分析化学概述

第五章分析化学概述分析化学定义：研究物质的化学组成、结构和测定方法及有关理论的科学。学习目标：1．了解分析化学的任务、分析方法的分类及试样分析的程序2．熟悉分析反应和反应的条件、反应的灵敏度和选择性、空白试验和对照试验3．熟悉觉阴、阳离子反应第一节分析化学的任务和分类一、分析化学的任务分析化学是研究物质化学组成的分析方法及有关理论的一门科学。分析化学的任务是鉴定物质的化学组成、测定有关组分的相对含量、以及确定物质的分子组成。相关在医药卫生事业中，分析化学起着非常重要的作用。比如药品检验、新药研究、病因调查、临床检验、环境分析及三废处理（废气、废水、固体废弃物的总称）等，都需要应用分析化学的理论、知识和技术。在药学教育中，分析化学是一门重要的专业基础课。许多专业课都要应用分析化学的理论方法和技术来解决学科中的某些问题。如：药物化学中的原料、中间体及成品分析，以及药物的理化性质和结构关系的探索等；药物分析中的方法选择、药品标准的制定、药物主要成分的含量分析及杂质检测等，详细见P61分析方法的分类根据分析任务、分析对象、测定原理、操作方法和具体要求不同，分析方法的分类很多。1.按任务分类：定性分析、定量分析、结构分析定性分析的任务：鉴定物质所含的组分（元素、离子基团、化合物）定量分析的任务：测定各组分的相对含量。结构分析的任务：研究物质的分子结构或晶体结构化学的发展逐步由定性定量。2.按研究的对象分类：无机分析和有机分析无机分析（元素、化合物、离子基团）有机分析（官能团、结构分析）3.按测定原理分类：化学分析和仪器分析化学分析：以物质的化学反应为基础的分析方法，其中主要有滴定分析和重量分析法。仪器分析：根据被测物质的物理或物理化学性质（比重、折光率、沸点、凝固点、熔点、旋光度、颜色等）与组分的关系的测定方法，称其为物理化学分析法，由于需要用到比较特殊的仪器，一般又叫做仪器分析法。仪器分析法a.光学分析法：根据物质的光学性质建立的。可见和紫外吸光光度法、红外光谱法、发射光谱分析法、原子吸收光谱分析法、分子荧光和磷光分析法、激光拉曼光谱法、光声光谱法、化学发光分析法。b.电化学分析法：根据物质的电化学性质建立的。电导分析法、电位分析法、电解分析法、库仑分析法、伏安法、极谱分析法。c.色谱分析法：

