, khuấy đều dung dịch bằng cách đảo lắc và để bất động chúng trong vòng 1 giờ. Sau thời gian này màu hồng sẽ hiện lên hoàn toàn và ta có thể tiến hành so màu giữa chuẩn và mẫu trên ống trụ Hener như khi xác định Phôtphat và Silicat. Ghi kết quả so màu vào sổ. Khi đã phân tích hết số mẫu của loạt mẫu, tiếp tục chuẩn bị loạt mẫu mới và thang chuẩn mới. Số lượng mẫu của mỗi loạt cần phải thích hợp để chỉ được phép so màu trong thời gian màu ổn định. 4.4.5. Tính toán kết quả Nếu nước biển tầng mặt (hoặc nước cất) dùng để chuẩn bị dung dịch chuẩn và thang chuẩn thực sự không có Nitrit thì kết quả phân tích được tính theo công thức: NO2 (μgN/l) = C.h/H (4.8) Trong đó NO2 là nồng độ Nitrit của mẫu nước biểu diễn qua Nitơ nguyên chất và H là chiều cao của nó trong ống trụ Hener; C, h là các gía trị tương tự của dung dịch chuẩn trong ống trụ còn lại. Nếu nước biển tầng mặt (hoặc nước cất) có Nitrit (có thể kiểm tra qua phép thử định tính) thì phải thực hiện thí nghiệm trắng nhằm xác định "độ bẩn" của nó. Trong trường hợp này, các công thức xác định "độ bẩn" và xác định nồng độ Nitrit của mẫu nước có dạng tương tự như khi xác định Photphat. Nếu sử dụng nước cất để chuẩn bị dung dịch chuẩn thì kết quả tính toán phải có hiệu chỉnh theo độ muối. Số hiệu chỉnh này đã được tính sẵn và cho trong các bảng hải dương. 112 4.5. XÁC ĐỊNH NITRAT TRONG NƯỚC BIỂN 4.5.1. Phương pháp xác định Phương pháp thông dụng để xác định Nitrat (NO3-) trong nước biển là phương pháp Diphenilamin. Khi cho Diphelinamin {(C6H5)2NH} tác dụng với nước biển trong môi trường axit Sunfuric (H2SO4), nó sẽ bị Nirat có trong nước biển ôxi hoá và sản phẩm tạo ra là muối Hynoit-Ymol (một dẫn xuất của Hynoit Dipheni-benzidin) có màu tím xanh. Cường độ của màu tỷ lệ với nồng độ Nitrat trong nước. Quá trình oxi hoá Diphenilamin trong môi trường axit được mô tả như sau: HC CH H HC CH mất 2H+ 2 HC C N C CH ⎯⎯⎯⎯→ HC = CH HC = CH Môi trường H2SO4 (Diphelinamin (C6H5)2NH) HC - CH HC =CH H HC=CH HC CH HC C - N = C C C C = N - C CH HC=CH HC =CH H HC=CH HC=CH (Diphenibenzidin - không màu) mất tiếp 2H+ ⎯⎯⎯⎯→ Môi trường H2SO4 HC - CH HC =CH HC=CH H HC CH HC C - N = C C = C C = N - C CH HC=CH HC =CH HC=CH O HC=CH O = S =O Hynoit-Ymol - tím xanh OH 113 Nhiều công trình nghiên cứu bản chất các phản ứng ôxi hoá-khử cho rằng, sự ôxi hoá bởi chất ôxi hoá là Nitrat chỉ xảy ra khi môi trường có đủ lượng Clo. Bởi vậy rất có thể sự ôxi hoá Diphenilamin như đã mô tả không phải do chính Nitrat và axit Nitric (HNO3) mà do Clo tự do và axit Nitrit (HNO2) được tạo ra trong các phản ứng trung gian sau đây: HNO3 + 3HCl → NOCl + 2H2O + Cl2 NOCl + H2O → HCl + HNO2 Độ bền của màu tím xanh phụ thuộc vào tỷ số giữa Diphenilamin và Nitrat và phụ thuộc vào nồng độ axit Sunfuric có mặt trong phản ứng. Bởi vậy, tốt nhất là nên chọn dung dịch Diphenilamin và axit Sunfuric có nồng độ cao trong khi hàm lượng Nitrat của nước biển rất khác nhau. Thực nghiệm chứng tỏ rằng khi tỷ số đương lượng Nitrat trên đương lượng Diphenilamin càng gần đơn vị thì màu càng xanh; nếu Nitrat càng nhiều so với Diphenilamin thì màu càng tím xanh hơn. Tốc độ phá huỷ màu ngoài sự phụ thuộc vào lượng thừa Diphenilamin còn phụ thuộc vào nồng độ axit Sunfuric có trong hỗn hợp. Nếu nồng độ H2SO4 càng cao thì màu càng bền vững. Ở nhiệt độ càng cao, sự hiện màu càng sớm. Ví dụ ở 20oC màu tím xanh cực đại hiện ra sau 5-6 giờ, sau đó màu cứ xanh dần đi, ở 0oC màu đạt cực đại không sớm hơn sau hơn 20 giờ. Các chất ôxi hoá khác như Nitrit, Clorat, Bromat, Iodat, các Peoxyt và muối sắt đều có thể oxi hoá được Diphenilamin và cho màu xanh. Nhưng ở trong nước biển, chỉ Nitrit là có hàm lượng đáng kể hơn so với các chất nêu trên. Bởi vậy, phương pháp Diphenilamin cho ta khả năng xác định tổng nồng độ Nitrat và Nitrit của nước biển. Tuy nhiên, tốc độ ôxi hoá Diphenilamin bằng Nitrit lớn gấp nhiều lần so với ôxi hoá bằng Nirat. Cụ thể nếu ôxi hoá bằng Nitrit thì màu cực đại xuất hiện sau khoảng 15 phút, trong khi đó nếu ôxi hóa bằng Nitrat thì màu phát triển trong vòng vài giờ. Vì thế không nên tiến hành so màu quá sớm khi màu tím xanh do ôxi hoá bằng Nitrat chưa ổn định. Nếu so màu quá sớm thì có thể chỉ xác định được Nitrit là chính. 