《分析化学绪论》PPT课件.ppt

课程名称：分 析 化 学,授课教师：,第一章 绪 论,1.1 分析化学的定义、任务和作用Tasks of analytical chemistry,1.1.1 分析化学的定义及任务 化学中的信息科学1.定义：分析化学是人们获得物质化学组成和结构信息的科学。也就是说它是研究物质化学组成的表征和测量的科学，是化学学科的重要分支。它所解决的问题是物质是什么组分组成的，这些组分在物质中是如何存 在的，以及各组分的含量有多少。,2.任务：鉴定物质的化学成分 定性分析 测定各组分的含量 定量分析 确定物质的结构 结构分析,1.1.2 分析化学的作用,分析化学在国民经济建设的各条战线上起着举足轻重的作用。在工业生产中，从原料的选择、工艺流程的确定、生产过程中的“中控”到成品的质量检验，以及工业三废（废气、废水、废渣）的处理和综合利用等；在新产品、新工艺、新技术的开发研究和推广等方面；都离不开分析化学。,分析化学的作用,在化学学科发展中的作用：分子科学、边缘科学、新兴学科 在化学研究工作中的作用：鉴定新物质的结构、性能与形态在现代化学工业中的作用：生产过程控制、现代化生产管理在环境保护中的作用：连续监测大气、水质,1.1.3 分析化学的特点,实验性强,综合性强（综合运用物理、数学、化学、计算机等学科知识）。建立好“量”的概念十分重要。,1.2 分析化学的分类与选择Classification of analytical chemistry,分析化学包括成分分析和结构分析。成分分析又可分为定性分析和定量分析两部分。1.定性分析(qualitative analysis)：定性分析的任务是鉴定物质由哪些元素或离子所组成，对于有机物质还需要确定其官能团及分子结构。2.定量分析(quantative analysis)：定量分析的任务是测定物质各组成部分的含量。,3.结构分析：形态分析,立体结构,结构与性能。,1.2.1 据分析的目的和任务分：,按分析对象分类1.无机分析(inorganic analysis)2.有机分析(organic analysis)按分析方法分类分析化学按其测定原理和操作方法的不同可分为化学分析和仪器分析两大类。,1化学分析法(Chemical analysis),以化学反应为为基础的分析方法，称为化学分析法，包括滴定分析法和重量分析法.,滴定分析法：,是将已知浓度的标准溶液，滴加到待测物质 溶液中，使两者定量完成反应，根据用去的 标准溶液的准确体积和浓度即可计算出待测 组分的含量。滴定分析法常用于常量组分的测定，即待测 组分的含量一般在1%以上。滴定分析法按照所利用的化学反应类型不 同，可分为下列四种:,酸碱滴定法：是以质子传递反应为基础的 一种滴定分析法。沉淀滴定法：是以沉淀反应为基础的一种 滴定分析法。络合滴定法：是以络合反应为基础的一种 滴定分析法。氧化还原滴定法：是以氧化还原反应为基 础的一种滴定分析法,滴定分析法分类：,重量分析法(Gravimetry)：,是通过化学反应及一系列操作步骤使试样中的待测组分转化为另一种化学组成恒定的化合物，再称量该化合物的质量，从而计算出待测组分的含量。,2仪器分析法(Instrumental Analysis),以物质的物理或物理化学性质为基础建立起来的分析方法。常用的仪器分析法可分为以下几类：光化学分析，电化学分析，色谱分析等。,仪器分析的相关内容是我们下学期要学习的课程内容。