气相色谱法、高效液相色谱法。d.热分析法：根据测量体系的物理性质间的动力学关系建立的。热重法、差示热分析法、差示扫描量热法。4.按用量及操作方法分类：常量、半微量和微量注意：试样用量并不表示被测组分的含量。5.按具体要求分类：常规分析和裁判分析定性分析概述定性分析的任务：鉴定物质中含有哪些元素、原子团或化合物的组成。定性分析方法可以为化学分析法，也可是仪器分析法。化学分析所依据的是物质的化学反应。如果反应是在溶液中进行的，这种方法称为湿法；如果反应是在固体之间进行的，这种方法称为干法。例如焰色反应、熔珠反应、粉末研磨法都属于干法。干法分析之用少量的试剂和仪器，便于在野外环境作矿物鉴定用。但由于这种方法本身不够完善，在定性分析中只能作为辅助的试验方法。我们要学习的主要是湿法。反应进行的条件定性分析中的化学反应包括2大类：1，用来分离或掩蔽离子；2，用来鉴定离子。对前者的要求是反应进行得完全，有足够的速度，用起来方便，对后者的要求，不仅反应要完全、迅速而且要有足够的外部特征，否者我们无法鉴定某离子存在。这些外部特征是(1)沉淀的生成和溶解；(2)溶液颜色改变；(3)气体的排出；(4)特殊气味的生成。（一）反应物的浓度在溶液中相互反应的离子，只有当其浓度足够大时反应才能发生，发生了才能完全。以沉淀反应为例，从理论上讲，溶液中生成沉淀的离子浓度，其乘积应大于溶度积，否者沉淀将不会发生。但在实际的鉴定反应中，被测离子的浓度往往还要比理论上计算的浓度大若干倍，反应才能得出肯定的结果。（二）溶液的酸度许多分离反应和鉴定反应都要求在一定酸度下进行，例如根据硫化物溶解度的不同，以H2S分离阳离子时，只有在0.3mol·L-1附近的盐酸酸度下才能分离的比较完全。在鉴定反应中，酸碱的存在可能试剂或被测离子发生变化，也可能使反应产物受到影响。适宜的酸度条件可以加入酸碱来调节，必要时还要用缓冲溶液来维持。例如K2CrO4鉴定Ba2+，要求pH=5时生成沉淀，因此要加入HAc-NaAc缓冲溶液来保持这个酸度。（三）溶液的温度溶液的温度对某些沉淀的溶解度，以及某些反应进行的速度都有较大的影响。在100℃，PbCl2沉淀在100g水中可溶解3.34g，是室温下溶解度（20℃时，每100g水中可溶解0.99g）的3倍多。又如向AsO43-的稀HCl溶液通H2S时，反应进行得缓慢，得不到As2S3的沉淀。但如果使反应在加热下进行，速度就要快得多。（四）溶剂的影响一般的分析反应都是在水溶液中进行，但有时会遇到反应物在水中溶解度较大或不够稳定等情况。这时，就需要加大可使其溶解度降低或使其稳定性增加的有机溶剂。（五）干扰物的影响某一鉴定反应能否成功鉴定某离子，除上诉诸因素外，还应考虑干扰物质是否存在。例如以H2SO4鉴定Pb2+时，如果仅仅根据白色沉淀而断定有Pb2+，那就很不可靠，因为Ba2+、Sr2+、Hg22+等也生成类似的白色沉淀。以NH4SCN鉴定Fe3+时，F-不应存在，因为它与Fe3+生成稳定的FeF63-。溶液中Fe3+的浓度大为降低，从而使鉴定反应无效。二、鉴定方法的灵敏性和选择性(一）、鉴定方法的灵敏性对于同一种离子，可能有几种甚至多种不同的鉴定反应。评价这些反应可以从不同的角度进行，而灵敏性如何是其中很重要的一项。1、最低浓度最低浓度是在一定条件下，使某鉴定反应能得出肯定结果的该离子最低浓度，一般以ρB或1:G表示。G是含1g被鉴定离子的溶剂的质量。2.检出限量检出限量是在一定条件下，某鉴定反应所能检出离子的最小质量，通常以微克(µg)作单位来表示，极限浓度是指能显示一个正试验的最低浓度(µg/mL)。检出限量越低，最低浓度越小，则此鉴定方法越灵敏。