114 Ngoài phương pháp Diphenilamin xác định trực tiếp Nitrat như nêu trên, hiện nay phương pháp gián tiếp cũng đang được sử dụng rộng rãi trong hoá học biển. Nguyên tắc của phương pháp gián tiếp là khử toàn bộ Nitrát có trong mẫu nước cho đến Nitrít bằng cột Cadimi mạ đồng (phương pháp này ở đây không trình bày), sau đó xác định hàm lượng Nitrít của mẫu (phương pháp xác định Nitrit đã được trình bày ở mục 4.4). Như vậy, hàm lượng Nitrít (biểu diễn qua lượng Nitơ nguyên chất) trong trường hợp này chính là tổng hàm lượng Nitrat và Nitrít. Lấy tổng này trừ đi hàm lượng Nitrít thực của mẫu ta có hàm lượng Nitrat cần tìm. 4.5.2. Thiết bị và dụng cụ Cần phải lựa chọn cẩn thận bộ ống nghiệm bằng thuỷ tinh không màu, đường kính như nhau, có nút thuỷ tinh mài. Những ống nghiệm này dùng để chuẩn bị thang chuẩn và đựng mẫu nước phân tích (khoảng 20-30 chiếc). Ngoài ra cần phải có các loại Pipet, các bình đong, bình nhỏ giọt...và các dụng cụ thông thường khác. Các loại Pipet và bình đong phải có kiểm định. Với trường hợp xác định trực tiếp Nitrat bằng phương pháp Diphenilamin, việc so mầu được tiến hành theo cách nội suy bằng mắt tương tự xác định pH nên không cần sử dụng cặp ống trụ Hener. 4.5.3. Hoá chất Dung dịch Diphenilamin trong axit Sunfuric Lấy 1 gam Diphenilamin hoà với 100 ml H2SO4 đậm đặc (tỷ trọng 1,84). Sau đó lấy 100 ml nước cất cho vào bình đong có vạch ở 1 lít, cho tiếp vào đó 5 ml dung dịch Diphenilamin vừa chuẩn bị và rót thật cẩn thận axit Sunfuric đậm đặc vào đến vạch mức. Xáo trộn chúng bằng que khuấy thuỷ tinh. Sau khi dung dịch nguội, bổ sung tiếp axit cho đến vạch và lại xáo trộn chúng. Dung dịch Diphenilamin rất bền vững và có thể để lâu. Nếu dung dịch đã chuẩn bị có màu xanh nhạt đủ nhận biết thì chứng tỏ trong nó không có chất khử, nếu nó không màu (có chất khử) thì phải cải tạo lại nó. 115 Trước khi cải tạo phải kiểm tra định tính xem có thực sự cần cải tạo hay không? Phép kiểm tra định tính dựa vào màu của thang chuẩn mà ta chuẩn bị được với sự tham gia của Diphenilamin "bẩn" (cách điều chế thang chuẩn sẽ được nói ở phần sau). Nếu trong vòng 2-3 giờ, mọi dung dịch của thang chuẩn đều hiện màu thì Diphenilamin vẫn sử dụng được để xác định Nitrat. Nếu một hoặc một số nào đấy dung dịch của thang chuẩn ở phần nồng độ nhỏ không hiện màu thì phải thực sự cải tạo lại Diphenilamin. Để cải tạo lại dung dịch, phải dùng dung dịch KNO3 mới điều chế (0,7 gam KNO3 trong 1 lít nước cất). Thêm hoá chất này cho mỗi một 1 lít Diphenilamin một lượng đúng bằng lượng dung dịch chuẩn làm việc (cũng là KNO3) có ở cái chuẩn đầu tiên hiện màu của thang chuẩn (tính từ đầu yếu của thang). Ví dụ, ta đã điều chế được thang chuẩn là 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 v.v..., chuẩn đầu tiên hiện màu tính từ đầu yếu của thang là chuẩn trong đó có 1,5 ml dung dịch chuẩn làm việc, thì phải thêm 1,5 ml KNO3 mới điều chế cho mỗi một lít dung dịch Diphenilamin cần cải tạo. Dung dịch chuẩn chính Kali Nitrat (KNO3) Lấy 0,3610 gam KNO3 sạch, hoà tan trong 500 ml nước cất. Để bảo quản, phải thêm vào dung dịch 15-20 giọt Thuỷ ngân Clorua bão hoà (có thể thay bằng Clorofooc), nhưng sao cho thể tích của nó vẫn là 500 ml. Dung dịch chuẩn chính nhận được bằng cách pha chế như trên có nồng độ 100 mgN/l và có thể giữ được trong thời gian dài. Dung dịch chuẩn làm việc Lấy 1 ml chuẩn chính pha với nước cất thành 100 ml. Dung dịch này có nồng độ 1 mgN/l. Chỉ điều chế dung dịch chuẩn làm việc trong ngày làm việc. Dung dịch Natri Clorua 20% Lấy 20 gam NaCl sạch đã được kết tinh hoà với 80 ml nước cất. Dung dịch này nhằm để tạo ra cái "nền" Clo trong thang chuẩn (sẽ nói rõ ở mục điều chế thang chuẩn). 