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化學分析與檢測手段 涉及化學物質的公共危機事件 洛杉磯光化學煙霧事件 1943年 氮氧化物 倫敦煙霧事件 1952年 粉塵和二氧化硫 水俁病事件 1953年 海水中的汞 骨痛病事件 1955年 河水中的鎘 印度博帕爾事件 1984年 甲基異氰酸脂 重慶開縣天然氣井噴 2003年 硫化氫 松花江水體污染 2005年 苯胺 硝基苯 三鹿奶粉 事件 2008年 三聚氰胺 新問題的提出 需要有這樣一門科學 研究 物質化學組成的表征和測量 確定物質的化學組成 定性的 測量各組成的含量 定量的 以及表征物質的化學結構 結構的 分析化學 化學家的眼睛 分析化學 中藥復雜體系 大氣海洋環(huán)境 醫(yī)藥食品安全保障 生命過程研究 國家安全 基礎理論研究 分析化學的研究范圍 對象 氣態(tài) 固態(tài)和液態(tài)的無機物和有機物 組成 元素 化合物 原子團 有機官能團 化學分析法 以物質的化學反應為基礎 分為滴定分析和重量分析法兩類 傳統(tǒng)的分析手段 化學分析法 重量分析法 揮發(fā)法 沉淀法 電解法 化學分析的利器 化學分析的利器 儀器分析 采用比較復雜或特殊的儀器設備 通過測量物質的某些物理或物理化學性質 電 光 熱 磁 的參數(shù)及其變化來獲取物質的化學組成 成分含量及化學結構等信息 儀器分析 電化學分析法 光分析法 色譜分析法 熱分析法 分析儀器聯(lián)用技術 質譜分析法 是否瞬間 高大上 樣品的采集與制備 分析工作開始前的準備 分析試樣的采集 從大批物料中采取少量樣本作為原始試樣 所采試樣應具有高度的代表性 采取的試樣的組成能代表全部物料的平均組成 采樣工作的重要性 若測量誤差很小 分析結果的誤差主要是由采樣環(huán)節(jié)引起的 為減少采樣過程中的誤差 采樣應按照一定的原則 方法進行 土壤樣品 采集深度0 15cm的表地為試樣 按3點式 水田出口 入口和中心點 或5點式 兩條對角線交叉點和對角線的其它4個等分點 取樣 每點采1 2kg 經壓碎 風干 粉碎 過篩 縮分等步驟 取粒徑小于0 5mm的樣品作分析試樣 沉積物 用采泥器從表面往下每隔1米取一個試樣 經壓碎 風干 粉碎 過篩 縮分 取小于0 5mm的樣品作分析試樣 固體樣品的采集與制備 16 河水 上 中 下 大河 左右兩岸和中心線 中小河 三等分 距岸1 3處 湖水 從四周入口 湖心和出口采樣 海水 粗分為近岸和遠岸 生活污水 與作息時間和季節(jié)性物種有關 工業(yè)廢水 與產品和工藝過程及排放時間有關 水樣的采集與制備 17 液體試樣的化學組成容易發(fā)生變化 在樣品采集后應采取適當保存措施 以防止或減少在存放期間試樣的變化 保存措施 控制溶液的pH值 加入化學穩(wěn)定試劑 冷藏和冷凍 避光和密封等 采取這些措施旨在減緩生物作用 化合物或配合物的水解 氧化還原作用及減少組分的揮發(fā) 水樣的保存和預處理 18 分析方法介紹 重量分析 將被測組分別與其他組分分離后 通過稱重計算被測組分的含量 如欲測定一種水溶液試樣中的鈣離子含量 可在適當條件下將鈣離子轉變?yōu)槿芙舛葮O小的碳酸鈣而定量析出 再經過濾 洗滌 干燥或灼燒成為有一定組成的氧化鈣 冷至室溫后稱重 即可定量地測定鈣離子的含量 重量分析的缺點與優(yōu)點 依據(jù)分離方法不同區(qū)分重量分析的類型 沉淀法 主要的 氣化法 電解法 煤樣 MgO Na2CO3熔融 SO42 BaCl2 BaSO4 過濾 洗滌 灼燒 BaSO4 稱量 計算S含量 重量分析的缺點與優(yōu)點 