（二）鉴定反应的选择性定性分析对鉴定反应的要求不仅是灵敏，而且希望能在其它离子共存时不受干扰地鉴定某种离子。具备这一条件的鉴定反应称为特效反应，该试剂称为特效试剂。创造特效条件的方法主要有以下几个方面1.控制溶液的酸度这是最常用的方法之一，在实际分析中有许多实例。例如，BaCl2在中性或弱碱性溶液中可同SO42-、SO32-、S2O32-、CO32-、PO43-、SiO32-等多种阴离子生成白色沉淀。但在溶液中加入HNO3使呈酸性后，则只有SO42-可同Ba2+生成白色结晶性BaSO4沉淀，这种沉淀同由SiO32-生成的H2SiO4胶装沉淀，以及由S2O32-析出的硫有明显的区别，因而成为鉴定SO42-的特效方法。2.掩蔽干扰离子掩蔽干扰离子的方法之一，是使干扰离子生成络合物。例如，以NH4SCN鉴定Co2+时，最严重的干扰来自Fe3+，因为它同SCN-生成血红色的络离子，掩盖了Co(SCN)42-的天蓝色。此时如在溶液中加入NaF，使Fe3+生成更稳定的无色络离子FeF63-，则Fe3+干扰便可消除。3.分离干扰离子在没有更好的可以消除干扰的办法时，分离是最基本的手段。三、空白试验和对照试验鉴定反应的“灵敏”与特效，是使某一种待检离子可被准确鉴定的必要条件，但有时并不能完全保证鉴定的可靠性。其原因来自两个方面：(1)溶剂、辅助试剂或器皿等可能引进外来离子从而被当做试液中存在的离子而鉴定出来；(2)试剂失效或反应条件控制不当，因而使鉴定反应的现象不明显或得出否定结果。第一种情况可通过作空白试验解决。第二种情况，即当鉴定反应不够明显或现象异常，特别是在怀疑所得的否定结果是否准确时，往往需要做对照试验四、分别分析和系统分析如果我们有足够的特效试剂，或者能够较简便地创造出特效条件而使选择试剂具有特效性，那么，我们便可以在其它离子共存的条件下，鉴定任一想要鉴定的离子。这种分析方法称为分别分析。分别分析在进行目标明确的有限分析中显得特别优越。显然，这是一种理想的分析方案，它具有准确、快速、灵敏和机动的特点，不受鉴定顺序的限制。系统分析师按一定的步骤和顺序将离子加以逐步分离的分析方法。它首先把离子分成若干组，然后组内再细分，一直分到彼此不再干扰鉴定为止。三、农业中常见离子的鉴定常见的阴离子有以下几种：SO42-、SiO32-、PO43-、CO32-、SO32-、S2O32-、S2-、Cl-、Br-、I-、NO3-、NO2-。阴离子分析特性（一）阴离子在分析中易起变化，不易进行手续繁多的系统分析。（二）阴离子彼此共存的机会很少，且可利用的特效反应较多，有可能进行分别分析。在阴离子的鉴定中主要采用分别分析法。但采用分别分析法并非对所有阴离子逐一进行检验，而使先通过初步实验，用消去法排除肯定不存在的阴离子，然后对可能存在的阴离子逐个加以确定。例如(1)PO43-的鉴定一二3Ag++PO43-=Ag3PO4(黄色)Ag3PO4+3HNO3=AgNO3+H3PO3(2)NO3-鉴定NO3-+3Fe2++4H+=3Fe3++NO+2H2OFeSO4+NO=[Fe(NO)SO4](棕色)常见阳离子的鉴定共存的阳离子往往互相干扰，在鉴定时要考虑反应的选择性和灵敏度。比如NH4+的鉴定(1)气室法NH4++OH=NH3+H2O(2)奈氏试剂法奈氏试剂与NH3反应，生成红棕色沉淀。定量分析概述仪器分析化学分析重量分析滴定分析酸碱滴定氧化还原滴定配位滴定沉淀滴定定量分析定量分析的任务就是测定各组分的相对含量。定量分析过程和分析结果的表示一、定量分析过程2.试样的分解：常用的有溶解法和熔融法。3.分离和测定：根据待测组分的性质、含量和对分析结果准确度的要求，选择合适的分析方法。1.取样：分析对象不同，取样方法不同。

