Luận văn Tính chất peroxidaza của phức Ni2 + - HCO3 - - Lumomagnezon

ña c¸c qu¸ tr×nh xóc t¸c , phøc chÊt trung gian ho¹t ®éng, b¶n chÊt ho¸ häc cña c¸c chÊt ph¶n øng, ®iÒu kiÖn tiÕn hµnh qu¸ tr×nh ... + Tuy O2, H2O2 cã vai trß quan träng trong c¸c ph¶n øng sinh häc, trong tù nhiªn vµ lµ c¸c chÊt oxy ho¸ lý t­ëng ®èi víi c¸c qu¸ tr×nh c«ng nghÖ: thuÇn khiÕt vÒ mÆt sinh th¸i vµ rÎ, cã thÓ thay thÕ c¸c chÊt oxy ho¸ m¹nh, ®éc h¹i vµ ®¾t tiÒn, c¶i tiÕn , ®æi míi c¸c qu¸ tr×nh c«ng nghÖ hiÖn hµnh nh­ng viÖc sö dông O2, H2O2 cho môc ®Ých trªn cßn bÞ h¹n chÕ do kh¶ n¨ng ph¶n øng cña O2, H2O2 cßn thÊp (tr¬ vÒ mÆt ®éng häc) cÇn ph¶i ®­îc ho¹t ho¸ b»ng nhiÒu c¸ch kh¸c nhau: nhiÖt, quang, mµ quan träng h¬n c¶ lµ b»ng phøc chÊt xóc t¸c thÝch hîp. MÆt kh¸c, c¸c qu¸ tr×nh xóc t¸c ®ång thÓ oxy ho¸ khö víi sù tham gia cña O2, H2O2 ®­îc xóc t¸c b»ng phøc chÊt nhÊt lµ phøc chÊt ®a nh©n cã thÓ diÔn ra theo c¸c c¬ chÕ kh¸c nhau, trong ®ã h»ng sè t¹o phøc 40 trung gian ho¹t ®éng, h»ng sè c¸c ph¶n øng giai ®o¹n, phÇn nhiÒu ch­a biÕt ®­îc g©y khã kh¨n cho viÖc ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh diÔn ra theo chiÒu h­íng cã lîi theo ý muèn. + Chu tr×nh oxy ho¸ khö thuËn nghÞch lµ mét bé phËn hîp thµnh cña c¬ chÕ qu¸ tr×nh xóc t¸c oxy ho¸ khö b»ng phøc chÊt, ®ång thêi còng lµ nguån ph¸t sinh gèc tù do OH* - t¸c nh©n oxy ho¸ m¹nh. Do ®ã ph¸t hiÖn sù tån t¹i cña chu tr×nh nµy kh«ng chØ cÇn cho thiÕt lËp c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh mµ cßn cã thÓ t¨ng møc ®é thuËn nghÞch, nghÜa lµ t¨ng tÝnh hiÖu qu¶ cña chu tr×nh nhê phôc håi nhanh d¹ng ho¹t ®éng cña phøc chÊt xóc t¸c . + Xóc t¸c ®ång thÓ oxy ho¸ khö b»ng phøc chÊt ion c¸c kim lo¹i chuyÓn tiÕp lµ lÜnh vùc cña ho¸ häc hiÖn ®¹i thu hót ®­îc sù quan t©m nghiªn cøu cña c¸c nhµ khoa häc vµ ®· ®¹t ®­îc nh÷ng thµnh tùu ®¸ng kÓ trªn c¶ hai mÆt lý thuyÕt vµ øng dông thùc tiÔn. Tuy nhiªn, tÝnh phøc t¹p, ®a d¹ng cña c¸c ®èi t­îng nghiªn cøu vµ c¸c nguyªn nh©n ®· ®­îc ph©n tÝch ë trªn khiÕn cho c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu bÞ h¹n chÕ vµ cßn tån t¹i nhiÒu vÊn ®Ò cÇn ph¶i tiÕp tôc gi¶i quyÕt trªn c¬ së nghiªn cøu mét c¸ch hÖ thèng, toµn diÖn, s©u s¾c vµ ®ång bé c¶ ba vÊn ®Ò: nhiÖt ®éng häc sù t¹o phøc, ®éng häc vµ c¬ chÕ còng nh­ øng dông c¸c ph­¬ng ph¸p nghiªn cøu thÝch hîp, cã hiÖu lùc. 41 Ch­¬ng 2 C¬ së thùc nghiÖm vµ ph­¬ng ph¸p nghiªn cøu 2.1. C¸c hÖ xóc t¸c ®­îc chän ®Ó nghiªn cøu. Trªn c¬ së c¸c nhËn xÐt rót ra tõ phÇn më ®Çu vÒ nh÷ng tån t¹i, tÝnh míi khoa häc, tÝnh cÊp thiÕt cña nh÷ng vÊn ®Ò cÇn ph¶i nghiªn cøu gi¶i quyÕt vµ c¸c kÕt qu¶ kiÓm tra s¬ bé vÒ ho¹t tÝnh xóc t¸c, chóng t«i chän c¸c hÖ xóc t¸c sau ®Ó nghiªn cøu. C¸c hÖ nµy ®­îc s¾p xÕp theo tr×nh tù nghiªn cøu tõ ®¬n gi¶n ®Õn phøc t¹p dÇn b»ng c¸c yÕu tè ¶nh h­ëng kh¸c nhau: HÖ 1: H2O –Lm – H2O2. HÖ 2: H2O - Ni2+ - Lm - H2O2. HÖ 3: H2O - Ni2+ - HCO3- - Lm - H2O2. HÖ 4: H2O - Ni2+ - HCO3- - Lm - O2. HÖ 5: H2O - Ni2+ - HCO3- - Lm - Ac - H2O2. HÖ 6: H2O - Ni2+ - HCO3- - Lm - Hq - H2O2. HÖ 7: H2O - Ni2+ - HCO3- - Lm - Pa - H2O2. HÖ 8: H2O - Ni2+ - HCO3- - Lm - C2H5OH - H2O2. 