分析化学(全53讲)【理工学社】

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老师介绍

  • 王教授

    王教授

    大学老教授,从事科研教学工作 参加过国家自然科学基金项目 擅长解决数学物理方面的难题 重视基础教学工作 能够从本质上上剖解问题
  • 小荷

    小荷

    南京大学老师 从事教育工作 对教学很有研究 擅长生物医学方面的教育
简  介 分析化学是关于研究物质的组成、含量、结构和形态等化学信息的分析方法及理论的一门科学,是化学的一个重要分支。
主要任务
分析化学(Analytical Chemistry)的主要任务是鉴定物质的化学组成(元素、离子、官能团、或化合物)、测定物质的有关组分的含量、确定物质的结构(化学结构、晶体结构、空间分布)和存在形态(价态、配位态、结晶态)及其与物质性质之间的关系等。主要是进行结构分析、形态分析、能态分析。
应用范围
分析化学有极高的实用价值,对人类的物质文明做出了重要贡献,广泛地应用于地质普查、矿产勘探、冶金、化学工业、能源、农业、医药、临床化验、环境保护、商品检验、考古分析、法医刑侦鉴定等领域。
研究编辑
1931年E.威森伯格提出的残渣测定,只取10微克样品,便属于超微量分析。所用仪器从试管直到高级仪器(附自动化设备并用电子计算机程序控制、记录和储存)。分析化学以化学基本理论和实验技术为基础,并吸收物理、生物、统计、电子计算机、自动化等方面的知识以充实本身的内容,从而解决科学、技术所提出的各种分析问题。
研究问题
①物质中有哪些元素和(或)基团(定性分析);
②每种成分的数量或物质纯度如何(定量分析);
③物质中原子彼此如何联结而成分子和在空间如何排列(结构和立体分析)。
研究对象
从单质到复杂的混合物和大分子化合物,从无机物到有机物,从低分子量到高分子量(如10原子质量单位)。样品可以是气态、液态和固态。称样重量可由 100克以上以至毫克以下。
范畴编辑
当代分析化学将研究分为两个范畴,一是分析的对象,一是分析的方法。<分析化学期刊>(Analytical Chemistry)每年在第12期会在两个范畴轮流做一次回顾评述。
分析的对象
生物分析化学(Bioanalytical chemistry)
材料分析(Material analysis)
化学分析(Chemical analysis)
环境分析(Environmental analysis)
鉴识化学/鉴识科学(Forensic chemistry|Forensics)
发展编辑
古代人认识的元素,非金属元素有碳和硫,金属元素中有铜、银、金、铁、铅、锡和汞。
分析化学这一名称虽创自R.玻意耳,但其实践应与化学工艺同样古老。不能想象古代冶炼、酿造等工艺的高度发展,没有简单的鉴定、分析、制作过程的控制等手段。随后在东、西方兴起的炼丹术、炼金术可视为分析化学的前驱。
公元前3000年,埃及人已知称量的技术。最早出现的分析用仪器当推等臂天平,它记载在《莎草纸卷》(公元前1300)上。巴比伦的祭司所保管的石制标准砝码(约公元前2600)尚存于世。不过等臂天平用于分析,当在中世纪用于烤钵试金法(火试金法之一)中。
公元前4世纪,已知使用试金石以鉴定金的成色。
公元前3世纪,阿基米德在解决叙拉古王喜朗二世的金冕的纯度问题时,即利用了金和银密度之差,这是无伤损分析之先驱。
公元60年左右,老普林尼将五倍子浸液涂在莎草纸上,用以检出硫酸铜的掺杂物铁(Ⅲ),这是最早使用的有机试剂,也是最早的试纸。
1751年,J.T.埃勒尔·冯·布罗克豪森用同一方法检出血渣(经灰化)中的含铁量。
容量分析
1663年,玻意耳报道了用植物色素作酸碱指示剂。但真正的容量分析应归功于法国J.-L.盖-吕萨克。
1824年,他发表漂白粉中有效氯的测定,用磺化靛青作指示剂。随后他用硫酸滴定草木灰,又用氯化钠滴定硝酸银。这三项工作分别代表氧化还原滴定法、酸碱滴定法和沉淀滴定法。络合滴定法创自J.von李比希,他用银(Ⅰ)滴定氰离子。另一位对容量分析作出卓越贡献的是德国K.F.莫尔,他设计的可盛强碱溶液的滴定管至今仍在沿用。他推荐草酸作碱量法的基准物质,硫酸亚铁铵(也称莫尔盐)作氧化还原滴定法的基准物质。
微量分析
最早的微量分析是化学显微术,即在显微镜下观察样品或反应物的晶态、光学性质、颗粒尺寸和圆球直径等。
17世纪中叶,R.胡克从事显微镜术的研究,并于1665年出版《显微图谱》。法国药剂师F.A.H.德卡罗齐耶在1784年用显微镜以氯铂酸盐形式区别钾、钠。