采集的样品必须能代表全部分析对象的组成，必须具有代表性与均匀性。4.分析结果的计算：根据有关化学反应的计量关系及分析测定所得数据，计算待测组分的含量。二、定量分析结果的表示1.待测组分的化学表示形式①通常以实际存在形式的含量表示；②实际存在形式不清楚的用氧化物或元素形式的含量表示；③工业分析中，有时用所需组分的含量表示；④电解质溶液常用离子的含量表示。2.待测组分分析含量的表示方法(1)固体试样(2)液体试样物质的量浓度、质量摩尔浓度、质量分数、体积分数、摩尔分数、质量浓度(3)气体试样体积分数三、定量分析误差测定数据与真实值并不一致，这种在数值上的差别就是误差。分析过程中的误差是客观存在的。误差可控制得越来越小，但不能使误差降低为零。误差产生的原因1.系统误差又称为可测误差，在分析过程中，由某些确定的、经常的原因造成。③确定系统有误差，系统误差具有单向性。特点:

①系统误差的数值（大小）对分析结果的影响比较固定；

②具有重现性：在相同条件下重复测定时，总是重复出现；④可用一定的方法消除。(1)方法误差（比较严重的）原因：分析方法本身造成的。例：重量分析中的沉淀的溶解或吸附杂质。在滴定分析中反应不完全，副反应等。消除方法：作对照试验，用已知组分的标准试样进行多次测定。通过校正系数校正试样的分析结果。(2)仪器误差由于仪器本身不够精确引起的误差。可以通过校正仪器消除。(3)试剂误差由于试剂不纯，含有被测物质或干扰离子引起的误差。可以通过空白试验来检查和扣除。(4)操作误差由操作人员的主观原因造成的误差。消除方法：安排不同的分析人员互相进行对照试验，此法称为“内检”。也可将部分试样送交其他单位进行对照分析，此法称为“外检”。例:习惯性的试样分解不完全、沉淀洗涤不完全或洗涤过分;观察终点颜色偏深或偏浅。2.偶然误差（随机误差）原因：由难以控制、无法避免的因素（环境的温度，湿度，气压的微小波动，仪器性能的微小变化）所引起的。故又称不可测误差。特点：其大小、正负具有随机性，所以称为不可测误差。但多次重复测定时，它符合正态分布规律。可用正态分布曲线来表示：纵坐标：测定次数横坐标：误差

－0+由图可看出其规律性：1.对称性：正负误差出现的几率相等。2.单峰性：小误差出现的机率大，大误差出现的机率小。3.抵偿性：平行测定次数n→∞时，偶然误差的算术平均值E→0。曲线表明：分析结果偶然误差的大小是随着测定次数的增加而减少。通常平行测定3～4次。要求高时，测定10次左右。判断如下操作将产生何种误差？(1)砝码腐蚀(2)称量时试样吸水(3)天平零点稍有变动(4)读取滴定管读书时，最后一位数字估测不准一、准确度与精密度准确度表示测量值（x）与真值（xT）之间符合的程度。即表示测量结果的准确性。体现一个（一组）数据的准确性，以真值为参考。1.准确度准确度的表示——绝对误差绝对误差：测量值（X）与真值（XT）之差，用E表示：误差的表示方法2.精密度精密度是指在相同的条件下多次重复（平行）测定值之间的吻合程度（个别测定值与平均值之间的吻合程度），表示测定结果的再现性。精密度用“偏差”表示。偏差越小精密度越高，所以偏差的大小是衡量精密度高低的尺度。精密度是保证准确度的前提，精密度低说明所测结果不可靠，当然准确度也就不高。二、误差与偏差

误差是测定结果(X)和真实值(XT)之间的差值(E=X－XT)。误差越小，准确度越高，反之则越低。误差有绝对误差和相对误差之分：绝对误差表示测量值与真实值之间的差值，相对误差表示绝对误差在真实值中所占的千分率（‰）。误差有正有负，为正时表示分析结果偏高，为负时表示分析结果偏低。例：用分析天平称取两物体的重量分别为2.1750克和0.2175克，假定二者的真实重量各为2.1751克和0.2176克，则两者的绝对误差分别为：E1=X1–XT=2.1750–2.1751=–0.0001（克）E2=X2–XT=0.2175–0.2176=–0.0001（克）相对误差为：RE1=E1/XT1×1000‰=－0.0001/2.1751×1000‰=－0.05‰RE2=E2/XT2×1000‰=－0.0001/0.2176×1000‰=－0.5‰