116 Dung dịch bão hoà Thuỷ ngân Clorua (HgCl2) Lấy 2,5 gam HgCl2 hoà với 100 ml nước cất. Khi dung dịch bão hoà thì HgCl2 còn lại sẽ lắng xuống đáy bình. Dung dịch này là chất độc mạnh đòi hỏi phải thật cẩn thận khi sử dụng, vận chuyển và bảo quản, bình chứa dung dịch phải có dán nhãn ghi chữ “Độc”. Đây là dung dịch dùng để bảo quản các dung dịch chuẩn và mẫu nước, tuy nhiên có thể thay thế nó bằng Clorofooc nếu không có HgCl2. Điều chế thang chuẩn Thang chuẩn được điều chế từ dung dịch chuẩn làm việc có nồng độ 1 mgN/l. Đong chính xác bằng Pipét cho vào các bình có vạch mức 100ml những lượng dung dịch chuẩn làm việc như sau: 0.5; 1.0; 1.5; 2.0; 3.0; 4.0; 5.0; 6.0; 7.0; 8.0 và 10 ml. Pipet phải được tráng bằng dung dịch chuẩn làm việc trước khi lấy nó. Sau đó cho tiếp vào các bình này một lượng dung dịch NaCl 20% thích hợp, lượng này phải tương ứng với độ muối của mẫu nước nghiên cứu. Ví dụ khi độ muối của mẫu nước là 10-12%o thì phải thêm 5 ml NaCl 20%, nếu độ muối là 32- 35 %o thì phải thêm 16 ml... Trong trường hợp loạt mẫu nước lấy lên có độ muối gần nhau thì tất cả các chuẩn của thang đều được thêm cùng một lượng NaCl 20% tương ứng với độ muối của mẫu. Nếu mẫu nước lấy từ biển lên được phân tích ngay, nghĩa là mẫu không cần phải bảo quản thì các chuẩn lúc này cũng không cần phải thêm các hoá chất bảo quản, mà bổ sung ngay nước cất cho đến vạch mức 100. Trường hợp mẫu nước không được phân tích ngay (do các điều kiện khách quan) thì mẫu phải được bảo quản bằng Clorua thuỷ ngân hoặc Clorofooc (xem mục 4.5.4), lúc này bắt buộc các chuẩn cũng phải được bảo quản bằng chính các hoá chất đã bảo quản mẫu nước. Cụ thể là, nhỏ vào mỗi một bình của thang chuẩn 3-4 giọt dung dịch HgCl2 bão hoà (hoặc Clorofooc) sau đó bổ sung nước cất vào cho đến vạch mức 100. Trong cả hai trường hợp, sau khi bổ sung nước cất cần khuấy trộn đều dung dịch cẩn thận bằng cách đảo lắc. Thang chuẩn được chuẩn bị như trên sẽ có nồng độ tương ứng là 5, 10, 15, 117 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 100 μgN/l. Khi phải chuẩn bị thang chuẩn có nồng độ cao từ 500 μg N/l trở lên thì có thể điều chế nó trực tiếp từ dung dịch chuẩn chính. Thang chuẩn chỉ chuẩn bị trong ngày làm việc, không sử dụng nó ở ngày hôm sau. 4.5.4. Lấy và bảo quản mẫu nước Lấy mẫu để xác định Nitrát tương tự như lấy mẫu để xác định Phôtphat và Silic. Mẫu được phân tích càng sớm càng tốt. Nếu không phân tích được ngay trong vòng 6 giờ kể từ khi lấy mẫu thì phải bảo quản mẫu bằng cách thêm 3-4 giọt Clorua thuỷ ngân bão hoà (hoặc Clorofooc) cho 100 ml mẫu. 4.5.5. Quá trình xác định Bắt đầu một ngày làm việc, ta chuẩn bị dung dịch chuẩn làm việc và thang chuẩn như đã mô tả. Tiếp đó chuẩn bị loạt mẫu nước phân tích với số lượng thích hợp. Tạo mầu cho chuẩn và mẫu Đong thật chính xác 2 ml mỗi một chuẩn của thang chuẩn (kể từ nồng độ nhỏ đến lớn) và cho lần lượt vào các ống nghiệm sạch khô. Pipet phải được tráng 2 lần bằng chính chuẩn cần lấy. Sau đó đong 2 ml mỗi mẫu nước cần phân tích cho lần lượt vào các ống nghiệm sạch và khô khác (Pipet cũng phải được tráng bằng chính mẫu nước cần lấy). Tất cả các ống nghiệm phải hoàn toàn như nhau và để tránh nhầm lẫn, chúng phải được đánh số tương ứng với các chuẩn và số hiệu các mẫu. Thật cẩn thận, thêm tiếp 5 ml Diphenilamin vào tất cả các ống nghiệm có dung dịch chuẩn và mẫu nước. Khuấy trộn hỗn hợp trong các ống nghiệm bằng que thuỷ tinh lần lượt từ nồng độ nhỏ đến lớn. Trước đó que khuấy phải luôn luôn được giữ trong ống nghiệm có đầy axit Sunfuric 3:2 (60 ml H2SO4 đậm đặc hoà với 40 ml H2O). Nên chuẩn bị cả chuẩn số "0" vào một ống nghiệm mà ở đó chỉ có 2 ml nước cất và 5 ml Diphenilamin. Chuẩn số "0" dùng để xác lập hiệu chỉnh "độ bẩn" của hoá chất Diphenilamin. 118 Sau đó một thời gian (vài tiếng), màu tím xanh Hynoit- Ymol trong các ống nghiệm sẽ hiện lên. Cũng tại thời điểm này có thể biết được có cần phải cải tạo lại Diphenilamin hay không? Nếu phải cải tạo lại hoá chất thì toàn bộ công việc tạo mầu cho chuẩn và mẫu phải làm lại từ đầu với sự tham gia của dung dịch Diphenilamin mới. Cường độ màu đủ để so màu ở 18-20oC được phát triển trong 2-3 giờ và ổn định trong khoảng 2 giờ tiếp theo. Các dung dịch có nồng độ Nitrat lớn thì màu phát triển nhanh hơn và có thể so màu chúng sau 2 giờ kể từ khi tạo màu. Những dung dịch có nồng độ Nitrat nhỏ thì phải sau 3 giờ mới nên so màu. Không nên so màu sau 4 giờ và lâu hơn, vì lúc này màu bị phá huỷ dần. Với thời gian hiện màu như trên đủ để nhiệt độ của mẫu và chuẩn