1747年,德意志化学家A.S.马格拉夫用显微镜证实蔗糖和甜菜糖实为同一物质;
1756年,用显微镜检验铂族金属。
1865年,A.黑尔维希著《毒物学中之显微镜》。
1877年,S.A.博里基著《以化学/显微镜法作矿物与岩石分析》,并使用气体试剂(如氟化氢、氯)、氟硅酸和硫化铵与矿物及其切片作用。T.H.贝仑斯不仅从事无机物的晶体检验,还扩充到有机晶体。
1891年,O.莱尔曼提出热显微术,即在显微镜下观察晶体遇热时的变化。L.科夫勒及其夫人设计了两种显微镜加热台,便于研究药物及有机化合物的鉴定。热显微术只需一粒晶体。后来又发展到电子显微镜,分辨率可达1埃。
不用显微镜的最早的微量分析者应推德国J.W.德贝赖纳。他从事湿法微量分析,还有吹管法和火焰反应,并发表了《微量化学实验技术》一书。公认的近代微量分析奠基人是F.埃米希。他设计和改进微量化学天平,使其灵敏度达到微量化学分析的要求,改进和提出新的操作方法,实现毫克级无机样品的测定,并证实纳克级样品测定的精确度不亚于毫克级测定。有机微量定量分析奠基人是F.普雷格尔,他曾从胆汁中离析一降解产物,其量尚不足作一次常量碳氢分析,在听了埃米希于1909年所作的有关微量定量分析的讲演并参观其实验室后,他决意将常量燃烧法改为微量法(样品数毫克),并获得成功;1917年出版《有机微量定量分析》一书,并在1923年获诺贝尔化学奖。
常量操作如不适用于微量分析则需改进。例如,常量过滤是将沉淀定量移入滤纸锥中或过滤坩埚中。若用此法于微量沉淀过滤,则在原进行沉淀的烧杯壁所粘附的物质就不能再忽略不计了,所以必须改变办法。微量过滤采用滤棒吸出母液,而留全部沉淀于容器中。容器可用25毫升瓷坩埚,它兼用作称量器皿;还可在其内洗涤沉淀,然后再用滤棒吸出洗液。这样既可避免沉淀损失,又可简化操作手续。
无机化合物在滤纸上的行为在19世纪中已引起注意。德意志化学家F.F.龙格在1850年将染料混合液滴在吸墨纸上使之分离。更早些时候他用染有淀粉和碘化钾溶液的滤纸或花布块作漂白液的点滴试验。他又用浸过硫酸铁(Ⅲ)和铜(Ⅱ)溶液的纸,在其中部滴加黄血盐,等每滴吸入后再加第二滴,因此获得自行产生的美丽图案。1861年出现C.F.舍恩拜因的毛细管分析,他将滤纸条浸入含数种无机盐的水中,水携带“盐类”沿纸条上升,以水升得最高,其他离子依其“迁移率”而分离成为连接的带。这与“纸层析”极为相近。他的学生研究于“滤纸上分离有机化合物”获得成功,能明显而完全分离“有机染料”。
用滤纸或瓷板进行无机、有机物的检出是普雷格尔的贡献。方法简单而易行,选择性和灵敏度均高,点滴试验属微量分析范围。所著《点滴试验》和《专一、选择和灵敏反应的化学》两书,为从事分析者所必读。1921年后奥地利F.法伊格尔系统地发展了点滴试验法。
20世纪60年代,H.魏斯提出环炉技术。仅用微克量样品置滤纸中心,继用溶剂淋洗,而在滤纸外沿加热以蒸发溶剂,遂分离为若干同心环。如离子无色可喷以灵敏的显色剂或荧光剂。既能检出,又能得半定量结果。
色谱法
色谱法也称层析法,基本上是分离方法。
1906年,俄国М.С.茨维特将绿叶提取汁加在碳酸钙沉淀柱顶部,继用纯溶剂淋洗,从而分离了叶绿素。此项研究发表在德国《植物学》杂志上,故未能引起人们注意。
1931年,德国R.库恩和E.莱德尔再次发现本法并显示其效能,人们才从文献中追溯到茨维特的研究和更早的有关研究,如1850年J.T.韦曾利用土壤柱进行分离;1893年L.里德用高岭土柱分离无机盐和有机盐。四年后D.T.戴用漂白土分离石油。
气体吸附层析始于20世纪30年代的P.舒夫坦和A.尤肯。40年代,德国Y.黑塞利用气体吸附以分离挥发性有机酸。英国E.格卢考夫也用同一原理在1946年分离空气中的氦和氖,并在1951年制成气相色谱仪(见气相色谱法)。第一台现代气相色谱仪研制成功应归功于E.克里默。
气体分配层析法根据液液分配原理,由英国A.J.P.马丁和R.L.M.辛格于1941年提出。由于此工作之重要,他们获得1952年诺贝尔化学奖。M.J.E.戈莱提出用长毛细管柱,是另一创新。
色谱-质谱联用法中将色谱法所得之淋出流体移入质谱仪,可使复杂的有机混合物在数小时内得到分离和鉴定,是最有效的分析方法之一。
液相色谱法包括液-液和液-固色谱,后两个名称之第一物态代表流动相,第二物态代表固定相。在大气压力下,液相色谱流速太低,因此须增加压强。这方面的先驱工作是P.B.哈密顿在1960年用高压液相色谱分离氨基酸。
