試論大學理科分析化學教材建設

吳守國 江萬權 邵利民 金谷

(中國科學技術大學化學與材料科學學院化學系 安徽合肥 230026)

目前，高校理科化學類本科生使用的分析化學課程教材一般可分為兩種：其一是使用《分析化學》和《儀器分析》兩種教材；其二是使用《分析化學》一種教材。前者的課程設置方式為分析化學、儀器分析兩門課程，后者的課程設置方式為分析化學一門課程。作為四大基礎化學之一的分析化學，就目前使用的教材而言，與無機化學、有機化學及物理化學相比，無論是從教材結構的合理性還是從與分析化學學科體系的對應性來看，都存在著較大的差距。本文試圖從分析化學的理論體系與學科發展的角度，探討大學理科分析化學教材的建設問題。

1 傳統分析化學教材的結構體系

1.1 定性分析+定量分析

德國分析化學家C.R.Fresenius的《定性分析導論》(1841年)和《定量分析導論》(1846年)將分析化學的理論體系分為定性分析和定量分析兩部分。這是最早出版的分析化學教材，加上后來德國分析化學家F. Mohr的專著《化學分析滴定法教程》(1855年)及W. Ostward的專著《分析化學科學基礎》(1894年)，奠定了經典分析化學中定性分析與定量分析的理論基礎。從此分析化學教材一直沿用定性分析+定量分析的理論體系。

經典分析化學的理論基礎為溶液化學反應理論。定性分析主要是依據溶液化學反應產生沉淀、氣體(味)以及顏色的變化等現象，對無機離子進行定性鑒定。定量分析主要是滴定分析(亦稱容量分析)，依據是溶液定量化學反應理論、滴定突躍及指示劑變色原理。由于受溶液化學反應條件的限制，反應物的濃度不能太低，所以經典的定量分析只能屬于常量分析范圍。

1.2 化學分析+儀器分析

20世紀50年代以后，隨著各種新分析儀器的不斷涌現和發展，儀器分析的概念也逐漸形成。人們逐漸把分析化學的學科體系由定性分析和定量分析改為化學分析與儀器分析，與其相應的是，大學理科的分析化學教材名稱也逐漸演變為《化學分析》[1-3]和《儀器分析》[4-6]。所謂化學分析，包括經典的定性分析與定量分析；而儀器分析主要包括電化學分析、原子光譜和分子光譜分析、色譜分析，另外還有核磁共振、紅外光譜、熱分析、質譜分析以及X射線衍射分析等結構分析方法。

1.3 分析化學+儀器分析

20世紀70年代末，人們又把化學分析(包括定性分析與容量滴定)加上分光光度法及定量分離等內容稱為分析化學[7]， 后來又把無機離子定性分析部分刪去[8]，大學分析化學教材名稱也相應變為《分析化學》和《儀器分析》。

1.4 “大”分析化學(化學分析與儀器分析合并)

2000年以后，部分教材將化學分析或分析化學與儀器分析內容合并，變成所謂的“大”分析化學教材[9-12]。但這類教材只是從形式上把分裂的分析化學進行了簡單的內容合并，而教材的結構體系并沒有實質的改變。

2 目前分析化學教材建設中存在的問題

教材是學生接受科學知識的平臺，是教師傳授科學知識的依據。好的教材要簡而精，理論知識系統，層次結構有序。在這一方面，無機化學、有機化學和物理化學都編寫和出版了一些經典教材。但是從目前已出版和使用的分析化學教材來看，無論是《分析化學》還是《分析化學》加《儀器分析》，都很難明確表達出現代分析化學的理論體系與學科內涵。

首先從儀器分析教材說起。顧名思義，儀器分析就是利用分析儀器進行分析，很難說清它是一門學科還是一門實驗技術。儀器分析是相對于化學分析而言的。從教材內容上看，化學分析的內容包含的是傳統分析化學中的定量分析，而儀器分析則是現代分析化學的內容，這就在無形中將整個分析化學的理論體系及傳承發展分割開來。早期的儀器分析教材是以光譜分析(原子發射與吸收、紫外可見分光光度)、色譜分析(氣相和液相)和電化學分析(電位和極譜分析)為主要內容，這些主要是微量成分的定量分離與分析方法。20世紀80年代以后，隨著各種結構與表面分析方法的迅速發展，儀器分析內容的重點也逐漸轉向表征分析。隨著現代分析化學的快速發展，各種新儀器和新方法層出不窮，而儀器分析教材的章節通常是按方法編排，越增越多，以至成為20多章甚至30章之多的大部頭。所以，現在的儀器分析教材往往是各種儀器分析方法的羅列，結構上顯得雜亂，缺乏可閱讀性。更為重要的是，許多學校只把化學分析列為基礎課程，而將儀器分析作為選修課或專業課，使非分析化學專業的學生難以了解現代分析化學學科的全貌，無從掌握分析化學的精髓。

