试论大学理科分析化学教材建设

2013-03-26吴守国江万权邵利民金谷

大学化学 2013年1期

吴守国江万权邵利民金谷

(中国科学技术大学化学与材料科学学院化学系安徽合肥 230026)

目前，高校理科化学类本科生使用的分析化学课程教材一般可分为两种：其一是使用《分析化学》和《仪器分析》两种教材；其二是使用《分析化学》一种教材。前者的课程设置方式为分析化学、仪器分析两门课程，后者的课程设置方式为分析化学一门课程。作为四大基础化学之一的分析化学，就目前使用的教材而言，与无机化学、有机化学及物理化学相比，无论是从教材结构的合理性还是从与分析化学学科体系的对应性来看，都存在着较大的差距。本文试图从分析化学的理论体系与学科发展的角度，探讨大学理科分析化学教材的建设问题。

1 传统分析化学教材的结构体系

1.1 定性分析+定量分析

德国分析化学家C.R.Fresenius的《定性分析导论》(1841年)和《定量分析导论》(1846年)将分析化学的理论体系分为定性分析和定量分析两部分。这是最早出版的分析化学教材，加上后来德国分析化学家F. Mohr的专著《化学分析滴定法教程》(1855年)及W. Ostward的专著《分析化学科学基础》(1894年)，奠定了经典分析化学中定性分析与定量分析的理论基础。从此分析化学教材一直沿用定性分析+定量分析的理论体系。

经典分析化学的理论基础为溶液化学反应理论。定性分析主要是依据溶液化学反应产生沉淀、气体(味)以及颜色的变化等现象，对无机离子进行定性鉴定。定量分析主要是滴定分析(亦称容量分析)，依据是溶液定量化学反应理论、滴定突跃及指示剂变色原理。由于受溶液化学反应条件的限制，反应物的浓度不能太低，所以经典的定量分析只能属于常量分析范围。

1.2 化学分析+仪器分析

20世纪50年代以后，随着各种新分析仪器的不断涌现和发展，仪器分析的概念也逐渐形成。人们逐渐把分析化学的学科体系由定性分析和定量分析改为化学分析与仪器分析，与其相应的是，大学理科的分析化学教材名称也逐渐演变为《化学分析》[1-3]和《仪器分析》[4-6]。所谓化学分析，包括经典的定性分析与定量分析；而仪器分析主要包括电化学分析、原子光谱和分子光谱分析、色谱分析，另外还有核磁共振、红外光谱、热分析、质谱分析以及X射线衍射分析等结构分析方法。

1.3 分析化学+仪器分析

20世纪70年代末，人们又把化学分析(包括定性分析与容量滴定)加上分光光度法及定量分离等内容称为分析化学[7]，后来又把无机离子定性分析部分删去[8]，大学分析化学教材名称也相应变为《分析化学》和《仪器分析》。

1.4 “大”分析化学(化学分析与仪器分析合并)

2000年以后，部分教材将化学分析或分析化学与仪器分析内容合并，变成所谓的“大”分析化学教材[9-12]。但这类教材只是从形式上把分裂的分析化学进行了简单的内容合并，而教材的结构体系并没有实质的改变。

2 目前分析化学教材建设中存在的问题

教材是学生接受科学知识的平台，是教师传授科学知识的依据。好的教材要简而精，理论知识系统，层次结构有序。在这一方面，无机化学、有机化学和物理化学都编写和出版了一些经典教材。但是从目前已出版和使用的分析化学教材来看，无论是《分析化学》还是《分析化学》加《仪器分析》，都很难明确表达出现代分析化学的理论体系与学科内涵。

首先从仪器分析教材说起。顾名思义，仪器分析就是利用分析仪器进行分析，很难说清它是一门学科还是一门实验技术。仪器分析是相对于化学分析而言的。从教材内容上看，化学分析的内容包含的是传统分析化学中的定量分析，而仪器分析则是现代分析化学的内容，这就在无形中将整个分析化学的理论体系及传承发展分割开来。早期的仪器分析教材是以光谱分析(原子发射与吸收、紫外可见分光光度)、色谱分析(气相和液相)和电化学分析(电位和极谱分析)为主要内容，这些主要是微量成分的定量分离与分析方法。20世纪80年代以后，随着各种结构与表面分析方法的迅速发展，仪器分析内容的重点也逐渐转向表征分析。随着现代分析化学的快速发展，各种新仪器和新方法层出不穷，而仪器分析教材的章节通常是按方法编排，越增越多，以至成为20多章甚至30章之多的大部头。所以，现在的仪器分析教材往往是各种仪器分析方法的罗列，结构上显得杂乱，缺乏可阅读性。更为重要的是，许多学校只把化学分析列为基础课程，而将仪器分析作为选修课或专业课，使非分析化学专业的学生难以了解现代分析化学学科的全貌，无从掌握分析化学的精髓。