1963年,J.C.吉丁斯指出,液相色谱法的柱效要赶上气相色谱法,则前者填充物颗粒应小于后者颗粒甚多,因此需要大压强,所用的泵应无脉冲。
1966年,R.詹特福特和T.H.高制成这种无脉冲泵。
1969年,J.J.柯克兰改进填充物,使之具有规定的表面孔度,再将固定相(如正十六烷基)键合在载体上,使之能抗热和抗溶剂分解。载体可用二氧化硅,键合通过Si-O-C或Si-C键。
薄层层析
薄层层析采用薄层硅胶等代替滤纸进行层析。由于硅胶颗粒均匀而细微,分离的速度和程度一般优于纸层析,分离无机物和有机物时与纸层析一样有效。
荷兰生物学家M.W.拜尔因克在1889年滴一滴盐酸和硫酸的混合液于动物胶薄层中部,盐酸扩散远些,在硫酸环之外另成一环,相继用硝酸银和氯化钡显示这两个环的存在。
9年后H.P.维伊斯曼用同样方法证明麦芽的淀粉酶中实含两种酶。
直至1956年联邦德国E.施塔尔改善涂布方法和操作,采用细颗粒(0.5~5微米)硅胶等措施,才使该法得到广泛使用。定量薄层层析始于J.G.基施纳等(1954)。他们最先测定橙柑属及其加工品中的联苯(见薄层层析)。
热分析
希腊哲学家泰奥弗拉斯图斯曾记录各种岩石矿物及其他物质遇热所发生的影响。法国H.-L.勒夏忒列和英国W.C.罗伯茨-奥斯汀同称为差热分析的鼻祖。
20世纪60年代,出现精细的差热分析仪和M.J.奥尼尔提出的差示扫描量热法,它能测定化合物的纯度及其他参数,如熔点和玻璃化、聚合、热降解、氧化等温度(见热分析)。
20世纪初,提出的热重量法是研究物质,如钢铁、沉淀等遇热时重量之变化。本多光太郎创制第一架热天平,它最初只用于解决冶金方面的问题。将它用于分析方面的当推 C.杜瓦尔。他曾研究过 1000多种沉淀的热行为。例如草酸钙用高温可灼烧为氧化钙,也可在约550°C灼烧为碳酸钙。二者作为称量形式,则以后者为佳,因灼烧时既省能量,换算因子值较大(因此误差较小),又免氧化钙在称量时吸潮。
电解时,铜(Ⅱ)在阴极还原而以单质(零价)析出,再进行称量,应归入重量法。此时可认为电子是沉淀剂。还有铅(Ⅱ)在阳极氧化,以二氧化铅形式附于阳极。前法在19世纪60年代分别由德意志C.卢科和美国J.W.吉布斯独立提出。
有机试剂
19世纪初,用于无机重量分析的有机试剂只有草酸及其铵盐和琥珀酸铵两种。前者用于钙、镁分离和钙的测定。后者用于沉淀三价铁使它与二价金属离子分离。
1885年,M.A.伊林斯基和G.von克诺雷提出1-亚硝基-2-萘酚作为镍存在时钴的沉淀剂,同时也是第一个螯合剂。至于阴离子测定,在20世纪初,W.米勒提出4,4-联苯胺作为硫酸根的沉淀剂。
1950年,中国梁树权等将有机试剂用于重量分析,测定钨酸根。
1950年,M.布希引入4,5-二氢-1,4-二苯基-3,5-苯亚氨基-1,2,4-三氮杂茂(简称硝酸根试剂)作为硝酸根沉淀剂。1975年后,它又成为高铼酸根的良好沉淀剂。
1950年,Л.A.楚加耶夫合成了丁二肟,并观察到它与镍(Ⅱ)形成红色沉淀。两年后,联邦德国O.E.布龙克把丁二肟试剂应用于钢中镍的测定。嗣后灵敏的和选择性高的新有机试剂不断出现。中国曾云鹗等合成3-(2-胂酸基苯偶氮)-6-(2,6-二溴-4-氯苯偶氮)-4,5-二羟基-2,7-萘二磺酸,用此试剂时,稀土元素的摩尔吸光系数可以高达0.98~1.2×10升/(摩·厘米)。
光度分析
它是基于被测物质的分子对光具有选择性吸收的特性而建立起来的分析方法。包括比色分析法和紫外、可见分光光度法。测量某溶液对不同波长单色光的吸收程度,以波长为横坐标,吸光度为纵坐标作图,可得到吸收光谱。根据各种物质所有的特殊吸收光谱,可进行定性分析和定量分析。
比色法以日光为光源,靠目视比较颜色深浅。最早的记录是1838年W.A.兰帕迪乌斯在玻璃量筒中测定钴矿中的铁和镍,用标准参比溶液与试样溶液相比较。
1846年,A.雅克兰提出根据铜氨溶液的蓝色测定铜。随后有T.J.赫罗帕思的硫氰酸根法测定铁(1852);奈斯勒法测定氨;苯酚二磺酸法测定硝酸根(1864);过氧化氢法测定钛(1870);亚甲基蓝法测定硫化氢(1883);磷硅酸法测定二氧化硅(1898)。分光光度计使用单色光和光电倍增管,波长范围为 220~1000纳米,比目视范围(400~700纳米)更宽。
用光照射悬浮液,从顶部观察,当视线与光线成直角时,称为比雾法;如果视线与光线在一条直线上时,称为比浊法。
18世纪50年代,G.J.马尔德在原子量测定中,利用了目测上层液体中氯化银悬浮液的亮度。随后,J.-S.斯塔改用一标准悬浮液作参比。
