仪器分析实验(第二版)

第1章 绪论 1.1 引言 分析化学是研究物质的分离、组成、含量、结构、测定方法、测定原理等多种信息的科学，具有跨学科、综合性的特点，是化学学科的一个重要分支。分析化学是高等学校化学及相关专业本科生的一门重要基础课，在培养学生严谨求实的科学精神和解决实际问题的动手能力方面有着不可替代的作用。经过100多年的发展与变革，分析化学已经从经典的化学分析进入了一个崭新的阶段，发展成为由许多密切相关的分支学科交叉组成的学科体系。分析化学的任务不仅仅是提供物质的含量和组成，更重要的是对物质的形态、结构、微区、表面、薄层及活性等进行瞬时追踪、在线监测及过程控制。随着现代科学技术的发展，各种仪器分析手段不断涌现，分析化学在技术上已从常量分析发展到痕量分析，从组成分析到形态分析，从总体到微区表面和逐层分析，从宏观组成到微观结构分析，从静态到快速反应追踪分析，从离线到在线分析，从破坏试样到无损分析，分析化学的应用范围几乎涉及国民经济、国防建设、资源开发和人类生存等各个方面。以计算机应用为主要标志的信息时代的来临，给分析化学带来了更为深刻的变革。在这巨大的变革中，分析化学吸取了当代科学技术(包括化学、物理学、数学、计算机、生物学等)的*新成就，利用物质一切可以利用的性质，建立表征测量的新方法、新技术，开拓了分析化学的新领域。在即将到来的以信息和生物技术为龙头、以新材料为基础的科技革命的新浪潮中，分析化学也必然将是一个十分活跃的领域。 近年来，生命科学、材料科学、能源科学、环境科学等学科的飞速发展，进一步促进了分析化学的发展，一些用于复杂体系、超痕量组分、特殊环境和特殊要求的测量方法正在研究和建立之中。毫无疑问，分析化学已成为“为人类提供更安全未来的关键科学”，分析化学可与时俱进定义为“发展和应用各种方法、仪器和策略，以获得有关物质在空间和时间方面组成和性质的信息科学”。 仪器分析技术的出现，使分析化学的面貌发生了根本的变化，仪器分析与化学分析构成了分析化学不可分割的两大支柱。因此，一切新的化学反应或新的仪器测量手段的研究都是现代分析化学必不可少的内容。多年以来，高等学校对仪器分析课程的教学内容、教学方法、教学手段进行了很大的改革，随着各种先进分析仪器的不断出现，仪器分析课程的教学内容不断更新，教学方法不断改革，以适应科学发展的需要。 分析化学是一门多学科的综合性科学。它的研究内容包括物质化学组成和含量、材料的表面微观结构、工业生产质量、环境质量以及生物过程的控制。因此，在分析技术上广泛使用计算机，以达到分析过程的自动化，在数据采集和处理上大量采用数学与统计学方法，即化学计量学手段进行快速和有效的分析，各种新的仪器分析手段将得到更加广泛的应用。可以预计，在不久的将来，分析化学将发生更大的质的飞跃，一个崭新的分析化学新时代即将来临。 1.2 仪器分析实验和仪器分析课程 仪器分析是一门实验技术性很强的课程，必须通过严格的实验训练，包括实验方案的设计、实验操作和技能的训练、实验数据的处理和谱图解析以及实验结果的表述等，才能有效利用这一手段获得所需要的信息。随着教学改革的不断深入和各种先进分析仪器的不断出现，仪器分析课程内容也不断丰富、不断更新、不断改革，以适应科学发展的需要。现在开设的仪器分析课程内容包括原子光谱、分子光谱、电化学分析、色谱、X射线衍射、圆二色光谱、核磁共振波谱及热分析等。 理论可以更好地指导实验，通过实验可以进一步验证和发展理论，所以仪器分析课和仪器分析实验课是相辅相成的。仪器分析实验特别是大型仪器分析实验，其特点是操作比较复杂，影响因素较多，信息量大，需要通过对大量实验数据的分析和谱图解析获得有用的信息。通过仪器分析实验教学，学生可以加深对各种仪器分析方法原理的理解，进一步巩固课堂教学的效果。