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1、常见化学成分分析方法及原理一 化学分析利用物质的 化学反应 为基础的分析，称为化学分析。化学分析历史悠久，是分析化学的基础，又称为经典分析。化学分析是绝对定量的，根据样品 的量、反应产物的量或所消耗试剂的量及反应的化学计量 关系，通过计算得待测组分的量。而另一重要的分析方法仪器分析是相对定量，根据标准工作曲线 ，估计出来。化学分析根据其操作方法的不同，可将其分为 滴定分析和重量分析。而近年来国内以形成了另一种分析概念，国内称为“ 微谱分析 ” 技术。分析有：主成分分析和全成分分析等等。滴定分析根据滴定所消耗标准溶液的浓度和体积以及被测物质与标准溶液所进行的化学反应计量关系，求出被测物质的含量，
2、这种分析被称为滴定分析 ，也叫 容量分析 。利用溶液4大平衡：酸碱（电离）平衡、氧化还原平衡、络合（配位）平衡、沉淀溶解平衡。滴定分析根据其反应类型的不同，可将其分为：（a）酸碱滴定法：测各类酸碱的酸碱度和酸碱的含量；（b）氧化还原滴定法：测具有氧化还原性的物质；（c）络合滴定法：测金属离子的含量；（d）沉淀滴定法：测卤素和银。重量分析根据物质的化学性质，选择合适的化学反应，将被测组分转化为一种组成固定的沉淀或气体形式，通过钝化、干燥、灼烧或吸收剂的吸收等一系列的处理后，精确称量，求出被测组分的含量，这种分析称为重量分析 。二 光谱分析根据物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成和相对含量的方法
3、叫光谱分析 其优点是灵敏， 迅速 根据分析原理光谱分析可分为发射光谱分析与吸收光谱分析二种；根据被测成分的形态可分为原子光谱分析与分子光谱分析。光谱分析的被测成分是原子的称为原子光谱 ,被测成分是分子的则称为分子光谱。原理：发射光谱分析是根据被测原子或分子在激发状态下发射的特征光谱的强度计算其含量。吸收光谱是根据待测元素的特征光谱,通过样品蒸汽中待测元素的基态原子吸收被测元素的光谱后被减弱的强度计算其含量。它符合郎珀-比尔定律 :A= -lg I/I o= -lgT = KCL 式中 I 为透射光强度，I0 为发射光强度，T 为透射比， L 为光通过原子化器光程由于L是不变值所以A=KC 。物
4、理原理：任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成的，原子核外电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级，因此，一个原子核可以具有多种能级状态。能量最低的能级状态称为基态能级（E0=0），其余能级称为激发态能级，而能最低的激发态则称为第一激发态。正常情况下， 原子处于基态， 核外电子在各自能量最低的轨道上运动。如果将一定外界能量如光能提供给该基态原子，当外界光能量E 恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差E 时，该原子将吸收这一特征波长的光，外层电子由基态跃迁到相应的激发态。原来提供能量的光经分光后谱线中缺少了一些特征光谱线，因而产生原子吸收光谱。电子跃迁到较高能级以后处于激发
5、态，但激发态电子是不稳定的，大约经过10-8 秒以后，激发态电子将返回基态或其它较低能级，并将电子跃迁时所吸收的能量以光的形式释放出去， 这个过程称原子发射光谱。可见原子吸收光谱过程吸收辐射能量，而原子发射光谱过程则释放辐射能量。三质谱分析质谱：按照离子的质量对电荷比值(即质荷比 )的大小依次排列所构成的图谱，称为质谱。质谱分析法：利用质谱进行定性、定量分析和结构分析的方法称为质谱分析法原理：质谱法是采用高速电子来撞击气态分子或原子，将电离后的正离子加速导入质量分析器中，然后按质荷比（m/z）的大小顺序进行收集和记录，即得到质谱图。质谱不是波谱，而是物质带电粒子的质量谱。其基本程序为：真空系统
6、进样系统离子源质量分析器检测器记录系统四 色谱分析色谱法 ，又称层析，是一种分离和分析方法，在分析化学、有机化学、生物化 学等领域有着非常广泛的应用。色谱法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原理： 色谱过程的本质是待分离物质分子在固定相和流动相之间分配平衡的过程，不同的物质在两相之间的分配会不同，这使其随流动相运动速度各不相同，随着流动相的运动，混合物中的不同组分在固定相上相互分离。根据物质的分离机制，又可以分为吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱、凝胶色谱、亲和色谱等类别。a.吸附色谱吸附色谱