1894年,美国T.W.理查兹设计出第一台比雾计。比雾法最初用于观测原子量测定中母液中的氯(或溴)离子和银离子浓度是否达到当量。随后此法用于定量测定,其灵敏度很高,可测定一升水所含的3微克磷,或一升水所含的10微克丙酮。
分子光谱分析
红外光谱是有机化学家鉴别未知化合物的有力手段。红外光谱在20年代开始应用于汽油爆震研究,继用于鉴定天然和合成橡胶以及其他有机化合物中的未知物和杂质。70 年代,在电子计算机蓬勃发展的基础上,傅立叶变换红外光谱 (FTIR) 实验技术进入现代化学家的实验室,成为结构分析的重要工具。远红外光谱(200~10厘米)和微波谱(10~0.1厘米)是研究分子旋转的光谱法。
拉曼光谱(见拉曼光谱学是研究分子振动的另一种方法。早期拉曼光谱的信号太弱,使用困难,直至用激光作为单色光源后,才促进其在分析化学中的应用。拉曼光谱发展到现今已有采用傅立叶变换技术的FT-Raman光谱分析技术,共聚焦显微拉曼光谱分析技术,表面增强拉曼效应分析技术等,在生物医学分析、 文物分析、宝石鉴定、矿物分析等领域有重要的作用。
原子发射光谱法
1672年,I.牛顿在暗室中用棱镜分日光为七色,这就是原子发射光谱法的始祖。
1800年,F.W.赫歇耳发现红外线。次年J.W.里特用氯化银还原现象发现紫外区。又次年W.H.渥拉斯顿观察到日光光谱的暗线。
1815年, J.von夫琅和费经过研究,命名暗线为夫琅和费线。文献中称钠线为D线,也是夫琅和费规定的。R.W.本生发明了名为本生灯的煤气灯,灯的火焰近于透明而不发光,便于光谱研究。
1859年,本生和他的同事物理学家G.R.基尔霍夫研究各元素在火焰中呈示的特征发射和吸收光谱,并指出日光光谱中的夫琅和费线是原子吸收线,因为太阳的大气中存在各种元素。他们用的仪器已具备现代分光镜的要素。他们可称为发射光谱法的创始人。
电化学分析法
W.H.能斯脱在1889年提出了能斯脱公式,将电动势与离子浓度、温度联系起来,奠定了电化学的理论基础。随后,电化学分析法有了发展,电沉积重量法、电位分析法、电导分析法、安培滴定法、库仑滴定法、示波极谱法相继出现。氢电极、玻璃电极和离子选择性电极陆续制成。尤以极谱分析技术贡献卓著。
现代分析编辑
分析化学是研究物质组成的科学,它包括化学分析、仪器分析两部分。化学分析是基础,仪器分析是新世纪的发展方向。
分析化学
化学分析包括滴定分析和称量分析,它是根据物质的化学性质来测定物质的组成及相对含量。
光谱学
质谱学
分光度和比色法
层析和电泳法
结晶学
显微术
电化学分析
古典分析
虽说当代分析方法绝大部分为仪器分析,但有些仪器最初的设计目的,是为了简化古典方法的不便,基本原理仍来自於古典分析。另外,样品配置等前置处理,仍需要藉由古典分析手法的协助。以下举一些古典分析方法:
滴定法
重量分析
无机定性分析
仪器分析
分析仪器:当代分析化学著重仪器分析,常用的分析仪器有几大类,包括原子与分子光谱仪,电化学分析仪器,核磁共振,X光,以及质谱仪。仪器分析之外的分析化学方法,统称为古典分析化学。
分析化学是化学的一个重要分支,它主要研究物质中有哪些元素或基团(定性分析);每种成分的数量或物质纯度如何(定量分析);原子如何联结成分子,以及在空间如何排列等等。
仪器分析的方法:它是根据物质的物理性质或物质的物理化学性质来测定物质的组成及相对含量。仪器分析根据测定的方法原理不同,可分为电化学分析、光学分析、色谱分析、其他分析法等4大类。如右图。
仪器分析分类表
仪器分析分类表
主要分析仪器:
原子吸收光谱法(Atomic absorption spectroscopy, AAS)
原子荧光光谱法(Atomic fluorescence spectroscopy, AFS)
α质子-X射线光谱仪(Alpha particle X-ray spectrometer, APXS)
毛细管电泳分析仪(Capillary electrophoresis, CE)
色谱法(Chromatography)
比色法(Colorimetry)
循环伏安法(Cyclic Voltammetry, CV)
差示扫描量热法(Differential scanning calorimetry, DSC)
电子顺旋共振仪(Electron paramagnetic resonance, EPR)
电子自旋共振(Electron spin resonance, ESR)