更重要的是通过实验教学，可以培养学生实事求是的科学作风和良好的科学综合素养，以及独立从事科学研究，理论联系实际，提高分析问题和解决问题的能力，为今后的学习和工作打下坚实的基础。 在实验安排上，将实验原理与实验技术紧密结合，用原理指导实验操作，使学生能够掌握基本实验技术和方法，通过实验又进一步加深对实验原理的理解。实验内容分为基础实验、研究型实验和开放型实验三个层次。基础实验包括理论验证性实验和实际样品分析实验，是为本科生开设的，学生按照既定的实验步骤进行操作，通过实验学生可以掌握所进行实验仪器的结构和各主要部件的基本功能、基本操作和使用方法，以及基本实验技术和实验数据的处理方法。研究型实验是比基础实验更高层次的带有研究性质的实验，实验内容比基本实验复杂，是为研究生开设的。开放型实验具有创新性质，是供本科生、研究生在课余时间选做的。学生通过开放型实验，能够进一步熟悉、掌握和应用仪器，理解和掌握更多的实验技术和方法，开拓思路，培养创新精神，增强独立从事科研工作的能力。 1.3 仪器分析实验课程的基本要求和注意事项 仪器分析实验课程的目的是让学生以分析仪器为工具，亲自动手获得所需要的信息，是学生进行的一种特殊形式的科学实践活动，是学生未来走向社会独立进行科学实践的预演。学生通过仪器分析实验，能够培养独立解决实际问题和独立从事科学实践的能力，掌握和提高从事科学实践的技能，增强创新意识和探索精神。要达到仪器分析实验的教学目的，学生应严格遵守以下规则。 1.3.1 仪器分析实验室规则 (1) 仪器分析实验室的仪器种类较多，分放于不同的实验室中，采用学生分组、循环实验方式组织仪器分析实验课程。 (2) 学生应遵守课堂纪律，不做与实验无关的事情。 (3) 学生在实验前须认真预习，仔细阅读仪器分析实验教材，熟悉所做实验的方法和原理、实验操作步骤等，上课时教师要认真检查学生的预习情况。 (4) 实验前不要自行打开仪器，也不要随意旋转仪器上的任何按钮。实验中应认真听取教师对仪器性能的讲解，了解实验参数设置的依据和仪器操作方法。 (5) 在实验过程中，要正确操作，细致观察，认真记录，周密思考。所有的原始数据都应边实验边准确地记录在实验记录本上，不要记录在草稿本、小纸片或其他地方。原始数据的记录要做到真实、详细、清楚、及时，不允许随意删改。若记录错误，经过教师认可后，可在错误数据上轻轻画一条线，将正确的数据记在旁边，不可乱涂乱改或用橡皮擦拭。 (6) 注意保持实验室桌面、地面、水池的清洁。节约使用药品、水、电等，不要浪费。将废渣、废液倒在指定的地方。 (7) 爱护仪器，学会正确使用仪器，如有必要实验结束后在教师指导下关闭仪器和工作站。 (8) 实验结束后，应将玻璃器皿洗刷干净，仪器复原，整理好实验台面。值日生要认真做好清洁卫生工作。离开实验室前，妥善处理废水废液，妥善放置各种化学药品，认真检查水电门窗和气体钢瓶，保证实验室的安全。 (9) 根据要求认真完成实验报告，查阅有关知识，分析实验中出现的各种现象并学会合理处理实验数据。 1.3.2 实验室安全规则 实验室安全是实验人员必须掌握的基本常识，实验人员在进行实验时必须注意安全。 (1) 不得在实验室内吸烟、进食或喝饮料。 (2) 浓酸、浓碱具有腐蚀性，在使用时要注意安全。 (3) 对于实验室常用的一些易燃、易爆的物质，应该了解这些物质的特性，做到安全使用。 (4) 汞盐、砷化物、氰化物等剧毒物品，使用时应严格按照程序执行。 (5) 使用有机溶剂(如乙醇、乙醚、苯、丙酮等)时，一定要远离火焰和热源。用后应将瓶塞盖紧，放在阴凉处保存。 (6) 加热或进行剧烈反应时，实验人员不得离开。 (7) 使用电器设备时，切不可用湿手开启电闸和电器开关。 (8) 如果发生化学灼伤，应立即用大量水冲洗皮肤；眼睛受化学灼伤或异物入眼，应立即将眼睛睁开，用大量水冲洗；如果烫伤，须立即用大量凉水冲洗10～30min。各种受伤严重者在应急处理后及时送往医院进行治疗。 1.3.3 实验试剂的取用 仪器分析是精密的分析方法，实验药品取用不当，或者药品交叉污染，可造成实验误差较大或实验失败，甚至损坏衣物和损伤皮肤。取用药品时应该遵守以下规则： (1) 取用具有腐蚀性、挥发性、毒性的药品，必须在通风橱中进行，且操作时要戴手套和护目镜。 (2) 液体实验试剂需要加热时，*好在电热套中进行；加热熔点较低的液体试剂时，应使用水浴。 (3) 使用药品前应看清试剂瓶上的标签，打开的瓶盖不要乱放，要倒置在干净无污染的地方。取用试剂使用干净的量器，避免交叉污染。 (4) 配制的标样要写明试剂的名称、浓度和日期。标签脱落的试剂，不要使用。 (5) 剩余的试剂连同废液倒入相应类型废液桶中，所有的实验用品废弃物禁止投入水槽。 (6) 实验过程中不能擅自离开。 1.3.4 实验药品的存放 (1) 见光和受热易分解的试剂，放在棕色试剂瓶中，且需置于阴暗处，避开仪器散光散热的部位。 (2) 有毒试剂取用完毕应立即放回专用样品柜。 (3) 易氧化、易挥发、易风化、易潮解的药品，取用完毕应立即把盖子拧紧，必要时进行封口，放回专用药品柜。 (4) 易挥发的药品不要相邻敞口放置，防止交叉污染。 1.3.5 玻璃仪器的洗涤 仪器分析是一门技术性强、精密度和准确度很高的工作，为减少误差，一定要保证所用玻璃仪器的洁净。常用玻璃仪器的洗涤方法大致有以下几种。 (1) 水刷洗。附着在仪器上的尘土和其他可以通过刷洗除去的可溶或不可溶的物质都可以用水刷洗法除去。不同的玻璃仪器需要使用不同的毛刷；为保证清洗干净，毛刷大小、形状要合适。 (2) 酸性洗涤液清洗。常用酸性洗涤液有浓盐酸、盐酸-过氧化氢洗涤液、盐酸-乙醇洗涤液。附着在玻璃仪器上的一些无机物、碱性污垢、碱性有机染料、用坩埚灼烧过的碱性沉积污垢等，可选择此类洗涤剂。 (3) 碱性洗涤剂清洗。常用的碱性洗涤剂有氢氧化钠、氢氧化钠-乙醇洗液、氢氧化钠-高锰酸钾洗液。附着在玻璃仪器上的酸性附着物、有机物油脂、二氧化锰等弱还原性物质等，可选择此类洗涤剂。 (4) 铬酸洗液。此洗液具有强酸性、强氧化性，不仅可以清洗无机污垢，也可以清洗有机物和油污。但使用时被清洗物需保证干燥，避免洗液被稀释降低其去污能力，洗液可以反复使用直到其由深棕色变为绿色。 (5) 选择合适的络合剂。例如，氯化银沉淀可用氨水清洗。 (6) 选择合适的有机溶剂。根据相似相溶的原理，一些油脂或有机聚合物等可以选择合适的有机溶剂清洗。常用的有机溶剂有乙醇、苯、四氯化碳、氯仿、乙醚、二甲苯、丙酮等。 (7) 超声波清洗。超声波清洗法具有清洗质量好、清洗快的优点。对于几何形状比较复杂、多孔仪器、弯曲带死角的仪器和盲孔的孔径较小的玻璃仪器，用此种清洗方法效果很好。 将清洗干净的玻璃仪器进行干燥时，常用的方法有烘干法、晾干法、烤干法、吹干法、有机溶剂干燥法。需注意的是，对带刻度的玻璃仪器不要采用加热法进行干燥，以免影响这些玻璃仪器的精确度。 1.4 常用气体钢瓶 仪器分析实验室利用气体钢瓶来获得各种气体。气体钢瓶是特制的储存压缩气体的耐压钢瓶，一般由合成钢或无缝碳素钢制成。钢瓶和其他高压容器一样必须有使用证书，在钢瓶的肩部用钢印的形式标记出制造厂家、制造日期、钢瓶型号、工作压力、试验压力、试验日期、钢瓶容积、钢瓶质量。钢瓶上的减压阀的一般开启方向为：易燃气体钢瓶采用左旋，其他为右旋。 按照气体在钢瓶中存在的形态对仪器分析实验中常用气体分类，使用钢瓶的特点如下。 1.4.1 压缩气体 部分常用压缩气体钢瓶外部