化學(xué)成分分析的基本知識(shí) 方法及原理介紹

一、化學(xué)分析方法 

化學(xué)分析從大類(lèi)分是指經(jīng)典的重量分析和容量分析。重量分析是指根據(jù)試樣經(jīng)過(guò)化學(xué)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)后生成的產(chǎn)物的質(zhì)量來(lái)計(jì)算式樣的化學(xué)組成，多數(shù)是指質(zhì)量法。容量法是指根據(jù)試樣在反應(yīng)中所需要消耗的標(biāo)準(zhǔn)試液的體積。容量法即可以測(cè)定式樣的主要成分，也可以測(cè)定試樣的次要成分。 

1.1重量分析 

指采用添加化學(xué)試劑是待測(cè)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的沉淀物，并通過(guò)測(cè)定沉淀物的質(zhì)量來(lái)確定待測(cè)物的含量。 

1.2容量分析 

滴定分析主要分為酸堿滴定分析、絡(luò)合滴定分析、氧化還原滴定分析、沉淀滴定分析。 

酸堿滴定分析是指以酸堿中和反應(yīng)為原理，利用酸性標(biāo)定物來(lái)滴定堿性物質(zhì)或利用堿性標(biāo)定物來(lái)滴定酸性待測(cè)物，最后以酸堿指示劑（如酚酞等）的變化來(lái)確定滴定的終點(diǎn)，通過(guò)加入的標(biāo)定物的多少來(lái)確定待測(cè)物質(zhì)的含量。 

絡(luò)合滴定分析是指以絡(luò)合反應(yīng)（形成配合物）反應(yīng)為基礎(chǔ)的滴定分析方法。如EDTA與金屬離子發(fā)生顯色反應(yīng)來(lái)確定金屬離子的含量等。絡(luò)合反應(yīng)廣泛地應(yīng)用于分析化學(xué)的各種分離與測(cè)定中，如許多顯色劑，萃取劑，沉淀劑，掩蔽劑等都是絡(luò)合劑，因此，有關(guān)絡(luò)合反應(yīng)的理論和實(shí)踐知識(shí)，是分析化學(xué)的重要內(nèi)容之一。 

氧化還原滴定分析：是以溶液中氧化劑和還原劑之間的電子轉(zhuǎn)移為基礎(chǔ)的一種滴定分析方法。氧化還原滴定法應(yīng)用非常廣泛，它不僅可用于無(wú)機(jī)分析，而且可以廣泛用于有機(jī)分析，許多具有氧化性或還原性的有機(jī)化合物可以用氧化還原滴定法來(lái)加以測(cè)定。通常借助指示劑來(lái)判斷。有些滴定劑溶液或被滴定物質(zhì)本身有足夠深的顏色，如果反應(yīng)后褪色，則其本身就可起指示劑的作用，例如高錳酸鉀。而可溶性淀粉與痕量碘能產(chǎn)生深藍(lán)色，當(dāng)?shù)獗贿€原成碘離子時(shí)，深藍(lán)色消失，因此在碘量法中，通常用淀粉溶液作指示劑。

沉淀滴定分析：是以沉淀反應(yīng)為基礎(chǔ)的一種滴定分析方法，又稱(chēng)銀量法（以硝酸銀液為滴定液，測(cè)定能與Ag+反應(yīng)生成難溶性沉淀的一種容量分析法）。雖然可定量進(jìn)行的沉淀反應(yīng)很多，但由于缺乏合適的指示劑，而應(yīng)用于沉淀滴定的反應(yīng)并不多，目前比較有實(shí)際意義的是銀量法。 

二、儀器分析 

2.1電化學(xué)分析 

是指應(yīng)用電化學(xué)原理和技術(shù)，是利用原電池模型的原理來(lái)分析所測(cè)樣品的電極種類(lèi)及電解液的組成及含量和兩者之間的電化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系而建立起來(lái)的一類(lèi)分析方法。現(xiàn)在一般是使用電化學(xué)工作站來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。其特點(diǎn)是靈敏度高，選擇性好，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，應(yīng)用范圍廣。根據(jù)測(cè)量的電信號(hào)不同，電化學(xué)分析法可分為電位法、電解法、電導(dǎo)法和伏安法。 

