物理化学实验讲座.pdf

物理化学实验讲座物理化学实验讲座 主讲教师 李浩宏 苏文悦 李奕 黄细河 郑欧 吴舒婷 王彬 丁开宁 齐嘉媛 化学实验教学体系 无机化学实验有机化学实验分析化学实验 物理化学实验 综合化学实验 SRTP 第一层次第一层次 基本操作技能基本操作技能 第二层次第二层次 物理仪器物理仪器 数学方法数学方法 第三层次第三层次 综合应用化学手段综合应用化学手段 培养实事求是的科学态度培养实事求是的科学态度 严密细致的实验作风严密细致的实验作风 熟练正确的实验技能熟练正确的实验技能 分析问题分析问题 和解决问题的能力和解决问题的能力 物理无机化学物理有机化学生物物理化学 毕业设计 第四层次第四层次 独立进行科研活动独立进行科研活动 一一 课程要求及其数据处理方法课程要求及其数据处理方法 郑欧郑欧 二二 电学电学 光学仪器原理与使用光学仪器原理与使用 王彬王彬 三三 温度控制温度控制 李奕李奕 四四 真空技术及高压控制真空技术及高压控制 吴舒婷吴舒婷 主要内容 一 课程内容 二 实验规范及实验报告格式 三 误差分析 有效数字和数据处理 物理化学物理化学 是一门以是一门以物理的原理和实验技术物理的原理和实验技术为基础为基础 研究化学体系的性质研究化学体系的性质 和行为和行为 大致可概括为三个方面大致可概括为三个方面 一是化学体系的宏观平衡性质一是化学体系的宏观平衡性质 以热力学的三个基本定律为理论基础以热力学的三个基本定律为理论基础 研研 究宏观化学体系在气态究宏观化学体系在气态 液态液态 固态固态 溶解态以及高分散状态的平衡物理溶解态以及高分散状态的平衡物理 化学性质及其规律性化学性质及其规律性 化学热力学化学热力学 溶液溶液 电化学电化学 胶体和表面化学胶体和表面化学 二是化学体系的微观结构和性质二是化学体系的微观结构和性质 以量子理论为理论基础以量子理论为理论基础 研究原子和分研究原子和分 子的结构子的结构 物体的体相中原子和分子的空间结构物体的体相中原子和分子的空间结构 以及结构与物性的规律以及结构与物性的规律 等等 结构化学和量子化学结构化学和量子化学 三是化学体系的动态性质三是化学体系的动态性质 研究由于化学或物理因素的扰动而引起体系中研究由于化学或物理因素的扰动而引起体系中 发生化学变化过程的速率发生化学变化过程的速率 变化的机理变化的机理 在这种情况下在这种情况下 时间是重要的变时间是重要的变 量量 化学动力学化学动力学 催化催化 光化学光化学 电化学电化学 一 课程内容 1 什么是物理化学什么是物理化学 化学热力学化学热力学 1 1 液体饱和蒸汽压的测定液体饱和蒸汽压的测定 2 2 燃烧热测定燃烧热测定 3 3 差热分析差热分析 溶液化学溶液化学 4 4 凝固点降低法测摩尔质量凝固点降低法测摩尔质量 相结构相结构 5 5 二元液系气二元液系气 液相图绘制液相图绘制 6 6 二组分固二组分固 液相图的绘制液相图的绘制 胶体与表面化学胶体与表面化学 7 7 溶液表面吸附的测定溶液表面吸附的测定 8 8 粘度法测定高聚物的分子量粘度法测定高聚物的分子量 化学动力学化学动力学 9 9 分光光度法测定络合物的稳定常数分光光度法测定络合物的稳定常数 10 10 一级反应一级反应 蔗糖水蔗糖水 解解 11 11 二级反应二级反应 乙酸乙酯皂化乙酸乙酯皂化 电化学电化学 12 12 电池电动势的测定和应用电池电动势的测定和应用 13 13 离子迁移数测定离子迁移数测定 化学中的基本物理量化学中的基本物理量 14 14 磁化率测定磁化率测定 15 15 偶极矩的测定偶极矩的测定 非线性化学非线性化学 1616 BZBZ振荡实验振荡实验 17 17 综合综合 设计性实验设计性实验 2 实验训练内容实验训练内容 1 熟练掌握基本操作 获得用实验解决实际化学问题的动手能力 2 准确观察现象 分析判断 逻辑推理能力 3 获得初步设计实验的能力 4 正确记录和处理数据 综合表达实验结果的能力 5 使用手册 工具书 多媒体技术查阅资料获取信息的能力 温度的控制与测量 低温 常温 高温 高压钢瓶的识别和使用 压力的控制与测量 低真空 高真空的获得及检漏 光学仪器使用 旋光仪 折光仪 分光光度计 电学测量 常用电极的制备 电导率 电动势 流量测量与校正 压力计 温度计 温差测量计 氧弹热量计 温度控制仪 常温 高温 超级恒温槽 普通恒温槽 烘箱 搅拌器 pH计 电导率仪 旋光仪 折光仪 检流计 稳压电源 记录仪 万用表 电容仪 电位差计 磁天平 差热分析仪 2 1 2 1 实验要求实验要求 应按时到实验室进行实验应按时到实验室进行实验 2 2次迟到取消实验成绩次迟到取消实验成绩 