基地班分析化学课程首节课

1、课程主讲：张华山，张志凌分析化学Analytical Chemistry1.前言n 什么是分析化学，分析化学的任务和作用n 分析化学与分析方法n 分析方法的分类n 分析化学发展史n 化学分析与分析化学及分析科学n 分析化学发展趋向前言n 徐光宪院士说：n 我看到分析化学的地位, 越来越重要了n 我在2004 年6 月18 日, 查了CA S Reg No 登录的分子数共有6669 万个, 平均每天增加20000个, 其中合成新的2345 万个, 识别的生物分子序列(bio sequences) 4324 万个。识别和创造的分子数之比是21前言n 所以我觉得21 世纪的化学可以定位为“创造和识别

2、泛分子的科学”。现在看来化学的核心任务应该有两个: 合成化学与广义的分析化学(包括分子识别和序列测定、结构分析、形貌分析; 粒度分析和物质成像等)n 分析化学的地位已上升到前所未有的高度前言n 因此现代分析化学的内涵大大扩充了, 早已不限于元素的定性和定量分析,n 而是包括一级结构序列的分析, 高级结构的测定, 形貌分析, 手性分析, 构型、构象分析, 单原子和单分子分析, 物质的成像等前言n 提高观察、分析、提出和解决问题的能力n 培养严格的工作态度、严谨的工作作风和事实求是的科学学术思想n 为未来的科学研究和实际工作打下优良基础前言n 什么是分析化学，分析化学的任务和作用n 分析化学是研究

3、分析方法的科学或学科是化学的一个分支n 分析化学是一门人们赖以获得物质组成、结构和形态的信息的科学n 分析化学是科学技术的眼睛、尖兵、侦察员， 是进行科学研究的基础学科前言分析化学是发展和综合应用多种理论、方法、仪器和策略以获取有关物质在相对时空内的组成和性质的信息的一门科学2，也被称为分析科学（Kaller R, Mermet J M, Otto M, et al. Analytical Chemistry, Wiley-VCH, 1998.）培养学生的实事求是、一丝不苟的科学态度和作风，观察、判断、联想思维、总结和表达能力，运用理论知识解决实际问题能力和创新意识分析化学理论课程及其实验教学

4、，是最重要和最有效的手段2.分析化学与分析方法n 分析化学是研究分析方法的科学，一个完整具体的分析方法包括测定方法和测定对象两部分n 没有分析对象，就谈不到分析方法，对象与方法存在分析化学或者分析科学的各个方面2.分析化学与分析方法n 分析化学三要素理论、方法与对象n 反映了科学、技术和生产之间的关系n 高校和科研单位、仪器制造部门和生产单位的合作反映了分析化学三要素之间的关系分别侧重。2 .分析化学与分析方法n 是什么？定性分析n 有多少？定量分析n 什么样？结构分析与识别n 怎么办？围绕上述三个问题的新方法研究3.分析方法的分类n 根据分析任务、分析对象、方法原理、操作规模以及方法和具体要

5、求 分类n 按分析任务：定性分析（qualitative analysis)，定量分析(quantitative analysis)，结构分析(structure analysis)n 按分析对象：无机分析，有机分析，生物分析， 环境分析，材料分析，药物分析，临床分析，金属分析，水质分析，食品分析，土壤分析，结构分析等3.分析方法的分类按原理分：n 化学分析(chemical analysis)：以物质的化学反应为基础的分析方法n 仪器分析(instrumental analysis)：以物质的物理和物理化学性质为基础的分析方法光学分析方法电化学分析法：电位分析法：电导分析库仑法：伏安法与极谱

6、法法；3.分析方法的分类n 热分析法：差热分析法，热失重分析，温度滴定n 色谱法：气相色谱；液相色谱，毛细管电泳n 质谱n 核磁共振3.分析方法的分类n 放射分析n X-光荧光n 电子显微镜分析n x-光衍射分析3.分析方法的分类n 按试样用量及操作规模分：常量、半微量、微量和超微量分析方法试样质量试液体积常量分析0.1g10ml半微量分析0.01-0.1g1-10ml微量分析0.1-10mg0.01-1ml超微量分析0.1mg1%)n 微量(micro)成分分析(0.01-1%)n 痕量(trace)成分分析(0.01)n 超痕量（ultratrace)成分分析（0.0001）3.分析方法的