缺點 測定速度慢 繁瑣耗時 不適合微量組分 優(yōu)點 非常準確 采用天平直接稱量試樣和沉淀的質量來獲得分析結果 不需要基準物質和容量儀器 所以引入誤差小 準確度較高 對于常量組分的測定 相對誤差約為 0 1 S Si Ni的仲裁分析仍用重量法 制約沉淀重量法準確性的環(huán)節(jié) 1 被測組分的溶解度自身性質 同離子效應 酸效應 配位效應2 沉淀的類型晶形沉淀 顆粒直徑0 1 1 m 排列整齊 結構緊密 比表面積小 吸附雜質少 易于過濾 洗滌 無定形沉淀 顆粒直徑 0 02 m 結構疏松 比表面積大 吸附雜多不易過濾 洗滌 Fe2O3 2H2O凝乳狀沉淀 顆粒直徑界于兩種沉淀之間 AgCl 晶核的形成vs 晶核的生長 構晶離子 晶核 沉淀微粒 無定形沉淀 晶形沉淀 怎樣才能獲得大顆粒度的晶形沉淀呢 沉淀是如何形成的 晶核的形成vs 晶核的生長 均相成核 自發(fā)成核 過飽和溶液中 構晶離子通過相互靜電作用締合而成晶核 異相成核 非過飽和溶液中 構晶離子借助溶液中固體微粒形成晶核 聚集速度 構晶離子聚集成晶核后進一步堆積成沉淀微粒的速度 定向速度 構晶離子以一定順序排列于晶格內的速度 晶核的形成vs 晶核的生長 均相成核 自發(fā)成核 過飽和溶液中 構晶離子通過相互靜電作用締合而成晶核 如BaSO4沉淀時 8個構晶離子形成一個晶核 異相成核 非過飽和溶液中 構晶離子借助溶液中固體微粒形成晶核 聚集速度 構晶離子聚集成晶核后進一步堆積成沉淀微粒的速度 定向速度 構晶離子以一定順序排列于晶格內的速度 后沉淀主沉淀形成后 誘導 本難沉淀的雜質沉淀 縮短沉淀與母液共置的時間 表面吸附共沉淀是膠體沉淀不純的主要原因 洗滌 吸留 包夾共沉淀是晶形沉淀不純的主要原因 陳化 重結晶 混晶共沉淀預先將雜質分離除去 共沉淀 影響沉淀純度的主要因素 26 分析方法介紹 滴定分析 談談你記憶中的 中和滴定 分析方法介紹 滴定分析 配位滴定以形成配合物的化學反應為基礎的滴定分析方法 氧化 還原滴定以溶液中氧化劑和還原劑之間的電子轉移反應為基礎的滴定分析方法 沉淀滴定法以沉淀反應為基礎的滴定分析方法 各種滴定方法所具有的共性是什么 定量 完全 迅速 且有指示終點的方法滴定一定要在水溶液中完成嗎 形形色色的指示劑之配位滴定 滴定前 Mg2 溶液中加入鉻黑T后 溶液呈酒紅色 發(fā)生如下反應 鉻黑T Mg2 Mg2 鉻黑T滴定過程中加入滴定劑EDTA EDTA奪取Mg2 鉻黑T中的Mg2 使鉻黑T游離出來 溶液呈藍色 反應如下 Mg2 鉻黑T EDTA 鉻黑T Mg2 EDTA 形形色色的指示劑之氧化還原 1 自身指示劑 KMnO42 顯色指示劑 淀粉 I23 本身發(fā)生氧化還原的指示劑指示劑氧化態(tài)顏色還原態(tài)顏色酚藏花紅紅色無色亞甲基藍藍色無色二苯胺紫色無色 滴定方法的應用 COD測量 化學需氧量COD是以化學方法測量水樣中需要被氧化的還原性物質的量 在河流污染和工業(yè)廢水性質的研究以及廢水處理廠的運行管理中 它是一個重要的而且能較快測定的有機物污染參數(shù) 常以符號COD表示 在水樣中加入H2SO4及一定量的KMnO4溶液 加熱 使水中的還原物質氧化 剩余KMnO4用一定量過量的Na2C2O4還原 再以KMnO4標準溶液返滴定過量的Na2C2O4 野百合也有春天 傳統(tǒng)的化學分析方法是否有機會煥發(fā)出青春 儀器分析產生的根源 微觀物質豐富多彩的性質 你所了解的微觀物質的性質有哪些 光 熱 電 有序性 溶解度 這些性質背后 分別關聯(lián)著哪些結構信息 各種儀器分析方法的靈敏度 化學分析與儀器分析的對比 