椭圆偏振技术(Ellipsometry)
场流分离法(Field flow fractionation, FFF)
传式转换红外线光谱术(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR)
气相色谱法(Gas chromatography, GC)
气相色谱-质谱法(Gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS)
高效液相色谱法(High Performance Liquid Chromatography, HPLC)
离子微探针(Ion Microprobe, IM)
感应耦合电浆(Inductively coupled plasma, ICP)
Instrumental mass fractionation (IMF)
选择性电极(Ion selective electrode, ISE)
激光诱导击穿光谱仪(Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)
质谱仪(Mass spectrometry, MS)
穆斯堡尔光谱仪系统(Mossbauer spectroscopy)
核磁共振(Nuclear magnetic resonance, NMR)
粒子诱发X-射线产生(Particle induced X-ray emission spectroscopy,PIXE)
热裂解-气相色谱-质谱仪(Pyrolysis-Gas Chromatography-Mass Spectrometry, PY-GC-MS)
拉曼光谱(Raman spectroscopy)
折射率
共振增强多光子电离谱(Resonance enhanced multi-photon ionization, REMPI)
扫瞄穿透X射线显微镜(Scanning transmission X-ray microscopy,STXM)
薄板层析(Thin layer chromatography,TLC)
穿透式电子显微镜(Transmission electron microscopy,TEM)
X射线荧光光谱仪(X-ray fluorescence spectroscopy,XRF)
X射线显微镜(X-ray microscopy,XRM)
分析化学的比较
化学分析与仪器分析方法比较表:
项目
化学分析法(经典分析法)
仪器分析法(现代分析法)
物质性质
化学性质
物理、物理化学性质
测量参数
体积、重量
吸光度、电位、发射强度等等
误差
1%~0.2%
1%~2%或更高
组分含量
1%~100%
<1%~单分子、单原子
理论基础
化学、物理化学(溶液四大平衡)
化学、物理、数学、电子学、生物等等
解决问题
定性、定量
定性、定量、结构、形态、能态、动力学等全面的信息
方法分类编辑
方法原理
化学分析和仪器分析
凡主要利用化学原理进行分析的方法称为化学分析法;而主要利用物理学原理进行分析的方法则称为仪器分析法。当然这两者的界限难以截然划清,也有介乎二者之间的方法。
仪器一般指大型仪器,如核磁共振仪(见核磁共振谱)、X射线荧光仪 (见X射线荧光光谱分析法)、X射线衍射仪、质谱仪(见质谱法)、电子能谱仪等。原子发射光谱法和原子吸收光谱法基本上采用湿法预处理,然后在相应仪器中测定,可认为是介于二者之间的方法,也可看作是化学法与仪器法的联合使用。不能认为用到仪器就是仪器分析。例如,重量分析开始于用天平称量样品,末一步再用天平称沉淀重量。
天平是物理仪器,称量是物理过程,但重量分析却是公认的典型化学分析法,原因是重量分析主要靠欲测离子与沉淀剂作用而定量析出沉淀。至于经典法一词,专指重量分析法和容量分析。其范围远狭于化学法。所以经典法仅是化学分析法的一部分,而不是全部。
样品性质
粗分为无机分析和有机分析两大类
天然产物和工业制品中的无机物,如岩石、矿物、陶瓷、钢铁、合金、矿物酸、烧碱等的分析属无机分析;石油、染料、塑料、食品、合成药物、中草药等的分析属有机分析。简言之,凡碳氢化合物及其衍生物的分析属有机分析,而除上述物质外的分析统属无机分析。不过,无机物中有时夹杂一些有机物质,而有机物也含有无机物质。例如,河水、海水中含有有机物,有些锰矿夹杂有机物,煤含有灰分,石油含有以络合物形式存在的金属,纸张中有无机填充物等。这类物品既用到无机分析,也用到有机分析。