再说说“大”分析化学教材。2000年以来，许多分析化学教学工作者逐渐认识到上述分析化学课程设置的弊端以及教材的缺陷，尝试着将化学分析教材与仪器分析教材合并，编写出了“大”分析化学教材。“大”分析化学教材的出版从某种程度上改善了分析化学教学与教材建设中的不足，并且从教材的结构体系上也进行了一些有益的尝试。但从整体上看，结构体系还不够明晰，章节仍显杂乱。

综上，目前大学理科分析化学教材的编写无论是从学科的理论体系上还是从教材结构和章节内容方面都需要进行革新。笔者以为，从学科的理论体系上，应该彻底摒弃仪器分析的概念，分别从定量分析和结构与表面分析(或“表征”)的角度介绍分析化学。从教材结构和章节内容方面，应该强调“量”(定量)和“性”(结构与表面)的概念，从分析目的出发去组织和介绍相关分析方法。

3 关于分析化学教材结构体系的探索

现代分析化学的内涵已远非经典分析化学可比。从定量分析来说，已经从传统的常量分析发展到微量分析和痕量分析，其理论基础是建立在极谱学、色谱学和光谱学理论之上。此外，化学传感技术和化学计量学方法也逐渐成为现代定量分析化学的重要组成部分。另一方面，从定性分析来说，也已经从单纯的无机离子的定性鉴定发展到对物质的表征，主要体现在对物质的结构和表面分析，其理论基础主要是波谱理论以及表面化学和表面物理理论。虽然经典分析化学关于定性分析和定量分析的学科体系仍然适用于现代分析化学，但需要赋予全新的现代内涵。

Laitinen[13]在定义分析化学的概念时指出，分析化学是“测量”和“表征”的科学。这里的“测量”，是对定量分析而言，而“表征”则是现代意义上的定性分析，即对物质的结构和表面分析。Kellner等[14]在他们所著的《分析化学》一书的前言中指出分析化学是发展和应用方法、仪器与策略获取物质组成和性质的科学，也是强调了定性分析与定量分析的概念。因此现代分析化学的学科体系应该包括定量分析和表征分析(结构与表面分析)。

基于上述理念，要编写好分析化学教材，必须彻底改变目前分析化学教材的结构体系。在化学类教材的编写中，无机化学、有机化学和物理化学都有成功的经验，并出版了一些经典教材。比如，无机化学的上下册分别是“化学反应与化学平衡”和“元素化学”的内容；有机化学的上下册分别是“有机物结构、性质与有机反应”和“有机合成”的内容；物理化学的上下册分别是“化学反应热力学”和“化学反应动力学”的内容。它们的共同特点是：学科体系突出、章节结构清晰、教学重点明确。我们在探索分析化学教材的结构体系与章节组织时，借鉴了无机化学、有机化学和物理化学等经典教材的成功经验，提出了分析化学教材的编写提纲。分析化学教材可分为上、下两册，其中上册内容为“定量分析化学”部分，下册内容为“结构与表面分析化学”部分。具体结构体系和章节内容如下：

