[科普中國]-元素分析

介紹

利用化學(xué)反應(yīng)測(cè)定化合物元素組成和百分含量的方法。前者稱為元素定性分析，后者稱為元素定量分析。進(jìn)行完整的元素分析后，可以計(jì)算出化合物的實(shí)驗(yàn)式。如果知道了化合物的分子量，還可以定出其分子式。再輔以其他方法，可知其結(jié)構(gòu)式。

元素定性分析分析化學(xué)的一個(gè)分支。任務(wù)是鑒定物質(zhì)由哪些元素、原子團(tuán)或化合物所組成。根據(jù)分析條件的不同，可分為干法分析和濕法分析。根據(jù)取樣多少的不同，可分為常量分析、半微量分析、微量分析和超微量分析等。對(duì)于來源不清楚的樣品，應(yīng)先進(jìn)行定性分析，然后作定量分析。許多定性分析的反應(yīng)，加以控制或改進(jìn)，可作為定量分析的基礎(chǔ)。

有機(jī)化合物所含元素主要是碳、氫、氧，農(nóng)藥中還常含有氮、磷、硫、砷、鹵素及金屬元素，如汞、鋅等。進(jìn)行元素分析時(shí)常用燃燒法或鈉熔法，使化合物變?yōu)楹唵位衔锘驘o機(jī)鹽類，再結(jié)合其他方法進(jìn)行測(cè)定。① 用燃燒法可測(cè)定碳和氫： 燃燒生成的氣體中如有水，則含氫；如有二氧化碳，則含碳；②用鈉熔法可測(cè)出硫、氮和鹵素： 鈉與化合物共熔，則轉(zhuǎn)化為硫化鈉、氰化鈉、鹵化鈉等，可取鈉熔物水溶液，用特定試劑檢出它們；（示例如下）

③氧的測(cè)定尚無簡單的定性方法，需用定量分析的結(jié)果，用減差法求得；④金屬元素用各自的特征試劑檢測(cè)。2

元素定量分析60年代前，元素百分含量的測(cè)定，采用經(jīng)典方法。60年代后，開始應(yīng)用色譜、計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代技術(shù)手段，逐步進(jìn)入儀器化、自動(dòng)化階段。元素定量分析的任務(wù)是測(cè)定有機(jī)化合物組成元素的百分含量，研究確定有機(jī)化合物的定量組成和結(jié)構(gòu)。

經(jīng)典定量分析分析方法均屬于重量法和容量法。

① 碳?xì)涞臏y(cè)定： 一般采用李比息法 (J. Liebig，1831)，將精密天平稱量過的樣品在氧氣流中進(jìn)行高溫分解。樣品在氧氣流中經(jīng)氧化銅催化完全燃燒并氧化生成二氧化碳和水。所生成的水，用稱量過的無水氯化鈣吸收，所生成的二氧化碳，則用稱量過的氫氧化鉀濃液吸收。根據(jù)這兩種吸收劑所增加的重量可以算出樣品分解后產(chǎn)生的水和二氧化碳的重量，最后再計(jì)算樣品中所含碳和氫的百分含量。

②氮的測(cè)定： 常采用杜馬法(A. Dumas，1831)和杰爾達(dá)爾法(J.Kjeldahl，1883)。杜馬法測(cè)氮，是將含氮化合物，在二氧化碳?xì)饬髦信c氧化銅在600～ 800℃下進(jìn)行熱分解。熱分解后生成的氣體產(chǎn)物，有二氧化碳、水蒸氣和氮的氧化物。它們隨二氧化碳?xì)饬魍ㄟ^灼熱的還原銅絲網(wǎng)時(shí)，氮的氧化物被還原成游離的氮。最后將此混合氣體導(dǎo)入裝有濃氫氧化鉀液的測(cè)氮計(jì)中，所生成的二氧化碳和水，可被濃氫氧化鉀液吸收，氮?dú)鈩t逸出液面，利用測(cè)氮計(jì)量出氮?dú)獾捏w積。根據(jù)氮的體積計(jì)算它的重量，再計(jì)算氮的百分含量。杰爾達(dá)爾法則是先使氮元素變?yōu)榘?，然后用酸堿滴定法測(cè)出氮的含量。普雷格(F.Pregl，1917)將杜馬法改為微量分析法，它只需3～ 5毫克樣品。最初仍采用氧化銅作催化劑，后來又增加了一些如氯酸鉀、醋酸鉀、重鉻酸鉀等輔助氧化劑，以促進(jìn)氧化分解作用。1950年左右開始使用氧化鎳、四氧化三鈷、二氧化錳及高錳酸銀等氧化劑。