偏差（）是测定值（）与一组平行测定值的平均值（）之间的差，是衡量精密度高低的尺度，偏差小表示精密度高，偏差大表示精密度低。某一试样平行测量n次，测定值为X1,X2,…,Xn，则：1.平均偏差（）偏差有正有负，其和为零，所以，为了说明分析结果的精密度，通常采用平均偏差（）。各次测量值与平均值的差值为绝对偏差。平均偏差没有负值。‰例：用基准Na2CO3标定HCl溶液的准确浓度（mol/L）所得数据为：0.2041，0.2049，0.2039，0.2043，计算分析结果的平均值、平均偏差、相对平均偏差。解：(1)(2)(3)‰‰=1.47‰有效数字及计算规则在定量分析中，为了获得准确的分析结果，还必须注意正确合理的记录和计算。因此需要了解有效数字及其运算规则。实验数据应包含两个内容：1.反映所测定的量是多少；2.反映数据的准确度。一、有效数字及其位数数据中能够正确反映一定量（物理量和化学量）的数字叫有效数字。包括所有的确定数字和最后一位不确定性的数字。例如：滴定管读数，甲读为23.43mL，乙读为23.42mL，丙读为23.44mL前三位数字是准确的，第四位是不确定的数值，有±0.01的误差。有效数字中只允许保留一位不确定的数字。有关有效数字的位数可以用下列几个数据说明：1.210425.315五位有效数字0.100024.13四位有效数字0.01201.65×10-6三位有效数字0.00305.0两位有效数字0.0010.3一位有效数字pH=4.75两位有效数字log(5.043×10-8)=-7.2674数据中的“0”有以下规定：1.有效数字中间的“0”是有效数字。2.有效数字前面的“0”不是有效数字。（起定位作用）3.有效数字后面的“0”是有效数字。改变单位并不改变有效数字的位数。当需要在数的末尾加“0”作定位时，最好采用指数形式表示，否则有效数字的位数含混不清。分析化学中常遇到倍数或分数的关系，他们为非测量所得，可视为有无限多位有效数字。二、计算规则1.加减法

例如：0.0121，25.64，1.05782三数相加不正确的计算正确的计算0.01210.0125.6425.64

+1.05782

+1.06

26.7099226.71几个数字相加或相减时，它们的和或差的有效数字的保留应以小数点后位数最少（即绝对误差最大）的数为准，将多余的数字修约后再进行加减运算。上面相加的三个数据中，25.64的小数点后位数最少，绝对误差最大。因此应以25.64为准，保留有效数字位数到小数点后第二位，所以，左面的计算是不正确的，右面的计算是正确的。2.乘除法

几个数相乘或相除时，它们的积或商的有效数字的保留应以有效数字位数最少（相对误差最大）的数为准，将多余的数字修约后再进行乘除。可见，0.0121的有效数字位数最少（三位）相对误差最大，故应以此数为准，将其它各数修约为三位（指的是三位有效数字），然后相乘得：0.0121×25.6×1.06=0.3283.表示准确度和精密度时一般只取一位有效数字，最多取两位有效数字。例如：0.0121，25.64，1.05782三数相乘。三个数的相对误差分别为：在定量分析中数据的记录和计算的基本规则1.记录测量结果时，只应保留末尾一位可疑数字。2.在运算中舍弃多余数字时，按“四舍六入五成双”的规则处理。4要舍，6要入5后有数进一位5后无数看单双单数在前进一位偶数在前全舍光数字修约要记牢分次修约不应该例：将下列测量值修约为3位数修约前修约后4.1354.1254.1054.12514.13494.144.124.104.134.13四舍六入五留双4.对于高含量组分（例如>10％）的测定，一般要求四位有效数字；中含量组分（1％～10％）要求三位有效数字；微量组分（<1%）要求两位有效数字。5.在分析化学计算中，当涉及各种常数时，一般视为是准确的，不考虑其有效数字的位数。对于各种化学平衡的计算，一般保留两位或三位有效数字。3.几个数相加减时，保留有效数字的位数决定于绝对误差最大的数；几个数相乘除时，以有效数字位数最小的为标准，弃去过多的位数，可暂时多保留一位，进行乘除运算，得到的结果再舍弃多余的数字。可疑值的取舍在一组测定值中，常出现个别与其它数据相差很大的可疑值。如果确定知道此数据由实验差错引起，可以舍去，否则，应根据一定的统计学方法决定其取舍。统计学处理取舍的方法有多种，我们仅介绍较简便的法和较严格又方便的Q-检验法。1.法①先除去可疑值；②计算剩余数值的和平均偏差；③如果，则舍去可疑值，否则保留。2.Q-检验法检验根据测定次数n和置信度查Q值表，若则离群值应舍弃，否则保留。步骤如下：①

