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고전적 분석법의 대부분은 화학반응을 이용하여 분석하는 것이다. 이와는 대조적으로 기기분석법은 주로 분석물의 물리적 성질을 측정하는 것이다.

고전적인 정성분석은 분석물에 1가지나 일련의 시약을 첨가하여 이루어진다. 화학반응 및 이를 통한 생성물을 관찰하여 분석물을 확인할 수 있다. 첨가되는 시약은 1가지나 1부류의 화합물과 선택적으로 반응하여 특징적인 반응 생성물을 만들 수 있는 것을 선택한다. 보통 반응 생성물은 침전물 또는 기체이거나 색깔을 띠는 것들이다. 예를 들면 구리(Ⅱ)는 암모니아와 반응하여 특징적인 짙은 청색을 띠는 구리-암모니아 착물을 형성한다. 마찬가지로 녹아 있는 납(Ⅱ)은 크로뮴산염을 포함하는 용액과 반응하여 황색의 크로뮴산납 침전을 형성한다. 이와 같은 방법으로 양이온뿐만 아니라 음이온의 정성분석도 가능한데, 탄산염이 강산과 반응하여 이산화탄소의 기포를 형성하는 것이 대표적인 예이다.

정성분석을 하기 전에 보통 분석물이 유기화합물인지 무기화합물인지를 먼저 밝혀야 한다(→ 유기화학). 결국 정성분석은 유기분석과 무기분석의 부류로 나뉜다. 고전적 유기 정성분석은 보통 첨가되는 시약과 유기 분자의 작용기와의 화학반응과 관련된다. 결과적으로 시료분석을 통해 유기 분자의 일부분에 관한 정보는 얻을 수 있으나 그 분자를 완전히 확인할 만큼의 충분한 정보는 얻지 못한다. 끓는점·녹는점·밀도 등의 측정은 전체 분자를 확인하기 위해서 작용기 분석과 함께 이용된다.

유기 작용기를 확인하기 위해 이용되는 화학반응의 예로 사염화탄소 용액 속에서 브로민과 탄소-탄소 이중결합을 포함하고 있는 유기화합물이 일으키는 반응을 들 수 있다. 이중결합의 양쪽에 브로민이 첨가되면서 브로민 특유의 적갈색이 없어지는 것은 탄소-탄소 이중결합의 존재를 알 수 있는 양성 검사이다. 이와 마찬가지로 질산은과 몇몇 유기 할로젠화물(염소·브로민·아이오딘을 포함하는 화합물) 사이의 반응에서는 할로젠화은 침전이 생기는데, 이는 유기 할로젠화물에 대한 양성 검사이다. 한편 혼합물 속에 들어 있는 화학종의 수가 많기 때문에 고전적 정성분석은 복잡해질 수 있다. 다행히 모든 일반적 무기 이온과 유기 작용기에 대한 분석체계가 면밀히 세워졌다.

앞에서 언급된 대로 기본적 과정은 무게분석과 부피분석으로 나눌 수 있다. 2가지 방법 모두가 분석물과 첨가되는 시약 사이의 완전한 화학반응을 이용한다. 무게분석 과정에서는 첨가된 과량의 시약이 분석물과 반응해 침전을 형성한다. 이 침전을 여과 및 건조시켜서 무게를 잰다. 그 무게로부터 분석물 속에 들어 있는 분석되는 물질의 농도나 양을 계산할 수 있다. 부피분석은 적정분석으로도 알려져 있다. 적정표준액이 뷰렛으로부터 분석물에 조금씩 첨가된다.

적정분석을 잘하는 비결은 보통 색깔의 변화로 관찰되는 적정의 당량점을 인식하는 것이다. 적정하는 동안 색깔의 변화가 저절로 일어나지 않는 경우에는 적정에 앞서 소량의 색 지시약을 분석물에 첨가한다. 산-염기 산화-환원, 착물화, 침전 적정에 당량점이나 그 부근에서 색깔이 변하는 지시약을 이용할 수 있다. 지시약의 색깔이 변화되는 순간까지 더해진 적정표준액의 양은 적정의 종말점이다. 종말점은 당량점의 근사치로 쓰이며, 종말점과 함께 적정표준액의 농도를 알면 분석물의 양이나 농도를 계산할 수 있다.