还有一些方法对无机物质和有机物质同样有效,如气相色谱法便是其中之一。样品中一氧化碳、二氧化碳、氢、氮、氧、甲烷、乙烯、水气等在同一柱中,在选择的条件下可逐一分离或分组分离。奥萨特气体分析器也是如此,只是分离的原理不同。
痕量分析是指样品所含的量极为微少。一般在样品中含量多的为主要成分,含量少的为次要成分。E.B.桑德尔认为含量在1%~0.01%的为次要成分。有人认为在10%~0.01%的为次要成分。含量在万分之一(0.01%)以下称为痕量。痕量分析的动向趋于测定愈来愈低的含量,因此出现了超痕量分析,即含量接近或低于一般痕量下限。这名称只是定性的。定量或更明确的名称见下列规定:
痕量 10~10微克/克
微痕量10~10微克/克
纳痕量 10~10微克/克
沙痕量 10~10
微克/克微痕量分析尚另有一种意义,即使用微量分析的称样,而测定其中痕量元素(例如<10微克/克)。为与前述一词区分,后一词应称为微样痕量分析。
理想条件
①选择性最高,以至具有专一性,即干扰极少,这样就可以减少或省略分离步骤;
②精密度和准确度最高;
③灵敏度最高,从而少量或痕量组分即可检定和测定;
④测定范围最广,大量和痕量均能测定;
⑤能测定的元素种类和物种最多;
⑥方法简便,即最易操作而不需高度技巧;
⑦经济实惠,即要求费用少而收益大。但汇集所有优点于一法是办不到的,例如,在重量分析中,如要提高准确度,需要延长分析时间(如用重沉淀法纯化沉淀)。因为化学法测定原子量要求准确到十万分之一,所以最费时间。
分析方法的要求
分析方法要力求简便,不仅野外工作(诸如地质普查、化学探矿、环境监测、土壤检测等)需要简便、有效的化学分析方法,室内例行分析工作也如此。
因为在不损失所要求之准确度和精密度的前提下,方法简便,步骤少,这就意味着节省时间、人力和费用。例如,金店收购金首饰时,是将其在试金石板上划一道(科学名称是条纹),然后从条纹的颜色来鉴定金的成色。这种条纹法在矿物鉴定中仍然采用。
当然,该法不及火试金法或原子吸收光谱法准确,但已能达到鉴定金器之目的。又如,糖尿病人的尿糖量可用特制的含酶试纸进行检验,从试纸的颜色变化估计含糖量的多寡,其方法之简便连患者本人也会使用。另一方面,用原子吸收光谱法虽然也能间接测定尿样中含糖量,但因为不经济而没有被采用。
分离和富集方法
虽然有不少灵敏的和选择性强(甚至专一)的方法,但是如果欲测元素的浓度接近或低于方法的测定下限,则富集仍不可避免。富集方法很多,如升华、挥发、蒸馏、泡沫浮选(见痕量富集)、吸附(用分子筛、活性炭等)、色谱法、共沉淀、共结晶、汞齐作用、选择溶解、溶剂萃取、离子交换等。
在检出或测定之前,常常需要使欲测(或检出)物质与干扰物质彼此分离。重要的分离方法有蒸馏、溶剂萃取、离子交换、电渗析、沉淀、电泳等,大都与富集方法相同。富集可认为是提高浓度的分离方法。
隐蔽作用(见隐蔽和解蔽)虽不是分离,但其作用使离子失去其正常性质,即令该离子以另一形式存于反应体系中。然而在分析化学中分离之目的无非使干扰离子不再干扰,因此就广义而言,隐蔽及其相反作用解蔽应包括在分离范畴中。在分析化学中采用隐蔽和解蔽作用由来已久。重量分析、光度法、极谱法中均已应用,特别在点滴试验和络合滴定法中使用得更频繁。
取样和试样分解
取样最重要的要求是有代表性,即取来欲分析的样品须能代表全体。均匀或容易混匀的物质取样自不成问题,气态和液态样品属于这一类。不均匀的固态物质,如矿石和煤炭等应按规定手续取样。否则,分析结果不能代表原物质,徒然浪费人力物力。野外矿石取样多由地质人员进行。所得大样在试验室中由分析人员按一定手续粉碎和缩分到小样。另一方面,有机元素燃烧法分析合成的纯样品则无此问题。
样品溶熔是第二步。溶熔包括溶解和熔融,也称分解。有些样品能溶解于水、酸或混合酸、碱,以及有机溶剂中。上述办法不能溶解的,可改用熔剂熔融。熔剂可分碱性(如碳酸钠)、酸性(如硫酸氢钾)、氧化性(如过氧化钠)和还原性的(如硫代硫酸钠)。如果欲分析的成分较易挥发或熔融温度高,对坩埚腐蚀严重,则可改用烧结,即将颗粒表面部分熔化。史密斯法用氯化铵和碳酸钙(1:8~12)与硅酸盐岩石混合和烧结,以测定其中的碱金属便是一例。有机化合物和生物样品可采用干法或湿法灰化。干法灰化为在充分氧气存在下加热至炭化并逐渐燃烧,或在较低温度用原子氧氧化(低温灰化)。湿法灰化利用氧化性酸(如硝酸、高氯酸、浓硫酸)氧化样品。干法、湿法各有其优缺点,须视样品而定。
检验与消除系统误差编辑
对照实验
