4.1　分析化学概述

分析化学是测定物质的化学组成、研究测定方法及其有关理论的一门学科。根据分析方法的原理，一般可分为化学分析和仪器分析两大类。

4.1.1　分析化学的任务和作用

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学科，是化学学科的一个重要分支，是化学家最基础的训练之一。分析化学的主要任务是鉴定物质的化学组成（元素、离子、官能团或化合物等）、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。

分析化学在国民经济建设、国防建设和科学研究的发展中，都起到很重要的作用。在工业方面，从资源的勘探，矿山的开发，原料的选择，生产流程的控制和产品的检验等方面都必须依赖分析结果作依据；在环境方面，大气和水质的监测，“三废”的处理和综合利用，生态平衡研究、提高环境质量等，所有这些都离不开“分析”。因此，人们常将“分析化学”比做工农业生产的“眼睛”。

分析化学在现代农业生产和农业科学研究中也具有极其重要的作用。例如，测定土壤肥力状况，分析各种商品肥料中的有效成分含量，判断农作物对营养成分利用的状况等都需要用到分析化学的手段。对农作物及其产品中的某些生化指标进行分析、检测，从而筛选出更优的品种。

在生命科学研究中，我们可以借助分析化学分析元素与疾病之间的关系。如正常人头发中锰的含量为0.7μg/g，而心脏病者为0.42μg/g，肿瘤或者早衰者头发锰含量也较低；又如人体一天究竟需要多少糖，人体中糖是怎样循环变化的，就需要测定体内的糖含量等，那么我们就可以借助分析化学手段分析头发中锰的含量或者人体内的糖含量来判断人的健康状况。

在科学研究方面，许多理论、定理的提出都是建立在正确的分析方法基础上的。几乎所有涉及化学的研究均用到分析化学。如在药物合成、中药成分分离等过程中，需要知道产品是什么？中间产物是什么？产品的含量是多少？等；无机化学研究配合物时，需测定配合比，新型材料的合成需测定电化学性质、光化学特性等；考古学需测定古物的年代、组成等，这些过程中无一不需要分析化学。

目前，分析化学正处于发展变革的新时期，现代分析化学不仅要解决定性分析和定量分析的问题，而且要提供更多的信息，尤其是物质结构与性能关系的信息，成为参与处理和解决问题的决策者。

分析化学是一门以实验为基础的科学，在学习过程中一定要理论联系实际，加强实验训练。通过学习，掌握分析化学的基本原理和测定方法，树立准确的“量”的概念；培养严谨的科学态度；提高分析问题和解决问题的能力。

4.1.2　分析方法的分类

根据分析的目的和任务、分析对象、测定原理、操作方法等不同，分析方法可分为如下几种。

（1）无机分析和有机分析

根据分析对象不同，分析化学可分为无机分析和有机分析。无机分析的对象是无机物。无机物所含元素种类繁多，要求分析结果以某些元素、离子或化合物是否存在以及相对含量多少来表示。有机分析的对象是有机物，它们的组成元素较为单一，主要为碳、氢、氧、氮、硫等，但由于结构复杂，化合物的种类非常繁多，所以分析对象除元素外还有官能团分析和结构分析。

（2）结构分析、定性分析和定量分析

根据分析目的不同，可分为结构分析、定性分析和定量分析。结构分析是研究物质的分子结构和晶体结构；定性分析是鉴定试样中由哪些元素、原子团、官能团或化合物组成；定量分析是测试试样中有关组分的含量。

（3）常量、半微量和微量分析

根据分析时所需试样的量和操作方法不同，分析方法可分为常量分析、半微量分析、微量分析。

①常量分析　试样量0.1～1.0g，用锥形瓶、试管及漏斗等一般仪器进行操作。

②半微量分析　试样量0.01～0.1g，所用仪器略小于常量仪器。

③微量分析　试样量0.001～0.01g，所用仪器主要有点滴板、显微镜等。

④超微量分析　试样量0.0001～0.001g，因而需要使用特殊的仪器和设备。

在无机定性分析中，多采用半微量分析方法，而在定量分析中，一般采用常量分析方法。若进行微量分析或超微量分析时，多采用的是仪器分析方法。

需要指出，根据试样中被测组分的含量，分析方法又可分为常量组分分析（>1％）、微量组分分析（0.01％～1％）及痕量组分分析（<0.01％）。常量分析一般采用化学分析法，微量组分一般采用仪器分析法。