③鹵素的測(cè)定： 卡里斯法(G.L.Carius，1860)用發(fā)煙硝酸作氧化劑，將樣品與發(fā)煙硝酸及少量固體硝酸銀一同放入閉管中，加熱到300℃左右使樣品分解。樣品中的碳和氫被氧化生成二氧化碳和水，而鹵素則變成鹵離子并與硝酸銀作用生成鹵化銀沉淀。經(jīng)洗滌、干燥、稱重，最后計(jì)算出鹵素的百分含量。④硫的測(cè)定： 方法與鹵素測(cè)定類似，用發(fā)煙硝酸與樣品共熱，硫轉(zhuǎn)化為硫酸，加鋇鹽使它生成硫酸鎂，洗滌、干燥、稱重，計(jì)算硫的百分含量。⑤磷的測(cè)定：用硫酸、硝酸混合液分解試樣，磷轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿幔尤脬f試劑，得到磷鉬酸銨，洗滌、干燥、稱重，得到磷的百分含量?；蛴酶咤i酸鉀與樣品在封管中熔化，使轉(zhuǎn)化為磷酸后用堿滴定，求出磷的百分含量。⑥氧的測(cè)定： 在求出各種元素的百分含量后，如剛好為100%，則化合物不含氧。含氧化合物則可用減差法求得氧的含量。

現(xiàn)代定量分析1963年，西蒙(H.Simon)首先提出將樣品燃燒后的產(chǎn)物，應(yīng)用氣相色譜原理測(cè)定碳、氫、氮，使元素定量分析逐步走向儀器化和自動(dòng)化。至70年代后期，開始出現(xiàn)自動(dòng)分析儀。這不僅擺脫了繁瑣的手工操作，更重要的是它取樣少，只需1毫克就能得到碳、氫、氮三元素的分析結(jié)果，這對(duì)貴重難得的樣品尤為重要。而且分析迅速，一次僅需十余分鐘。它與電子計(jì)算機(jī)聯(lián)用，可通過程序控制分析儀器的操作，減少人為的誤差。微處理機(jī)又能進(jìn)行基線自動(dòng)校正，扣除背景，降低信噪比，以及適時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和最后打印出分析結(jié)果等，大大提高了分析的靈敏度和精確度。①碳?xì)涞臏y(cè)定： 樣品在載氣氦加3%氧氣流下，經(jīng)過高溫分解，在氧化催化劑三氧化二鉻的作用下 ，使樣品中的碳轉(zhuǎn)化成 二氧化碳，氫轉(zhuǎn)化為水，氮生成氮氧化物，其他雜元素被銀氧化鈷吸收。氮氧化物又在650℃的還原爐中經(jīng)金屬銅還原轉(zhuǎn)化成氮?dú)?，多余的氧由銅吸收，混合氣體中氮、二氧化碳和水，經(jīng)色譜柱分離后，由熱導(dǎo)檢出。②氧的測(cè)定： 樣品中的氧經(jīng)鍍鎳的碳黑還原成一氧化碳，經(jīng)色譜柱分離后，由熱導(dǎo)檢出。③硫的測(cè)定：在980℃的高溫下，樣品中的硫經(jīng)過裝有三氧化鎢及銅的燃燒管轉(zhuǎn)化成二氧化硫，經(jīng)色譜柱分離后，熱導(dǎo)檢出。