对照试验是检验分析过程中有无系统误差的有效方法。用含量已知的标准试样或纯物质,以同一方法按完全相同的条件,平行测定,由分析结果与已知含量的误差对结果进行校正,可减免系统误差。
对于新建立的分析方法,一般要求与经典方法对照,对同一试样进行测量,比较测量结果的精密度与准确度,以判断所建方法的可行性。
回收试验
当无法获得标准试样时,分析方法的准确度用回收试验的结果来衡量。回收试验是先用所建方法测出试样中某组分含量,再取几份相同试样(n≥5),各加入适量待测组分的纯品,按相同条件进行测定
回收率越接近100%,系统误差越小,方法准确度越高。回收率偏低可能是样品制备不当、提取不完全或方法本身的系统误差所致;回收率偏高则可能和方法选择性差,杂志干扰等因素有关。回收试验常在微量组分分析中应用。
空白试验
空白试验是采用和测定试样完全相同的方法、仪器和试剂,但不加入试样的情况下进行的分析试验。所得结果成为空白值,从试验的分析结果中扣除空白值,可消除由试剂、溶剂及试验器皿等引入的杂质所造成的误差。
发展简史
分析化学这一名称虽创自玻意耳,但其实践运用与化学工艺的历史同样古老。古代冶炼、酿造等工艺的高度发展,都是与鉴定、分析、制作过程的控制等手段密切联系在一起的。在东、西方兴起的炼丹术、炼金术等都可视为分析化学的前驱。
古代化学的发展
公元前3000年,埃及人已经掌握了一些称量的技术。最早出现的分析用仪器当属等臂天平,它在公元前1300年的《莎草纸卷》上已有记载。巴比伦的祭司所保管的石制标准砝码(约公元前2600)尚存于世。不过等臂天平用于化学分析,当始于中世纪的烤钵试金法中。
古代认识的元素,非金属有碳和硫,金属中有铜、银、金、铁、铅、锡和汞。公元前四世纪已使用试金石以鉴定金的成色,公元前三世纪,阿基米德在解决叙拉古王喜朗二世的金冕的纯度问题时,即利用了金、银密度之差,这是无伤损分析的先驱。
公元60年左右,老普林尼将五倍子浸液涂在莎草纸上,用以检出硫酸铜的掺杂物铁,这是最早使用的有机试剂,也是最早的试纸。迟至1751年,埃勒尔·冯·布罗克豪森用同一方法检出血渣(经灰化)中的含铁量。
火试金法是一种古老的分析方法。远在公元前13世纪,巴比伦王致书埃及法老阿门菲斯四世称:“陛下送来之金经入炉后,重量减轻……”这说明3000多年前人们已知道“真金不怕火炼”这一事实。法国菲利普六世曾规定黄金检验的步骤,其中提出对所使用天平的构造要求和使用方法。
18-19世纪
18世纪的瑞典化学家贝格曼可称为无机定性、定量分析的奠基人。他最先提出金属元素除金属态外,也可以其他形式离析和称量,特别是水中难溶的形式,这是重量分析中湿法的起源。
德国化学家克拉普罗特不仅改进了重量分析的步骤,还设计了多种非金属元素测定步骤。他准确地测定了近200种矿物的成分及各种工业产品如玻璃、非铁合金等的组分。
18世纪分析化学的代表人物首推贝采利乌斯。他引入了一些新试剂和一些新技巧,并使用“无灰滤纸”、“低灰分滤纸”和“洗涤瓶”。他是第一位把原子量测得比较精确的化学家。除无机物外,他还测定过“有机物中元素的百分数”。他对吹管分析尤为重视,即将少许样品置于“炭块凹处”,用“氧化”或“还原焰”加热,以观察其变化,从而获得有关样品的定性知识。此法一直沿用至19世纪,其优点是迅速和所需要的样品量少,又可用于野外勘探和普查矿产资源等。
19世纪分析化学的杰出人物之一是弗雷泽纽斯,他创立一所分析化学专业学校(此校至今依然存在);并在1862年创办德文的《分析化学》杂志,其后人连任主编至今。他编写的《定性分析》、《定量分析》两本书编译为多种文字,包括晚清时代出版的中译本,定名为《化学考质》和《化学求数》。他将定性分析的“阳离子硫化氢系统”修订为的五组,还注意到“酸碱度对金属硫化物沉淀”的影响。在容量分析中,他提出用二氯化锡滴定三价铁至黄色消失。
1663年波义耳报道了用植物色素作酸碱指示剂,这是容量分析的先驱。但真正的容量分析应归功于法国盖·吕萨克。1824年他发表“漂白粉中有效氯的测定”,用“磺化靛青”作指示剂。随后他用硫酸滴定“草木灰”,又用氯化钠滴定“硝酸银。”这三项工作分别代表氧化还原滴定法、酸碱滴定法和沉淀滴定法。络合滴定法创自李比希,他用银滴定氰离子。
另一位对容量分析作出卓越贡献的是德国莫尔,他设计的“可盛强碱溶液的滴定管”至今仍在沿用。他推荐草酸作碱量法的基准物质,硫酸亚铁铵(也称莫尔盐)作氧化还原滴定法的基准物质。