7、分类n 标准分析方法（standard analytical methods)n 仲裁分析(arbitral analysis)及例行分析(routine analysis)4.分析方法的选择及依据n 待测组分性质、含量及样品对象n 共存组分性质及对测定影响n 对准确度和灵敏度要求n 条件、成本和时间n 可靠性5.分析化学发展史n 分析化学历史悠久；早期的化学主要是分析化学性质；无机定性分析曾一度是化学科学的前沿；n 公元一世纪橡子提取物检验铁，n 十七世纪Boyle将石蕊作酸碱指示剂n 1751年Margraf硫酸盐检验Fe(III).5.分析化学发展史n 分析化学发展成为一门独立的学科，一

8、般认为是在20世纪初分析化学学科发展史上第一个重要阶段：20世纪起初的2030年间5.分析化学发展史用物理化学中的溶液平衡理论、动力学等研究分析化学中的基本理论问题：沉淀的形成和共沉淀；指示剂变色原理；滴定曲线和终点误差；缓冲原理及催化和诱导反应等。建立了溶液中四大平衡理论。5.分析化学发展史n 分析化学学科发展史上第二个重要阶段：20世纪40年代以后几十年仪器分析的发展。原子能和半导体技术兴起，如要求超纯材料，99.99999，砷化镓，要测定其杂质，化学分析法无法解决，促进了仪器分析和各种分离方法的发展。是分析化学与物理学及电子学结合的时代。5.分析化学发展史n 分析化学已经发展到分析科学阶

9、段n 以计算机应用为主要标志的信息时代。现代分析化学把化学与数学、物理学、计算机科学、精密仪器制造、生物学等学科结合起来。5.分析化学发展史n 基于化学反应四大平衡的分析方法到自动化分析、传感过程控制、专家系统(在线分析)、芯片、生物技术与生物过程(原)等以及与微电子学、显微光学位，和微工程学结合的微全分析系统。n 一句话，分析化学正发展成为一门多学科性的综合性科学。现代各种分析方法的理论基础原子、分子、泛分子和电磁场(光子)、电场、磁场, 超声场、离心重力场以及其它各种外场相互作用的规律。因为各种分析或识别分子的手段, 大部分是依靠物质与场的相互作用来实现的充分了解这些规律, 就可为发现新的

10、分析方法和改进现有分析方法提供基础n 第一类是分子在转动、振动、电子运动等不同的运动过程中发射、吸收、散射(弹性和非弹性) 和衍射各种波段的光子的规律n 第二类是原子的核自旋或电子自旋在磁场作用下, 产生核磁矩或电子磁矩能级的分裂, 从而吸收或发射射频波段(核磁共振仪) 或微波波段的光子(顺磁共振仪)第三类是原子、分子和电子束、中子束、离子束、分子束等相互作用, 或再外加激光束。其中物质与电子束相互作用的仪器称为电子光学仪器, 如透射电镜、扫描电镜、电子探针、电子能谱仪等物质与中子束相互作用的如中子衍射仪。 物质与离子束相互作用的称为离子光学仪器,如无机质谱、有机质谱、生物质谱、同位素质谱、离

11、子探针等。除此之外, 还有各种显微镜,如原子力显微镜(AFM )、激光力显微镜(LFM )、静电力显微镜(EFM )、弹道电子发射显微镜(BEEM )、扫描隧道电位仪(STP)、扫描离子电导显微镜(AICM )、扫描近场光学显微镜(SNOM )、光子扫描隧道显微镜(PSTM ) 和扫描探针显微镜(SPM ) 等n 第四类是利用物质的不同组分在各种填料介质(或再外加电场) 中不同的扩散速度进行分离,再分别测定的色谱分析法, 如气相色谱、液相色谱纸上色层、毛细管电泳、薄层扫描色谱、离子色谱等n 第五类是利用其它效应, 如压电效应的传感器等第六类 基础，是化学分析法的四大平衡的发展四大平衡是利用四对

12、对立物的反应: 酸与碱、氧化剂与还原剂、中心离子与配体、形成沉淀的软阴离子和软阳离子。第五对是抗体和抗原, 它们之间的反应有高度选择的专一性, 并可与光相互作用, 已发展成为发光免疫分析。第六对是酶与底物。第七对是为人体中的十余万种蛋白质各配两把“钥匙”, 一把“开”, 即激发蛋白质的活性; 另一把“关”, 即抑制蛋白质的活性。第八对是生物分析中的大量新试剂与作用对象。6.分析化学发展趋向:n 方法和技术层面上分析方法发展的趋势有：n 微流控芯片化、在线化、实时化、原位化、仿生化、智能化、信息化、高灵敏化、高选择性化、高通量化、无损化、单原子化和单分子化等。n 此外还有各种联用技术和各种批量操