電位法是通過(guò)測(cè)量電極電動(dòng)勢(shì)以求得待測(cè)物質(zhì)含量的分析方法。若根據(jù)電極電位測(cè)量值，直接求算待測(cè)物的含量，稱(chēng)為直接電位法；若根據(jù)滴定過(guò)程中電極電位的變化以確定滴定的終點(diǎn)，稱(chēng)為電位滴定法。 

電解法是根據(jù)通電時(shí)，待測(cè)物在電他電極上發(fā)生定量沉積的性質(zhì)以確定待測(cè)物含量的分析方法。 

電導(dǎo)法是根據(jù)電解質(zhì)溶液中溶質(zhì)溶度的不同，其電導(dǎo)率也不同的原理，而測(cè)量分析溶液的電導(dǎo)以確定待測(cè)物含量的分析方法。 

伏安法是將一微電極插入待測(cè)溶液中，根據(jù)被測(cè)物質(zhì)在電解過(guò)程中的電流-電壓變化曲線(xiàn)來(lái)進(jìn)行定性或定量分析的一種電化學(xué)分析方法。 

2.2光化學(xué)分析 

光化學(xué)分析是基于能量作用于物質(zhì)后，根據(jù)物質(zhì)發(fā)射、吸收電磁輻射以及物質(zhì)與電磁輻射的相互作用來(lái)進(jìn)行分析的化學(xué)分析方法。其主要可分為光譜法和非光譜法兩大類(lèi)。光譜法是基于輻射能與物質(zhì)相互作用時(shí)，測(cè)量有無(wú)之內(nèi)不發(fā)生量子化的能級(jí)之間的躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射輻射的波長(zhǎng)和強(qiáng)度而進(jìn)行分析的方法。主要有原子吸收光譜法（AAS）、原子發(fā)射光譜法（AES）、原子熒光分析法（AFS）、紅外光譜法（IR）等。非光譜法是基于光的波動(dòng)性而對(duì)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，主要有分光光度法和旋光法等。

2.2.1原子吸收光譜法（AAS） 

原子吸收光譜法是利用氣態(tài)原子可以吸收一定波長(zhǎng)的光輻射，使原子中外層的電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的現(xiàn)象而建立的。由于各種原子中電子的能級(jí)不同，將有選擇性地共振吸收一定波長(zhǎng)的輻射光，這個(gè)共振吸收波長(zhǎng)恰好等于該原子受激發(fā)后發(fā)射光譜的波長(zhǎng)，由此可作為元素定性的依據(jù)，而吸收輻射的強(qiáng)度可作為定量的依據(jù)。 

其基本原理是每一種元素的原子不僅可以發(fā)射一系列特征譜線(xiàn)，也可以吸收與發(fā)射線(xiàn)波長(zhǎng)相同的特征譜線(xiàn)。當(dāng)光源發(fā)射的某一特征波長(zhǎng)的光通過(guò)原子蒸氣時(shí)，即入射輻射的頻率等于原子中的電子由基態(tài)躍遷到較高能態(tài)（一般情況下都是*激發(fā)態(tài)）所需要的能量頻率時(shí)，原子中的外層電子將選擇性地吸收其同種元素所發(fā)射的特征譜線(xiàn)，使入射光減弱。特征譜線(xiàn)因吸收而減弱的程度稱(chēng)吸光度A，與被測(cè)元素的含量成正比：A=KC  式中K為常數(shù)；C為試樣濃度；K包含了所有的常數(shù)。此式就是原子吸收光譜法進(jìn)行定量分析的理論基礎(chǔ)由于原子能級(jí)是量子化的，因此，在所有的情況下，原子對(duì)輻射的吸收都是有選擇性的。由于各元素的原子結(jié)構(gòu)和外層電子的排布不同，元素從基態(tài)躍遷至*激發(fā)態(tài)時(shí)吸收的能量不同，因而各元素的共振吸收線(xiàn)具有不同的特征。 

2.2.2原子發(fā)射光譜法（AES） 

原子發(fā)射光譜法是依據(jù)各種元素的原子或離子在熱激發(fā)或電激發(fā)下，發(fā)射特征的電磁輻射，而進(jìn)行元素的定性與定量分析的方法，是光譜學(xué)各個(gè)分支中最為古老的一種，可同時(shí)檢測(cè)一個(gè)樣品中的多種元素。 