7、利用固定相吸附中对物质分子吸附能力的差异实现对混合物的分离，吸附色谱的色谱过程是流动相分子与物质分子竞争固定相吸附中心的过程吸附色谱的分配系数表达式如下：其中表示被吸附于固定相活性中心的组分分子含量，表示游离于流动相中的组分分子含量。分配系数对于计算待分离物质组分的保留时间有很重要的意义。b. 分配色谱分配色谱 利用固定相与流动相之间对待分离组分溶解度的差异来实现分离。分配色谱的固定相一般为液相的溶剂，依靠图布、键合、吸附等手段分布于色谱柱或者担体表面。分配色谱过程本质上是组分分子在固定相和流动相之间不断达到溶解平衡的过程。分配色谱的狭义分配系数表达式如下：式中代表组分分子在固定相液体中的溶解
8、度，代表组分分子在流动相中的溶解度。c. 离子交换色谱离子交换色谱利用被分离组分与固定相之间发生离子交换的能力差异来实现分离。离子交换色谱的固定相一般为离子交换树脂，树脂分子结构中存在许多可以电离的活性中心，待分离组分中的离子会与这些活性中心发生离子交换，形成离子交换平衡，从而在流动相与固定相之间形成分配。 固定相的固有离子与待分离组分中的离子之间相互争夺固定相中的离子交换中心，并随着流动相的运动而运动，最终实现分离。离子交换色谱的分配系数又叫做选择系数，其表达式为：d. 凝胶色谱凝胶色谱的原理比较特殊，类似于分子筛。 待分离组分在进入凝胶色谱后，会依据分子量的不同， 进入或者不进入固定相凝胶
9、的孔隙中，不能进入凝胶孔隙的分子会很快随流动相洗脱，而能够进入凝胶孔隙的分子则需要更长时间的冲洗才能够流出固定相，从而实现了根据分子量差异对各组分的分离。调整固定相使用的凝胶的交联度可以调整凝胶孔隙的大小；改变流动相的溶剂组成会改变固定相凝胶的溶涨状态，进而改变孔隙的大小，获得不同的分离效果。五红外光谱法利用红外光谱对物质分子进行的分析和鉴定。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。红外吸收光谱是由分子不停地作振动和转动运动而产生的，分子振动是指
10、分子中各原子在平衡位置附近作相对运动， 多原子分子可组成多种振动图形。当分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称简正振动（例如伸缩振动和变角振动）。分子振动的能量与红外射线的光量子能量正好对应，因此当分子的振动状态改变时，就可以发射红外光谱， 也可以因红外辐射激发分子而振动而产生红外吸收光谱。分子的振动和转动的能量不是连续而是量子化的。但由于在分子的振动跃迁过程中也常常伴随转动跃迁，使振动光谱呈带状。所以分子的红外光谱属带状光谱。分子越大，红外谱带也越多。六 核磁共振核磁共振 是基于原子尺度的量子磁物理性质。具有奇数质子或中子的核子，具有内在的性质：核自旋，自
11、旋角动量。核自旋产生磁矩。NMR 观测原子的方法，是将样品置于外加强大的磁场下，现代的仪器通常采用低温超导磁铁。核自旋本身的磁场，在外加磁场下重新排列， 大多数核自旋会处于低能态。我们额外施加电磁场来干涉低能态的核自旋转向高能态，再回到平衡态便会释放出射频，这就是NMR 讯号。利用这样的过程，我们可以进行分子科学的研究，如分子结构，动态等。原理：核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。将原子核置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核
12、磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。 进动具有能量也具有一定的频率。原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说， 对于某一特定原子，在一定强度的的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。七 X 射线原子能谱以 X射线为激发光源的光电子能谱，简称XPS或 ESCA 。处于原子内壳层的电子结合能较高，要把它打出来需要能量较高的光子,以镁或铝作为阳极材料的X射线源得到的光子能量分别为 1253.6 电子伏和1486.6 电子伏，此范围内的光子能量足以把不太重的原子的1s电子打出来。原理： X射线光子的能量在10001500ev 之
13、间，不仅可使分子的价电子电离而且也可以把内层电子激发出来，内层电子的能级受分子环境的影响很小。同一原子的内层电子结合能在不同分子中相差很大，故它是特征的。 光子入射到固体表面激发出光电子，利用能量分析器对光电子进行分析的实验技术称为光电子能谱。XPS的原理：是用 X射线去辐射样品， 使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子。可以测量光电子的能量，以光电子的动能/束缚能 binding energy,(Eb=hv 光能量 -Ek动能 -w 功函数 )为横坐标，相对强度（脉冲/s）为纵坐标可做出光电子能谱图。从而获得试样有关信息。X射线光电子能谱因对化学分析最有用，因此被称为化学分析用电子能谱。