13、作技术, 如分析和分离联用, 分析、分离和合成联用, 组合化学等。从研究对象层面上有:n (1) 生命分析化学;(2) 材料分析化学;(3) 环境分析化学;(4) 矿产资源分析化学;(5) 流程工业中的在线分析和自动调控;(6)和安全分析化学;(7) 宇宙和星际分析化学等。n 现代分析化学的内涵大大扩充了, 早已不限于元素的定性和定量分析n 是包括一级结构序列的分析, 高级结构的测定, 形貌分析, 手性分析, 构型、构象分析, 单原子和单分子分析, 物质的成像等n 1）更高的灵敏度单分子(原子)检测，激光诱导荧光，共振电离光谱；2） 更好的选择性基体不干扰；3）更高的准确度/精密度；4）更快的

14、分析速度；5）高度自动化；6）同时检测更多组分；7）更完善可信的形态分析；8）、实时分析；9）更小样品量原位、及微損和无损分析；10）微全分析系统；11）高分辨成像分析化学发展趋向化学分析与分析化学及分析科学化学分析基础分析化学（包括化学分析与仪器分析）学科分析科学超出化学学科领域的现代分析化学一门多学科性的综合性科学的学科7.要求n 掌握分析化学的基础理论、基本知识和主要分析方法n 正确和较熟练掌握分析化学基本操作技术和实验技能n 树立严格的“量”的概念主要参考文献参考书武汉大学等主编，分析化学（第3，4版），高等教育，1998彭崇慧，冯建章，张锡瑜，李克安，赵风林，定量化学分析简明教程，第

15、2版，北京大学，1997Laitinen H A,Harris W E,Chemical Analysis,2nd ed.McGraw-Hill,1975 Harvey D,Modern Analytical Chemistry ,McGraw-Hil,2000Harris D C,Quantitative Chemical Analysis ,6th ed,Freedman, 2003 Cristian Gary D,Analytical Chemistry,6th ed.Wiley,2004Melona C E,Chemical Separation,A Wiley-Interscienc

16、e pub.1999国内外期刊因特网（internet)p.6第一章 分析化学概论n 定量分析化学中的基本工具、专业名词和语言n 定量分析的操作步骤n 试样的制备及试样的分解n 经典定量分析方法概述n 有效数字(significant figure)及其运算规则定量分析化学中的基本工具、专业名词和语言n 一些符号n 测量的基本标准单位n kg,g,mg, g,ngn L,ml, l ，nln m，cm，mm， m，nm定量分析化学中的基本工具、专业名词和语言n 定量分析的基本仪器和设备及用途n 定量分析的基本仪器和设备及用途n 天平、量筒，容量瓶，移液管，滴定管， 移液器，（还有仪器名称等）n

17、 称量，移取，测定，取样，溶样，熔样， 浸取，分离，掩蔽，络合，还原，氧化， 试液，样液等分析化学中的术语n 分析(Analysis)n (被)分析物(Analytes)n 测定(Determination)n 测量和测定(Measurement)n 分析技术 (Analytical techniques)n 方法(Method)n 规程或程序(Procedure)分析化学中的术语n 样品或样本(Sample)n 制样(Preparation of sample)n 检测限(Detection limit)n 灵敏度(Sensitivity)n 选择性(Selectivity)n 准确度(Ac

18、curacy)n 精密度(Precision)分析化学中的术语n 系统误差(systematic error)n 随机误差(random error)n 过失误差(aberration error)n 偏差(deviation):测定结果与平均结果之间的差值。n 公差(common difference)： （绝对误差，）定量分析的操作步骤n 1取样、称量、试样分解和分析试液的制备n 2.分离与富集n 3.分析测定n 4.分析结果的计算和评价经典定量分析方法概述n 重量法：先用适当方法将被测定组分与共存的其它物质分离转化为一定的称量形式，然后称重，由被称物的质量计算该组分的含量。n 有沉淀法、

19、气化法和电解法等。经典定量分析方法概述n 滴定分析法：又称容量分析法。是将一种已知准确浓度的试剂溶液(标准溶液)以滴加的方式使其与样品溶液中被测物质反应(反过来也可以)，直到所加的标准溶液与被测物质按化学计量关系反应完全为止，用指示剂指示定量反应终点滴定终点，然后根据标准溶液的浓度和用量，计算被测物质的含量。经典定量分析方法概述n 滴定分析法包括酸碱滴定法、络合滴定法、氧化还原滴定法和沉淀滴定法等n 滴定方式：n a .直接滴定法，最常用。n b.间接滴定法n c.返滴定法n d.置换滴定法经典定量分析方法概述滴定分析法对化学反应的要求：a. 反应按一定的反应方程式进行，即有确定的化学计量关系