将测定值按大小顺序排列；②由可疑值与其相邻值之差的绝对值除以极差，求得Q值：例：平行测定盐酸浓度(mol/L)，结果为0.1014，0.1021，0.1016，0.1013。试问0.1021在置信度为90%时是否应舍去。解:

(1)排序：0.1013,0.1014,0.1016,0.1021(2)Q=(0.1021-0.1016)/(0.1021-0.1013)=0.63(3)查表,当n=4,Q0.90=0.76因Q<Q0.90,故0.1021不应舍去。滴定分析法概述滴定分析法的特点滴定分析是重要的化学分析方法。此法必须使用一种已知准确浓度的溶液，这种溶液称为标准溶液，也叫滴定剂。用滴定管将标准溶液滴加到被测物质的溶液中，直到按化学计量关系完全反应为止，根据所加标准溶液的浓度和消耗的体积可以计算出被测物质的含量。用滴定管将标准溶液滴加到被测物溶液中的过程叫滴定。在滴定过程中标准溶液与被测物质发生的反应称为滴定反应。当滴定到达标准溶液与被测物质正好符合滴定反应式完全反应时，称反应到达了化学计量点。终点与化学计量点并不一定完全相符合，由此而造成的误差称为滴定误差或终点误差。滴定误差的大小取决于指示剂的性能和实验条件的控制。为了确定化学计量点通常加入一种试剂，它能在化学计量点时发生颜色的变化，称为指示剂，指示剂发生颜色变化，停止滴定的那一时刻称为滴定终点，简称终点。常用滴定分析仪器容量瓶吸量管锥形瓶移液管酸式滴定管烧杯量筒容量仪器滴定分析是实验室常用的基本分析方法之一，主要用来进行常量组分的分析。该方法具有操作简便、测定迅速、准确度高、设备简单、应用广泛的优点。根据滴定反应的类型不同，滴定分析方法分为四类:1.

酸碱滴定法(又称为中和滴定法)2.

氧化还原滴定法3.

沉淀滴定法4.

配位滴定法滴定分析对化学反应的要求和滴定方式1.滴定反应应具备的条件a.

反应必须定量完成。即反应必须按一定的化学计量关系(要求达到99.99%以上)进行,没有副反应发生,这是定量计算的基础。b.反应必须迅速完成。滴定反应必须在瞬间完成。对反应速度较慢的反应，有时可用加热或加入催化剂等方法加快反应速度。c.共存物质不干扰主反应，或干扰作用能用适当的方法消除。d.有比较简单可靠的确定终点的方法。如有适当的指示剂或物理化学方法指示滴定终点。2.滴定方式a.直接滴定法用标准溶液直接滴定被测物质的方式叫直接滴定法。例如，用盐酸标准溶液滴定NaOH溶液，用于直接滴定的标准溶液与被测物质之间的反应应符合对滴定反应的要求。b.返滴定法当滴定反应的反应速度较慢或被测物质是难溶的固体时，可先准确的加入过量的一种标准溶液，待其完全反应后，再用另一种标准溶液滴定剩余的前一种标准溶液，这种方式称为返滴定法，又叫回滴法。例如，测定CaCO3中的钙含量，可先加入过量的HCl标准溶液，待盐酸与CaCO3完全反应后，再用NaOH标准溶液滴定过量的HCl。c.置换滴定法

对于不按确定的反应式进行或伴有副反应的反应，可用置换滴定法进行测定，即先用适当的试剂与被测物质起反应，使其置换出另一种物质，再用标准溶液滴定此生成物，这种滴定方式称为置换滴定法。例如，Na2S2O3不能直接滴定K2Cr2O7及其它强氧化剂。因为在酸性溶液中强氧化剂将S2O32-氧化为S4O62-和SO42-等混合物，反应没有一定的计量关系，无法进行计算。但在K2Cr2O7酸性溶液中加入过量的KI，I-被氧化产生定量的I2，而I2就可用Na2S2O3标准溶液滴定。