（4）化学分析和仪器分析

根据测定原理和具体操作方式的不同，分析方法又可分为化学分析法和仪器分析法。

①化学分析法　化学分析法是以化学反应为基础的分析方法，主要包括重量分析法和滴定分析法。重量分析法和滴定分析法通常用于高含量或中含量组分的测定，即待测组分的含量一般在1％以上。重量分析法的准确度比较高，但分析速度慢。滴定分析法操作简便、快速，测定结果的准确度也比较高（一般情况下相对误差为0.2％左右），所用仪器设备又很简单，是重要的例行测试手段之一，因此滴定分析在生产实践和科学试验上都有很大的实用价值。

②仪器分析法　仪器分析法是以物质的物理和物理化学性质为基础并借用较精密的仪器测定被测物质含量的分析方法，由于这类分析方法需要专用的、较特殊的仪器，故称为仪器分析法。它包括光学分析法、电化学分析法、色谱分析法和质谱分析法等。

a.光学分析法　它是根据物质的光学性质建立起来的一种分析方法。主要有分子光谱法（如比色法、紫外-可见分光光度法、红外光谱法、分子荧光及磷光分析法等）、原子光谱法（如原子发射光谱法、原子吸收光谱法等）、激光拉曼光谱法、光声光谱法和化学发光分析法等。

b.电化学分析法　它是根据被分析物质溶液的电化学性质建立起来的一种分析方法。主要有电势分析法、电导分析法、电解分析法、极谱分析法和库仑分析法等。

c.色谱分析法　它是一种分离和分析相结合的方法。主要有气相色谱法、液相色谱法、薄层色谱法和纸色谱法等。

随着科学技术的发展，近年来，质谱法、核磁共振波谱法、X射线、电子显微镜分析以及毛细管电泳等大型仪器分析法已成为强大的分析手段。仪器分析由于具有快速、灵敏、自动化程度高和分析结果信息量大等特点，备受人们的青睐。

（5）例行分析、快速分析和仲裁分析

例行分析是指一般化验室日常生产中的分析，又叫常规分析。例如炼钢厂的炉前快速分析，药厂及化工厂化验室的日常分析，要求在尽量短的时间内报出结果以作为判断生产过程运行过程正常与否的指标和判据，分析误差一般允许较大。

仲裁分析是不同单位对分析结果有争议时，要求有关单位（如一定级别的药检所或法定检验单位）用指定的方法进行准确的分析，以判断分析结果的准确性。

4.1.3　定量分析的一般步骤

定量分析大致包括以下几个步骤：试样的采取和制备、称量和试样的分解、干扰组分的掩蔽和分离、定量测定和分析结果的计算和评价等。

（1）试样的采取和制备

在分析实践中，常需测定大量物料中某些组分的平均含量。但在实际分析时，只能称取几克、十分之几克或更少的试样进行分析。取这样少的试样所得的分析结果，要求能反映整批物料的真实情况，则分析试样的组成必须能代表全部物料的平均组成，即试样应具有高度的代表性。否则分析结果再准确也是毫无意义的。

因此，在进行分析之前，必须了解试样来源，明确分析目的，做好试样的采取和制备工作是非常重要的，所谓试样的采取和制备，系指先从大批物料中采取最初试样（原始试样），然后再制备成供分析用的最终试样（分析试样）。当然，对于一些比较均匀的物料，如气体、液体和固体试剂等，可直接取少量分析试样，不需再进行制备。

通常遇到的分析对象，从其形态来分，不外气体、液体和固体三类，对于不同的形态和不同的物料，应采取不同的取样方法。

①气体试样的采取　对于气体试样的采取，亦需按具体情况，采用相应的方法。例如大气样品的采取，通常选择距地面50～180cm的高度采样，使与人的呼吸空气相同。对于烟道气、废气中某些有毒污染物的分析，可将气体样品采入空瓶或大型注射器中。大气污染物的测定是使空气通过适当吸收剂，由吸收剂吸收浓缩之后再进行分析。在采取液体或气体试样时，必须先把容器及通路洗涤，再用要采取的液体或气体冲洗数次或使之干燥，然后取样以免混入杂质。

②液体试样的采取　装在大容器里的物料，只要在贮槽的不同深度取样后混合均匀即可作为分析试样。对于分装在小容器里的液体物料，应从每个容器里取样，然后混匀作为分析试样。

如采取水样时，应根据具体情况，采用不同的方法。当采取水管中或有泵水井中的水样时取样前需将水龙头或泵打开，先放水10～15min，然后再用干净瓶子收集水样至满瓶即可。采取池、江、河中的水样时，可将干净的空瓶盖上塞子，塞上系一根绳，瓶底系一铁铊或石头，沉入离水面一定深处，然后拉绳拔塞，让水流满瓶后取出，如此方法在不同深度取几份水样混合后，作为分析试样。