其基本原理是各物質(zhì)的組成元素的原子的原子核外圍繞著不斷運(yùn)動(dòng)的電子，電子處在一定的能級(jí)上，具有一定的能量。從整個(gè)原子來(lái)看，在一定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，它也是處在一定的能級(jí)上，具有一定的能量。在一般情況下，大多數(shù)原子處在最低的能級(jí)狀態(tài)，即基態(tài)?；鶓B(tài)原子在激發(fā)光源（即外界能量）的作用下，獲得足夠的能量，其外層電子躍遷到較高能級(jí)狀態(tài)的激發(fā)態(tài)，這個(gè)過(guò)程叫激發(fā)。處在激發(fā)態(tài)的原子是很不穩(wěn)定的，在極短的時(shí)間內(nèi)（10s）外層電子便躍遷回基態(tài)或其它較低的能態(tài)而釋放出多余的能量。釋放能量的方式可以是通過(guò)與其它粒子的碰撞，進(jìn)行能量的傳遞，這是無(wú)輻射躍遷，也可以以一定波長(zhǎng)的電磁波形式輻射出去，其釋放的能量及輻射線(xiàn)的波長(zhǎng)（頻率）要符合波爾的能量定律。

2.2.3原子熒光分析法（AFS） 

原子熒光分析法是以原子在輻射能激發(fā)下發(fā)射的熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的發(fā)射光譜分析法。但所用儀器與原子吸收光譜法相近。原子熒光光譜分析法具有很高的靈敏度，校正曲線(xiàn)的線(xiàn)性范圍寬，能進(jìn)行多元素同時(shí)測(cè)定。 原子熒光光譜是介于原子發(fā)射光譜和原子吸收光譜之間的光譜分析技術(shù)。 

其基本原理是通過(guò)測(cè)量待測(cè)元素的原子蒸氣在一定波長(zhǎng)的輻射能激發(fā)下發(fā)射的熒光強(qiáng)度而進(jìn)行定量分析。原子熒光的波長(zhǎng)在紫外、可見(jiàn)光區(qū)。氣態(tài)自由原子吸收特征波長(zhǎng)的輻射后，原子的外層電子從基態(tài)或低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，約經(jīng)10-8秒，又躍遷至基態(tài)或低能態(tài)，同時(shí)發(fā)射出熒光。若原子熒光的波長(zhǎng)與吸收線(xiàn)波長(zhǎng)相同，稱(chēng)為共振熒光；若不同，則稱(chēng)為非共振熒光。共振熒光強(qiáng)度大，分析中應(yīng)用最多。在一定條件下，共振熒光強(qiáng)度與樣品中某元素濃度成正比，從而通過(guò)測(cè)試共振熒光的強(qiáng)度來(lái)確定待測(cè)元素的含量。 

2.2.4分光光度法 

分光光度法是通過(guò)測(cè)定被測(cè)物質(zhì)在特定波長(zhǎng)處或一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的吸光度或發(fā)光強(qiáng)度，對(duì)該物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析的方法。 

其基本原理是在分光光度計(jì)測(cè)試中，將不同波長(zhǎng)的光連續(xù)地照射到一定濃度的樣品溶液時(shí)，便可得到與不同波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度。再以波長(zhǎng)（λ）為橫坐標(biāo)，吸收強(qiáng)度（A）為縱坐標(biāo)，就可繪出該物質(zhì)的吸收光譜曲線(xiàn)。利用該曲線(xiàn)進(jìn)行物質(zhì)定性、定量的分析方法，稱(chēng)為分光光度法，也稱(chēng)為吸收光譜法。用紫外光源測(cè)定無(wú)色物質(zhì)的方法，稱(chēng)為紫外分光光度法；用可見(jiàn)光光源測(cè)定有色物質(zhì)的方法，稱(chēng)為可見(jiàn)光光度法。 

2.2.5旋光法 

旋光法是基于許多物質(zhì)都具有旋光性（又稱(chēng)光學(xué)活性）如含有手征性碳原子的有機(jī)化合物，從而利用物質(zhì)的旋光性質(zhì)測(cè)定溶液濃度的方法。 

其基本原理是將樣品在指定的溶劑中配成一定濃度的溶液，采用旋光計(jì)測(cè)得樣品的旋光度并算出比旋光度，然后與標(biāo)準(zhǔn)比較，或以不同濃度溶液制出標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)即工作曲線(xiàn)，求出含量。 

