分析化學(xué)幾種方法和作用
三水錳礦 / 2021-09-27
1.1 分析化學(xué)的任務(wù)和作用
分析化學(xué)是人們獲得物質(zhì)化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)信息的科學(xué),它所要解決的問題是物質(zhì)中含有哪些組分,各個(gè)組分的含量是多少,以及這些組分是以怎樣的狀態(tài)構(gòu)成的物質(zhì),要解決這些同題,就要依據(jù)反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化的理論,創(chuàng)建有關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù),研制儀器設(shè)備,制訂分析方法,因此分析化學(xué)是化學(xué)研究中最基礎(chǔ)、最根本的領(lǐng)域之一。
人類賴以生存的環(huán)境(大氣、水質(zhì)和土壤)需要監(jiān)測(cè),對(duì)三廢(廢氣、廢液、廢流)需要治理,并加以綜合利用,工業(yè)生產(chǎn)中工藝條件的選擇、生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵,了解食品的營養(yǎng)價(jià)值、農(nóng)藥殘留和污染狀況,是攸關(guān)人們生活和生存的大事;在人類與疾病的斗爭中,臨床診斷、病理研究、藥物篩選,以至于進(jìn)一步研究基因缺陷;登陸月球后的巖樣分析,火星,土星的臨近探測(cè)……所有這些人類活動(dòng)的每一步都離不開分析化學(xué)。
據(jù)統(tǒng)計(jì),在已經(jīng)頒發(fā)的所有諾貝爾物理、化學(xué)獎(jiǎng)中,有四分之一的項(xiàng)目和分析化學(xué)直接有關(guān),20世紀(jì)90年代以來,世界上幾個(gè)科技強(qiáng)國紛紛把人類基因組研究列為國家重大研究項(xiàng)目,這將對(duì)人類的生命和生存產(chǎn)生重要而探遠(yuǎn)的影響,其中作為基礎(chǔ)研究的大規(guī)模脫氧核糖核酸(DNA)測(cè)序、定位工作,近年來取得很大進(jìn)展,并于2000年提前完成“人類基因組工作草圖”的繪制,這在很大程度上得益于分析化學(xué)中陣列毛細(xì)管電泳技術(shù)的突破,總之,在化學(xué)學(xué)科本身的發(fā)展上,以及相當(dāng)廣泛的學(xué)科門類的研究領(lǐng)域中,分析化學(xué)都起著顯著的作用.
在化工與制藥、幼織、食品、生物工程、材料,躋源與環(huán)境等專業(yè)的課程設(shè)置中,分析化學(xué)是一門基礎(chǔ)課,由于學(xué)時(shí)數(shù)及原有知識(shí)水平的限制,本文目前仍以成分分析為基本內(nèi)容,同時(shí)兼題有關(guān)結(jié)構(gòu)分析的業(yè)人門知識(shí),成外分析主要可以分為定性分析和定量分析兩部分,定性分析的任務(wù)是鑒定物質(zhì)由哪些元素和離子所組成,對(duì)于有機(jī)物質(zhì)還需編定其官能團(tuán)及外子結(jié)構(gòu),定量分析的任務(wù)是測(cè)定物質(zhì)各組成部分的含量通過本課程的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)基本技能的訓(xùn)練,還能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)格、認(rèn)真和實(shí)事求是的科興態(tài)度,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析和判斷問題的能力,精制、細(xì)致地進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的技能,使學(xué)生具有科學(xué)技術(shù)工作者應(yīng)具備的素質(zhì)。為此在教學(xué)中應(yīng)注意理論聯(lián)系實(shí)際,引導(dǎo)學(xué)生深入理解所學(xué)的理論知識(shí),培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力,為他們學(xué)習(xí)后繼課程和以后投身祖國的社會(huì)主義建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)。
1.2分析方法的分類
分析方法一般介為兩大類,即化學(xué)分析方法和儀器分析方法。
1.2.1化學(xué)分析方法
以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的分析方法,稱為化學(xué)分析法,如重量分析法和滴定分析法。
通過化學(xué)反應(yīng)及一系列操作步賺使試樣中的特測(cè)組分轉(zhuǎn)化為另一種純粹的,固定化學(xué)組成的化合物,再稱取該化合物的質(zhì)量,從而計(jì)算出待測(cè)組分的含量或質(zhì)量分?jǐn)?shù),這樣的分析方法稱為重量分析法。
將已知農(nóng)度的試劑容液,滴加到待測(cè)物質(zhì)溶被中,使其與待測(cè)組分發(fā)生反應(yīng),而加入的試劑量恰好為完成反應(yīng)所業(yè)需的,根據(jù)試劑的濃度和加人的準(zhǔn)確體積,計(jì)算出稱測(cè)組分的含量,這樣的分析方法稱為滴定分析法 (舊稱容量分析法),依據(jù)不同的反應(yīng)類型,滴定分析法又可分為酸堿滴定法(乂稱中和法),沉淀滴定法(又稱容量沉淀法)、配位滴定法(又稱絡(luò)合滴定法)和氧化還原滴定法.
