1、課程名稱：分 析 化 學,授課教師：,第一章 緒 論,1.1 分析化學的定義、任務和作用Tasks of analytical chemistry,1.1.1 分析化學的定義及任務 化學中的信息科學 1.定義：分析化學是人們獲得物質化學組成和結構信息的科學。也就是說它是研究物質化學組成的表征和測量的科學，是化學學科的重要分支。它所解決的問題是物質是什么組分組成的，這些組分在物質中是如何存 在的，以及各組分的含量有多少。,2. 任務： 鑒定物質的化學成分 定性分析 測定各組分的含量 定量分析 確定物質的結構 結構分析,1.1.2 分析化學的作用,分析化學在國民經濟建設的各條戰(zhàn)線上起著舉足輕重的作

2、用。 在工業(yè)生產中，從原料的選擇、工藝流程的確定、生產過程中的“中控”到成品的質量檢驗，以及工業(yè)三廢（廢氣、廢水、廢渣）的處理和綜合利用等； 在新產品、新工藝、新技術的開發(fā)研究和推廣等方面； 都離不開分析化學。,分析化學的作用,在化學學科發(fā)展中的作用：分子科學、邊緣科學、 新興學科 在化學研究工作中的作用：鑒定新物質的結構、 性能與形態(tài) 在現(xiàn)代化學工業(yè)中的作用：生產過程控制、 現(xiàn)代化生產管理 在環(huán)境保護中的作用： 連續(xù)監(jiān)測大氣、水質,1.1.3 分析化學的特點,實驗性強, 綜合性強（綜合運用物理、數(shù)學、化學、計算機等學科知識）。建立好“量”的概念十分重要。,1.2 分析化學的分類與選擇Clas

3、sification of analytical chemistry,分析化學包括成分分析和結構分析。成分分析又可分為定性分析和定量分析兩部分。 1.定性分析(qualitative analysis)： 定性分析的任務是鑒定物質由哪些元素或離子所組成，對于有機物質還需要確定其官能團及分子結構。 2.定量分析(quantative analysis) ： 定量分析的任務是測定物質各組成部分的含量。,3.結構分析：形態(tài)分析,立體結構,結構與性能。,1.2.1 據分析的目的和任務分：,1.2.2 按分析對象分類 1.無機分析(inorganic analysis) 2.有機分析(organic a

4、nalysis) 1.2.3 按分析方法分類 分析化學按其測定原理和操作方法的不同可分為化學分析和儀器分析兩大類。,1化學分析法(Chemical analysis),以化學反應為為基礎的分析方法，稱為化學分析法，包括滴定分析法和重量分析法.,滴定分析法：,是將已知濃度的標準溶液，滴加到待測物質 溶液中，使兩者定量完成反應，根據用去的 標準溶液的準確體積和濃度即可計算出待測 組分的含量。 滴定分析法常用于常量組分的測定，即待測 組分的含量一般在1%以上。 滴定分析法按照所利用的化學反應類型不 同，可分為下列四種 :,酸堿滴定法：是以質子傳遞反應為基礎的 一種滴定分析法。 沉淀滴定法：是以沉淀反

5、應為基礎的一種 滴定分析法。 絡合滴定法：是以絡合反應為基礎的一種 滴定分析法。 氧化還原滴定法：是以氧化還原反應為基 礎的一種滴定分析法,滴定分析法分類：,重量分析法(Gravimetry)：,是通過化學反應及一系列操作步驟使試樣中的待測組分轉化為另一種化學組成恒定的化合物，再稱量該化合物的質量，從而計算出待測組分的含量。,2儀器分析法(Instrumental Analysis),以物質的物理或物理化學性質為基礎建立起來的分析方法。 常用的儀器分析法可分為以下幾類： 光化學分析，電化學分析，色譜分析等。,儀器分析的相關內容是我們下學期要學習的課程內容。,1.2.4 按試樣用量和操作方法分類