2.3色譜分析

色譜分析是指通過(guò)利用不同物質(zhì)在不同相態(tài)的選擇性分配，以流動(dòng)相對(duì)固定相中的混合物進(jìn)行洗脫，混合物中不同的物質(zhì)會(huì)以不同的速度沿固定相移動(dòng)，最終達(dá)到分離的效果。色譜法中有兩個(gè)相，一個(gè)相是流動(dòng)相，另一個(gè)相是固定相。如果用液體作流動(dòng)相，就叫液相色譜，用氣體作流動(dòng)相，就叫氣相色譜。 

2.3.1氣相色譜法 

氣相色譜法的基本原理是利用氣相色譜儀中的一根流通型的狹長(zhǎng)管道（色譜柱）。在色譜柱中，不同的樣品由于具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，與特定的柱填充物（固定相）有著不同的相互作用而被氣流（載氣，流動(dòng)相）以不同的速率帶動(dòng)。當(dāng)化合物從柱的末端流出時(shí)，它們被檢測(cè)器檢測(cè)到，產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，并被轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。在色譜柱中固定相的作用是分離不同的組分，使得不同的組分在不同的時(shí)間（保留時(shí)間）從柱的末端流出。其它影響物質(zhì)流出柱的順序及保留時(shí)間的因素包括載氣的流速，溫度等。而氣相色譜法中可以使用的檢測(cè)器有很多種，最常用的有火焰電離檢測(cè)器（FID）與熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）。 

2.3.2液相色譜法 

液相色譜法的基本原理是基于混合物中各組分對(duì)兩相親和力的差別。根據(jù)固定相的不同，液相色譜分為液固色譜、液液色譜和鍵合相色譜。應(yīng)用最廣的是以硅膠為填料的液固色譜和以微硅膠為基質(zhì)的鍵合相色譜。根據(jù)固定相的形式，液相色譜法可以分為柱色譜法、紙色譜法及薄層色譜法。按吸附力可分為吸附色譜、分配色譜、離子交換色譜和凝膠滲透色譜。近年來(lái)，在液相柱色譜系統(tǒng)中加上高壓液流系統(tǒng)，使流動(dòng)相在高壓下快速流動(dòng)，以提高分離效果，因此出現(xiàn)了（又稱(chēng)高壓）液相色譜法。檢測(cè)器主要有紫外吸收檢測(cè)器、熒光檢測(cè)器、電化學(xué)檢測(cè)器和折光示差檢測(cè)器，其中以紫外吸收檢測(cè)器使用最廣。 

2.4波譜分析 

波譜分析是指物質(zhì)在光（電磁波）的照射下，引起分子內(nèi)部某種運(yùn)動(dòng)，從而吸收或散射某種波長(zhǎng)的光，將入射光強(qiáng)度變化或散射光的信號(hào)記錄下來(lái)，得到一張信號(hào)強(qiáng)度與光的波長(zhǎng)或波數(shù)(頻率)或散射角度的關(guān)系圖，用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)、組成及化學(xué)變化的分析，這就叫波譜法。波譜法主要包括紅外光譜、紫外光譜、核磁共振和質(zhì)譜，簡(jiǎn)稱(chēng)為四譜。除此之外還包含有拉曼光譜等。 

2.4.1紅外光譜法（IR）

紅外光譜法是分子吸收光譜的一種，是通過(guò)將一束不同波長(zhǎng)的紅外射線(xiàn)照射到物質(zhì)的分子上，某些特定波長(zhǎng)的紅外射線(xiàn)被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結(jié)構(gòu)決定的獨(dú)有的紅外吸收光譜，據(jù)此可以對(duì)分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和鑒定。主要是應(yīng)用于測(cè)試有機(jī)分子的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)以及官能團(tuán)的種類(lèi)等。 

其基本原理是當(dāng)一束具有連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光通過(guò)物質(zhì)，物質(zhì)分子中某個(gè)基團(tuán)的振動(dòng)頻率或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和紅外光的頻率一樣時(shí)，分子就吸收能量由原來(lái)的基態(tài)振(轉(zhuǎn))動(dòng)能級(jí)躍遷到能量較高的振(轉(zhuǎn))動(dòng)能級(jí)，分子吸收紅外輻射后發(fā)生振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，該處波長(zhǎng)的光就被物質(zhì)吸收。所以，紅外光譜法實(shí)質(zhì)上是一種根據(jù)分子內(nèi)部原子間的相對(duì)振動(dòng)和分子轉(zhuǎn)動(dòng)等信息來(lái)確定物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和鑒別化合物的分析方法。 