③固体试样的采取和制备　固体试样种类繁多，经常遇到的有矿石、合金和盐类等，它们的取样大致可分为三步：a.收集粗样（原始试样）；b.将每份粗样混合或粉碎、缩分，减少至合适分析所需的数量；c.制成符合分析用的样品。

原始试样在采集时部位必须广，取的次数必须多，每次所取的量要少。如果被测物质块粒大小不一，则各种不同粒度的块粒都要采取一些。采取粗样的量决定于颗粒的大小和颗粒的均匀性等。原始粗样一般是不均匀的，但必须能代表整体的平均组成。

粗样经破碎、过筛、混合和缩分后，制成分析试样。常用的缩分法为四分法（如图4-1）。即将试样粉碎之后混合均匀，堆成锥形，然后略为压平，通过中心分为四等分把任意相对的两份弃去，其余相对的两份收集在一起混匀，这样试样便缩减了一半，称为缩分一次。这样每经过处理一次，试样就缩减了一半。然后再粉碎、过筛、混合和缩分，直到留下所需要量为止。一般送化验室的试样为100～300g。试样应贮存在具有磨口玻璃塞的广口瓶中，贴好标签，注明试样的名称、来源和采样日期等。在试样粉碎过程中，应注意避免混入杂质，过筛时不能弃去未通过筛孔的颗粒试样，而应再磨细后使其通过筛孔，即过筛时全部试样都要通过筛孔，以保证所得试样能代表整个物料的平均组成。筛孔网目与筛孔大小对照见表4-1。

（2）试样的分解

在一般分析工作中，通常先要将试样分解，制成溶液。试样的分解工作是分析工作的重要步骤之一。在分解试样时必须注意以下几点：①试样分解必须完全，处理后的溶液中不得残留原试样的细屑或粉末；②试样分解过程中待测组分不应挥发；③不应引入被测组分和干扰物质。

由于试样的性质不同，分解的方法也有所不同。常用的方法有溶解法和熔融法两种。

①无机试样的分解

a.溶解法　采用适当的溶剂将试样溶解制成溶液，这种方法比较简单、快速。常用的溶剂有水、酸和碱等。溶于水的试样一般称为可溶性盐类，如硝酸盐、醋酸盐、铵盐、绝大部分的碱金属化合物和大部分的氯化物、硫酸盐等。对于不溶于水的试样，则采用酸或碱作溶剂的酸溶法或碱溶法进行溶解，以制备分析试液。

水溶法是针对可溶性的试样，直接用水制成试液。

酸溶法是利用酸的酸性、氧化还原性和形成配合物的作用，使试样溶解。钢铁、合金、部分氧化物、硫化物、碳酸盐矿物和磷酸盐矿物等常采用此法溶解。常用的酸溶剂如下：盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、高氯酸、氢氟酸以及混合酸。

碱溶法的溶剂主要为NaOH和KOH，碱溶法常用来溶解两性金属铝、锌及其合金，以及它们的氧化物、氢氧化物等。在测定铝合金中的硅时，用碱溶解使Si以形式转到溶液中。如果用酸溶解则Si可能以SiH4的形式挥发损失，影响测定结果。

b.熔融法　熔融法又可分为酸熔法和碱熔法。

（a）酸熔法　碱性试样宜采用酸性熔剂。常用的酸性熔剂有K2S2O7（熔点419℃）和KHSO4（熔点219℃），后者经灼烧后亦生成K2S2O7，所以两者的作用是一样的。这类熔剂在300℃以上可与碱或中性氧化物作用，生成可溶性的硫酸盐。如分解金红石的反应是

TiO2+2K2S2O7Ti（SO4）2+2K2SO4

这种方法常用于分解Al2O3、Cr2O3、Fe3O4、ZrO2、钛铁矿、铬矿、中性耐火材料（如铝砂、高铝砖）及磁性耐火材料（如镁砂、镁砖）等。

（b）碱熔法　酸性试样宜采用碱熔法，如酸性矿渣、酸性炉渣和酸不溶试样均可采用碱熔法，使它们转化为易溶于酸的氧化物或碳酸盐。

常用的碱性熔剂有Na2CO3（熔点853℃）、K2CO3（熔点89l℃）、NaOH（熔点318℃）、Na2O2（熔点460℃）和它们的混合熔剂等。这些溶剂除具碱性外，在高温下均可起氧化作用（本身的氧化性或空气氧化），可以把一些元素氧化成高价（Cr3+、Mn2+可以氧化成CrⅥ、MnⅦ），从而增强了试样的分解作用。有时为了增强氧化作用还加入KNO3或KClO3，使氧化作用更为完全。具体地，Na2CO3或K2CO3常用来分解硅酸盐和硫酸盐等。Na2O2常用来分解含Se、Sb、Cr、Mo、V和Sn的矿石及其合金，由于Na2O2是强氧化剂，能把其中大部分元素氧化成高价状态。NaOH（KOH）常用来分解硅酸盐、磷酸盐矿物、钼矿和耐火材料等。

