常见的化学成分分析方法及其原理.docx

常见的化学成分分析方法一、化学分析方法化学分析从大类分是指经典的重量分析和容量分析。

重量分析是指根据试样经过化学实验反应后生成的产物的质量来计算式样的化学组成，多数是指质量法。

容量法是指根据试样在反应中所需要消耗的标准试液的体积。

容量法即可以测定式样的主要成分，也可以测定试样的次要成分。

1.1 重量分析指采用添加化学试剂是待测物质转变为相应的沉淀物，并通过测定沉淀物的质量来确定待测物的含量。

1.2 容量分析滴定分析主要分为酸碱滴定分析、络合滴定分析、氧化还原滴定分析、沉淀滴定分析。

酸碱滴定分析是指以酸碱中和反应为原理，利用酸性标定物来滴定碱性物质或利用碱性标定物来滴定酸性待测物，最后以酸碱指示剂（如酚酞等）的变化来确定滴定的终点，通过加入的标定物的多少来确定待测物质的含量。

络合滴定分析是指以络合反应（形成配合物）反应为基础的滴定分析方法。

如EDTA 与金属离子发生显色反应来确定金属离子的含量等。

络合反应广泛地应用于分析化学的各种分离与测定中，如许多显色剂，萃取剂，沉淀剂，掩蔽剂等都是络合剂，因此，有关络合反应的理论和实践知识，是分析化学的重要内容之一。

氧化还原滴定分析：是以溶液中氧化剂和还原剂之间的电子转移为基础的一种滴定分析方法。

氧化还原滴定法应用非常广泛，它不仅可用于无机分析，而且可以广泛用于有机分析，许多具有氧化性或还原性的有机化合物可以用氧化还原滴定法来加以测定。

通常借助指示剂来判断。

有些滴定剂溶液或被滴定物质本身有足够深的颜色，如果反应后褪色，则其本身就可起指示剂的作用，例如高锰酸钾。

而可溶性淀粉与痕量碘能产生深蓝色，当碘被还原成碘离子时，深蓝色消失，因此在碘量法中，通常用淀粉溶液作指示剂。

沉淀滴定分析：是以沉淀反应为基础的一种滴定分析方法，又称银量法（以硝酸银液为滴定液，测定能与Ag+反应生成难溶性沉淀的一种容量分析法）。

虽然可定量进行的沉淀反应很多，但由于缺乏合适的指示剂，而应用于沉淀滴定的反应并不多，目前比较有实际意义的是银量法。

二、仪器分析2.1 电化学分析是指应用电化学原理和技术，是利用原电池模型的原理来分析所测样品的电极种类及电解液的组成及含量和两者之间的电化学性质的关系而建立起来的一类分析方法。

现在一般是使用电化学工作站来对样品进行测试。

其特点是灵敏度高，选择性好，设备简单，操作方便，应用范围广。

根据测量的电信号不同，电化学分析法可分为电位法、电解法、电导法和伏安法。

电位法是通过测量电极电动势以求得待测物质含量的分析方法。

若根据电极电位测量值，直接求算待测物的含量，称为直接电位法；若根据滴定过程中电极电位的变化以确定滴定的终点，称为电位滴定法。

电解法是根据通电时，待测物在电他电极上发生定量沉积的性质以确定待测物含量的分析方法。

电导法是根据电解质溶液中溶质溶度的不同，其电导率也不同的原理，而测量分析溶液的电导以确定待测物含量的分析方法。

伏安法是将一微电极插入待测溶液中，根据被测物质在电解过程中的电流- 电压变化曲线来进行定性或定量分析的一种电化学分析方法。

2.2 光化学分析光化学分析是基于能量作用于物质后，根据物质发射、吸收电磁辐射以及物质与电磁辐射的相互作用来进行分析的化学分析方法。

其主要可分为光谱法和非光谱法两大类。

光谱法是基于辐射能与物质相互作用时，测量有无之内不发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度而进行分析的方法。

主要有原子吸收光谱法（AAS ）、原子发射光谱法（AES）、原子荧光分析法（AFS）、红外光谱法（IR）等。

非光谱法是基于光的波动性而对物质进行测试，主要有分光光度法和旋光法等。

原子吸收光谱法是利用气态原子可以吸收一定波长的光辐射，使原子中外层的电子从基态跃迁到激发态的现象而建立的。

由于各种原子中电子的能级不同，将有选择性地共振吸收一定波长的辐射光，这个共振吸收波长恰好等于该原子受激发后发射光谱的波长，由此可作为元素定性的依据，而吸收辐射的强度可作为定量的依据。

其基本原理是每一种元素的原子不仅可以发射一系列特征谱线，也可以吸收与发射线波长相同的特征谱线。

当光源发射的某一特征波长的光通过原子蒸气时，即入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态（一般情况下都是第一激发态）所需要的能量频率时，原子中的外层电子将选择性地吸收其同种元素所发射的特征谱线，使入射光减弱。

特征谱线因吸收而减弱的程度称吸光度A,与被测元素的含量成正比：A=KC 式中K为常数；C为试样浓度；K包含了所有的常数。

此式就是原子吸收光谱法进行定量分析的理论基础由于原子能级是量子化的，因此，在所有的情况下，原子对辐射的吸收都是有选择性的。

由于各元素的原子结构和外层电子的排布不同，元素从基态跃迁至第一激发态时吸收的能量不同，因而各元素的共振吸收线具有不同的特征。

2.2.2 原子发射光谱法（AES）原子发射光谱法是依据各种元素的原子或离子在热激发或电激发下，发射特征的电磁辐射，而进行元素的定性与定量分析的方法，是光谱学各个分支中最为古老的一种，可同时检测一个样品中的多种元素。