6、 常量分析(macro analysis) 0.1 克 10 毫升 半微量分析(semi-macoro analysis) 0.01-0.1 克 1-10 毫升 微量分析(micro analysis) 0.1-10 毫克 0.01-1 毫升 超微量分析 0. 1 毫克 0.01 毫升,1.2.5 按所分析的組分在試樣中的相對含量 （含量高低）分類,常量組分分析（主量分析）macro component analysis 1% 微量組分分析 （次主量分析）micor component analysis 0.01% 1% 痕量組分分析 （痕量分析）trace component analysi

7、s 0.01%,1.2.6 例行分析和仲裁分析,例行分析：一般分析實驗室對日常生產流程中 的產品質量指標進行檢查控制的分析； 仲裁分析：不同企業(yè)部門間對產品質量和分析 結果由爭議時，請權威的分析測試部門 進行裁判時的分析,1.2.7 分析方法的選擇,對分析方法的選擇通常應考慮以下幾個方面： a.測定的具體要求，待測組分及其含量范圍，欲測組分的性質； b.共存組分的信息及其對測定想影響，合適的分離富集方法，分析方法的選擇性； c.對測定準確度、靈敏度的要求與對策； d.現(xiàn)有條件、測定成本及完成測定的時間要求等。 在此基礎上，對各種分析方法的靈敏度、檢出限、選擇性、標準偏差、置信概率等因素進行綜合

8、考慮和評價，查閱有關文獻，擬定相關方案并進行條件試驗，借助標準樣檢測方法的實際準確度與精密度，再進行試樣的分析并對分析結果進行統(tǒng)計處理。,1.3 分析化學發(fā)展簡史與發(fā)展趨勢,1.3.1 分析化學發(fā)展簡史 追述分析化學產生的確切時間已無法考證，但據記載，應當在煉金術前后已有分析化學的萌芽。根據化學家在化學史上的作用，一般認定波義耳是定性分析的創(chuàng)始人，定量分析則是從貝格曼開始的。,分析化學發(fā)展簡史,分析化學定性發(fā)展史始于波義耳（1627-1691年）英國化學家和物理學家，他首次給化學元素提出了科學的定義，為人們研究物質的組成指明了方向。1821年德國化學家漢立希（1773-1852年）提出了選擇一

9、定量的試劑區(qū)分溶液中不同性質的元素，這個方法已有了定性分析系統(tǒng)化的萌芽；,分析化學發(fā)展簡史,1829年德國化學家羅塞進一步提出陰離子系統(tǒng)定性分析法，并提出了使用緩沖溶液和絡合掩蔽劑的辦法。1841年經德國化學家伏累森紐斯（1818-1897年）修改，把常見的金屬氧化物分成六個族，并以定性化學分析導論教科書的形式出版，使系統(tǒng)分析方法得到廣泛采用。后來美國分析化學家諾艾斯進一步改進使系統(tǒng)分析趨于完善，一直沿用至今。,分析化學發(fā)展簡史,分析化學定量發(fā)展史則是從貝格曼，從他制定了濕法分析礦物詳細的步驟開始，他所倡導的一些反應直到現(xiàn)在仍在分析化學中保留。而創(chuàng)建酸堿滴定法的則是法國人日夫魯瓦；氧化還原滴定

10、法始于18世紀末，1795年由法國人德克勞西以靛藍的硫酸溶液滴定次氯酸，至溶液顏色變綠為止，是最早的氧化還原法。,1826年比拉狄厄制得碘化鈉，滴定次氯酸鈣，用淀粉做指示劑，這是碘量法的首次應用。19世紀40年代后，又發(fā)展出高錳酸鉀氧化還原滴定法、重鉻酸鉀滴定法等多種容量分析方法。,分析化學發(fā)展簡史,分析化學發(fā)展簡史,在定量分析中重量法采用的也比較早，1823年已經能生產出精密的分析天平，靈敏度可達0.5毫克。1846年伏累森紐斯的定量分析教程對定量分析作了全面的總結，基本達到我們現(xiàn)在的水平。,分析化學發(fā)展簡史,近些年來，分析化學學科正在經歷著重大的變革，從與分析化學的發(fā)展歷程來看，可將其概括