（c）烧结法　此法是将试样与熔剂混合，小心加热至熔块（半熔物收缩成整块），而不是全熔，故称为半熔融法又称烧结法。常用的半熔混合熔剂为：2份MgO+3份Na2CO3；1份MgO+1份Na2CO3；1份ZnO+1份Na2CO3。此法广泛地用来分解铁矿及煤中的硫。其中MgO、ZnO的作用在于其熔点高，可以预防Na2CO3在灼烧时熔合，保持松散状态，使矿石氧化得更快更完全，反应产生的气体容易逸出。此法不易损坏坩埚，因此可以在瓷坩埚中进行熔融，不需要贵重器皿。

②有机试样的分解

a.干式灰化法　将试样置于马弗炉中加热（400～1200℃），以大气中的氧作为氧化剂使之分解，然后加入少量浓盐酸或浓硝酸浸取燃烧后的无机残余物。

b.湿式消化法　用硝酸和硫酸的混合物与试样一起置于烧瓶内，在一定温度下进行煮解，其中硝酸能破坏大部分有机物。在煮解的过程中，硝酸逐渐挥发，最后剩余硫酸。继续加热使产生浓厚的SO3白烟，并在烧瓶内回流，直到溶液变得透明为止。

（3）测定方法的选择

①实验室条件　选择测定方法时，首先要考虑实验室是否具备所需条件。

②测定的具体要求　当遇到分析任务时，首先要明确分析目的和要求，确定测定组分、准确度以及要求完成的时间。如原子量的测定、标样分析和成品分析，准确度是主要的。高纯物质的有机微量组分的分析灵敏度是主要的。而生产过程中的控制分析，速度便成了主要的问题。所以应根据分析的目的要求选择适宜的分析方法。例如测定标准钢样中硫的含量时，一般采用准确度较高的重量分析法。而炼钢炉前控制硫含量的分析，采用1～2min即可完成的燃烧容量法。

③被测组分的性质　一般来说，分析方法都基于被测组分的某种性质。如Mn2+在pH>6.0时，可与EDTA定量配位，可用配位滴定法测定其含量；具有氧化性，可用氧化还原法测定；呈现紫红色，也可用比色法测定。对被测组分性质的了解，有助我们选择合适的分析方法。

④被测组分的含量　测定常量组分时，多采用滴定分析法和重量分析法。滴定分析法简单迅速，在重量分析法和滴定分析法均可采用的情况下，一般选用滴定分析法。测定微量组分多采用灵敏度比较高的仪器分析法。例如，测定碘矿粉中磷的含量时，则采用重量分析法或滴定分析法；测定钢铁中磷的含量时则采用比色法。

⑤共存组分的影响　在选择分析方法时，必须考虑其他组分对测定的影响，尽量选择特效性较好的分析方法。如果没有适宜的方法，则应改变测定条件，加入掩蔽剂以消除干扰，或通过分离除去干扰组分之后，再进行测定。

综上所述，分析方法很多，各种方法均有其特点和不足之处，一个完整无缺适宜于任何试样、任何组分的方法是不存在的。因此，我们必须根据试样的组成及其组分的性质和含量、测定的要求、存在的干扰组分和本单位实际情况出发，选用合适的测定方法。

4.1.4　定量分析结果的表示

（1）待测组分的化学表示形式

分析结果常以被测组分实际存在形式的含量表示。如测得试样中氮的含量，根据实际情况，以NH3、、等形式的含量表示分析结果。如测得矿石中钠、钾的含量，常以对应的氧化物Na2O、K2O形式的含量表示分析结果。在金属材料分析和有机分析中常以元素形式的含量表示结果。水环境和电解质溶液分析时，常以存在的离子形式含量表示结果，如Na+、K+、等形式。

（2）待测组分含量的表示方法

固体试样，常用质量分数表示待测组分的含量。当待测组分含量很低时，用μg·g-1、ng·g-1、或pg·g-1等表示。

液体试样中待测组分的含量可用物质的量浓度、质量摩尔浓度、质量分数、体积分数或质量浓度等表示。

气体试样中的常量或微量待测组分的含量，通常以体积分数表示。