分析化学

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  分析化学汉语拼音:Fen xi hua xue;英语:analytical chemistry),通过实验以获取有关物质的成分、含量及结构、状态等化学信息的化学分支学科。主要任务是研究: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的纯度如何(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)。它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,来解决科学、技术所提出的各种分析问题。

  分析化学有极高的实用价值,广泛用于地质普查、矿产勘探、冶金、化学工业、能源、农业、医药、临床化验、环境保护、商品检验等领域。

历史回顾

  分析化学这一名称是R.玻意耳在1680年前后提出的,但它的实践在人类古代文明时期就已开始。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。火试金法更是很古老但迄今尚在使用的一种分析贵金属的方法。炼丹术、炼金术则可视为分析化学的前驱。

  18世纪瑞典化学家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。18世纪分析化学的代表人物是J.J.贝采利乌 斯,他是第一位把原子量测得比较精确的化学家。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等),并使用无灰滤纸和洗涤瓶等。他对吹管分析也很重视。19 世纪分析化学的杰出人物之一是 C.R.费雷泽纽斯 , 他于1862年创办德文的《分析化学》杂志,由其后人继续任主编。他创立的一所分析化学专业学校,今仍在。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。他将定性分析的阳离子硫化氢系统修订为目前的 5 组,还注意到酸碱度对金属硫化物沉淀的影响。

  容量分析应归功于法国J.-L.盖-吕萨克。他用滴定法测定漂白粉中的有效氯,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。

  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。F.普雷格尔则对有机微量定量分析作出杰出贡献,并因此在1923年获诺贝尔化学奖。取一滴试液在滤纸上进行物质的分离、检出的微量技术,在19世纪就有人进行。进入20世纪,这类技术更进一步发展成为点滴试验、环炉技术等。

  利用各种不同频率区段的电磁辐射和物质间的交互作用,以获得各种波谱(包括光谱),对物质进行分析,构成了当前仪器分析方法中的十分重要、宽广的领域。这可上溯至I.牛顿,他在1672年用棱镜分日光为七色。19世纪最初的几年中,相继发现了红外线和紫外线。1859年R.W.本生和G.R.基尔霍夫用本生灯研究各元素在火焰中呈示的特征发射和吸收光谱,可以说是原子发射光谱分析的创始人。然而原子吸收光度法则直到20世纪中叶才创立。

  分子吸收光谱分析,最初是从目视比色(1838)开始的,经过光电比色法,到20世纪中期发展成为分光光度法,已由可见光区扩展到紫外区。作为紫外 - 可见光区段的分子发光分析,则先后建立起荧光、磷光和化学发光等分析方法。20世纪20年代红外光谱开始应用于鉴定有机化合物。拉曼光谱是研究分子振动的另一种方法,但直到70年代用激光作为单色光源后,才促进其在分析化学中的应用。在分析化学中应用的电磁辐射的频率范围、高频方向已由紫外线扩展到 X 射线、γ射线,低频方向则由红外扩展到微波和射频,可以说,分析化学中所使用的电磁辐射已经覆盖了所有的电磁辐射能量范围。

  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。

  色谱法也称层析法,基本上是分离方法。1906年俄国M.S.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 ,色谱法才获 得高速发展。1941年英国A.J.P.马丁和R.L.M.辛格根据液液分配原理提出分配层析法,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。

  1960年P.B. 哈密顿用高压液相色谱分离氨基酸获得成功,使液相色谱法和气相色谱法一样获得迅猛发展。此外 ,薄层层析和纸层析也获得广泛应用。色谱 - 质谱联用法中将色谱法所得之淋出流体移入质谱仪,可以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。

分析方法

  按其分析方法所依据的原理,可分为化学分析和仪器分析。凡以化学反应为基础进行分析的方法,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。仪器一般指大型仪器,如核磁共振谱仪、 X 射线荧光仪、质谱仪、电子能谱仪等。按试样用量的不同可分为常量(>0.1克)分析、半微量(0.1~0.01克)分析、微量(0.01~0.001克)分析和超微量(<1毫克)分析。按试样中待测 组分相 对含量 的多少 ,可分为主 要成分( 1%~100%)分析、小量成分(0.01%~1.0%)分析、痕量(<0.01%)分析、超痕量( <10-4微克/克 )分析。随着分析技术的飞速发展,现在已有使用微量分析的称样而测定其中的痕量组分,这可称为微样痕量分析。

  分析是为了获得物质系统的化学信息,很重要的一步是取样。分析要求取样具有代表性,即所取的试样须能代表待分析物质系统的全体。均匀或容易混匀的物质(如气态或液态样品)的取样较易解决,不均匀的固态物质,应按规定手续取样,否则分析结果不能反映原物质的状况。试样分解包括溶解或熔融,使试样转变为便于检测的状态。在检出或测定之前,常常还需要使待分析物质与干扰物质彼此分离,或对浓度很低的欲测组分进行富集。重要的分离和富集方法有挥发、蒸馏、沉淀、溶剂萃取、色谱法、吸附离子交换 、浮选、电渗析、电泳等等。在有些情况下,也可利用某种化学反应降低干扰物质的浓度以消除干扰,这叫做隐蔽(或掩蔽)。在被隐蔽后的物质溶液中,加入一种试剂,使被隐蔽的物质释放出来的方法,则称为解蔽。

  评价分析方法的标准有:①精密度和准确度要高。②选择性要好,最好具有专一性,即干扰极少。③灵敏度要高 ,从而少量或痕量组分可以检出和测定。④测定范围要广,可测的物种和元素种类多,能测定大量和痕量组分。⑤方法要力求简便,易操作。⑥费用少而获得信息量大。但是汇集所有优点于一法是办不到的,分析工作者应该了解每一种方法的原理及其应用范围和优缺点,根据分析任务的需要去选择最适宜的方法。