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화학분석은 크게 고전적 분석(또는 습식분석)과 기기분석으로 나뉜다.

고전적 분석은 저울을 제외하고는 어떠한 기계나 전자기기도 사용하지 않는 분석방법들을 말한다. 이 방법은 주로 분석되는 물질과 여기에 첨가되는 시약 간의 화학반응을 이용하여 분석하는 것이다. 오늘날 대부분의 분석은 기기분석 부류에 속하는데, 이는 저울 외에 다른 기기도 사용하는 것이다. 분석자는 광범위한 부류의 기기를 사용할 수 있다. 고전적 분석과 기기분석은 다시 무게분석과 부피분석으로 세분된다.

무게분석은 임계질량을, 부피분석은 임계부피를 측정하는 것과 관련된다.

화학분석의 발전은 화학의 발전과 병행되었다. 18세기 스웨덴의 과학자 토르번 베리만은 보통 무기정성·정량분석의 창시자로 여겨진다. 20세기 이전에는 거의 모든 검사를 고전적 방법으로 했다. 19세기말에 분광기나 전해 무게분석장치 같은 간단한 기기들을 사용하기도 했지만 20세기에 들어와서 비로소 기기분석이 많이 사용되었다.

제2차 세계대전 기간에 전자공학이 발달하고 이어서 디지털 컴퓨터가 널리 사용되면서, 고전적 분석으로부터 기기분석으로 변화가 촉진되었다. 지금은 기기분석이 주종을 이루고 있긴 하지만 아직도 몇 가지의 고전적 분석법은 필요하다. 화학분석의 주요한 단계는 ① 시료채취, ② 시료채취 장소에서 시료 예비처리, ③ 실험실 처리, ④ 실험실 분석, ⑤ 계산, ⑥ 결과 해석으로 나눌 수 있다. 분석 결과를 정확하게 얻으려면 각 단계를 정확하게 해야 한다.

어떤 분석화학자들은 위의 모든 단계를 포함하는 분석(analysis)과 실험실에서 행해지는 부분, 즉 시료분석(assay)을 구별하기도 한다.

시료채취 단계에서는 분석을 하기 위해 시료 전량 중 일부분을 떼어낸다. 이때 떼어내는 부분은 전체 물질을 대표할 수 있어야 한다. 시료의 크기와 시료의 수를 정하기 위해 종종 통계가 이용된다. 시료채취 계획을 세울 때 분석자는 분석하기 위해 필요한 정보를 자세히 알아야 하며 분석의 정확도와 시료채취에 소모되는 시간과 돈을 추정해야 한다.

일반적으로 분석물질 내의 위치와 시간을 달리하여 여러 시료를 채취하면 분석의 정확도가 커진다. 예를 들어 호수의 물을 시료로 한다면 호수 중심부의 여러 깊이에서, 또 중심부 부근의 여러 장소에서 시료(물)를 채취하는 것이 바람직하다. 시료를 모은 후에 시료채취 장소에서 시료를 화학적·물리적으로 즉시 처리하는 것이 좋다. 처리의 종류는 시료 및 시료의 분석에 사용되는 물질에 따라 다르다.

예를 들어 천연수 속에 녹아 있는 산소의 양을 알아내기 위해서는 이 시료를 밀봉된 저장용기에 담아 냉동방으로 이동시키게 된다. 밀봉하는 것은 대기 중에 노출되어 생길 수 있는 산소 농도의 변화를 막고, 냉동시키는 것은 미생물 때문에 생기는 산소 수치의 변화를 지연시킨다. 시료가 실험실에 도착하고 나면 시료분석에 앞서 추가작업이 필요하다. 어떤 경우에는 여러 시료들을 단순히 섞어서 균일한 하나의 복합시료로 만든 후에 분석하게 된다. 이 과정을 통해 각 시료 견본을 분석해야 하는 번거로움을 피할 수 있다. 시료는 분석될 수 있는 형태로 만들기 위해 화학적·물리적으로 처리해야 하는 경우도 있다.

예를 들어 광석 시료는 보통 먼저 산성용액에 녹여야 한다. 일단 시료 견본이 준비되면 분석자가 우연오차의 크기를 추정하기 위해 충분히 실험실 분석을 한다. 보통은 각 시료당 최소한 3번의 분석을 한다. 시료분석이 끝난 후에 여기서 나온 정량적 결과들을 수학적으로 처리하여 정성·정량 분석 결과들을 의미를 알 수 있는 형태로 얻게 된다. 대부분의 경우 정량분석에서는 2개의 값이 기록된다. 첫번째 값은 시료분석을 통해 추정된 정확한 값이고 2번째의 값은 시료분석에서 발생하는 우연오차의 양을 나타낸다.

보통 실험실 분석의 결과들을 평균해서 이를 가장 좋은 값으로 기록한다. 오차의 추정치로 가장 많이 쓰이는 값은 표준편차로, 이는 시료분석의 결과가 평균값과 얼마나 다른가를 나타내준다.

정확한 저울을 써서 몇 가지 예비측정을 하는 것만으로도 유용한 정량분석 결과들을 많이 얻을 수 있다. 이때 측정되는 것은 밀도·비중·점성도·수소이온농도(pH) 등이다.

밀도는 물질의 부피에 대한 질량의 비로 정의된다. 비중은 밀도와 관련된 양으로 특정 온도에서 물의 밀도와의 비로 주어진다. 점성도는 물질이 그 모양의 변화에 대해 견딜 수 있는 정도를 나타낸다. 용액의 pH는 그 용액 속에 들어 있는 수소 이온(H^＋)의 활동도(몰농도와 활동도 계수의 곱)에 상용로그를 취해 이 값의 음수값을 택한 것이다. 이것은 pH의 값이 항상 양의 값을 갖도록 한다.