như nhau. So màu của mẫu với chuẩn Việc so màu được tiến hành qua phép nội suy bằng mắt hoặc nhờ các thiết bị so màu như máy so màu quang điện, phổ quang kế... Khi so màu bằng mắt, ống nghiệm có nước nghiên cứu được đặt giữa hai ống nghiệm chuẩn có màu gần nhất (giống như khi xác định pH). Đáp số được giải quyết bằng phép nội suy. Ghi kết quả nội suy vào sổ chuyên môn. 4.5.6. Tính toán kết quả Kết quả so mầu bằng phép nội suy như đã mô tả (hoặc so màu trên các thiết bị so màu) được chấp nhận làm kết quả phân tích Nitrát của mẫu nước. Tuy nhiên cần chú ý là phương pháp Diphenilamin cho khả năng xác định tổng nồng độ Nitrat và Nitrit nếu tiến hành so màu quá sớm. Vì vậy, kết quả cuối cùng nhận được có thể phải hiệu chỉnh theo sự có mặt của Nitrit trong mẫu. 4.5.7. Chú ý Toàn bộ công việc xác định Nitrat phải tuân theo đúng quy trình đã chỉ dẫn, việc đong đo phải thật chính xác, dụng cụ và hoá chất phải thật sạch sẽ. Các ống nghiệm để chứa dung dịch của thang chuẩn và mẫu nước cần được rửa cận thận bằng axit Sunfuric đặc (ngâm trong axit từ 5-6 ngày), sau đó sấy khô. Nếu 119 không có máy sấy, các ống nghiệm phải được đổ đầy axit giữa hai lần xác định loạt mẫu. 4.6. SỬ DỤNG THIẾT BỊ SO MÀU XÁC ĐỊNH CÁC HỢP PHẦN DINH DƯỠNG TRONG NƯỚC BIỂN 4.6.1. Nguyên tắc chung Như đã nêu ở mục 4.1, hiện nay Hoá học biển đang sử dụng rộng rãi các máy và thiết bị so màu (như máy so màu quang điện, phổ quang kế...). Đó là các phương tiện trợ giúp cho người phân tích làm việc đạt hiệu quả cao hơn. Phần này giới thiệu những nét cơ bản nhất về máy so màu quang điện (với phổ quang kế và các thiết bị so màu hiện đại khác có thể tìm được trong các tài liệu chuyên môn tại các phòng thí nghiệm). Bộ phận quan trọng của máy so màu quang điện là tế bào quang điện. Nó có nhiệm vụ đóng mạch điện khi có ánh sáng chiếu vào. Cường độ dòng điện qua mạch (thể hiện trên đồng hồ đo) tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện. Kèm theo máy còn có những Cuvet và kính lọc. Cuvet là một cốc thuỷ tinh trong suốt (thường có dạng hình hộp hoặc dạng trụ) dùng để chứa dung dịch khi so màu. Kính lọc sáng có nhiệm vụ thay đổi cường độ ánh sáng chiếu vào dung dịch đựng trong Cuvet. Theo định luật cơ bản của quang học, ánh sáng chiếu vào một vật thể trong suốt sẽ được phân tích thành các thành phần phản xạ, hấp thụ và truyền qua. Những thành phần này có mối liên hệ theo định luật bảo toàn là: Io = IP + Ih + It (4.9) Trong đó Io là cường độ dòng ánh sáng tới (nguồn sáng), IP- phản xạ ở bề mặt vật thể, Ih -vật thể hấp thụ, It - truyền qua vật thể. Do nguồn sáng của máy là cố định, mặt khác khi làm việc với máy so màu quang điện, người ta luôn dùng một loại Cuvet nên dòng phản xạ ở mặt Cuvet cũng là cố định, đã dẫn đến điều là các dòng Io và IP không liên quan đến sự biến đổi của Ih và It. Từ đó suy ra cường độ dòng truyền qua It chỉ phụ thuộc (tỷ lệ 120 nghịch) vào cường độ dòng hấp thụ Ih. Khi dòng truyền qua It chiếu vào tế bào quang điện, mạch điện được nối liền. Cường độ dòng điện trên mạch phụ thuộc vào cường độ dòng It và do vậy nó cũng phụ thuộc vào cường độ dòng Ih. Ở máy so màu quang điện, vật thể được chiếu sáng chính là Cuvet có chứa dung dịch đã hiện màu. Khi ánh sáng đi qua lớp dung dịch, nó sẽ bị hấp thụ một phần (Ih) - phần này tỷ lệ với cường độ màu của dung dịch, nghĩa là tỷ lệ với nồng độ chất tan trong dung dịch, phần còn lại (It) được đưa tới tế bào quang điện. Những bộ phận khác nhau của máy có nhiệm vụ biến It (cũng có nghĩa là biến Ih) thành tín hiệu và thể hiện trên một đồng hồ. Giá trị mà đồng hồ biểu diễn gọi là "mật độ quang học của dung dịch". Hiển nhiên, mật độ quang học của dung dịch tỷ lệ với nồng độ của nó. Trong trường hợp nồng độ dung dịch quá nhỏ, tức là dòng hấp thụ Ih nhỏ thì dòng ánh sáng truyền qua It có thể xấp xỉ bằng dòng ánh sáng tới Io. It lớn như vậy có thể làm cho tế bào quang điện "quá tải". Trường hợp này phải sử dụng kính lọc để giảm bớt Io, cũng có nghĩa là giảm bớt It. Nếu đo được mật độ quang học của dung dịch cần phân tích nồng độ, so sánh với mật độ quang học của dung dịch chuẩn (đã biết trước nồng độ) ta có thể dễ dàng