11、為50年代儀器化、60年代電子化、70年代計算機化、80年代智能化、90年代信息化，21世紀必將是仿生化和進一步智能化的時代。總體說來，分析化學的發(fā)展方向是向著高靈敏度（分子、原子水平）、高選擇性、快速、自動、簡便、經濟、分析儀器自動化、數(shù)學化和計算機化發(fā)展，并向智能化、仿生化縱深發(fā)展。,分析化學發(fā)展歷史,分析化學創(chuàng)立階段：16401840年之間 第一次變革：20世紀，2030年代 溶液四大平衡理論的建立，分析化學 由 技術 科學 第二次變革： 20世紀， 4060年代 經典分析化學（化學分析） 現(xiàn)代分析化學（儀器分析為主） 第三次變革：由20世紀70年代末至今 提供組成、結構、含量、分布、形

12、態(tài)等全面信息, 成為當代最富活力的學科之一, 1.3.2分析化學的發(fā)展趨勢Perspectives of analytical chemistry,1.由分析對象來看,2.由分析對象的數(shù)量級來看,3.由分析自動化程度來看,分析化學主要發(fā)展趨向,1.新原理 2.新技術 3.新儀器 4.生物分析 5.環(huán)境分析 6.過程分析 7.表面分析 8.大分子表征 9.化學圖象 10.無損分析 11.單細胞分析 12.單分子單聚集體分析,13.固定化 14.傳感器 15.定性 16.教育 17.活體分析 18.實時分析 19.原位分析 20.在線分析 21.化學計量學 22.自動化 23.微型化 24接口：

13、分離技術 儀器和計算機 聯(lián)用技術 其它科技領域,1.4 分析化學參考文獻,P4-8,自己下去看看,1 采樣(sampling) 要使樣品具有代表性 要注意： 1.避免損失 2.避免不均勻； 3.保存完好； 4.足夠的量以保證分析的進行。,1.5 分析化學過程及分析結果的表示General procedures for quantitative analysis,1.5.1 定量分析工作的一般步驟,2 試樣分解試樣預處理,目的是利用有效的手段將樣品處理成便于分 析的待測樣品； 與待測樣品有關的因素： 1. 分析方法（常量、微量）； 2.物態(tài)與相（多相、均相、固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）； 3.待測成分在樣

14、品中的含量（針對不同的分析方法）。 試樣處理方法的原則： 1.利用樣品化學、物理性質的不同； 2.適應測定方法和要求的不同。 3.必要時要進行樣品的分離與富集。,3 分離和測定方法選擇,1.分析體系和分析方法的選擇： 要滿足對被測組分的性質、含量、結 果的準確度的要求。 2.確定保證分析結果準確的措施（方案、方式、條件）： 需要利用各種物理與化學性質。 3.實驗數(shù)據的正確、有效記錄： 與所選定的方法和使用的儀器有關。,1.5.2 定量分析結果的表示,1、待測組分的化學表示形式 分析結果常常以待測組分實際存在形式的含量表示。如果待測組分的實際存在形式不清楚，則分析結果最好以氧化物或元素形式的含量

15、表示。 2、待測組分含量的表示方法 固體試樣 質量分數(shù)：WB= m B /ms 當待測試樣含量非常低時： 用gg -1 (或10 -6) ; ngg -1 (或10 -9) ; pgg -1 (或10 -12)表示,液體試樣 物質的量濃度：molL -1 ; 質量摩爾濃度： molKg -1 ; 質量分數(shù)： 體積分數(shù)： 摩爾分數(shù)： 質量濃度： mgL -1 ; gL -1或gmL -1 ; ngmL -1 ; pgmL -1 ; 氣體試樣 常以體積分數(shù)表示氣體試樣中的常量或微量組分的含量。,1.6 滴定分析法概述 1.6.1 滴定分析法特點,1.滴定分析法 使用滴定管將一種已知準確濃度的試劑溶

16、液（標準溶液）滴加到待測物的溶液中，直到待測組分恰好完全反應為止，然后根據標準溶液的濃度和所消耗的體積，算出待測組分的含量。,2.滴定分析基本術語,滴定(Titration)：滴加標準溶液的操作過程。 化學計量點(Stoichiometric point)：滴加標準溶液與待測組分恰好完全反應之點。 指示劑(Indicator)：滴定分析中能發(fā)生顏色改變而指示終點的試劑。 終點(End point)：指示劑變色之點。 終點誤差(Error of end point) ：實際分析操作中指示劑變色點與化學計量點之間的差別。,3. 滴定分析法特點,簡便、快速，適于常量分析 準確度高, Er 可達0.1