選擇性好操作簡便 分析速度快 容易實現(xiàn)自動化 相對誤差較大 準確度較低 5 效率高 可以一次分析樣品中多種元素信息 ICP 可滿足特殊要求 表面無損分析 遙控和自動分析 文物分析 環(huán)境監(jiān)測一般儀器價格較貴 維修成本較高 儀器分析方法的選擇 對樣品的了解1 準確度 精密度要求 2 可用樣品量 3 待測物濃度范圍 4 可能的干擾 5 樣品基體的物化性質6 其它 易操作性 分析成本 儀器分析方法 電化學分析 通過測量電流 電位 電荷 并考察它們與化學參數(shù)間的相互關系 得以實現(xiàn)對物質的定性 定量分析 電化學分析之電導分析 以測量溶液的電導為基礎的分析方法 直接電導法 是直接測定溶液的電導值而測出被測物質的濃度 電導滴定法 是通過電導的突變來確定滴定終點 然后計算被測物質的含量 水是否純凈 電導數(shù)值可以作為衡量標準之一 電化學分析之電位 電勢 分析 一指示電極和一參比電極與試液組成化學電池 在零電流條件下測定電池的電動勢 依此進行分析的方法 在電位分析法中 可以利用專用電極將被測離子的活度 有效濃度 轉化為電極電位后加以測定 如用玻璃電極測定溶液中的氫離子活度 電位分析儀器 氟離子選擇性電極 儀器分析方法 光譜分析 依據(jù)用被測物質對光的選擇性吸收 發(fā)射特性而建立起來的分析方法 兩個需要關注的要點 定性上說 何種物質吸收 發(fā)射了光 吸收 發(fā)射的光能轉化成什么樣的運動 定量上說 吸收光的數(shù)量與吸收物的多少之間具有怎樣的聯(lián)系 輻射頻率與不同運動形式的關聯(lián) 分子的轉動分子內不同原子間的振動分子 原子內電子的躍遷 分子對光的吸收 光譜儀 紅外光譜示意 更加復雜的光學分析儀器 熒光光譜 磷光光譜 考察物質吸收能量后的發(fā)射行為圓二色譜 考察手性物質與平面偏振光之間的相互作用 X光衍射分析 預備問題 1 光的波動性是如何證明的 2 X光與可見光的差別在那里 3 X光是否具有波動性 如何證明 有何啟示 晶體 微觀粒子的規(guī)則排列 晶體對X光的衍射 X光的獲得 用加速后的電子撞擊金屬靶 撞擊過程中 電子突然減速 其損失的動能會以光子形式放出 形成X光光譜的連續(xù)部分 通過加大加速電壓 電子攜帶的能量增大 則有可能將金屬靶上原子的內層電子撞出 于是內層形成空穴 外層電子躍遷回內層填補空穴 同時放出波長在0 1納米左右的光子 形成X光光譜的特征部分 色譜分離 色譜法首先是一種分離方法 具有兩相 固定相 流動相 兩相作相向運動 色譜分離基本原理 色譜分析類儀器基本流程 色譜圖 色譜圖的解析 峰 峰高 基線 峰寬 半峰寬 峰面積 標準偏差 12units 0units 質譜 稱量離子質量的工具 12units 12units 8910111213141516 12units 12units 8910111213141516 12units 14units 12units 8910111213141516 mass Numberofcounts 進樣系統(tǒng) 離子源 質量分析器 檢測器 質譜分析法主要是通過對樣品離子質荷比的分析而實現(xiàn)對樣品進行定性和定量的一種方法電離裝置把樣品電離為離子質量分析裝置把不同質荷比的離子分開經檢測器檢測之后可以得到樣品的質譜圖 質譜譜圖示例 未來的發(fā)展方向 更高的靈敏度 更低的檢測限更好的選擇性 更少的基體干擾更高的準確度 更好的精密度更完善的多元素 分析物 同時檢測能力更高的分析速度更高的自動化程度更完善可信的形態(tài)分析更小的樣品量要求且實現(xiàn)微損或無損分析原位 活體內 實時