,1.2.4 按试样用量和操作方法分类常量分析(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 按所分析的组分在试样中的相对含量（含量高低）分类,常量组分分析（主量分析）macro component analysis 1%微量组分分析（次主量分析）micor component analysis 0.01%1%痕量组分分析（痕量分析）trace component analysis 0.01%,1.2.6 例行分析和仲裁分析,例行分析：一般分析实验室对日常生产流程中 的产品质量指标进行检查控制的分析；仲裁分析：不同企业部门间对产品质量和分析 结果由争议时，请权威的分析测试部门 进行裁判时的分析,1.2.7 分析方法的选择,对分析方法的选择通常应考虑以下几个方面：a.测定的具体要求，待测组分及其含量范围，欲测组分的性质；b.共存组分的信息及其对测定想影响，合适的分离富集方法，分析方法的选择性；c.对测定准确度、灵敏度的要求与对策；d.现有条件、测定成本及完成测定的时间要求等。在此基础上，对各种分析方法的灵敏度、检出限、选择性、标准偏差、置信概率等因素进行综合考虑和评价，查阅有关文献，拟定相关方案并进行条件试验，借助标准样检测方法的实际准确度与精密度，再进行试样的分析并对分析结果进行统计处理。,1.3 分析化学发展简史与发展趋势,1.3.1 分析化学发展简史 追述分析化学产生的确切时间已无法考证，但据记载，应当在炼金术前后已有分析化学的萌芽。根据化学家在化学史上的作用，一般认定波义耳是定性分析的创始人，定量分析则是从贝格曼开始的。,分析化学发展简史,分析化学定性发展史始于波义耳（1627-1691年）英国化学家和物理学家，他首次给化学元素提出了科学的定义，为人们研究物质的组成指明了方向。1821年德国化学家汉立希（1773-1852年）提出了选择一定量的试剂区分溶液中不同性质的元素，这个方法已有了定性分析系统化的萌芽；,分析化学发展简史,1829年德国化学家罗塞进一步提出阴离子系统定性分析法，并提出了使用缓冲溶液和络合掩蔽剂的办法。1841年经德国化学家伏累森纽斯（1818-1897年）修改，把常见的金属氧化物分成六个族，并以定性化学分析导论教科书的形式出版，使系统分析方法得到广泛采用。后来美国分析化学家诺艾斯进一步改进使系统分析趋于完善，一直沿用至今。,分析化学发展简史,分析化学定量发展史则是从贝格曼，从他制定了湿法分析矿物详细的步骤开始，他所倡导的一些反应直到现在仍在分析化学中保留。而创建酸碱滴定法的则是法国人日夫鲁瓦；氧化还原滴定法始于18世纪末，1795年由法国人德克劳西以靛蓝的硫酸溶液滴定次氯酸，至溶液颜色变绿为止，是最早的氧化还原法。,1826年比拉狄厄制得碘化钠，滴定次氯酸钙，用淀粉做指示剂，这是碘量法的首次应用。19世纪40年代后，又发展出高锰酸钾氧化还原滴定法、重铬酸钾滴定法等多种容量分析方法。,分析化学发展简史,分析化学发展简史,在定量分析中重量法采用的也比较早，1823年已经能生产出精密的分析天平，灵敏度可达0.5毫克。1846年伏累森纽斯的定量分析教程对定量分析作了全面的总结，基本达到我们现在的水平。,分析化学发展简史,近些年来，分析化学学科正在经历着重大的变革，从与分析化学的发展历程来看，可将其概括为50年代仪器化、60年代电子化、70年代计算机化、80年代智能化、90年代信息化，21世纪必将是仿生化和进一步智能化的时代。总体说来，分析化学的发展方向是向着高灵敏度（分子、原子水平）、高选择性、快速、自动、简便、经济、分析仪器自动化、数学化和计算机化发展，并向智能化、仿生化纵深发展。,分析化学发展历史,分析化学创立阶段：16401840年之间第一次变革：20世纪，2030年代 溶液四大平衡理论的建立，分析化学 由 技术 科学第二次变革：20世纪，4060年代 经典分析化学（化学分析）现代分析化学（仪器分析为主）第三次变革：由20世纪70年代末至今提供组成、结构、含量、分布、形态等全面信息,成为当代最富活力的学科之一,分析化学的发展趋势Perspectives of analytical chemistry,1.