xác định được nồng độ của dung dịch cần phân tích. Sử dụng máy so màu quang điện để xác định nồng độ các nguyên tố vi lượng trong nước biển rất tiện lợi. Nó có thể xác định nhanh chóng nồng độ của dung dịch, số lượng mẫu phân tích trong mỗi loạt mẫu cũng nhiều gấp bội so với việc so màu bằng các ống trụ Hener. Thêm vào đó, những sai sót chủ quan của người phân tích cũng bị loại trừ. 4.6.2. Quá trình xác định Chuẩn bị loạt mẫu, điều chế thang chuẩn và tạo màu cho chúng Các quá trình này được thực hiện như đã mô tả khi xác định Phôtphat, Silic, Nitrit, Nitrat bằng phương pháp so màu bằng mắt. Chỉ khác là do tốc độ so màu trên máy nhanh hơn nhiều so với so màu trên ống trụ Hener nên số lượng 121 mẫu của mỗi loạt cũng cần phải chuẩn bị nhiều hơn để đủ phân tích trong thời gian ổn định màu, số lượng dung dịch chuẩn của thang chuẩn cần ít hơn. Khi màu của chuẩn và mẫu ổn định thì có thể bắt đầu so màu trên máy. Đo mật độ quang học của các dung dịch chuẩn Trước khi đo mật độ quang học của các chuẩn, cần kiểm tra nguồn điện và các bộ phận của máy cẩn thận. Trường hợp máy chạy "không tải" mà kim đồng hồ không chỉ đúng vạch số "0", ta cần chỉnh lại vị trí của kim bằng một số nút chức năng của máy. Sau khi đã kiểm tra máy an toàn và nhận thấy màu của chuẩn và mẫu đã ổn định, ta rót một dung dịch chuẩn vào Cuvet và đặt Cuvet này vào vị trí trên máy, bật công tắc máy, ghi số đọc mật độ quang học trên đồng hồ và tắt máy. Làm lại lần nữa để lấy số đọc trung bình. Rửa sạch Cuvet và tiếp tục đo mật độ quang học của dung dịch chuẩn khác. Đo mật độ quang học của mẫu nước Quá trình được thực hiện như khi đo mật độ quang học các dung dịch chuẩn. Cần chú ý rằng khi đo mật độ quang học của chuẩn mà dùng Cuvet và kính lọc nào thì khi đo cho mẫu cũng phải dùng chính Cuvet và kính lọc đó. Tốt hơn là không nên nhấc kính lọc ra khỏi vị trí ban đầu trong suốt quá trình xác định. 4.6.3. Tính toán kết quả Xây dựng tương quan chuẩn D-C Ở đây D là mật độ quang học của dung dịch chuẩn và C là nồng độ của nó. Trên mặt phẳng toạ độ D-C (trục tung là D, trục hoành là C), ta xác định những điểm có toạ độ D, C tương ứng theo số liệu đo mật độ quang học của các dung dịch chuẩn. Kẻ đường thẳng trung bình qua các điểm đó ta có đường chuẩn D-C. Về mặt lý thuyết, quan hệ D-C là tuyến tính bậc nhất (đường thẳng), do vậy chỉ cần hai cặp số liệu D-C là ta có được đường thẳng chuẩn và đường chuẩn này sẽ đi qua mọi điểm có toạ độ D-C khác nhau. Nhưng do những sai số ngẫu 122 nhiên nên các điểm không nằm trên đường thẳng. Vì vậy ta cần phải có nhiều cặp số liệu D-C và thay cho việc kẻ đường thẳng trung bình qua các điểm, ta sẽ xác định đường chuẩn bằng phương pháp hồi quy tuyến tính bậc nhất. Phương trình biểu diễn tương quan D-C có dạng: D = a.C + b (4.10) Trong đó a, b là các hệ số tương quan. Đường thẳng xây dựng từ phương trình tương quan 4.10 chính là đường chuẩn D-C trung bình. Vì mỗi một loạt mẫu có một thang chuẩn riêng, nghĩa là có một đường chuẩn D-C riêng nên không đuợc sử dụng đường chuẩn của loạt mẫu này cho loạt mẫu khác và ngược lại. Tính nồng độ chất tan của mẫu nước Từ giá trị đo mật độ quang học của mẫu nước, căn cứ vào đường chuẩn D- C của loạt mẫu đó (hoặc phương trình hồi quy 4.10) dễ dàng tìm được nồng độ chất tan của mẫu. Đường chuẩn D-C được coi như toán đồ cho loạt mẫu. Tính các số hiệu chỉnh Để tìm được số hiệu chỉnh "độ bẩn" của hoá chất, nước cất và nước biển không có yếu tố xác định, ta phải làm thí nghiệm trắng. Thí nghiệm trắng được thực hiện bằng việc đo mật độ quang học của nước cất đã có hoá chất đặc trưng, hoặc "nước biển sạch" đã có hoá chất đặc trưng. Từ đường chuẩn hoặc phương trình tương quan, dễ dàng xác định được "độ bẩn" của các đối tượng trên. 4.6.4. Thứ tự công việc Bước 1: Chuẩn bị loạt mẫu và điều chế thang chuẩn. Cần chuẩn bị cả chuẩn số “0” để xác định các số hiệu chỉnh. Bước 2: Tạo mầu cho thang chuẩn và mẫu. Cả hai bước này được thực hiện như đã mô tả ở các mục trước. Bước 3: Khi màu của chuẩn và mẫu đã ổn định thì tiến hành đo mật độ 123 quang học cho từng dung dịch chuẩn và từng mẫu của loạt mẫu đã chuẩn bị. Ghi kết quả đo vào