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分析化学

2021-07-16 12:27:33

分析化学是开发分析物质成分、结构的方法,使化学成分得以定性和定量,化学结构得以确定。定性分析可以找到样品中有何化学成分;定量分析可以确定这些成分的含量。在分析样品时一般先要想法分离不同的成分。分析化学是化学家最基础的训练之一,化学家在实验技术和基础知识上的训练,皆得力于分析化学。

分析的方式大概可分为两大类,经典方法和仪器分析方法。仪器分析方法使用仪器去测量分析物的物理属性,比如光吸收、荧光、电导等。仪器分析法常使用如电泳、色谱法、场流分级等方法来分离样品。当代分析化学着重仪器分析,常用的分析仪器有几大类,包括原子与分子光谱仪,电化学分析仪器,核磁共振,X光,以及质谱仪。仪器分析之外的分析化学方法,现在统称为古典分析化学。古典方法(也常被称为湿化学方法)常根据颜色,气味,或熔点等来分离样品(比如萃取、沉淀、蒸馏等方法)。这类方法常通过测量重量或体积来做定量分析。

历史

资料专题:分析化学历史

分析化学型式

  • 定性分析 - 以确定某一元素或化合物的存在
  • 定量分析 - 以确定某一元素或化合物的数量

当代分析化学

当代分析化学将研究分为两个范畴,一是分析的对象,一是分析的方法。科学期刊《分析化学》(Analytical Chemistry)每年在第12期会在两个范畴轮流做一次回顾评述。

分析的对象

  • 生物分析化学
  • 材料分析
  • 化学分析
  • 环境分析
  • 法医学分析

分析的方法

  • 光谱学
  • 质谱学
  • 分光度和比色法
  • 层析和电泳法
  • 结晶学
  • 显微术
  • 电化学分析

古典分析方法

虽然现代分析化学大多使用成熟精密的仪器,但一些被用于现代仪器中的原则还是来源于一些至今仍在使用的传统技术。这些技术也仍然是大多数大学本科分析化学教学实验室的骨干。

定性分析

定性分析被用来确定一种特定成分的存在,而不是它的重量或浓度。简单的说,就是与数量无关。

化学测试

现有的定性化学测试有很多种,比如中学教育中常用石蕊试纸来显示溶液的酸碱性。

焰色测试

焰色测试是化学上用来测试某种金属是否存在在于化合物的方法。其原理是每种元素都有其个别的光谱,因此借由高温燃烧后火焰的颜色判含有哪一种金属,例如金黄色火焰表示含有钠,砖红火焰表示含有钙等。样本通常是粉或小块的形式。以一条清洁且对化学惰性的金属线(例如铂或镍铬合金)盛载样本,再放到本生灯的无光焰(蓝色火焰)中。

定量分析

重量分析

重量分析法通过测量变化前后的样品重量来确定特定物质的含量。大学本科教育中常见的一个例子是通过加热水合物前后的重量变化来确定水合物中的水的含量。

容量分析

滴定在化学分析中,是一种分析溶液成分的方法。将标准溶液逐滴加入被分析溶液中,用颜色变化、沉淀物的生成、电导率或温度的变化等来确定反应的终点。滴定通过两种溶液的定量反应来确定某种溶质的含量。较常见的滴定分析包括酸碱中和滴定及氧化还原滴定等。

仪器分析

  • 原子吸收光谱法
  • 原子荧光光谱法
  • α质子-X射线光谱仪
  • 毛细管电泳分析仪
  • 色谱法
  • 比色法
  • 循环伏安法
  • 差示扫描量热法
  • 电子顺旋共振仪
  • 电子自旋共振
  • 椭圆偏振技术
  • 场流分离
  • 传式转换红外线光谱术
  • 气相色谱法
  • 气相色谱法-质谱联用
  • 高效液相色谱法
  • 液相色谱法-质谱联用
  • 离子微探针

信号和噪声

分析化学中一个重要的内容是使需要的信号增到最大值,同时使相关噪声得到最小值。信号和噪声的比例称为信噪比(S/N或SNR)。

噪声可能来自环境的因素,也可能是由来基本的物理反应。

热噪声

热噪声也称为詹森-奈奎斯特噪音英语Johnson–Nyquist noise,来自电路中因热产生的载子(通常是电子)的移动。热噪声属于白噪声,其频谱范围内的功率谱密度为定值。

电阻产生热噪声的均方根值为:

vRMS=4kBTRΔf,{\displaystyle v_{RMS}={\sqrt{4k_{B}TR\Delta f}},}

其中kB{\displaystyle k_{B}}为波兹曼常数,T{\displaystyle T}是温度,R{\displaystyle R}是电阻,Δf{\displaystyle \Delta f}为频率f{\displaystyle f}的带宽。

散粒噪声

散粒噪声是仪器中的粒子(例如光学设备中的光子或是电路中的电子)够小,因此产生信号的统计波动,也属于白噪声

散粒噪声是泊松过程,载子产生的电流会依照泊松分布,电流的均方根值如下:

iRMS=2eIΔf{\displaystyle i_{RMS}={\sqrt{2\,e\,I\,\Delta f}}}

其中e{\displaystyle e}为基本电荷,I{\displaystyle I}为平均电流。

闪烁噪声

闪烁噪声属于1/f{\displaystyle 1/f}噪声,也称粉红噪声,当频率上升时.噪声会下降。闪烁噪声的因素有许多种,例如导线中的杂质,晶体管因基极电流产生的载流子复合噪声等。闪烁噪声可以由将信号调制到较高频率来避免,例如应用Lock-in放大器

环境噪声

环境噪声英语Environmental noise来由自分析仪器环境的噪声。环境噪声的来源包括电力线、广播及电视信号、无线通信、节能灯及马达。其中许多噪声的带宽很窄,因此可以避免。有些仪器可能需要固定温度及隔振英语vibration isolation处理。

降噪

降噪可以由电脑硬件或软件进行。硬件的降噪包括使用屏蔽线英语Shielded cable、模拟滤波器及信号的调制。软件的降噪包括数字滤波器总体均值英语ensemble average、厢车平均法(boxcar average)及相关系数法。

应用

资料专题:分析化学应用

参考文献

引用

资料专题:分析化学参考文献引用

来源

书籍
  • 《基础化学》化学工业出版社

外部链接

参见

  • 化学主题
  • 感官分析
  • 虚拟仪器
  • 计量学
  • 测量不确定度