由分析对象来看,2.由分析对象的数量级来看,3.由分析自动化程度来看,分析化学主要发展趋向,1.新原理2.新技术3.新仪器 4.生物分析5.环境分析 6.过程分析7.表面分析8.大分子表征9.化学图象10.无损分析11.单细胞分析12.单分子单聚集体分析,13.固定化14.传感器15.定性16.教育17.活体分析18.实时分析19.原位分析20.在线分析21.化学计量学22.自动化23.微型化24接口：分离技术 仪器和计算机 联用技术 其它科技领域,1.4 分析化学参考文献,P4-8,自己下去看看,1 采样(sampling)要使样品具有代表性 要注意：1.避免损失 2.避免不均匀；3.保存完好；4.足够的量以保证分析的进行。,1.5 分析化学过程及分析结果的表示General procedures for quantitative analysis,1.5.1 定量分析工作的一般步骤,2 试样分解试样预处理,目的是利用有效的手段将样品处理成便于分 析的待测样品；与待测样品有关的因素：1.分析方法（常量、微量）；2.物态与相（多相、均相、固态、液态、气态）；3.待测成分在样品中的含量（针对不同的分析方法）。试样处理方法的原则：1.利用样品化学、物理性质的不同；2.适应测定方法和要求的不同。3.必要时要进行样品的分离与富集。,3 分离和测定方法选择,1.分析体系和分析方法的选择：要满足对被测组分的性质、含量、结 果的准确度的要求。2.确定保证分析结果准确的措施（方案、方式、条件）：需要利用各种物理与化学性质。3.实验数据的正确、有效记录：与所选定的方法和使用的仪器有关。,定量分析结果的表示,1、待测组分的化学表示形式 分析结果常常以待测组分实际存在形式的含量表示。如果待测组分的实际存在形式不清楚，则分析结果最好以氧化物或元素形式的含量表示。2、待测组分含量的表示方法固体试样 质量分数：WB=m B/ms 当待测试样含量非常低时：用gg-1(或10-6);ngg-1(或10-9);pgg-1(或10-12)表示,液体试样 物质的量浓度：molL-1;质量摩尔浓度：molKg-1;质量分数：体积分数：摩尔分数：质量浓度：mgL-1;gL-1或gmL-1;ngmL-1;pgmL-1;气体试样 常以体积分数表示气体试样中的常量或微量组分的含量。,1.6 滴定分析法概述 1.6.1 滴定分析法特点,1.滴定分析法 使用滴定管将一种已知准确浓度的试剂溶液（标准溶液）滴加到待测物的溶液中，直到待测组分恰好完全反应为止，然后根据标准溶液的浓度和所消耗的体积，算出待测组分的含量。,2.滴定分析基本术语,滴定(Titration)：滴加标准溶液的操作过程。化学计量点(Stoichiometric point)：滴加标准溶液与待测组分恰好完全反应之点。指示剂(Indicator)：滴定分析中能发生颜色改变而指示终点的试剂。终点(End point)：指示剂变色之点。终点误差(Error of end point)：实际分析操作中指示剂变色点与化学计量点之间的差别。,3.滴定分析法特点,简便、快速，适于常量分析准确度高,Er 可达0.1%.应用广泛,4.滴定分析法的分类,酸碱滴定法：是以质子传递反应为基础的一种滴定分析法。酸滴定碱B-:H+B-HB,以化学反应为为基础的分析方法，称为化学分析法(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学反应类型不同，可分为下列四种,沉淀滴定法:是以沉淀反应为基础的一种滴定分析法。如银量法:Ag+Cl-=AgCl(白),络合滴定法：是以络合反应为基础的一种滴定分析法。如EDTA滴定法:M+Y=MY,氧化还原滴定法：是以氧化还原反应为基础的一种滴定分析法。