sổ chuyên môn. Bước 4: Lặp lại từ bước 1 cho loạt mẫu khác và thang chuẩn khác. Bước 5: Việc tính toán kết quả được thực hiện sau khi phân tích hết loạt mẫu hoặc sau ngày làm việc. Cần đặc biệt chú ý là mỗi một loạt mẫu đều có thang chuẩn riêng của nó nên không được sử dụng tương quan D-C của loạt mẫu này cho loạt mẫu khác. 4.7. XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC BIỂN QUA NHU CẦU ÔXY HOÁ HỌC (COD) 4.7.1. Giới thiệu chung Trong nước biển có tồn tại những hợp phần vô sinh có khả năng tiêu thụ khí Ôxy hoà tan bằng các phản ứng hoá học. Nguồn gốc và hàm lượng những hợp phần này trong nước biển rất khác nhau, bản chất và tính chất hoá học của chúng cũng rất khác nhau và còn ít được nghiên cứu. Chẳng hạn, theo quan hệ hoá học giữa chúng với Ôxy hoặc một số chất khác thì đại đa số trong chúng có tính khử, một số lại có tính ôxy hoá. Tuy nhiên, dù mang đặc trưng nào thì những hợp phần này cũng vẫn có khả năng tiêu thụ một lượng Ôxy hoà tan trong nước biển. Tập hợp những chất và hợp chất có khả năng tiêu thụ Ôxy hoà tan như trên tạo nên "nhu cầu ôxy hoá học" của nước biển (tức là khả năng tiêu thụ Ôxy trong các phản ứng ôxy hoá khử xảy ra trong nước), ký hiệu là COD (Chemical Oxygen Demand). Những hợp phần có khả năng tiêu thụ Ôxy trong nước biển bằng con đường hoá học như đã nêu thường có nguồn gốc là các chất hữu cơ, chủ yếu là những hợp chất phức tạp và đa dạng của Cacbon. Như vậy, nhu cầu ôxy hoá học của nước biển được tạo nên chủ yếu do hợp phần chất hữu cơ có mặt trong nước. Do đó có thể dùng COD để đặc trưng định lượng cho hàm lượng của hợp phần này. Tuy nhiên vì đại đa số các chất hữu có có trong nước biển đều mang đặc trưng khử nên COD của nước biển chủ yếu đặc trưng cho khả năng tiêu thụ Ôxy hoà tan trong quá trình ôxy hoá các chất hữu. Với ý nghĩa đó, COD của nước biển 124 được gọi là "độ ôxy hoá của nước biển". Nguồn cung cấp các chất hữu cơ cho nước biển chủ yếu là do quá trình phân huỷ tàn tích hữu cơ và các sản phẩm của quá trình hoạt động sống của động thực vật biển, các xác động thực vật chết... Ngoài ra, chất hữu cơ còn được cung cấp từ các dòng lục địa, từ nguồn nước thải của công nghiệp và sinh hoạt (đặc biệt là công nghiệp chế biến cá, giấy và dầu lửa). Chính vì vậy, COD của nước biển còn được coi là một chỉ tiêu của ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu COD của nước biển cũng có nghĩa là nghiên cứu lượng chất hữu cơ trong biển, đó là một thông số quan trọng trong việc tính toán chu trình chuyển hoá vật chất và năng lượng trong hệ sinh thái biển. 4.7.2. Phương pháp xác định COD nước biển Để ôxy hoá được hết các chất hữu cơ có trong 1 thể tích nước biển, người ta cho thể tích nước biển ấy tác dụng với một chất ôxy hoá hoạt động hoá học cao. Trị số "nhu cầu ôxy hoá học" của nước biển được xác định bằng lượng chất ôxy hoá đã tiêu thụ trong quá trình này và biểu diễn bằng số miligam Ôxy của chất ôxy hoá đó. Phương pháp xác định COD của nước biển theo nguyên tắc trên đã được B. A. Skopinshev đề xuất năm 1948-1950 với nội dung "ôxy hoá nước biển bằng Kali Pemanganat" (còn gọi là phương pháp Skopinshev). Về nguyên tắc, khi cho KMnO4 tác dụng với các chất hữu cơ (trong nước biển) thì Mangan hoá trị 7 có thể chuyển thành hoá trị 4, 3 hoặc 2 tuỳ thuộc vào điều kiện của môi trường xảy ra phản ứng là axít, trung tính hay kiềm. Mn+7 + 3e- → Mn+4 + e- → Mn+3 + e- → Mn+2 Cụ thể, nếu môi trường là axít tính (có nhiều H+) thì Mangan7 của KMnO4 sẽ chuyển thành Mangan2. Ví dụ phản ứng giữa KMnO4 và chất hữu cơ là axít Oxalic H2C2O4 xảy ra trong môi trường axit như sau: 2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4 → K2SO4+2MnSO4+8H2O+10CO2 Hoặc viết ở dạng ion là: 125 2(MnO4)- + 5(C2O4)-2 + 16H+ → 2Mn+2 + 8H2O Nhưng không thể sử dụng môi trường axit để xác định COD của nước biển, vì trong điều kiện như vậy các muối Clorua vốn có rất nhiều trong nước biển cũng bị ôxy hoá và giải phóng Clo và do vậy sẽ tiêu hao thêm một lượng KMnO4. Bởi vậy, nếu hàm lượng Clo trong mẫu nước lớn hơn 0,3%o (ngưỡng này còn nhỏ hơn nhiều so với độ Clo của nước biển) thì để xác định COD của mẫu, chỉ có thể sử dụng