再說說“大”分析化學教材。2000年以來，許多分析化學教學工作者逐漸認識到上述分析化學課程設置的弊端以及教材的缺陷，嘗試著將化學分析教材與儀器分析教材合并，編寫出了“大”分析化學教材。“大”分析化學教材的出版從某種程度上改善了分析化學教學與教材建設中的不足，并且從教材的結構體系上也進行了一些有益的嘗試。但從整體上看，結構體系還不夠明晰，章節仍顯雜亂。

綜上，目前大學理科分析化學教材的編寫無論是從學科的理論體系上還是從教材結構和章節內容方面都需要進行革新。筆者以為，從學科的理論體系上，應該徹底摒棄儀器分析的概念，分別從定量分析和結構與表面分析(或“表征”)的角度介紹分析化學。從教材結構和章節內容方面，應該強調“量”(定量)和“性”(結構與表面)的概念，從分析目的出發去組織和介紹相關分析方法。

3 關于分析化學教材結構體系的探索

現代分析化學的內涵已遠非經典分析化學可比。從定量分析來說，已經從傳統的常量分析發展到微量分析和痕量分析，其理論基礎是建立在極譜學、色譜學和光譜學理論之上。此外，化學傳感技術和化學計量學方法也逐漸成為現代定量分析化學的重要組成部分。另一方面，從定性分析來說，也已經從單純的無機離子的定性鑒定發展到對物質的表征，主要體現在對物質的結構和表面分析，其理論基礎主要是波譜理論以及表面化學和表面物理理論。雖然經典分析化學關于定性分析和定量分析的學科體系仍然適用于現代分析化學，但需要賦予全新的現代內涵。

Laitinen[13]在定義分析化學的概念時指出，分析化學是“測量”和“表征”的科學。這里的“測量”，是對定量分析而言，而“表征”則是現代意義上的定性分析，即對物質的結構和表面分析。Kellner等[14]在他們所著的《分析化學》一書的前言中指出分析化學是發展和應用方法、儀器與策略獲取物質組成和性質的科學，也是強調了定性分析與定量分析的概念。因此現代分析化學的學科體系應該包括定量分析和表征分析(結構與表面分析)。

基于上述理念，要編寫好分析化學教材，必須徹底改變目前分析化學教材的結構體系。在化學類教材的編寫中，無機化學、有機化學和物理化學都有成功的經驗，并出版了一些經典教材。比如，無機化學的上下冊分別是“化學反應與化學平衡”和“元素化學”的內容；有機化學的上下冊分別是“有機物結構、性質與有機反應”和“有機合成”的內容；物理化學的上下冊分別是“化學反應熱力學”和“化學反應動力學”的內容。它們的共同特點是：學科體系突出、章節結構清晰、教學重點明確。我們在探索分析化學教材的結構體系與章節組織時，借鑒了無機化學、有機化學和物理化學等經典教材的成功經驗，提出了分析化學教材的編寫提綱。分析化學教材可分為上、下兩冊，其中上冊內容為“定量分析化學”部分，下冊內容為“結構與表面分析化學”部分。具體結構體系和章節內容如下：