2.2. Ho¸ chÊt vµ dông cô thiÕt bÞ thÝ nghiÖm. TÊt c¶ c¸c ho¸ chÊt ®­îc sö dông trong hÖ xóc t¸c ®· ®­îc chän ®Ó nghiªn cøu ®Òu cã ®é s¹ch PA. C¸c dung dÞch nghiªn cøu ®Òu ®­îc pha chÕ b»ng n­íc cÊt hai lÇn. §é pH cña c¸c dung dÞch ®­îc kiÓm tra b»ng pH- meter lo¹i Delta –320. Nång ®é H2O2 ®­îc x¸c ®Þnh b»ng ph­¬ng ph¸p chuÈn ®é pemanganat. * Ion kim lo¹i t¹o phøc Ni2+: Ion Ni2+ ®­îc pha tõ muèi NiSO4 khan. Ion Ni2+: víi thÕ oxy ho¸-khö ϕNi4+/Ni2+ = 1,68V, nªn ë trong dung dÞch n­íc chØ tån t¹i ion Ni2+ cßn ion Ni4+ rÊt kÐm bÒn, nã chØ tån t¹i ë mét sè d¹ng phøc chÊt [8]. Chóng ta lùa 42 chän ion Ni2+ lµm ion t¹o phøc v× Ni2+ tham gia t¹o phøc chÊt t©m ho¹t ®éng cña c¸c chÊt xóc t¸c men [55] do ®ã cã thÓ dù ®o¸n r»ng phøc chÊt nh©n t¹o gi÷a Ni2+ víi ligan thÝch hîp vµ ë ®iÒu kiÖn thÝch hîp sÏ lµ phøc chÊt-xóc t¸c. MÆt kh¸c, ion Ni2+ cã thÓ thay ®æi ®é oxy ho¸ mét c¸ch thuËn lîi t­¬ng øng víi c¸c c¬ chÕ vËn chuyÓn mét hay nhiÒu electron trong mét giai ®o¹n khi tham gia c¸c ph¶n øng xóc t¸c oxy ho¸- khö [12]. * Ligan lµ anion HCO3- HCO3- lµ ligan phæ biÕn trong tù nhiªn, c«ng nghÖ vµ ®êi sèng H2CO3 ⇌ H+ + HCO3- pK1 = 6,35. HCO3- ⇌ H+ + CO32- pK2 = 10,53. (2.1) Ngoµi ra, HCO3- cã kh¶ n¨ng t¹o phøc víi c¸c ion Fe3+, Co2+, Mn2+, Cu2+, Mg2+, Ca2+[2], [3], [8], [11], [13], [14], [15] ë vïng pH tèi ­u víi CaHCO3+ (lgKbÒn = 1,26), MgHCO3+ (lgKbÒn = 1,16), MnHCO3+(lgKbÒn = 1,8)...[1] * ChÊt oxy ho¸ H2O2: H2O2 ®­îc chän lµ chÊt oxy ho¸ tèi ­u trong ph¶n øng xóc t¸c oxy ho¸ khö b»ng phøc chÊt c¸c ion kim lo¹i chuyÓn tiÕp. Bëi v×: + Ph¶n øng oxy ho¸ c¸c substrate (S) b»ng H2O2 d­íi t¸c dông xóc t¸c cña phøc chÊt c¸c ion kim lo¹i chuyÓn tiÕp lµ m« h×nh thÝch hîp nhÊt cho viÖc nghiªn cøu, thiÕt lËp c¸c quy luËt ®éng häc vµ c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh xóc t¸c ®ång thÓ oxy ho¸-khö phøc t¹p h¬n nhiÒu [14]. + H2O2 sÏ trë thµnh chÊt oxy ho¸ m¹nh - nguån ph¸t sinh gèc tù do OH* vµ g 1 2O ∆ d­íi t¸c dông ho¹t ho¸ cña phøc chÊt-xóc t¸c, thuÇn khiÕt vÒ mÆt sinh th¸i häc [13]. + ThuËn tiÖn trong viÖc theo dâi tèc ®é cña qu¸ tr×nh xóc t¸c oxy ho¸- khö b»ng c¸ch ®o thÓ tÝch khÝ O2 tho¸t ra (trong qu¸ tr×nh catalaza) hoÆc sù biÕn ®æi mËt ®é quang cña c¬ chÊt mang mµu (trong qu¸ tr×nh peroxydaza). 43 * C¬ chÊt Lumomagnezon (Lm, H2L): CÊu t¹o cña Lm (Lumomagnezon): Lumomagnezon (H2L) võa ®ãng vai trß lµ mét ligan t¹o phøc víi Ni2+ võa lµ mét c¬ chÊt tham gia vµo qu¸ tr×nh oxy ho¸ trong ®ã Lm lµ c¬ chÊt bÞ c¸c gèc tù do nh­ OH* (sinh ra tõ qu¸ tr×nh ph©n huû H2O2) oxy ho¸. T¹i pH = 8, H2L bÞ ph©n li mét nÊc[4]: H2L ⇌ HL- + H+ B¶ng 2.1: Mét sè tÝnh chÊt ®Æc tr­ng cña Lm [12] kLm +HO2* (lM-1s-1) kLm + OH* (lM-1s-1) maxλ (Nm) maxε (lM-1cm-1) ≈102 1,5.109 410 2,47.104 MËt ®é quang (D) trong vïng nh×n thÊy vµ vïng tö ngo¹i ®­îc ®o trªn m¸y quang phæ UV – VIS 752. Dung dÞch ph¶n øng ®­îc khuÊy liªn tôc b»ng m¸y khuÊy tõ M10, m¸y ®o pH 315i/SET (CHLB §øc) vµ nhiÖt ®é cña hçn hîp ph¶n øng ®­îc gi÷ kh«ng ®æi (300C ± 0,20C) nhê m¸y æn nhiÖt U.10. NaO3S Cl N = N - C