20、。b. 反应速度较快。c. 容易确定滴定终点经典定量分析方法概述滴定方式：直接滴定法，最常用间接滴定法，如Ca2+沉淀为CaC2O4再用硫酸溶解用KMnO4滴定C O2-,24间接测定Ca2+返滴定法，如测定CaCO3,加入过量盐酸， 多余盐酸用标准氢氧化钠溶液返滴。置换滴定法，多用于络合滴定法滴定剂与被滴定物质之间的计量关系n .化学计量比n 滴定剂（T）与被滴定测定物质B反应式：tT+bB=cC+dDn 被滴定物质B的物质的量nB与滴定剂T物质的量nT 之间的关系是： nB=b/tnTnT=t/b nB（1）或n b/t和t/b称为化学计量比（也曾称摩尔比）滴定剂与被滴定物质之间的计量关系

21、n 2MnO4 +5C2O4+16H-2+=2Mn2+10CO2+8H2On 化学计量比是：nKMnO4=2/5 nH2C2O4滴定剂与被滴定物质之间的计量关系n 等物质量规则n 还以基准物质草酸标定高锰酸钾溶液反应为例2KMnO4相当于5H2C2O4，选择KMnO4的基本单元为1/5 KMnO4，选择H2C2O4基本单元为1/2 H2C2O4滴定剂与被滴定物质之间的计量关系n n(1/5 KMnO4)=n(1/2H2C2O4)质量n 5n(KMnO4)=2n(H2C2O4)等物n(KMnO4)=2/5 n(H2C2O4)n 同样得基准物质和标准溶液n a.基准物质:能用于直接配制和标定标准溶

22、液的物质。要求试剂与化学组成一致；纯度高；稳定；摩尔质量大；滴定反应时无副反应。n b.标准溶液：已知准确浓度的试剂溶液。配制方法有直接配制和标定两种方法基准物质和标准溶液标准溶液浓度的表示方法标准溶液的浓度通常用物质的量浓度表示。例如物质B的物质的量浓度（用cB表示），是指溶液中所含溶质B的物质的量（nB）与溶液的体积(V) 比。溶质B的物质的量单位为mol或mmol;常用的体积单位是L(升)或ml.则有：cBnB/V，即每升溶液的溶质摩尔数（M），单位可以为molL-1或mmolL-1基准物质和标准溶液n 物质的量nB的数值取决于基本单元的选择，物质的量以前为摩尔数。基本单元的选择，一般是

23、以化学反应的计量关系为依据的。如反应：n 2MnO4-+5C2O42-+16H+=2Mn2+10CO2+8H2O2KMnO4相当于5H2C2O4，KMnO4的基本单元为1/5 KMnO4，H2C2O4的基本单元为1/2 H2C2O4标准溶液浓度计算n a.: 称一定量的基准物质B直接配（mB，质量，单位，g）直接溶于一定量（V，体积，单位，L）的溶剂配制.按cB=nB/V=mB/MBV计算浓度，MB是基准物质B的摩尔质量 (gmol-1).标准溶液浓度计算b 标定法：n 根据滴定剂和被测物质的比计算求出。n 标定某一溶液，需要标准溶液，假定其浓度为cT（molL-1）的标准溶液来标定物质B（体

24、积为VBmL），用去标准溶液VTmL 。n 那么滴定剂和物质B的物质的量分别为：n nTcTVT（21）和nBcBVB（22）标准溶液浓度计算n 假定标定反应的化学计量比为b/t，根据（1）式得：n nBb/t nT（2-3）n 把（21）和（22）代入（2-3），得：cBVBb/t则 cTVT(实验中已知VB，cT，VT)，cBb/t cTVT/VB(2-4)标准溶液浓度计算n 物质B的质量mB可以用下式求得：mB nBMB b/t cTVTMB(2-5)如果以基准物质标定标准溶液， 则根据cBVBb/t cTVT获得如下计算公式：cBVBb/t mT/MT标准溶液浓度计算n 用滴定度（T）表示标准溶液的浓度，即每毫升滴定剂溶液相当于被测物质的量（克或毫克）或质量分数。n 重铬酸钾标准溶液滴定测定铁矿石样品中的铁， 消耗重铬酸钾标准溶液21.50mL,已知每毫升K2Cr2O7溶液刚好与