17、%. 應用廣泛,4. 滴定分析法的分類,酸堿滴定法：是以質子傳遞反應為基礎的一種滴定分析法。 酸滴定堿B- : H+B- HB,以化學反應為為基礎的分析方法，稱為化學分析法(chemical analysis)，包括重量分析法和滴定分析法. 滴定分析法按照所利用的化學反應類型不同，可分為下列四種,沉淀滴定法: 是以沉淀反應為基礎的一種滴定分析法。 如銀量法:Ag+ Cl- = AgCl(白),絡合滴定法：是以絡合反應為基礎的一種滴定分析法。 如EDTA滴定法:M + Y = MY,氧化還原滴定法：是以氧化還原反應為基礎的一種滴定分析法。如KMnO4法： MnO4- + 5Fe2+ + 8H+

18、= Mn2+ + 5Fe3+ + 4H2O,1.6.2 滴定分析反應的條件和滴定方式,1 滴定分析反應的條件 反應必須具有確定的化學計量關系 反應定量地完成（99.9%） 反應速度要快 能用比較簡便的方法確定滴定終點,2 滴定方式,直接滴定法（涉及一個反應） 完全滿足滴定分析反應的條件可用直接滴定法 滴定劑與被測物之間的反應式為： a A + b B = c C + d D 滴定到化學計量點時，a 摩爾 A 與 b 摩爾 B 作用完全,如HCl標準溶液滴定NaOH溶液,返滴定法,先準確加入過量標準溶液，使與試液中的待測物質或固體試樣進行反應，待反應完成以后，再用另一種標準溶液滴定剩余的標準溶液

19、的方法。適用于反應較慢或難溶于水的固體試樣。如EDTA滴定 Al 3+、NaOH標準溶液測定CaCO3。,返滴定法,例：Al3+ +一定過量EDTA標液 剩余EDTA Zn2+標液，EBT 返滴定 n(EDTA)總 - n(EDTA )過量 = n(Al) ( c V) (EDTA)總 - (cV )(Zn) = (cV )(Al),返滴定法,例：固體CaCO3 + 一定過量HCl標液 剩余HCl標液 NaOH標準溶液 返滴定,返滴定法,例 : Cl- + 一定過量AgNO3 標準溶液 剩余AgNO3標準溶液 NH4SCN標準溶液 Fe3+ 指示劑 返滴定 淡紅色Fe(SCN)2+,間接滴定法

20、通過另外的化學反應，以滴定法定量進行。適用于不能與滴定劑起化學反應的物質。,例：Ca2+ CaC2O4沉淀 H2SO4 C2O42- KMnO4標液 間接測定,置換滴定法 先用適當試劑與待測物質反應，定量置換出另一種物質 ，再用標準溶液去滴定該物質的方法。適用于無明確定量關系的反應。,Na2S2O3+K2Cr2O7 S4O62-+SO42- 無定量關系 K2Cr2O7 +過量KI 定量生成 I2 Na2S2O3 標液 淀粉指示劑 深藍色消失,1.7.1基準物質：能用于直接配制或標定標準溶液的物質。,基準物質 稱量 溶解 定量轉移至 容量瓶 稀釋至刻度，根據稱量的質量和體積計算標準溶液的準確濃度

21、。,1.7 基準物質和 標準溶液,(1)物質必須具有足夠的純度(99.9%) (2)物質組成與化學式應完全符合 (3)穩(wěn)定； (4)具有較大的摩爾質量，為什么？ 反應定量進行，沒有副反應,對基準物質的要求：,常用的基準物有：,無水Na2CO3、KHC8H4O4、Na2B4O710H2O CaCO3、ZnO K2Cr2O7、NaC2O4 、 H2C2O42H2O NaCl,1.7.2 標準溶液配制 直接配制法 使用分析天平稱量質量，直接用容量瓶定容，配制。一般使用基準試劑或優(yōu)級純。,優(yōu)級純 分析純 化學純 G.R A.R C.R 瓶簽綠紅藍,例：準確稱取基準物質 .，溶解后定量轉移至 .容量瓶中