môi trường là trung tính hoặc kiềm yếu. Môi trường nước biển hoàn toàn thoả mãn điều kiện này vì pH của nước biển chỉ dao động trong khoảng hẹp 7,6 đến 8,4. Trong môi trường trung tính (hoặc kiềm yếu), phản ứng giữa Kali Pemanganat và chất khử hữu cơ có trong nước (ví dụ như H2C2O4) xảy ra như sau: 2KMnO4 + 3H2C2O4 → 2MnO2 + K2CO3 + 5CO2 + 3H2O (4.I) Ở phản ứng này : Mn+7 + 3e- = Mn+4 Để xác định lượng KMnO4 đã chi dùng cho phản ứng ôxy hoá-khử các chất khử hữu cơ của một thể tích nước biển, đầu tiên người ta đưa vào thể tích ấy một lượng xác định dung dịch KMnO4 có nồng độ biết trước, gọi là lượng ban đầu (phải có dư). Sau khi phản ứng ôxy hoá-khử xảy ra hoàn toàn (tăng tốc độ của phản ứng bằng cách đun sôi hỗn hợp), người ta xác định lượng KMnO4 còn lại. Hiệu của lượng KMnO4 ban đầu với lượng còn lại sẽ là kết quả cần tìm. Phương pháp tốt nhất để xác định lượng KMnO4 còn lại là phương pháp chuẩn độ Iôt. Nếu cho lượng KMnO4 còn lại tác dụng với KI trong môi trường axit thì Iôt được giải phóng. Phương trình phản ứng là: 2KMnO4 + 10 KI + 8 H2SO4 = 6K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O + 5I2 (4.II) Xác định được lượng Iốt tự do này cũng có nghĩa là xác định được lượng KMnO4 còn lại. Lượng Iôt kể trên được xác định bằng việc chuẩn độ hỗn hợp ở phản ứng 4.II bằng dung dịch Thyosunfit có nồng độ biết trước, giống như khi xác định Ôxy hoà tan (xem mục 2.1 chương 2). Thể tích dung dịch Thyosunfit 126 tiêu hao trong quá trình này tương quan với lượng Iốt tự do ở phản ứng 4.II và do đó tương quan với lượng KMnO4 còn lại. Để việc tính toán đơn giản, lượng KMnO4 ban đầu đưa vào mẫu cũng được xác định tương quan với thể tích dung dịch Thyosunfit (sẽ được nói rõ ở mục 4.7.6 chương này). Do vậy, hiệu số giữa lượng dung dịch Thyosunfit tương quan với lượng KMnO4 ban đầu và lượng dung dịch Thyosunfit tương quan với lượng KMnO4 còn lại, sẽ tỷ lệ với lượng KMnO4 đã chi dùng để ôxy hoá hết các chất hữu cơ của mẫu nước. Số miligam Ôxy có trong lượng KMnO4 đã tiêu hao trong quá trình này định lượng cho COD của mẫu nước. 4.7.3. Dụng cụ và thiết bị - Biuret dung tích 25 ml, tốt nhất là dùng loại tự động xác lập vạch số "0". Biuret phải có kiểm định kèm theo. Có thể dùng Biuret phân tích Ôxy hoà tan. - Pipet tự động 10 ml (1 chiếc), Pipet 100, 50 ml (mỗi loại 1 chiếc), Pipet 1ml (1 chiếc). Các Pipet cũng phải có kiểm định. - Bình tam giác 250 ml, nút có đánh số (6 chiếc). - Ống làm lạnh dùng để làm lạnh mẫu sau khi đun sôi (6 chiếc). Dạng của ống như mô tả trên hình 4.3. Hình 4.3: Bình tam giác và thiết bị làm lạnh 127 - Lò đun điện hoặc đèn cồn, bếp dầu. - Các chai lọ và dụng cụ thông thường khác. 4.7. 4. Hoá chất Dung dịch 0,02N Natri Thyosunfit (Na2S2O3) Dung dịch này cùng các dung dịch chuẩn để xác định hệ số hiệu chỉnh độ chuẩn cho nó (như K2Cr2O7 0,02N hoặc KH(IO3)2 0,02N...) và dung dịch tinh bột để chỉ thị màu được chuẩn bị như ở phần xác định Ôxy hoà tan (xem mục 2.1, chưong 2). Dung dịch 0,02N Kali Pemanganat Lấy thật chính xác 0,32 gam tinh thể KMnO4 hoà với một lít nước cất, như vậy 1 ml dung dịch có 0,16 mgO2. Trước khi sử dụng phải để bất động dung dịch trong bóng tối 10 ngày, sau đó thận trọng gạt bỏ cặn màu sáng. Dung dịch được bảo quản trong bình xẫm màu. Dung dịch Axit Sunfuric 1:3 Lấy 25 ml H2SO4 đậm đặc (tỷ trọng 1,84) hoà với 75 ml nước cất, cho thêm vào đó vài giọt KMnO4 để làm sạch chất khử. Yêu cầu dung dịch phải có màu hồng nhạt ổn định. Muối Kali Iotua (KI) kết tinh Cân sẵn và gói thành nhiều gói, mỗi gói 0,5 gam và bảo quản nó ở chỗ kín. Có thể sử dụng ngay dung dịch KI 10% để thay cho các gói KI này. 4.7.5. Lấy và bảo quản mẫu nước Lọ lấy mẫu nước biển để xác định COD cần phải sạch và có nút kín. Trước khi lấy mẫu phải tráng lọ 2-3 lần bằng chính nước cần lấy. Việc xác định phải càng sớm càng tốt và không nên để quá một ngày đêm. 4.7.6. Qúa trình xác định Kiểm tra độ chuẩn dung dịch Thyosunfit 128 Công việc này phải thực hiện mỗi ngày một lần trước lúc xác định COD. Quá trình kiểm tra độ chuẩn và xác định hệ số hiệu chỉnh độ chuẩn của dung dịch Thyosunfit được thực hiện như khi xác định Ôxy hoà tan (xem mục 