《分析化学》上册的章节内容包括：

第1章定量分析化学概论

强调量的概念。常量分析、微量(痕量)分析、单分子(原子)检测、化学传感器、半定量、化学计量学、灵敏度、重现性、稳定性、检测能力(检出限)等。

第2章分析结果表达与误差分析

系统误差与随机误差、随机误差的正态分布、少量数据的统计处理、显著性检验、异常值取舍、系统误差消除、分析结果表达、分析方法验证等。

第3章定量化学反应

化学反应计量、换算因子、定量滴定反应、滴定突跃、指示剂、滴定分析结果计算。

第4章滴定分析法

酸碱滴定、配位滴定、氧化还原滴定、重量法与沉淀滴定、滴定分析的误差计算等。

第5章定量化学分离

回收率和分离因子、沉淀分离、萃取分离、离子交换分离等。

第6章原子光谱分析法

原子基态与激发态、原子的发射和吸收光谱、原子发射光谱分析、原子吸收光谱分析、原子荧光和磷光。

第7章分子光谱分析法

分子基态与激发态、紫外-可见光分光光度法、分子发光分析(荧光和化学发光)等。

第8章色谱分析法

色谱分析原理(塔板理论和范氏方程)、气相色谱法、高效液相色谱法、毛细管电泳等。

第9章电化学分析法

电位分析、电解与库仑分析、极谱法、现代伏安法等。

第10章化学传感器

化学传感器原理、气体传感器、光纤化学传感器、电化学传感器(电位型、电流型、酶传感器)等。

第11章化学计量学方法

化学计量学的概念、随机变量、总体、个体和样本、卷积和去卷积、多元线性回归、因子分析、主成分回归法和偏最小二乘法、常用信号处理方法等。

《分析化学》下册的章节内容包括：

第1章结构和表面分析概论

电磁辐射与波谱分析、光的衍射与散射、粒子与表面的相互作用、显微分析等。

第2章有机元素分析

化学分析法、元素分析仪等。

第3章碳氢结构分析

分子的核磁共振原理、核磁共振氢谱分析和核磁共振碳谱分析。

第4章有机官能团分析

有机官能团的吸收光谱、紫外吸收光谱分析、红外吸收光谱分析等。

第5章分子结构表征

质谱学原理、色质联用、GC-MS定性分析、GC-MS定量分析等。

第6章晶体结构表征

X 射线衍射原理、单物相定性分析、多晶混合物相定性分析、X射线定量相分析、晶粒大小和晶格畸变的测定、宏观残余应力的测定、多晶体织构的测定等。

第7章物性与相变分析

热分析原理、热重法、差热分析法、差示扫描量热法等。

第8章物质表面结构分析

光电子能谱(XPS或ESCA)、俄歇电子能谱(AES)、低能电子衍射(LEED)、低能电子损失谱(LELS)、表面拉曼光谱(SRS)、离子探针分析或二次离子质谱(SIMS)、场离子显微分析(FIM)等。

第9章物质表面形貌分析

扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、表面光谱(化学)成像分析等。

第10章粒度分析

粒度的概念、光学显微分析、激光散射分析、动态分析法等。

4 分析化学教材编写中需注意的问题

上述分析化学教材的结构体系具有3个明显的优点：(1) 作为四大基础化学之一的分析化学教材，从章节结构与组织形式上与无机化学、有机化学及物理化学教材达到相对一致；(2) 从“定量”和“表征”的概念出发，学生可以全面了解分析化学学科的全貌；(3) 从教材建设的角度，便于形成经典教材。当新的分析仪器和新的分析方法出现时，可以方便地增加到相应章节中去。

在分析化学教材编写中有几点需要注意:

首先，关于分析仪器的描述应该删繁就简。在教材编写中，不可避免地要遇到对分析仪器的介绍。凡涉及到分析仪器的硬件结构以及技术参数，应尽可能使用结构原理图，并辅以简要文字说明，而不必详细描述。其次，关于实验方法的介绍，一般只需要给出实验结果，能够说明相关理论即可。除非必要，应当尽量避免对样品制备、实验步骤、结果讨论等内容的叙述。这两方面问题在无机化学、有机化学及物理化学的经典教材中都有成功经验，如果处理不当，会严重冲淡教材的主题，并可能使教材内容冗长乏味，缺乏可读性。

另外，对于例题和习题的编写，要紧扣基础知识。适当的例题和习题便于学生对基础理论知识的深入理解。对于分析化学历史上有影响的历史名人、重大事件等，可以摘要性地附于每章文后，以增强教材的可读性和趣味性。

本文只是笔者的一隅之见。笔者希望通过本文抛砖引玉，为建设分析化学经典教材贡献微薄之力。

参考文献

[1] 武汉大学分析化学教研室.化学分析(上册).北京:人民教育出版社,1976

[2] 武汉大学分析化学教研室.化学分析(下册).北京:人民教育出版社,1978

[3] 南京大学分析化学教研室.化学分析.北京:人民教育出版社,1982

[4] 赵藻藩,周性尧,张悟铭,等.仪器分析.北京:人民教育出版社,1990

[5] 邓勃,宁永成,刘密新.仪器分析.北京:清华大学出版社,1991

[6] 朱明华.仪器分析.北京:高等教育出版社,1983

[7] 武汉大学.分析化学.第2版.北京:高等教育出版社,1982

[8] 武汉大学.分析化学.第4版.北京:高等教育出版社,2000

[9] 武汉大学.分析化学(上册).第5版.北京:高等教育出版社,2006