22、，問此 溶液的濃度是多少？, .,2）標定法,標準溶液的濃度通過基準物來確定或用一種已知濃度的標液來確定的方法。,例：用鄰苯二甲酸氫鉀 （）.） 為基準物質標定.溶液，需稱取多少,1.8.1 標準溶液濃度的表示方法,1. 物質的量濃度:單位體積溶液所含溶質物質的量。,物質的量的數(shù)值應指明基本單元：原子、分子、離子、電子等。,1.8 滴定分析中的計算,例如，9.8克H2SO4溶于水中，配成1升溶液： 基本單元： H2SO4 ， H2SO4，2 H2SO4 49g/mol 98g/mol 196g/mol C（ H2SO4 ） =0.1mol/L C（ H2SO4 ） =0.2mol/L C（2

23、H2SO4 ） =0.05mol/L 表示物質的量濃度時，必須指明基本單元。,基本單元的選擇一般是以化學反應的計量關系為依據：,2. 滴定度,TB/A指每毫升滴定劑（A）溶液相當于待測物（B）的質量,例1：T HCl / NaOH = 0.003001 g/mL 表示每消耗1 mL NaOH 標液可與0.003001 g HCl完全反應,例2：,用0.02718mol/L的高錳酸鉀標準溶液測定鐵含量，其濃度用滴定度表示為： T Fe/KMnO4 = 0.007590 g/mL 即：表示1mL KMnO4標準溶液相當于0.007590克鐵。測定時，根據滴定所消耗的標準溶液體積可方便快速確定試樣中

24、鐵的含量： m Fe = T Fe / KMnO4 V KMnO4,例3：TFe/K2Cr2O7 =0.005000 g/mL，如消耗K2Cr2O7標準溶液21.50毫升，問被滴定溶液中鐵的質量？,解:,滴定度與物質的量濃度的換算：,1.8.2 滴定劑與被滴物質之間的計量關系,滴定分析計算依據,SP時,或,化學計量數(shù)之比,物質的量之比,滴定分析的相關計算基本上均是依據此基本關系來進行計算的！,一、被測組分的物質的量nA 與滴定劑的物質的量nB 的關系,二、被測組分質量分數(shù)的計算,1.8.3標準溶液濃度的計算 P15-16,1.8.4待測組分含量的計算 P16-17,1.8.5滴定分析計算示例

25、P17-20,這三部分內容比較簡單，大家下去自己看看就行。, 1.9 分析化學的應用Applications of analytical chemistry,1. 分析化學與生命科學 目前分析化學中熱點之一是與生命科學有關的分析化學,生命科學向分析化學提出的課題, 目前集中在多肽、蛋白質、核酸等生物大分子分析、生物藥物分析、超痕量、超微量生物活性物質. 1）質譜法在生命科學研究能發(fā)揮著重要的作用。,2）熒光光譜在生命科學分析應用,熒光光譜分析應用于生命科學也是較多的, 核糖核酸(RNA ) 和脫氧核糖核酸(DNA ) 的測定在臨床生物樣品測定中非常重要, 因為它們不僅起著儲存、復制和傳遞信息的

26、作用, 而且還決定著細胞的種類及功能。,3） 電分析化學在生命科學中的應用,電分析化學在生命科學的研究中也愈來愈受到分析工作者的重視. 電分析化學是利用物質的電子和電化學性質進行表征和測量的科學, 生命現(xiàn)象最基本的過程是離不開電荷運動的, 生命科學最基礎的學科是電化學. 用電化學的基本原理和實驗方法, 不但在生物體和有機組織的整體水平上, 更重要的是在分子和細胞水平上研究或模擬研究電荷(包括電子、離子及其它電活性粒子) 在生物體系和其相應模擬體系中分布、傳輸和轉移及轉化的化學本質和規(guī)律。,2.毛細管電泳,毛細管電泳是近年來分析化學中發(fā)展最為迅速的領域之一, 其基本裝置是在充滿電解質的毛細管兩端