重量分析法和滴定分析法通常用于高含量或中含量組外的測(cè)定,即待測(cè)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%以上。重量分析的準(zhǔn)確度比較高,至今還有一些組分的測(cè)定是以重量分析法為標(biāo)準(zhǔn)方法,但其分析速度較慢,耗時(shí)較多,滴定分析法方法緣于成熟,排作簡便,省時(shí)快速,測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度也較高(在一般情況下機(jī)對(duì)誤差為0.1%-0,2%) ,所用儀器設(shè)備又很簡單,是重要的例行測(cè)試手段之一,因此在當(dāng)前儀器分析快速發(fā)展的情況下,滴定分析法在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)上仍具有很大的實(shí)用價(jià)值。
1.2.2儀器分析方法
這是一類借助光電儀器測(cè)量待測(cè)試樣的光學(xué)性質(zhì)(如吸光度成譜線強(qiáng)度),電學(xué)性質(zhì)(如電流、電位、電導(dǎo))等物理或物理化學(xué)性質(zhì)來求出稱測(cè)組分含量的方法,也稱物理或物理化學(xué)分析方法。
有的物質(zhì),其吸光度與濃度有關(guān)。例如KMnO4的溶液越濃,其顏色越深,吸光度越大,利用這一性質(zhì)可作錳的吸光光度法測(cè)定。
用紅外線或紫外線照射不同的有機(jī)化合物,可得到不同的光譜圖,根據(jù)圖譜能夠測(cè)定有機(jī)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及含量,這類方法稱為紅外吸收光譜分析法和紫外吸收光譜分析法,不同的元素可以產(chǎn)生不同的光譜是元素的特性。通過檢查元素光譜中幾根靈敏而且較強(qiáng)的譜線可進(jìn)行定性分析,這是最靈敏的定性方法之一。此外,還可根據(jù)譜線的強(qiáng)度進(jìn)行定量測(cè)定,這種方法稱為發(fā)射光譜分析法。
利用不同元素的原子可以吸收不同波長的光的性質(zhì),可進(jìn)行原子吸收光譜分析測(cè)定。
某些物質(zhì)在紫外線照射時(shí)可產(chǎn)生熒光,在一定條件下,熒光的強(qiáng)度與該物質(zhì)的濃度成正比,利用這一性質(zhì)所建立的測(cè)定方法稱為熒光分析法。
上述的吸光光度法、紅外吸收光譜分析法、紫外吸收光譜分析法、發(fā)射光譜分析法、原子吸收光譜分析法和熒光分析法等都是利用物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì),可歸納為光學(xué)分析法。另外,還有一類儀器分析法是利用物質(zhì)的電學(xué)及電化學(xué)性質(zhì)測(cè)定物質(zhì)組分的含量,稱為電化學(xué)分析法。
最簡單的電化學(xué)分析法是電重量分析法,它是使待測(cè)組分借電解作用,以單質(zhì)或氧化物形式在已知質(zhì)量的電極上析出,通過稱量,求出待測(cè)組分的含量。
電容量分析法的原理與一般滴定分析法相同,但它是借助溶液電導(dǎo)、電流或電位的改變來確定滴定終點(diǎn),如電導(dǎo)滴定、電流滴定和電位滴定。如通過測(cè)量電量的方法確定終點(diǎn),則稱為庫侖滴定法。
電位分析法是電化學(xué)分析法的重要分支,它的實(shí)質(zhì)是通過在零電流條件下測(cè)量兩電極向的電位差來進(jìn)行分析測(cè)定。在測(cè)量電位差時(shí)使用離子選擇性電極,可使測(cè)定更簡便、快速。
極譜分析法也屬于電化學(xué)分析法,它是利用對(duì)試液進(jìn)行電解時(shí),在極譜儀上得到的電流-電壓曲線(極譜圖)來確定待測(cè)組分及其含量。
色譜法又名色層法(主要有氣相色譜法、液相色譜法等),是一類用以分離、分析多組分混合物的極有效的物理及物理化學(xué)分析方法,具有高效、快速、靈敏和應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。毛細(xì)管氣相色譜法與高效薄層色譜法已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。