2.1, chương 2). Xác định tương quan Thyosunfit - Kali Pemanganat Về nguyên tắc, ta đã biết trước lượng KMnO4 ban đầu đưa vào mẫu. Nhưng vì lượng KMnO4 còn lại được xác định theo thể tích Thyosunfit nên để cho đơn giản việc tính toán kết quả, lượng KMnO4 ban đầu cũng được xác định theo thể tích Thyosunfit (xem phần phương pháp xác định). Công việc này phải được thực hiện mỗi ngày một lần trước lúc xác định COD của loạt mẫu nước. Cho vào bình tam giác 0,5 gam KI kết tinh (hoặc 5 ml dung dịch KI 10%), 100 ml nước cất và 2 ml H2SO4 1:3. Sau đó dùng Pipet đã kiểm định (tốt nhất là loại tự động) lấy thật chính xác 10 ml dung dịch 0,02N KMnO4 cho tiếp vào bình tam giác. Khi đó phản ứng 4.II giải phóng Iốt xảy ra. Dùng Thyosunfit đã kiểm tra nồng độ để chuẩn độ hỗn hợp kể trên. Trong quá trình chuẩn độ không ngừng đảo lắc bình để hoà trộn hỗn hợp. Trước khi gần kết thúc, cho vào hỗn hợp đang bị chuẩn độ 1 ml dung dịch tinh bột, chất lỏng sẽ có màu xanh lam. Tiếp tục chuẩn độ hỗn hợp thật cẩn thận cho đến mất màu hoàn toàn. Ghi số đọc trên Biuret vào sổ chuyên môn. Xác định COD của mẫu nước Lấy chính xác 100 ml mẫu nước (bằng Pipet 100ml) và 10 ml dung dịch 0,02N KMnO4 cho vào bình tam giác, cổ bình được đậy bằng ống làm lạnh có vòng đệm thuỷ tinh (hình 4.3). Đun sôi hỗn hợp để tăng tốc độ phản ứng, thời gian sôi đúng 10 phút. Như vậy phản ứng 4.I ôxy hoá các chất hữu cơ trong mẫu đã xảy ra hoàn toàn. Sau đó làm nguội hỗn hợp đúng 30 phút trong chậu làm lạnh cho đến nhiệt độ phòng. Mẫu nước sau khi làm nguội sẽ có màu tím hồng hoặc tím xanh. Khi đó, tất cả các chất khử hữu cơ có trong mẫu nước đều bị Kali Pemanganat ôxy hoá hết. Bây giờ ta cần xác định lượng KMnO4 còn lại. 129 Ngay sau khi làm nguội, người ta cho vào mẫu một gói KI (0,5 gam) đã cân sẵn và 5 ml dung dịch H2SO4 1:3. Khi đó lượng KMnO4 còn lại sẽ phản ứng vói KI trong môi trường axit để giải phóng Iôt như đã thấy ở phản ứng 4.II. Ngay lập tức chuẩn độ hỗn hợp này bằng dung dịch Thyosunfit đã kiểm tra độ chuẩn và đã xác định tương quan, cho đến khi hỗn hợp có màu vàng nhạt thì cho vào đó 1 ml dung dịch tinh bột, dung dịch sẽ có màu xanh lam. Tiếp tục chuẩn độ hỗn hợp đến không màu. Ghi số đọc trên Biuret vào sổ. Nếu sau khi làm nguội, mẫu có màu nâu hung chứng tỏ hàm lượng chất hữu cơ trong mẫu lớn hơn dự đoán, đến nỗi lượng 10 ml dung dịch KMnO4 0,02N đưa vào mẫu không đủ để ôxy hoá chúng. Cần phải làm lại với qui mô lớn hơn: lấy chính xác 50 ml mẫu cùng 50 ml nước cất cho vào bình tam giác (chứ không phải lấy 100 ml mẫu nữa). Lượng các hoá chất khác đưa vào mẫu và quá trình chuẩn độ hoàn toàn như đã mô tả. Vì trong nước cất cũng có thể chứa chất hữu cơ nên cần phải làm thí nghiệm kiểm tra, trong đó coi nước cất như nước mẫu và ta cũng xác định "COD của nước cất" như đối với mẫu. Để phép xác định COD được chính xác, cần tuân thủ những điểm sau: - Bình tam giác phải được rửa thật kỹ và trước mỗi lần dùng phải được tráng cẩn thận bằng nước cất. - Bếp phải có lưới sắt để đáy bình nóng đều và phải điều chỉnh được sao cho trong vòng 3-5 phút kể từ khi bắt đầu đun thì mẫu nước sôi, trong khi nước sôi ngọn lửa không nên quá mạnh để tránh nước bắn tung lên. Thời điểm sôi được tính từ khi bắt đầu xuất hiện các bóng hơi. Thời điểm này cần được ghi lại và phải theo dõi đồng hồ để đúng 10 phút sau khi sôi thì bắt đầu làm lạnh mẫu. Thời gian làm lạnh 30 phút. 4.7.7. Tính toán kết quả Độ ôxy hoá của nước biển được tính theo công thức sau: 130 V KNbalmgOCOD 1000..)..(8)/( 2 −= (4.11) Trong đó, 8 là trọng lượng đương lượng của Ôxy; a- thể tích dung dịch Thyosunfit đã sử dụng trong phép xác định tương quan; b- thể tích dung dịch Thyosunfit sử dụng khi chuẩn độ mẫu nước; N- độ chuẩn của dung dịch Thyosunfit; K- hệ số hiệu chỉnh độ chuẩn; V - thể tích mẫu nước lấy để phân tích. 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH 1. Đoàn Bộ,1990, Giáo trình Hoá học nước tự nhiên. NXB Đại học Tổng hợp Hà Nội, 149 tr. 2. Lưu Văn Diệu, 1996, Nghiên cứu đặc điểm thuỷ hoá và chất lượng nước vùng biển ven bờ Quảng Ninh-Hải Phòng (từ vịnh Hạ Long đến bán đảo Đồ Sơn). Luận án PTS, ĐHTH Hà Nội, 158 tr.