2.4.2紫外光譜法（UV） 

紫外光譜法是測(cè)定物質(zhì)分子在紫外光區(qū)吸收光譜的分析方法。其基本原理是物質(zhì)吸收紫外光后，其價(jià)電子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，須吸收波長(zhǎng)在200～1000 nm范圍內(nèi)的光，此波長(zhǎng)恰好落在紫外-可見(jiàn)光區(qū)域，從而產(chǎn)生相應(yīng)的吸收峰。并非所有的有機(jī)物質(zhì)在紫外光區(qū)都有吸收，只有那些具有共軛雙鍵（π鍵）的化合物，其π電子易于被激發(fā)發(fā)生躍遷，在紫外光區(qū)形成特征性的吸收峰。 

2.4.3核磁共振譜法（NMR） 

核磁共振譜法是指具有核磁性質(zhì)的原子核(或稱(chēng)磁性核或自旋核)，在高強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，吸收射頻輻射，引起核自旋能級(jí)的躍遷所產(chǎn)生的波譜，叫核磁共振波譜。而利用核磁共振波譜進(jìn)行分析的方法，叫做核磁共振波譜法。 

2.4.4質(zhì)譜法 

質(zhì)譜法是指用電場(chǎng)和磁場(chǎng)將運(yùn)動(dòng)的離子（帶電荷的原子、分子或分子碎片，有分子離子、同位素離子、碎片離子、重排離子、多電荷離子、亞穩(wěn)離子、負(fù)離子和離子－分子相互作用產(chǎn)生的離子）按它們的荷質(zhì)比分離后進(jìn)行檢測(cè)的方法。測(cè)出離子準(zhǔn)確質(zhì)量即可確定離子的化合物組成。這是由于核素的準(zhǔn)確質(zhì)量是具有多位小數(shù)，決不會(huì)有兩個(gè)核素的質(zhì)量是一樣的，而且決不會(huì)有一種核素的質(zhì)量恰好是另一核素質(zhì)量的整數(shù)倍。分析這些離子即可獲得化合物的分子量、化學(xué)結(jié)構(gòu)、裂解規(guī)律和由單分子分解形成的某些離子間存在的某種相互關(guān)系等信息。

其基本原理是使試樣中各組分進(jìn)行電離生成不同荷質(zhì)比的離子，經(jīng)加速電場(chǎng)的作用，形成離子束，進(jìn)入質(zhì)量分析器，利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)使發(fā)生相反的速度色散，在磁場(chǎng)中離子發(fā)生角速度矢量相反的偏轉(zhuǎn)，即速度慢的離子依然偏轉(zhuǎn)大，速度快的偏轉(zhuǎn)?。划?dāng)兩個(gè)場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)作用彼此補(bǔ)償時(shí)，它們的軌道便相交于一點(diǎn)。與此同時(shí)，在磁場(chǎng)中還能發(fā)生質(zhì)量的分離，這樣就使具有同一質(zhì)荷比而速度不同的離子聚焦在同一點(diǎn)上，不同質(zhì)荷比的離子聚焦在不同的點(diǎn)上，將它們分別聚焦而得到質(zhì)譜圖，從而確定其質(zhì)量。 

2.4.5拉曼光譜法 

拉曼光譜法是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基于印度科學(xué)家C.V.拉曼（Raman）所發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)，對(duì)與入射光頻率不同的散射光譜進(jìn)行分析以得到分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)方面信息，并應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)研究的一種分析方法。 

其基本原理是當(dāng)光照射到物質(zhì)上會(huì)發(fā)生彈性散射和非彈性散射，其中彈性散射的散射光是與激發(fā)光波長(zhǎng)相同的成分，非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長(zhǎng)長(zhǎng)的和短的成分，則統(tǒng)稱(chēng)為拉曼效應(yīng)。由于拉曼效應(yīng)起源于分子振動(dòng)(和點(diǎn)陣振動(dòng))與轉(zhuǎn)動(dòng)，因此從拉曼光譜中可以得到分子振動(dòng)能級(jí)(點(diǎn)陣振動(dòng)能級(jí))與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)結(jié)構(gòu)的知識(shí)。其中)。如果分子能級(jí)的躍遷僅僅涉及轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，則發(fā)射的是小拉曼光譜；如果涉及到振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，則發(fā)射的是大拉曼光譜。