OH C HO C NH NH C=O O 44 Qu¸ tr×nh xóc t¸c, tiÕn hµnh trong b×nh ph¶n øng ®­îc æn nhiÖt(h×nh 2.1): H×nh 2.1: ThiÕt bÞ nghiªn cøu qu¸ tr×nh xóc t¸c 1- M¸y khuÊy tõ 4- C¸c ®iÖn cùc pH – met 2- B×nh ph¶n øng 5- Cöa cho H2O2 vµo vµ lÊy mÉu ra 3- Buret cho HClO4 (NaOH) vµo 2.3. C¸c ph­¬ng ph¸p nghiªn cøu. ViÖc nghiªn cøu toµn diÖn, ®ång bé c¶ ba vÊn ®Ò nhiÖt ®éng häc t¹o phøc, ®éng häc vµ c¬ chÕ cña c¸c qu¸ tr×nh xóc t¸c ph¶i ®­îc thùc hiÖn trªn c¬ së chän läc, phèi hîp c¸c ph­¬ng ph¸p ho¸ lý vµ vËt lý thÝch hîp víi ®iÒu kiÖn xóc t¸c, tÝnh ®Æc thï vµ néi dung cña mçi vÊn ®Ò ®­îc nghiªn cøu. Nh­ ®· nªu ë phÇn më ®Çu, c¬ chÕ cña c¸c qu¸ tr×nh xóc t¸c ®ång thÓ oxy ho¸-khö rÊt phøc t¹p, ®a d¹ng nªn ®Ó thiÕt lËp c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh trong hÖ xóc t¸c ®· chän, cÇn nghiªn cøu: * VÒ mÆt ®Þnh tÝnh (c¬ chÕ nguyªn t¾c): cÇn x¸c ®Þnh, chøng minh d¹ng phøc chÊt ®ãng vai trß xóc t¸c (phøc ®¬n nh©n, ®a nh©n, phøc chÊt ®· b·o hoµ hay ch­a b·o hoµ phèi trÝ) c¸c tiÓu ph©n trung gian (phøc trung gian ho¹t 45 ®éng vµ kh«ng ho¹t ®éng, c¸c gèc tù do OH*, HO2*), c¬ chÕ vËn chuyÓn electron * VÒ mÆt ®Þnh l­îng: Ph¶i biÕt ®­îc h»ng sè t­¬ng t¸c cña c¸c tiÓu ph©n trung gian ho¹t ®éng trong ®ã cã gèc tù do OH*, HO2* (O2* -)víi c¸c substrate (S) kh¸c nhau. Víi c¸c néi dung trªn, trong ph¹m vi luËn v¨n nµy chóng t«i ®· sö dông c¸c ph­¬ng ph¸p sau: + Ph­¬ng ph¸p quang phæ hÊp thô electron ph©n tö [6]. + Ph­¬ng ph¸p d·y ®ång ph©n tö [12]. + Ph­¬ng ph¸p ®­êng cong b·o hoµ [12]. + Ph­¬ng ph¸p ®éng häc: x¸c ®Þnh c¸c biÓu thøc ®éng häc tèc ®é ph¶n øng xóc t¸c, sù t¹o thµnh phøc chÊt xóc t¸c ®¬n nh©n hoÆc ®a nh©n (dùa trªn c¬ së bËc ph¶n øng theo nång ®é ion kim lo¹i t¹o phøc) [9], [31]. + Ph­¬ng ph¸p ®å thÞ ®Ó x¸c ®Þnh bËc ph¶n øng [9]. + Ph­¬ng ph¸p sö dông c¸c chÊt øc chÕ vµ c¸c chÊt c¹nh tranh [6], [10], [50]: ph¸t hiÖn vµ chøng minh sù ph¸t sinh ( hay kh«ng ph¸t sinh ) c¸c gèc tù do OH*, HO2*(O2* -)thø tù ph¸t sinh tr­íc, sau, ë giai ®o¹n nµo cña mçi lo¹i gèc ®ã vµ x¸c ®Þnh vÒ mÆt ®Þnh l­îng kh¶ n¨ng ph¶n øng cña chóng (c¸c h»ng sè tèc ®é). + LËp tr×nh tÝnh h»ng sè (kOH* +Lm) b»ng ng«n ng÷ lËp tr×nh Pascal [11] §èi víi xóc t¸c ®ång thÓ oxy ho¸-khö b»ng phøc chÊt, ®Ó ph¸t hiÖn sù tån t¹i cña gèc tù do ng­êi ta cßn cã thÓ sö dông ph­¬ng ph¸p céng h­ëng tõ electron víi giíi h¹n nång ®é, thÝ dô: [OH*] ≥ 10-7mol/l; [HO2*] hoÆc [O2* -] ≥ 10-6 mol/l. Nh­ng ë ®iÒu kiÖn diÔn ra qu¸ tr×nh catalaza vµ peroxydaza th×: [OH*] ≈ 10-12÷ 10-10mol/l; [HO2*] hoÆc [O2* -] ≈10-11÷ 10-7mol/l [46], do ®ã ph­¬ng ph¸p céng h­ëng tõ electron bÞ h¹n chÕ. Trong tr­êng hîp nµy, ph­¬ng ph¸p c¸c chÊt øc chÕ vµ c¸c chÊt c¹nh tranh tá ra cã hiÖu qu¶, kh«ng chØ ph¸t hiÖn mµ cßn x¸c ®Þnh ®­îc ®Þnh l­îng c¸c gèc tù do [2], [12], [13]. 