最早的“微量分析”是“化学显微术”,即在显微镜下观察样品或反应物的“晶态”、“光学性质”、“颗粒尺寸”和“圆球直径”等。17世纪中叶胡克从事显微镜术的研究,并于1665年出版《显微图谱》。法国药剂师德卡罗齐耶在1784年用显微镜以氯铂酸盐形式区别钾、钠。德意志化学家马格拉夫在1747年用显微镜证实蔗糖和甜菜糖实为同一物质;在1756年用显微镜检验铂族金属。1891年,莱尔曼提出热显微术,即在显微镜下观察晶体遇热时的变化。科夫勒及其夫人设计了两种显微镜加热台,便于研究药物及有机化合物的鉴定。后来又发展到电子显微镜,分辨率可达1埃。
不用显微镜的最早的微量分析者应推德国德贝赖纳。他从事“湿法微量分析”,还有吹管法和火焰反应,并发表了《微量化学实验技术》一书。近代微量分析奠基人是埃米希,他设计和改进微量化学天平,使其灵敏度达到微量化学分析的要求;改进和提出新的操作方法,实现毫克级无机样品的测定,并证实纳克级样品测定的精确度不亚于毫克级测定。
有机微量定量分析奠基人是普雷格尔,他曾从胆汁中离析出一种降解产物,其量尚不足作一次常量碳氢分析。在听了埃米希于1909年所作有关微量定量分析的讲演并参观其实验室后,他决意将常量燃烧法改为微量法(样品数毫克),并获得成功;1917年出版《有机微量定量分析》,并在1923年获诺贝尔化学奖。
德国化学家龙格在1850年将染料混合液滴在吸墨纸上使之分离,更早些时候他曾用染有淀粉和碘化钾溶液的滤纸或花布块作过漂白液的点滴试验。他又用浸过硫酸铁和铜溶液的纸,在其中部滴加“黄血盐”,等每滴吸入后再加第二滴,因此获得自行产生的美丽图案。1861年出现舍恩拜因的毛细管分析,他将滤纸条浸入“含数种无机盐”的水中,水携带“盐类”沿纸条上升,以水升得最高,其他离子依其迁移率而分离成为连接的带。这与纸层析极为相近。他的学生研究于滤纸上分离有机化合物获得成功,能明显而完全分离有机染料。
20世纪60年代,魏斯提出环炉技术。仅用微克量样品置滤纸中,继用溶剂淋洗,而后在滤纸外沿加热以蒸发溶剂,遂分离为若干同心环。如离子无色可喷以灵敏的显色剂或荧光剂,既能检出,又能得半定量结果。
发展概述
火试金法是久经考验的一种分析方法。远在公元前13世纪,巴比伦王致书埃及法老阿门菲斯四世称:“陛下送来之金经入炉后,重量减轻……。”这说明3000多年前人们已知道“真金不怕火炼”这一事实。14世纪时,在欧洲已用法律规定烤钵试金法为检验黄金的手段。匈牙利王查理一世曾令每一矿城须建立一个火试金试验室。法国国王菲利普六世曾规定黄金检验的步骤,其中并提出对所使用天平的构造要求和使用方法,如天平不应置于受风吹或寒冷之处,使用者的呼吸不得影响天平的称量等。
1540年出版的《火技艺》一书已详述用骨灰制作烤钵和灰吹法。随后不久,火试金法即推广至某些贱金属,特别是铜和铅矿石分析。德意志G.阿格里科拉在其名著《坤舆格致》第七章中,系统叙述火试金法。本法又称干法,适用于能从样品中以粒状或钮扣状析出的金属,而不适用于非金属。
定性分析和定量分析 瑞典化学家T.O.贝格曼可称为无机定性、定量分析的奠基人。他首先提出金属元素除金属态外,也可以其他形式离析和称量,特别是以水中难溶的形式,这是重量分析中湿法的起源。当时还没有原子量,也没有化合物的分子式。他的换算因子是由实验直接获得的。
德意志化学家M.H.克拉普罗特不仅改进了重量分析的步骤,还设计了多种非金属元素测定步骤。他准确地测定了近 200种矿物的成分及各种工业产品如玻璃、非铁合金等的组分。
18世纪分析化学的代表人物首推J.J.贝采利乌斯。他引入了一些新试剂(如氢氟酸用于分解硅酸盐岩石和二氧化硅测定)和一些新技巧,并使用无灰滤纸、低灰分滤纸和洗涤瓶。他是第一位把原子量测得比较精确的化学家。除无机物外,他还测定过有机物中元素的百分数。他对吹管分析尤为重视。吹管分析可认为是冶金操作之微型化,即将少许样品置于炭块凹处,用氧化或还原焰加热,以观察其变化,从而获得有关样品的定性知识。此法沿用至19世纪,其优点是迅速、所需样品量少,又可用于野外勘探和普查矿产资源等。
19世纪分析化学的杰出人物之一是C.R.弗雷泽纽斯,他创立一所分析化学专业学校,至今此校仍存在;并于1862年创办德文的《分析化学》杂志,由其后人继续任主编至今。他编写的《定性分析》、《定量分析》两书曾译为多种文字,包括晚清时代出版的中译本,分别定名为《化学考质》和《化学求数》。他将定性分析的阳离子硫化氢系统修订为五组,还注意到酸碱度对金属硫化物沉淀的影响。在容量分析中,他提出用二氯化锡滴定三价铁至黄色消失。

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