27、施加高壓(20 30 KV ) , 采用直徑為25 50m 的毛細管. 截面積急劇減小使傳統(tǒng)電泳技術產生了質的變化, 由于截面積小, 熱量均勻, 因此電泳傳質均勻. 由于流阻加大, 不用載體可直接在緩沖液中進行電泳, 這樣既消除了載體對電泳影響, 又可容納分子量極大的樣品, 甚至細菌和病毒顆粒.,3. 超臨界流體色譜(SFC),超臨界流體色譜(SFC) 能在較低溫度下分析熱不穩(wěn)定、沸點較高、分子量較大的化合物, 總柱效率比LC 高, 且易于與靈敏檢測器查聯(lián).,4. 光度分析的光明前景和發(fā)展趨勢,光度分析的發(fā)展和活力有各方面的動力. 新顯色劑的開發(fā)和利用, 為光度分析的發(fā)展提供了物質基礎；無機化

28、學、有機結構理論、表面化學、絡合物化學、分析化學等相關理論的不斷完善, 也為光度分析的發(fā)展提供高起點的理論和實踐基礎；將光度信息與動力學信息結合起來,提供豐富的三維數(shù)據信息, 成為提高測定準確度和進行多組分同時分析的新途徑。 光度分析由于簡單方便, 成本低廉, 靈敏度、選擇性、準確度均有一定優(yōu)勢, 在痕量分析中適應于市場競爭, 成為適合我國國情有中國特色的分析領域之一.,5. 化學計量學在分析化學中的應用,化學計量學(Chemometrics) 是由數(shù)學、統(tǒng)計學、計算機技術與化學相結合的交叉科學, 化學計量學能有效地解決許多常規(guī)方法難于解決的復雜問題, 化學計量學在分析化學中的應用主要有以下幾

29、個方面: 提高靈敏度改善選擇性； 開發(fā)和評價新方法, 提高分析效益； 提高分析測試的精密度與準確性； 提高分析測試的精密度與準確性。,6. 色譜分析,色譜分析是分析化學中發(fā)展最快, 研究應用十分活躍的領域之一. 20 世紀50 年代興起的氣相色譜(GC) , 60 年代發(fā)展起來的色質聯(lián)用技術(GCMS) , 70 年代的高效液相色譜(HPLC) , 80 年代的超臨界流體色譜(SFC) , 以及繼而發(fā)展起來的毛細管區(qū)域電泳等, 使得色譜分析成為預集、分離、測定和提純聯(lián)用的重要分析技術;成為自然科學領域眾多實驗室不可缺少的一類分析手段.,7. 電分析化學,電分析化學的發(fā)展具有悠久的歷史, 早在1

30、8 世紀就出現(xiàn)了電分析和庫侖滴定法, 發(fā)展至今, 電分析化學學科的發(fā)展是基于人們從理論上對電極總過程的各個基本反應的深刻了解,結合其它學科而創(chuàng)造出各種新技術、新方法, 解決分析化學發(fā)展中提出的新問題. 化學修飾電極通過分子水平上電極功能的設計, 突破了以往電化學家研究的范疇, 顯示出了選擇富集分離、電催化、電化學傳感、不對稱有機合成等多種有用的效應。,8. 我國分析化學現(xiàn)狀,1) 分析測試人員發(fā)展情況. 分析測試人員人分布主要為高等學校2 3 萬名; 環(huán)保及各產業(yè)部門約7 萬名; 進出口商檢部門3000 名, 石油化工行業(yè)分析人員占10% , 冶金部門分析人員占7% , 地質部門也有一支較龐大的分析隊伍. 分析測試領域現(xiàn)有中科院院士14 名, 博士點約15 個. 恢復研究生招生以來, 培養(yǎng)的碩士生在2000名以上, 博士生在200 名以上. 2) 研究機構狀況. 隨著設備儀器在我國的較大發(fā)展, 現(xiàn)已建立了許多測試中心及開放實驗室。,A 國家分析測試中心,國家有色金屬及電子材料測試中心 國家電化學和光譜研究分析中心 國家鋼鐵材料測試中心 中國上海分析測試中心 中國廣州分