46 Mét sè chÊt øc chÕ (In) cã hiÖu qu¶, chØ t­¬ng t¸c víi gèc tù do OH* lµ Hydroquinon(Hq), axit Ascorbic(Ac), Paranitrozodimetylanilin (Pa), r­îu etylic (C2H5OH)(b¶ng 2.2) [3]. B¶ng 2.2: TÝnh chÊt ®Æc tr­ng cña mét sè chÊt øc chÕ (In) [12] C¸c chÊt øc chÕ (In) kIn +HO2* (lM-1s-1) kIn + OH* (lM-1s-1) maxλ (Nm) maxε (lM-1cm-1) (Hq) Hydroquinon C6H4(OH)2 _ 12.109 288 3.103 (Ac) Ascorbic C6H8O6 _ 7,2.109 265 7.105 Paranitrozodimetylanilin(Pa) ON–C6H4– _ 18.109 440 3,42.104 Khi cho mét l­îng nhá chÊt øc chÕ (≈10-5÷ 10-4mol/l) vµo m«i tr­êng ph¶n øng, tèc ®é cña qu¸ tr×nh xóc t¸c bÞ gi¶m ®i (tr­êng hîp chÊt øc chÕ yÕu) hoÆc bÞ k×m h·m hoµn toµn (nÕu lµ chÊt øc chÕ m¹nh) víi sù xuÊt hiÖn cña chu kú c¶m øng τ (s). ë thêi ®iÓm kÕt thóc chu kú c¶m øng (khi l­îng chÊt øc chÕ ®· ph¶n øng hÕt víi gèc tù do), tèc ®é ph¶n øng xóc t¸c l¹i nhanh chãng ®¹t ®­îc gi¸ trÞ gÇn nh­ khi kh«ng cã mÆt chÊt øc chÕ. §©y lµ dÊu hiÖu ®Æc tr­ng cho c¬ chÕ m¹ch-gèc [46]. Ph­¬ng ph¸p c¸c chÊt øc chÕ vµ c¸c chÊt c¹nh tranh ®­îc dïng ®Ó x¸c ®Þnh c¸c h»ng sè tèc ®é giai ®o¹n dùa trªn c¸c ph¶n øng c¹nh tranh gi÷a c¸c chÊt: c¬ chÊt (S), chÊt øc chÕ (In), H2O2giµnh gèc tù do OH*vµ t¹o thµnh c¸c s¶n phÈm t­¬ng øng P1, P2, P3[31] Gi¶ sö, ®èi víi hÖ: (H2O - Ni2+ - HCO3- - S - H2O2 - In) sÏ cã c¸c ph¶n øng c¹nh tranh gèc tù do OH* sau: S + OH → 1k P1; W1 = k1[S]0[OH*]; k1 = k(S + OH*) =? (2.2) In + OH* → 2k P2; W2 = k2[In]0[OH*] (2.3) 47 H2O2 + OH* → 3k P3; W3 = k3[H2O2]0[OH*] (2.4) H4L + OH* → 4k P3; W4 = k4[H4L]0[OH*] (2.5) Trong ®ã: k2, k3, k4 ®· biÕt. Tõ c¸c ph¶n øng (2.2), (2.3) vµ (2.4) ®· thiÕt lËp ®­îc ph­¬ng tr×nh tÝnh k1 nh­ sau: 0 044022302 1S ]S[ ...]LH[k]OH[k]In[k. k aa C 1 ++ += ∆ (2.6) Trong ®ã: SC∆ lµ biÕn thiªn nång ®é cña chÊt c¹nh tranh-substrate (S) khi cã mÆt mét l­îng chÊt øc chÕ In, a lµ hÖ sè kinh nghiÖm gièng nhau ®èi víi tÊt c¶ c¸c chÊt ®­îc nghiªn cøu ë c¸c ®iÒu kiÖn thùc nghiÖm kh«ng ®æi. NÕu kÝ hiÖu: y = SC 1 ∆ , b = 1k a , x = 0 044022202 ]S[ ......]LH[k]OH[k]In[k ++ th× ph­¬ng tr×nh (2.6) sÏ cã d¹ng: y = a + bx (2.7) Tõ ph­¬ng tr×nh (2.6) ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®­îc h»ng sè tèc ®é k1 b»ng c¸c ph­¬ng ph¸p sau ®©y: Ph­¬ng ph¸p ®å thÞ [47]: ë cïng mét thêi ®iÓm vµ ë nång ®é cho tr­íc cña S, H2O2cÇn x¸c ®Þnh thùc nghiÖm c¸c biÕn thiªn SC∆ t­¬ng øng víi mçi gi¸ trÞ nång ®é cña chÊt øc chÕ [In]0 ®­îc cho vµo hÖ xóc t¸c, nghÜa lµ thu ®­îc c¸c cÆp gi¸ trÞ x vµ y t­¬ng øng. X©y dùng ®å thÞ cña ph­¬ng tr×nh ®­êng th¼ng (2.7) sÏ x¸c ®Þnh ®­îc c¸c gi¸ trÞ a vµ b vµ do ®ã tÝnh ®­îc k1. Ph­¬ng ph¸p b×nh ph­¬ng bÐ nhÊt [7]: a vµ b ë ph­¬ng tr×nh (2.7) ®­îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: a = 22 2 )x(xN xyxyx ∑∑ ∑ ∑∑ ∑ − − N lµ sè thùc nghiÖm (2.8) b = 22 )x(xN yxxyN ∑∑ ∑ ∑∑ − − (2.9) 48 Tõ ®ã ta tÝnh ®­îc k1 = a/b. 2.4. Ph­¬ng ph¸p tiÕn hµnh nghiªn cøu c¸c qu¸ tr×nh xóc t¸c. §èi víi qu¸ tr×nh peroxydaza, thùc nghiÖm ®­îc tiÕn hµnh nh­ sau: cho vµo b×nh ph¶n øng lÇn l­ît c¸c dung dÞch: dung m«i n­íc cÊt hai lÇn, ion kim lo¹i chuyÓn tiÕp Ni2+, c¬ chÊt Lumomagnezon (Lm), ligan HCO3-, HClO4 hoÆc KOH (®Ó ®iÒu chØnh ®Õn pH cÇn thiÕt cña hçn hîp ph¶n øng). Qua 1-2 phót th× cho H2O2, sao cho tæng thÓ tÝch cña hçn hîp ph¶n øng lµ 30ml. Thêi ®iÓm cho H2O2 vµo ®­îc xem lµ mèc b¾t ®Çu cña qu¸ tr×nh oxy ho¸ Lm trong ph¶n øng xóc t¸c kÌm theo sù mÊt mµu cña Lm. Do ®ã cã thÓ theo dâi vµ x¸c ®Þnh tèc ®é ph¶n øng oxy ho¸ Lm(WLm) theo c¸c biÕn thiªn mËt ®é quang D∆ t¹i ®Ønh cùc ®¹i hÊp thô ¸nh s¸ng t­¬ng øng víi c¸c biÕn thiªn thêi gian τ∆ (s) cña chÊt mµu ®ã (h×nh 2.2). H×nh 2.2: D¹ng tæng qu¸t ®­êng cong ®éng häc oxy ho¸ substrate. Th«ng th­êng, cø qua mçi phót sau khi qu¸ tr×nh b¾t ®Çu diÔn ra th× lÊy mÉu vµ ghi nhËn ®­îc mét gi¸ tri D∆ (t­¬ng øng kho¶ng thêi gian τ∆ (s)) trªn m¸y quang phæ. Trªn c¬ së ®ã tÝnh ®­îc tèc ®é qu¸ tr×nh oxy ho¸ Lm (WLm) theo c«ng thøc [32]. WLm = d..t D ε∆ ∆ - W0 (M.l-1.s-1) (2.10) D0 ∆ t ∆D t(s) D 49 Trong ®ã: W0 lµ tèc ®é ph¶n øng kh«ng cã xóc t¸c (ph¶n øng nÒn), ε (M.l-1.cm-1) – hÖ sè hÊp thô ph©n tö gam cña Lm, d (cm) - ®é dµy cuvÐt. §Ó x¸c ®Þnh bËc ph¶n øng theo nång ®é ®Çu cña chÊt i, chóng ta ph¶i thiÕt lËp ®å thÞ phô thuéc cña –lg(WLm) vµo –lgCi (Ci lµ nång ®é cña chÊt i), cã d¹ng tæng qu¸t: y = ax + b nh­ h×nh 2.3: H×nh 2.3: X¸c ®Þnh bËc ph¶n øng theo ph­¬ng ph¸p ®å thÞ. Tõ ®å thÞ trªn h×nh (2.3) chóng ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®­îc bËc ph¶n øng theo nång ®é chÊt i [9] lµ: n = tgα TÊt c¶ c¸c hÖ xóc t¸c ®· cho ®­îc nghiªn cøu trong ®iÒu kiÖn ­a khÝ, do ®ã ®èi víi mçi hÖ xóc t¸c ®Òu cã kiÓm ra s¬ bé vÒ vai trß cña oxy kh«ng khÝ hoµ tan cã ¶nh h­ëng ®Õn qu¸ tr×nh xóc t¸c hay kh«ng. -lgCi -lg(WS) α 50 CH¦¥NG 3. KÕT QU¶ Vµ TH¶O LUËN 3.1. Nghiªn cøu sù t¹o phøc trong c¸c hÖ H2O - Lm (a) H2O - Ni2+ - Lm (b) H2O - Ni2+ - Lm - HCO3- (c) §Ó nghiªn cøu sù h×nh thµnh phøc chÊt trong c¸c hÖ (b,c) chóng t«i tiÕn hµnh thùc nghiÖm theo c¸c ph­¬ng ph¸p sau: 3.1.1. Ph­¬ng ph¸p phæ hÊp thô electron ph©n tö. Tr­íc khi nghiªn cøu sù t¹o thµnh phøc chÊt gi÷a Ni2+ víi Lm vµ gi÷a Ni2+ víi Lm, HCO3- chóng t«i tiÕn hµnh ®o phæ hÊp thô electron ph©n tö cña Lm trong hÖ (a) t¹i: pH = 8,0; [Lm]0 = 8.10-5M KÕt qu¶ thùc nghiÖm ®­îc tr×nh bµy trªn h×nh 3.1(a) víi cùc ®¹i hÊp phô cña Lm t¹i b­íc sãng λmax = 495nm. Khi cã mÆt Ni2+ (hÖ b) vµ cã thªm HCO3- (hÖ c), chóng t«i tiÕp tôc kh¶o s¸t phæ hÊp thô electron ph©n tö trong c¸c hÖ nµy ®Ó t×m c¸c ®Ønh cùc ®¹i hÊp thô míi ë cïng ®iÒu kiÖn nh­ kh¶o s¸t víi hÖ (a) nh­: pH = 8,0; [Lm]0 = 8.10-5M [Ni2+]0 = 10-6M; [HCO3-]0 = 10-1M KÕt qu¶ thùc nghiÖm thu ®­îc ®èi víi c¸c hÖ (b,c) ®­îc thÓ hiÖn t­¬ng øng trªn h×nh 3.1(b,c): 51 H×nh 3.1a: Phæ hÊp thô cña Lm. 3.1b: Phæ hÊp thô cña phøc chÊt Ni2+ víi Lm. 3.1c: Phæ hÊp thô cña phøc chÊt Ni2+ víi Lm vµ HCO3-. Tõ kÕt qu¶ thu ®­îc trªn h×nh 3.1(a,b) cho thÊy: cã sù biÕn mÊt ®Ønh cùc ®¹i hÊp thô ¸nh s¸ng cña Lm ë b­íc sãng λmax = 495Nm (hÖ a) chuyÓn ®Õn b­íc sãng λmax= 505Nm (hÖ b) chøng tá trong hÖ (b) nång ®é cña Lm ®· bÞ thay ®æi hay mét l­îng Lm ®· tham gia t¹o phøc víi Ni2+ lµm gi¶m nång ®é Lm tù do trong dung dÞch. Møc ®é t¹o phøc gi÷a Ni2+ víi Lm ®­îc ®¸nh gi¸ theo hiÖu mËt ®é quang cña Lm vµ mËt ®é quang cña phøc chÊt gi÷a Ni2+ víi Lm (b) t¹i λmax = 495Nm: ∆D = DLm495 – Dph(b)495 TiÕp tôc ph©n tÝch kÕt qu¶ trªn h×nh 3.1(b,c) ta thÊy: cã sù dÞch chuyÓn ®Ønh cùc ®¹i hÊp thô ¸nh s¸ng cña phøc chÊt gi÷a Ni2+ víi Lm ë b­íc sãng