如KMnO4法：MnO4-+5Fe2+8H+=Mn2+5Fe3+4H2O,1.6.2 滴定分析反应的条件和滴定方式,1 滴定分析反应的条件反应必须具有确定的化学计量关系反应定量地完成（99.9%）反应速度要快能用比较简便的方法确定滴定终点,2 滴定方式,直接滴定法（涉及一个反应）完全满足滴定分析反应的条件可用直接滴定法滴定剂与被测物之间的反应式为：a A+b B=c C+d D 滴定到化学计量点时，a 摩尔 A 与 b 摩尔 B 作用完全,如HCl标准溶液滴定NaOH溶液,返滴定法,先准确加入过量标准溶液，使与试液中的待测物质或固体试样进行反应，待反应完成以后，再用另一种标准溶液滴定剩余的标准溶液的方法。适用于反应较慢或难溶于水的固体试样。如EDTA滴定 Al 3+、NaOH标准溶液测定CaCO3。,返滴定法,例：Al3+一定过量EDTA标液 剩余EDTA Zn2+标液，EBT 返滴定n(EDTA)总-n(EDTA)过量=n(Al)(c V)(EDTA)总-(cV)(Zn)=(cV)(Al),返滴定法,例：固体CaCO3+一定过量HCl标液 剩余HCl标液 NaOH标准溶液 返滴定,返滴定法,例:Cl-+一定过量AgNO3 标准溶液 剩余AgNO3标准溶液 NH4SCN标准溶液 Fe3+指示剂 返滴定 淡红色Fe(SCN)2+,间接滴定法通过另外的化学反应，以滴定法定量进行。适用于不能与滴定剂起化学反应的物质。,例：Ca2+CaC2O4沉淀 H2SO4 C2O42-KMnO4标液 间接测定,置换滴定法先用适当试剂与待测物质反应，定量置换出另一种物质，再用标准溶液去滴定该物质的方法。适用于无明确定量关系的反应。,Na2S2O3+K2Cr2O7 S4O62-+SO42-无定量关系 K2Cr2O7+过量KI 定量生成 I2 Na2S2O3 标液 淀粉指示剂 深蓝色消失,基准物质：能用于直接配制或标定标准溶液的物质。,基准物质 称量 溶解 定量转移至 容量瓶 稀释至刻度，根据称量的质量和体积计算标准溶液的准确浓度。,1.7 基准物质和 标准溶液,(1)物质必须具有足够的纯度(99.9%)(2)物质组成与化学式应完全符合(3)稳定；(4)具有较大的摩尔质量，为什么？反应定量进行，没有副反应,对基准物质的要求：,常用的基准物有：,无水Na2CO3、KHC8H4O4、Na2B4O710H2OCaCO3、ZnOK2Cr2O7、NaC2O4、H2C2O42H2ONaCl,标准溶液配制 直接配制法使用分析天平称量质量，直接用容量瓶定容，配制。一般使用基准试剂或优级纯。,优级纯 分析纯 化学纯G.R A.R C.R瓶签绿红蓝,例：准确称取基准物质.，溶解后定量转移至.容量瓶中，问此溶液的浓度是多少？,.,2）标定法,标准溶液的浓度通过基准物来确定或用一种已知浓度的标液来确定的方法。,例：用邻苯二甲酸氢钾（）.）为基准物质标定.溶液，需称取多少,1.8.1 标准溶液浓度的表示方法,1.物质的量浓度:单位体积溶液所含溶质物质的量。,物质的量的数值应指明基本单元：原子、分子、离子、电子等。,1.8 滴定分析中的计算,例如，9.8克H2SO4溶于水中，配成1升溶液：基本单元：H2SO4，H2SO4，2 H2SO4 49g/mol 98g/mol 196g/mol C（H2SO4）=0.1mol/L C（H2SO4）=0.2mol/L C（2 H2SO4）=0.05mol/L表示物质的量浓度时，必须指明基本单元。,基本单元的选择一般是以化学反应的计量关系为依据：,2.滴定度,TB/A指每毫升滴定剂（A）溶液相当于待测物（B）的质量,例1：T HCl/NaOH=0.003001 g/mL 表示每消耗1 mL NaOH 标液可与0.003001 g HCl完全反应,例2：,用0.02718mol/L的高锰酸钾标准溶液测定铁含量，其浓度用滴定度表示为：T Fe/KMnO4=0.007590 g/mL即：表示1mL KMnO4标准溶液相当于0.007590克铁。