《分析化學》上冊的章節內容包括：

第1章 定量分析化學概論

強調量的概念。常量分析、微量(痕量)分析、單分子(原子)檢測、化學傳感器、半定量、化學計量學、靈敏度、重現性、穩定性、檢測能力(檢出限)等。

第2章 分析結果表達與誤差分析

系統誤差與隨機誤差、隨機誤差的正態分布、少量數據的統計處理、顯著性檢驗、異常值取舍、系統誤差消除、分析結果表達、分析方法驗證等。

第3章 定量化學反應

化學反應計量、換算因子、定量滴定反應、滴定突躍、指示劑、滴定分析結果計算。

第4章 滴定分析法

酸堿滴定、配位滴定、氧化還原滴定、重量法與沉淀滴定、滴定分析的誤差計算等。

第5章 定量化學分離

回收率和分離因子、沉淀分離、萃取分離、離子交換分離等。

第6章 原子光譜分析法

原子基態與激發態、原子的發射和吸收光譜、原子發射光譜分析、原子吸收光譜分析、原子熒光和磷光。

第7章 分子光譜分析法

分子基態與激發態、紫外-可見光分光光度法、分子發光分析(熒光和化學發光)等。

第8章 色譜分析法

色譜分析原理(塔板理論和范氏方程)、氣相色譜法、高效液相色譜法、毛細管電泳等。

第9章 電化學分析法

電位分析、電解與庫侖分析、極譜法、現代伏安法等。

第10章 化學傳感器

化學傳感器原理、氣體傳感器、光纖化學傳感器、電化學傳感器(電位型、電流型、酶傳感器)等。

第11章 化學計量學方法

化學計量學的概念、隨機變量、總體、個體和樣本、卷積和去卷積、多元線性回歸、因子分析、主成分回歸法和偏最小二乘法、常用信號處理方法等。

《分析化學》下冊的章節內容包括：

第1章 結構和表面分析概論

電磁輻射與波譜分析、光的衍射與散射、粒子與表面的相互作用、顯微分析等。

第2章 有機元素分析

化學分析法、元素分析儀等。

第3章 碳氫結構分析

分子的核磁共振原理、核磁共振氫譜分析和核磁共振碳譜分析。

第4章 有機官能團分析

有機官能團的吸收光譜、紫外吸收光譜分析、紅外吸收光譜分析等。

第5章 分子結構表征

質譜學原理、色質聯用、GC-MS定性分析、GC-MS定量分析等。

第6章 晶體結構表征

X 射線衍射原理、單物相定性分析、多晶混合物相定性分析、X射線定量相分析、晶粒大小和晶格畸變的測定、宏觀殘余應力的測定、多晶體織構的測定等。

第7章 物性與相變分析

熱分析原理、熱重法、差熱分析法、差示掃描量熱法等。

第8章 物質表面結構分析

光電子能譜(XPS或ESCA)、俄歇電子能譜(AES)、低能電子衍射(LEED)、低能電子損失譜(LELS)、表面拉曼光譜(SRS)、離子探針分析或二次離子質譜(SIMS)、場離子顯微分析(FIM)等。

第9章 物質表面形貌分析

掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、表面光譜(化學)成像分析等。

第10章 粒度分析

粒度的概念、光學顯微分析、激光散射分析、動態分析法等。

4 分析化學教材編寫中需注意的問題

上述分析化學教材的結構體系具有3個明顯的優點：(1) 作為四大基礎化學之一的分析化學教材，從章節結構與組織形式上與無機化學、有機化學及物理化學教材達到相對一致；(2) 從“定量”和“表征”的概念出發，學生可以全面了解分析化學學科的全貌；(3) 從教材建設的角度，便于形成經典教材。當新的分析儀器和新的分析方法出現時，可以方便地增加到相應章節中去。

在分析化學教材編寫中有幾點需要注意:

首先，關于分析儀器的描述應該刪繁就簡。在教材編寫中，不可避免地要遇到對分析儀器的介紹。凡涉及到分析儀器的硬件結構以及技術參數，應盡可能使用結構原理圖，并輔以簡要文字說明，而不必詳細描述。其次，關于實驗方法的介紹，一般只需要給出實驗結果，能夠說明相關理論即可。除非必要，應當盡量避免對樣品制備、實驗步驟、結果討論等內容的敘述。這兩方面問題在無機化學、有機化學及物理化學的經典教材中都有成功經驗，如果處理不當，會嚴重沖淡教材的主題，并可能使教材內容冗長乏味，缺乏可讀性。

另外，對于例題和習題的編寫，要緊扣基礎知識。適當的例題和習題便于學生對基礎理論知識的深入理解。對于分析化學歷史上有影響的歷史名人、重大事件等，可以摘要性地附于每章文后，以增強教材的可讀性和趣味性。

本文只是筆者的一隅之見。筆者希望通過本文拋磚引玉，為建設分析化學經典教材貢獻微薄之力。

參 考 文 獻

[1] 武漢大學分析化學教研室.化學分析(上冊).北京:人民教育出版社,1976

[2] 武漢大學分析化學教研室.化學分析(下冊).北京:人民教育出版社,1978

[3] 南京大學分析化學教研室.化學分析.北京:人民教育出版社,1982

[4] 趙藻藩,周性堯,張悟銘,等.儀器分析.北京:人民教育出版社,1990

[5] 鄧勃,寧永成,劉密新.儀器分析.北京:清華大學出版社,1991

[6] 朱明華.儀器分析.北京:高等教育出版社,1983

[7] 武漢大學.分析化學.第2版.北京:高等教育出版社,1982

[8] 武漢大學.分析化學.第4版.北京:高等教育出版社,2000

[9] 武漢大學.分析化學(上冊).第5版.北京:高等教育出版社,2006

[10] 武漢大學.分析化學(下冊).第5版.北京:高等教育出版社,2007

[11] 李克安.分析化學教程.北京:北京大學出版社,2005

[12] 吳興良,宋萬森,馬琳.分析化學原理.北京:化學工業出版社,2010

[13] Laitinen H A.AnalChem,1980,52:605A

[14] Kellner R,Mermet J M,Otto M,etal.Analytical Chemistry.Weinheim:Wiley-Vch,1998