λmax = 505Nm (hÖ b) chuyÓn ®Õn b­íc sãng λmax= 510Nm (hÖ c) chøng tá trong hÖ (c) cã sù h×nh thµnh phøc chÊt gi÷a Ni2+ víi Lm vµ HCO3- . Møc ®é t¹o phøc gi÷a Ni2+ víi Lm vµ HCO3- ®­îc ®¸nh gi¸ theo hiÖu mËt ®é quang cña phøc chÊt gi÷a Ni2+ víi Lm, HCO3- (c) vµ mËt ®é quang cña phøc chÊt gi÷a Ni2+ víi Lm (b) t¹i λmax = 495Nm: 1.05 1.08 1.11 1.14 475 485 495 505 515 525 b c Dλ λ(nm) a 52 Nh­ vËy, b»ng ph­¬ng ph¸p phæ hÊp thô electron ph©n tö ta cã thÓ kh¼ng ®Þnh cã sù h×nh thµnh phøc chÊt gi÷a Ni2+ víi Lm vµ gi÷a Ni2+ víi Lm vµ HCO3-. §Ó x¸c ®Þnh thµnh phÇn cña phøc gi÷a Ni2+ víi Lm chóng t«i sö dông ph­¬ng ph¸p d·y ®ång ph©n tö vµ ph­¬ng ph¸p ®­êng cong b·o hoµ. 3.1.2. Ph­¬ng ph¸p d·y ®ång ph©n tö. KÕt qu¶ nghiªn cøu mét c¸ch chi tiÕt sù t¹o phøc gi÷a Ni2+ vµ Lm theo ph­¬ng ph¸p d·y ®ång ph©n tö t¹i: pH = 8; [Ni2+]0 + [Lm]0 = 2.10-4M theo dâi biÕn thiªn mËt ®é quang (∆D) khi thay ®æi tû sè nång ®é 00 2 0 ]Lm[]Ni[ ]Lm[ ++ ®­îc tr×nh bµy trªn b¶ng 3.1 vµ h×nh 3.2: B¶ng 3.1: KÕt qu¶ x¸c ®Þnh thµnh phøc chÊt trong hÖ (b) theo ph­¬ng ph¸p d·y ®ång ph©n tö 00 2 0 ]Lm[]Ni[ ]Lm[ ++ 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ∆D 0,042 0,079 0,118 0,152 0,184 0,147 0,112 0,076 0,043 H×nh 3.2: Sù t¹o phøc gi÷a Ni2+ víi Lm. Tõ kÕt qu¶ h×nh 3.2 ta thÊy: NÕu gi÷ cè ®Þnh [Ni2+]0 + [Lm]0 = 2.10-4M ®ång thêi t¨ng dÇn tû sè nång ®é 00 2 0 ]Lm[]Ni[ ]Lm[A + = + th× biÕn thiªn mËt ®é 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 ∆D 00 2 0 ]Lm[]Ni[ ]Lm[ ++ 53 quang (∆D = Dph(b) - DLm) còng t¨ng dÇn vµ ®¹t gi¸ trÞ cùc ®¹i t¹i A = 0,5 sau ®ã l¹i gi¶m dÇn. §iÒu nµy ®­îc gi¶i thÝch nh­ sau: Khi A t¨ng tøc lµ [Lm]0 t¨ng, kh¶ n¨ng t¹o phøc gi÷a Ni2+ víi Lm t¨ng vµ ®¹t tèi ­u khi tû lÖ nång ®é [Ni2+]0 : [Lm]0 = 1:1. NÕu tiÕp tôc t¨ng [Lm]0, do Ni2+ ®· tham gia t¹o phøc hÕt nªn l­îng Lm nµy bÞ d­ thõa trong dung dÞch kh«ng tham gia t¹o phøc, v× vËy lóc nµy ∆D l¹i gi¶m. MÆt kh¸c, t¹i pH = 8 mét phÇn Lm bÞ ph©n li mét nÊc theo ph­¬ng tr×nh [4]: H2L ⇌ HL- + H+ V× vËy, cã thÓ dù ®o¸n phøc chÊt ®­îc h×nh thµnh gi÷a Ni2+ víi Lm cã c«ng thøc lµ [NiHL]+. 3.1.3. Ph­¬ng ph¸p ®­êng cong b·o hoµ. §Ó kh¼ng ®Þnh thªm thµnh phÇn cña phøc chÊt ®­îc h×nh thµnh gi÷a Ni2+ vµ Lm, chóng t«i tiÕp tôc tiÕn hµnh thùc nghiÖm theo ph­¬ng ph¸p ®­êng cong b·o hoµ. KÕt qu¶ thu ®­îc t¹i: pH = 8; [Ni2+]0 = 5.10-5M; [Lm]0 = (0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5; 5,5; 6; 6,5; 7,0).10-5M ®­îc tr×nh bµy ë b¶ng 3.2 vµ h×nh 3.3: B¶ng 3.2: KÕt qu¶ x¸c ®Þnh thµnh phøc chÊt trong hÖ (b) theo ph­¬ng ph¸p ®­êng cong b·o hoµ. 0 2 0 ]Ni[ ]Lm[ + 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 ∆D 0,019 0,042 0,065 0,091 0,119 0,145 0,172 0 2 0 ]Ni[ ]Lm[ + 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 ∆D 0,199 0,221 0,241 0,243 0,246 0,248 0,25 54 H×nh 3.3: Sù t¹o phøc gi÷a Ni2+ vµ Lm Tõ kÕt qu¶ h×nh 3.3: NÕu cè ®Þnh [Ni2+]0, t¨ng [Lm]0 ( 0 2 0 ]Ni[ ]Lm[ + t¨ng) th× ∆D = DLm – Dph t¨ng hay kh¶ n¨ng t¹o phøc gi÷a Ni2+ víi Lm t¨ng vµ phøc chÊt ®­îc t¹o thµnh cã tû lÖ thµnh phÇn lµ [Lm]0:[Ni2+]0 = 1:1. Khi ®ã, Ni2+ hÇu nh­ ®· chuyÓn hÕt vµo phøc [NiHL]+ nªn nÕu tiÕp tôc t¨ng [Lm]0 th× kh¶ n¨ng t¹o phøc cña Ni2+ víi Lm rÊt Ýt, l­îng Lm thªm vµo chñ yÕu tån t¹i tù do trong dung dÞch, v× vËy ∆D thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ, ®å thÞ biÓu diÔn cã d¹ng gÇn nh­ b·o hoµ. Nh­ vËy tõ c¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm thu ®­îc theo ph­¬ng ph¸p ®­êng cong b·o hoµ cho phÐp kh¼ng ®Þnh: + Cã sù h×nh thµnh phøc chÊt gi÷a Ni2+ vµ Lm. + Phøc chÊt gi÷a Ni2+ vµ Lm cã c«ng thøc [NiHL]+ KÕt qu¶ nµy hoµn toµn phï hîp víi kÕt qu¶ thu ®­îc theo ph­¬ng ph¸p d·y ®ång ph©n tö ®· nghiªn cøu ë trªn. Tõ ®ã, chóng t«i ®Ò xuÊt c«ng thøc cÊu t¹o cña phøc chÊt nµy nh­ sau: + H H O O N N C C C C N= N Ni OH O Cl NaO3S 0 0.1 0.2 0.3 0 0.2 0.4 0.6 1.2 1.4 ∆D 0 2 0 ]Ni[ ]Lm[ + 0.8 1,0 ∆Dmax 55 3.1.4. X¸c ®Þnh h»ng sè bÒn cña phøc [NiHL]+. Phøc chÊt ®­îc t¹o thµnh gi÷a Ni2+ víi Lm cã thµnh phÇn [NiHL]+. Cã thÓ x¸c ®Þnh h»ng sè bÒn cña phøc chÊt nµy b»ng ph­¬ng ph¸p chuyÓn dÞch c©n b»ng theo c¸c sè liÖu ë b¶ng (3.2) vµ c«ng thøc tÝnh [12]: ]Llg[Klg DD Dlg ]M[ ]MLn[lg max += ∆−∆ ∆ = (3.1) ¸p dông c«ng thøc nµy cho tr­êng hîp ®ang xÐt: M – Ni2+; L – HL-; n – sè ligan ®­îc phèi trÝ (n = 1); ∆D = DLm495 – Dph495 øng víi mçi gi¸ trÞ ë b¶ng 3.2; ∆Dmax lµ gi¸ trÞ cùc ®¹i cña ∆D. §Æt y DD Dlg max = ∆−∆ ∆ ; lgK = a; lg[L] = x; n = b = 1, do ®ã ph­¬ng tr×nh (3.1) cã d¹ng: y = a + x (3.2) Trªn c¬ së ph­¬ng tr×nh nµy x¸c ®Þnh h»ng sè bÒn cña phøc chÊt [NiHL]+ b»ng ph­¬ng ph¸p b×nh ph­¬ng bÐ nhÊt – Theo c«ng thøc (2.8) ta thu ®­îc kÕt qu¶ Kb = 3,84.109. KÕt qu¶ nµy cho thÊy phøc chÊt [NiHl]+ t­¬ng ®èi bÒn cßn Lm lµ mét c¬ chÊt cã tÝnh ligan m¹nh (SL). Nh­ vËy, b»ng c¸c ph­¬ng ph¸p phæ hÊp thô electron ph©n tö, ph­¬ng ph¸p d·y ®ång ph©n tö, ph­¬ng ph¸p ®­êng cong b·o hoµ ®· chøng minh phøc chÊt ®­îc h×nh thµnh gi÷a Ni2+ víi Lm cã thµnh phÇn lµ 1:1, cã c«ng thøc cÊu t¹o lµ [NiHL]+ vµ phøc nµy cã h»ng sè bÒn lµ Kb = 3,84.109. 3.2. S¬ bé nghiªn cøu sù t¹o phøc xóc t¸c trong c¸c hÖ §Ó nghiªn cøu ho¹t tÝnh xóc t¸c cña phøc [NiHL]+ vµ phøc hçn hîp ligan gi÷a Ni2+ víi Lm, HCO3- chóng t«i tiÕn hµnh nghiªn cøu s¬ bé sù t¹o phøc xóc t¸c trong c¸c hÖ sau: H2O - Lm - H2O2 (1) 56 H2O - Ni2+ - Lm - H2O2 (2) H2O - Ni2+ - HCO3- - Lm - O2 (3) H2O - Ni2+ - HCO3- - Lm - H2O2 (4) Tr­íc hÕt cÇn kh¼ng ®Þnh, ë ®iÒu kiÖn thÝ nghiÖm, trong hÖ xóc t¸c trªn kh«ng tån t¹i c¸c phøc chÊt ®a nh©n hy®roxo cña Ni2+ v× c¸c phøc chÊt nµy chØ ®­îc t¹o thµnh khi [Ni2+] >10-3M. MÆt kh¸c, h»ng sè bÒn cña phøc chÊt KNiOH+ = 5,01.104 [1], ë ®iÒu kiÖn thÝ nghiÖm [Ni2+]0 = 10-6M vµ pH = 8 hay [OH-]0 = 10-6M ta tÝnh ®­îc nång ®é [NiOH]+ = 5,01.10-8M chøng tá thùc tÕ phøc chÊt nµy rÊt khã ®­îc t¹o thµnh. Ho¹t tÝnh xóc t¸c cña hÖ trªn ®­îc nghiªn cøu trong tr­êng hîp khi ch­a cã Ni2+ vµ HCO3- (hÖ 1), sau ®ã so s¸nh kÕt qu¶ thu ®­îc víi tr­êng hîp cã Ni2+ (hÖ 2) vµ tr­êng hîp cã thªm c¶ Ni2+ vµ HCO3- (hÖ 3). §Ó tr¸nh hiÖn t­îng thuû ph©n c¸c thÝ nghiÖm ®­îc tiÕn hµnh trong ®iÒu kiÖn: [Ni2+] = 10-6M; [HCO3-]0 = 10-1M; [Lm]0 = 5.10-5M; [H2O2]0 = 