测定时，根据滴定所消耗的标准溶液体积可方便快速确定试样中铁的含量：m Fe=T Fe/KMnO4 V KMnO4,例3：TFe/K2Cr2O7=0.005000 g/mL，如消耗K2Cr2O7标准溶液21.50毫升，问被滴定溶液中铁的质量？,解:,滴定度与物质的量浓度的换算：,1.8.2 滴定剂与被滴物质之间的计量关系,滴定分析计算依据,SP时,或,化学计量数之比,物质的量之比,滴定分析的相关计算基本上均是依据此基本关系来进行计算的！,一、被测组分的物质的量nA 与滴定剂的物质的量nB 的关系,二、被测组分质量分数的计算,标准溶液浓度的计算 P15-16,待测组分含量的计算 P16-17,滴定分析计算示例 P17-20,这三部分内容比较简单，大家下去自己看看就行。,1.9 分析化学的应用Applications of analytical chemistry,1.分析化学与生命科学 目前分析化学中热点之一是与生命科学有关的分析化学,生命科学向分析化学提出的课题,目前集中在多肽、蛋白质、核酸等生物大分子分析、生物药物分析、超痕量、超微量生物活性物质.1）质谱法在生命科学研究能发挥着重要的作用。,2）荧光光谱在生命科学分析应用,荧光光谱分析应用于生命科学也是较多的,核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)的测定在临床生物样品测定中非常重要,因为它们不仅起着储存、复制和传递信息的作用,而且还决定着细胞的种类及功能。,3）电分析化学在生命科学中的应用,电分析化学在生命科学的研究中也愈来愈受到分析工作者的重视.电分析化学是利用物质的电子和电化学性质进行表征和测量的科学,生命现象最基本的过程是离不开电荷运动的,生命科学最基础的学科是电化学.用电化学的基本原理和实验方法,不但在生物体和有机组织的整体水平上,更重要的是在分子和细胞水平上研究或模拟研究电荷(包括电子、离子及其它电活性粒子)在生物体系和其相应模拟体系中分布、传输和转移及转化的化学本质和规律。,2.毛细管电泳,毛细管电泳是近年来分析化学中发展最为迅速的领域之一,其基本装置是在充满电解质的毛细管两端施加高压(20 30 KV),采用直径为25 50m 的毛细管.截面积急剧减小使传统电泳技术产生了质的变化,由于截面积小,热量均匀,因此电泳传质均匀.由于流阻加大,不用载体可直接在缓冲液中进行电泳,这样既消除了载体对电泳影响,又可容纳分子量极大的样品,甚至细菌和病毒颗粒.,3.超临界流体色谱(SFC),超临界流体色谱(SFC)能在较低温度下分析热不稳定、沸点较高、分子量较大的化合物,总柱效率比LC 高,且易于与灵敏检测器查联.,4.光度分析的光明前景和发展趋势,光度分析的发展和活力有各方面的动力.新显色剂的开发和利用,为光度分析的发展提供了物质基础；无机化学、有机结构理论、表面化学、络合物化学、分析化学等相关理论的不断完善,也为光度分析的发展提供高起点的理论和实践基础；将光度信息与动力学信息结合起来,提供丰富的三维数据信息,成为提高测定准确度和进行多组分同时分析的新途径。光度分析由于简单方便,成本低廉,灵敏度、选择性、准确度均有一定优势,在痕量分析中适应于市场竞争,成为适合我国国情有中国特色的分析领域之一.,5.化学计量学在分析化学中的应用,化学计量学(Chemometrics)是由数学、统计学、计算机技术与化学相结合的交叉科学,化学计量学能有效地解决许多常规方法难于解决的复杂问题,化学计量学在分析化学中的应用主要有以下几个方面:提高灵敏度改善选择性；开发和评价新方法,提高分析效益；提高分析测试的精密度与准确性；提高分析测试的精密度与准确性。,6.