近年來還發(fā)展了一些新的分析方法,如質(zhì)譜法、核磁共振波譜法、免疫分析、生物傳感器、電子探針和離子探針微區(qū)分析方法等。
儀器分析方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡便而快速,最適合生產(chǎn)過程中的控制分析,尤其在組分含量很低時(shí),更加需要用儀器分析法。但有的儀器價(jià)格較高,平時(shí)的維修比較困難;一般來說,越是復(fù)雜、精密的儀器,維護(hù)要求(如恒溫、恒濕、防震)也越高。此外,在進(jìn)行儀器分析之前,時(shí)常要用化學(xué)方法對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)處理(如除去干擾雜質(zhì)、富集等);在建立測(cè)定方法過程中,要把未知物的分析結(jié)果和已知的標(biāo)準(zhǔn)作比較,而該柯準(zhǔn)則常需以化學(xué)法測(cè)定,所以化學(xué)分析方法與儀器分析方法是互為補(bǔ)充的,而且前者又是后者的基礎(chǔ)。
1.3 分析化學(xué)的進(jìn)展簡況
過去的分析化學(xué)課題可以歸納為“有什么?”和“有多少?”兩類,但是隨著生產(chǎn)的發(fā)展、科技的進(jìn)步和人類探索領(lǐng)域的不斷延伸,給分析化學(xué)提出了越來越多的新課題,除了傳統(tǒng)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)部門提出的任務(wù)外,許多交叉科學(xué)如環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、字航和宇宙科學(xué)等都提出大量更為復(fù)雜的課題,而且要求也更高:不僅要測(cè)知物質(zhì)的成分,還需了解其價(jià)態(tài)、狀態(tài)和結(jié)構(gòu);不僅能測(cè)定常量(組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>1%)、微量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%~1%),還要求能測(cè)定痕量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)<0.01%);不僅作靜態(tài)分析、遷要求作動(dòng)態(tài)分析,對(duì)快速反應(yīng)作連續(xù)自動(dòng)分析;除了破壞性取樣作離線(off line)的實(shí)驗(yàn)室分析外,還要求作在線(on line)、實(shí)時(shí)(real time)甚至是活體內(nèi)(in vivo)原位分析。
在提出上述分析任務(wù)的同時(shí),生物學(xué)、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光、納米技術(shù)、光導(dǎo)纖維、功能權(quán)料、等離子體、化學(xué)計(jì)量學(xué)等新技術(shù)、新材料和新方法同分析化學(xué)相結(jié)合,更促進(jìn)了分析化學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展,因此分析化學(xué)已不再是單純提供信息的科學(xué),它已經(jīng)發(fā)展成一門以多學(xué)科為基礎(chǔ)的綜合性科學(xué),而分析化學(xué)工作者也應(yīng)成為新課題的決策者和解決問題的參與者,近年來我國在毛細(xì)管電泳、生物傳感器、化學(xué)計(jì)量學(xué)、流動(dòng)注射分析及分子發(fā)光光譜分析等許多方面研究都取得了長足的進(jìn)展。
今后分析化學(xué)將主要在生物、環(huán)境、能源等前沿領(lǐng)域,維續(xù)沿著高靈敏度(達(dá)原子級(jí)、分子級(jí)水平)、高選擇性(復(fù)雜體系)、快速、簡便、經(jīng)濟(jì)、分析儀器自動(dòng)化、數(shù)字化、計(jì)算機(jī)化和信息化的縱深方向發(fā)展,以解決更多、更新、更復(fù)雜的課題.
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