5.10-2M, pH=8. KÕt qu¶ nghiªn cøu sù biÕn ®æi mËt ®é quang cña Lm t¹i b­íc sãng 495Nm (DLm495) trong c¸c hÖ (1); (2); (3) ®­îc tr×nh bµy ë b¶ng 3.3: B¶ng 3.3: Sù biÕn ®æi DLm495 theo thêi gian trong c¸c hÖ (1); (2); (3); (4). t(s) DLm495 (HÖ 1) DLm495 (HÖ 2) DLm495 (HÖ 3) DLm495 (HÖ 4) 0 1,27 1,27 1,27 1,27 15 1,166 1,149 1,145 0,963 30 1,149 1,135 1,13 0,791 45 1,149 1,13 1,121 0,663 60 1,149 1,126 1,113 0,566 75 1,148 1,121 1,104 0,492 90 1,148 1,118 1,093 0,409 105 1,148 1,114 1,082 0,341 120 1,147 1,109 1,073 0,278 135 1,147 1,107 1,064 0,226 150 1,147 1,104 1,054 0,188 165 1,146 1,101 1,041 0,142 180 1,146 1,098 1,032 0,098 KÕt qu¶ cßn ®­îc tr×nh bµy trªn h×nh 3.4: 57 H×nh 3.4: Sù biÕn ®æi DLm495 cña Lm theo thêi gian. Tõ c¸c kÕt qu¶ thu ®­îc cho thÊy: NÕu ch­a cho Ni2+ vµ HCO3- vµo hÖ th× mËt ®é quang gÇn nh­ kh«ng thay ®æi theo thêi gian, ®­êng sè (1) gÇn nh­ ®­êng th¼ng (tèc ®é ph¶n øng oxy ho¸ Lm rÊt nhá xÊp xØ b»ng 0) v× ch­a cã xóc t¸c. Khi cho thªm Ni2+ vµo hÖ, do ®Æc ®iÓm cÊu t¹o ph©n tö cña Lm cã chøa c¸c nhãm chøc ho¹t ®éng t¹o phøc, mµ Lumomagnezon (Lm, H2L) lµ mét subtrate biÓu hiÖn tÝnh chÊt ligan m¹nh (SL) cã thÓ t¹o phøc bÒn víi c¸c ion kim lo¹i chuyÓn tiÕp nh­ Ni2+ nªn ho¹t tÝnh xóc t¸c cña phøc chÊt nµy rÊt kÐm, v× vËy mËt ®é quang thay ®æi kh«ng nhiÒu so víi tr­êng hîp ®Çu. C¬ së cña gi¶ thiÕt sù t¹o phøc cña Ni2+ víi Lm cã thÓ gi¶i thÝch nh­ sau: Sè vÞ trÝ phèi trÝ tù do cña Ni2+ lµ 6, cña Lm lµ 4. Trong dung dÞch n­íc Ni2+ tån t¹i d­íi d¹ng Ni2+. 6H2O (liªn kÕt gi÷a Ni2+ - H2O kh«ng bÒn). Khi cho H2L vµo, t¹i pH = 8 trong dung dÞch x¶y ra qu¸ tr×nh ®Ò proton ho¸: H2L ⇌ HL- (3.3) víi tÝnh chÊt ligan m¹nh vµ liªn kÕt Ni2+ - HL- bÒn h¬n liªn kÕt Ni2+ - H2O nªn HL- ®Èy H2O ra khái néi cÇu vµ chiÕm 4 vÞ trÝ phèi trÝ tù do cña Ni2+ nªn phøc chÊt ®­îc t¹o thµnh gi÷a Ni2+ vµ Lm cã thµnh phÇn lµ [NiHL]+ (theo 3.1). NÕu tiÕp tôc thªm HCO3- vµo hÖ (2) ta ®­îc hÖ (4), khi ®ã mËt ®é quang gi¶m rÊt nhanh (®­êng sè 4) chøng tá tèc ®é oxy ho¸ Lm diÔn ra rÊt m¹nh. - H+ t(s) 0 0.4 0.8 1.2 1.6 0 30 60 90 120 150 180 2 4 1 DLm495 3 58 §iÒu nµy ®­îc gi¶ thÝch nh­ sau: HCO3- cã sè phèi trÝ b»ng 1 vµ liªn kÕt gi÷a Ni2+ - HCO3- bÒn h¬n liªn kÕt Ni2+ - H2O nªn khi cho HCO3- vµo hÖ nã sÏ ®Èy 1 ph©n tö H2O ra khái néi cÇu cña phøc [NiHL]+ ®Ó h×nh thµnh phøc chÊt míi lµ phøc hçn hîp ligan, khi ®ã tèc ®é ph¶n øng oxy ho¸ Lm ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt chøng tá phøc chÊt nµy cã ho¹t tÝnh xóc t¸c m¹nh. Trªn c¬ së c¸c kÕt qu¶ ®· nghiªn cøu, chóng t«i tiÕn hµnh so s¸nh ho¹t tÝnh cña O2 kh«ng khÝ (®­êng sè 4) víi H2O2 (®­êng sè 3) trong cïng ®iÒu kiÖn nh­ trªn. Tõ kÕt qu¶ thu ®­îc trªn h×nh (3.4) cho thÊy: kh¶ n¨ng oxy ho¸ cña ph©n tö oxy kh«ng khÝ kÐm h¬n rÊt nhiÒu so víi H2O2. V× vËy, cã thÓ kh¼ng ®Þnh H2O2 lµ chÊt oxy ho¸ h÷u hiÖu nhÊt ®èi víi hÖ xóc t¸c (3) vµ chóng t«i sÏ tiÕp tôc nghiªn cøu ho¹t tÝnh xóc t¸c cña phøc hçn hîp ligan h×nh thµnh trong hÖ (3) b»ng c¸c ph­¬ng ph¸p tiÕp theo. VÒ lý thuyÕt cã thÓ dù ®o¸n phøc hçn hîp ligan gi÷a Ni2+ víi Lm vµ HCO3- cã thµnh