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分析化學

2021-07-16 12:27:33

分析化學是開發分析物質成分、結構的方法,使化學成分得以定性和定量,化學結構得以確定。定性分析可以找到樣品中有何化學成分;定量分析可以確定這些成分的含量。在分析樣品時壹般先要想法分離不同的成分。分析化學是化學家最基礎的訓練之壹,化學家在實驗技術和基礎知識上的訓練,皆得力於分析化學。

分析的方式大概可分為兩大類,經典方法和儀器分析方法。儀器分析方法使用儀器去測量分析物的物理屬性,比如光吸收、熒光、電導等。儀器分析法常使用如電泳、色譜法、場流分級等方法來分離樣品。當代分析化學著重儀器分析,常用的分析儀器有幾大類,包括原子與分子光譜儀,電化學分析儀器,核磁共振,X光,以及質譜儀。儀器分析之外的分析化學方法,現在統稱為古典分析化學。古典方法(也常被稱為濕化學方法)常根據顏色,氣味,或熔點等來分離樣品(比如萃取、沈澱、蒸餾等方法)。這類方法常通過測量重量或體積來做定量分析。

歷史

資料專題:分析化學歷史

分析化學型式

  • 定性分析 - 以確定某壹元素或化合物的存在
  • 定量分析 - 以確定某壹元素或化合物的數量

當代分析化學

當代分析化學將研究分為兩個範疇,壹是分析的對象,壹是分析的方法。科學期刊《分析化學》(Analytical Chemistry)每年在第12期會在兩個範疇輪流做壹次回顧評述。

分析的對象

  • 生物分析化學
  • 材料分析
  • 化學分析
  • 環境分析
  • 法醫學分析

分析的方法

  • 光譜學
  • 質譜學
  • 分光度和比色法
  • 層析和電泳法
  • 結晶學
  • 顯微術
  • 電化學分析

古典分析方法

雖然現代分析化學大多使用成熟精密的儀器,但壹些被用於現代儀器中的原則還是來源於壹些至今仍在使用的傳統技術。這些技術也仍然是大多數大學本科分析化學教學實驗室的骨幹。

定性分析

定性分析被用來確定壹種特定成分的存在,而不是它的重量或濃度。簡單的說,就是與數量無關。

化學測試

現有的定性化學測試有很多種,比如中學教育中常用石蕊試紙來顯示溶液的酸堿性。

焰色測試

焰色測試是化學上用來測試某種金屬是否存在在於化合物的方法。其原理是每種元素都有其個別的光譜,因此借由高溫燃燒後火焰的顏色判含有哪壹種金屬,例如金黃色火焰表示含有鈉,磚紅火焰表示含有鈣等。樣本通常是粉或小塊的形式。以壹條清潔且對化學惰性的金屬線(例如鉑或鎳鉻合金)盛載樣本,再放到本生燈的無光焰(藍色火焰)中。

定量分析

重量分析

重量分析法通過測量變化前後的樣品重量來確定特定物質的含量。大學本科教育中常見的壹個例子是通過加熱水合物前後的重量變化來確定水合物中的水的含量。

容量分析

滴定在化學分析中,是壹種分析溶液成分的方法。將標準溶液逐滴加入被分析溶液中,用顏色變化、沈澱物的生成、電導率或溫度的變化等來確定反應的終點。滴定通過兩種溶液的定量反應來確定某種溶質的含量。較常見的滴定分析包括酸堿中和滴定及氧化還原滴定等。

儀器分析

  • 原子吸收光譜法
  • 原子熒光光譜法
  • α質子-X射線光譜儀
  • 毛細管電泳分析儀
  • 色譜法
  • 比色法
  • 循環伏安法
  • 差示掃描量熱法
  • 電子順旋共振儀
  • 電子自旋共振
  • 橢圓偏振技術
  • 場流分離
  • 傳式轉換紅外線光譜術
  • 氣相色譜法
  • 氣相色譜法-質譜聯用
  • 高效液相色譜法
  • 液相色譜法-質譜聯用
  • 離子微探針

信號和噪聲

分析化學中壹個重要的內容是使需要的信號增到最大值,同時使相關噪聲得到最小值。信號和噪聲的比例稱為信噪比(S/N或SNR)。

噪聲可能來自環境的因素,也可能是由來基本的物理反應。

熱噪聲

熱噪聲也稱為詹森-奈奎斯特噪音英語Johnson–Nyquist noise,來自電路中因熱產生的載子(通常是電子)的移動。熱噪聲屬於白噪聲,其頻譜範圍內的功率譜密度為定值。

電阻產生熱噪聲的均方根值為:

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

其中kB{\displaystyle k_{B}}為波茲曼常數,T{\displaystyle T}是溫度,R{\displaystyle R}是電阻,Δf{\displaystyle \Delta f}為頻率f{\displaystyle f}的帶寬。

散粒噪聲

散粒噪聲是儀器中的粒子(例如光學設備中的光子或是電路中的電子)夠小,因此產生信號的統計波動,也屬於白噪聲

散粒噪聲是泊松過程,載子產生的電流會依照泊松分布,電流的均方根值如下:

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

其中e{\displaystyle e}為基本電荷,I{\displaystyle I}為平均電流。

閃爍噪聲

閃爍噪聲屬於1/f{\displaystyle 1/f}噪聲,也稱粉紅噪聲,當頻率上升時.噪聲會下降。閃爍噪聲的因素有許多種,例如導線中的雜質,晶體管因基極電流產生的載流子復合噪聲等。閃爍噪聲可以由將信號調制到較高頻率來避免,例如應用Lock-in放大器

環境噪聲

環境噪聲英語Environmental noise來由自分析儀器環境的噪聲。環境噪聲的來源包括電力線、廣播及電視信號、無線通信、節能燈及馬達。其中許多噪聲的帶寬很窄,因此可以避免。有些儀器可能需要固定溫度及隔振英語vibration isolation處理。

降噪

降噪可以由電腦硬件或軟件進行。硬件的降噪包括使用屏蔽線英語Shielded cable、模擬濾波器及信號的調制。軟件的降噪包括數字濾波器總體均值英語ensemble average、廂車平均法(boxcar average)及相關係數法。

應用

資料專題:分析化學應用

參考文獻

引用

資料專題:分析化學參考文獻引用

來源

書籍
  • 《基礎化學》化學工業出版社

外部鏈接

參見

  • 化學主題
  • 感官分析
  • 虛擬儀器
  • 計量學
  • 測量不確定度