色谱分析,色谱分析是分析化学中发展最快,研究应用十分活跃的领域之一.20 世纪50 年代兴起的气相色谱(GC),60 年代发展起来的色质联用技术(GCMS),70 年代的高效液相色谱(HPLC),80 年代的超临界流体色谱(SFC),以及继而发展起来的毛细管区域电泳等,使得色谱分析成为预集、分离、测定和提纯联用的重要分析技术;成为自然科学领域众多实验室不可缺少的一类分析手段.,7.电分析化学,电分析化学的发展具有悠久的历史,早在18 世纪就出现了电分析和库仑滴定法,发展至今,电分析化学学科的发展是基于人们从理论上对电极总过程的各个基本反应的深刻了解,结合其它学科而创造出各种新技术、新方法,解决分析化学发展中提出的新问题.化学修饰电极通过分子水平上电极功能的设计,突破了以往电化学家研究的范畴,显示出了选择富集分离、电催化、电化学传感、不对称有机合成等多种有用的效应。,8.我国分析化学现状,1)分析测试人员发展情况.分析测试人员人分布主要为高等学校2 3 万名;环保及各产业部门约7 万名;进出口商检部门3000 名,石油化工行业分析人员占10%,冶金部门分析人员占7%,地质部门也有一支较庞大的分析队伍.分析测试领域现有中科院院士14 名,博士点约15 个.恢复研究生招生以来,培养的硕士生在2000名以上,博士生在200 名以上.2)研究机构状况.随着设备仪器在我国的较大发展,现已建立了许多测试中心及开放实验室。,A 国家分析测试中心,国家有色金属及电子材料测试中心国家电化学和光谱研究分析中心国家钢铁材料测试中心中国上海分析测试中心中国广州分析测试中心国家环境分析测试中心国家建筑材料测试中心国家化学建材测试中心国家色谱研究分析中心国家地质实验测试中心,B 中国科学院开放实验室,中国科学院长春应用化学研究所，电分析化学开放研究实验室,C 国家教委直属高等学校测试中心（设备3000多万美元）,中山大学，中国科技大学，四川大学吉林大学，兰州大学，南开大学武汉大学，浙江大学，清华大学厦门大学,D 省部级实验室和测试中心,4）国家教委厦门大学材料与生命过程分析化学开放研究实验室5）中国兴奋剂检测中心6）省、市地方测试中心（21个）,学术会议与期刊,中国化学会在中国化工学会、中国冶金学会、中国有色金属学会、中国机械工程学会、中国仪器仪表学会的分析化学委员会,理化检验委员会和分析仪器委员会等的组织下,近年来,每年召开近10 个不同专业的大型分析化学学术讨论会、交流会,交流论文达数千篇.此外某些部委建立的分析测试情报网,如冶金部“冶金分析情报网”和中国有色金属工业总公司的“中国有色金属分析情报网”等,均拥有数百个成员单位,每年举办多次分析化学情报交流活动,并常与有关学会联合举办学术活动,对交流、推广分析化学新技术和新方法发挥了积极作用。,较重要的分析化学学术会议有:,(1)美国Pittsburg国际分析化学及展览会(2)亚州分析化学会议(3)国际华裔学者分析化学研讨会(4)全国分析化学年会暨全国微量技术及痕量分析学术会议,国内外有影响的分析化学期刊：,Anal.Chem.、Anal.Chim.Acta、Talanta、Anal.Lett.、J.Anal.Chem.。分析化学、分析试验室、分析测试学报、分析科学学报、药物分析杂志、岩矿测试、第四世纪研究、冶金分析、理化检验化学分册、岩石学报、物理学进展、地质学报。,1.10 本课程的任务和要求,注重对学生综合素质的培养,要求 树立明确的“量”的概念；掌握常用分析方法 的原理和测定步骤；学会各种分析方法的有关计 算，初步具备对测定结果用数理统计方法进行数 据评价的能力；初步具备查阅文献、选择分析方 法、拟订实验方案的能力。实验中培养观察、分 析和解决问题的能力，掌握分析实验的基本操作 和技能，培养严格认真、实事求是的工作作风和 科学态度。,课后作业：P20 1、2、3、4、5、6、7、9、13、16,