其基本原理是各物质的组成元素的原子的原子核外围绕着不断运动的电子，电子处在一定的能级上，具有一定的能量。

从整个原子来看，在一定的运动状态下，它也是处在一定的能级上，具有一定的能量。

在一般情况下，大多数原子处在最低的能级状态，即基态。

基态原子在激发光源（即外界能量）的作用下，获得足够的能量，其外层电子跃迁到较高能级状态的激发态，这个过程叫激发。

处在激发态的原子是很不稳定的，在极短的时间内（10s）外层电子便跃迁回基态或其它较低的能态而释放出多余的能量。

释放能量的方式可以是通过与其它粒子的碰撞，进行能量的传递，这是无辐射跃迁，也可以以一定波长的电磁波形式辐射出去，其释放的能量及辐射线的波长（频率）要符合波尔的能量定律。

原子荧光分析法是以原子在辐射能激发下发射的荧光强度进行定量分析的发射光谱分析法。

但所用仪器与原子吸收光谱法相近。

原子荧光光谱分析法具有很高的灵敏度，校正曲线的线性范围宽，能进行多元素同时测定。

原子荧光光谱是介于原子发射光谱和原子吸收光谱之间的光谱分析技术。

其基本原理是通过测量待测元素的原子蒸气在一定波长的辐射能激发下发射的荧光强度而进行定量分析。

原子荧光的波长在紫外、可见光区。

气态自由原子吸收特征波长的辐射后，原子的外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，约经10-8 秒，又跃迁至基态或低能态，同时发射出荧光。

若原子荧光的波长与吸收线波长相同，称为共振荧光；若不同，则称为非共振荧光。

共振荧光强度大，分析中应用最多。

在一定条件下，共振荧光强度与样品中某元素浓度成正比，从而通过测试共振荧光的强度来确定待测元素的含量。

2.2.4 分光光度法分光光度法是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸光度或发光强度，对该物质进行定性和定量分析的方法。

其基本原理是在分光光度计测试中，将不同波长的光连续地照射到一定浓度的样品溶液时，便可得到与不同波长相对应的吸收强度。

再以波长（λ为横坐标，吸收强度（A）为纵坐标，就可绘出该物质的吸收光谱曲线。

利用该曲线进行物质定性、定量的分析方法，称为分光光度法，也称为吸收光谱法。

用紫外光源测定无色物质的方法，称为紫外分光光度法；用可见光光源测定有色物质的方法，称为可见光光度法。

2.2.5 旋光法旋光法是基于许多物质都具有旋光性（又称光学活性）如含有手征性碳原子的有机化合物，从而利用物质的旋光性质测定溶液浓度的方法。

其基本原理是将样品在指定的溶剂中配成一定浓度的溶液，采用旋光计测得样品的旋光度并算出比旋光度，然后与标准比较，或以不同浓度溶液制出标准曲线即工作曲线，求出含量。

2.3 色谱分析色谱分析是指通过利用不同物质在不同相态的选择性分配，以流动相对固定相中的混合物进行洗脱，混合物中不同的物质会以不同的速度沿固定相移动，最终达到分离的效果。

色谱法中有两个相，一个相是流动相，另一个相是固定相。

如果用液体作流动相，就叫液相色谱，用气体作流动相，就叫气相色谱。

2.3.1 气相色谱法气相色谱法的基本原理是利用气相色谱仪中的一根流通型的狭长管道（色谱柱）。

在色谱柱中，不同的样品由于具有不同的物理和化学性质，与特定的柱填充物（固定相）有着不同的相互作用而被气流（载气，流动相）以不同的速率带动。

当化合物从柱的末端流出时，它们被检测器检测到，产生相应的信号，并被转化为电信号输出。

在色谱柱中固定相的作用是分离不同的组分，使得不同的组分在不同的时间（保留时间）从柱的末端流出。

其它影响物质流出柱的顺序及保留时间的因素包括载气的流速，温度等。

而气相色谱法中可以使用的检测器有很多种，最常用的有火焰电离检测器（FID）与热导检测器（TCD）。

2.3.2 液相色谱法液相色谱法的基本原理是基于混合物中各组分对两相亲和力的差别。

根据固定相的不同，液相色谱分为液固色谱、液液色谱和键合相色谱。

应用最广的是以硅胶为填料的液固色谱和以微硅胶为基质的键合相色谱。

根据固定相的形式，液相色谱法可以分为柱色谱法、纸色谱法及薄层色谱法。

按吸附力可分为吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱和凝胶渗透色谱。

近年来，在液相柱色谱系统中加上高压液流系统，使流动相在高压下快速流动，以提高分离效果，因此出现了高效（又称高压）液相色谱法。

检测器主要有紫外吸收检测器、荧光检测器、电化学检测器和折光示差检测器，其中以紫外吸收检测器使用最广。

2.4 波谱分析波谱分析是指物质在光（电磁波）的照射下，引起分子内部某种运动，从而吸收或散射某种波长的光，将入射光强度变化或散射光的信号记录下来，得到一张信号强度与光的波长或波数（频率）或散射角度的关系图，用于物质结构、组成及化学变化的分析，这就叫波谱法。

波谱法主要包括红外光谱、紫外光谱、核磁共振和质谱，简称为四谱。

除此之外还包含有拉曼光谱等。

2.4.1 红外光谱法（IR ）红外光谱法是分子吸收光谱的一种，是通过将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。

每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。

主要是应用于测试有机分子的价键结构以及官能团的种类等。

其基本原理是当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振（转）动能级跃迁到能量较高的振（转）动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。

所以，红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。

2.4.2 紫外光谱法（UV）紫外光谱法是测定物质分子在紫外光区吸收光谱的分析方法。