必须做完所有实验必须做完所有实验 缺少一次实验取消实验成绩缺少一次实验取消实验成绩 不准穿拖鞋进实验室不准穿拖鞋进实验室 不准在实验室抽烟不准在实验室抽烟 吃东西吃东西 听音乐或做其它与实验无关的事听音乐或做其它与实验无关的事 实验前应充分预习实验前应充分预习 掌握实验要求和实验原理掌握实验要求和实验原理 了了 解实验所用药品的性能和危害解实验所用药品的性能和危害 了解实验步骤和实了解实验步骤和实 验注意事项验注意事项 并写好实验预习报告并写好实验预习报告 二二 实验规范及实验报告格式 1 1 实验前预习实验前预习 a a 了解实验目的了解实验目的 原理原理 实验操作要点实验操作要点 注意事项注意事项 b b 预习报告预习报告 与实验报告合二为一与实验报告合二为一 报告封面统一报告封面统一 有电子有电子 档档 格式格式 实验目的和要求实验目的和要求 实验原理与方法实验原理与方法 简述简述 仪器型号仪器型号 药品药品 装置图装置图 实验操作要点实验操作要点 可用图示简述可用图示简述 实验注意事项实验注意事项 实验数据记录和处理实验数据记录和处理 含数据记录表格含数据记录表格 作图可用计算作图可用计算 机机 数据的原始性数据的原始性 实验结果与分析实验结果与分析 实验结果实验结果 误差来源误差来源 解决方法解决方法 异常解释异常解释 讨论讨论 心得心得 课后问题选做课后问题选做 一份好的实验报告应该是一份好的实验报告应该是 目的明确目的明确 原理清楚原理清楚 数据准确数据准确 作图合理作图合理 结结 果正确果正确 讨论深入和字迹清楚讨论深入和字迹清楚 2 实验过程实验过程 进入实验室后未经老师同意进入实验室后未经老师同意 不许动仪器不许动仪器 损坏损坏 要赔要赔 要登记仪器卡要登记仪器卡 核对仪器核对仪器 破损破损 缺失缺失 要在实验前及时汇报要在实验前及时汇报 否则要否则要赔偿赔偿 要注意听老师实验前的讲解和提问要注意听老师实验前的讲解和提问 预习报告要预习报告要 老师老师检查签字检查签字 严格按照操作过程进行操作严格按照操作过程进行操作 有新想法的征得老有新想法的征得老 师同意师同意 实验过程中仪器损坏要及时报告实验过程中仪器损坏要及时报告 不当操作的须不当操作的须 赔偿赔偿 养好良好的实验习惯养好良好的实验习惯 及时及时 准确准确记录数据记录数据 不不 可用铅笔记录可用铅笔记录 要忠于实验结果要忠于实验结果 注意有效数注意有效数 字字 异常现象要多加思考异常现象要多加思考 公用仪器公用仪器 药剂使用完要归位药剂使用完要归位 实验中所用的药品实验中所用的药品 不得随意散失不得随意散失 遗弃遗弃 滤纸等固体废弃物不能倒入下水道以免堵塞滤纸等固体废弃物不能倒入下水道以免堵塞 实验结束后要交教师审查实验结束后要交教师审查 检查签字检查签字后方能离后方能离 开开 做好卫生做好卫生 下次实验交本次实验的实验报告下次实验交本次实验的实验报告 2 2 实验成绩实验成绩 实验成绩含两大部分实验成绩含两大部分 平时操作平时操作 50 主要包含主要包含预习报告预习报告 实验前提实验前提 问问 实验素养实验素养 操作能力操作能力 实验报告实验报告 期末笔试期末笔试 50 三三 误差 有效数字和数据处理 3 1 误差误差 误差的概念误差的概念 误差的分类误差的分类 误差的表达误差的表达 误差传递的计算误差传递的计算 3 1 1 误差的概念误差的概念 任何实验都不可能测得一个绝对准确的数值任何实验都不可能测得一个绝对准确的数值 测量值测量值和和真值真值之间必然存在着一个差值之间必然存在着一个差值 称为称为 测测 量误差量误差 可以正确地选择可以正确地选择适当精度适当精度的仪器的仪器 实验方法和实验方法和 条件控制条件控制 不致过分提高成本或降低实验的要求不致过分提高成本或降低实验的要求 造成浪费和损失造成浪费和损失 3 1 2 误差的分类误差的分类 A 系统误差系统误差 1 实验方法本身的限制实验方法本身的限制 2 使用的仪器不够精确使用的仪器不够精确 3 仪器使用时的环境因素仪器使用时的环境因素 4 实验者个人习惯引入的主观误差实验者个人习惯引入的主观误差 使测量数据有习惯性使测量数据有习惯性 的偏高或偏低等的偏高或偏低等 系统误差的消除系统误差的消除 采用不同的实验方法采用不同的实验方法 或改变实验条件或改变实验条件 调节仪器调节仪器 提高试剂的纯度等确定有无系统误差存在提高试剂的纯度等确定有无系统误差存在 并确定其性质并确定其性质 然后设法消除然后设法消除 B 随机误差随机误差 偶然误差是由于实验时许多不能预偶然误差是由于实验时许多不能预 料的其它因素造成的料的其它因素造成的 在相同条件对同一物理量重复多次在相同条件对同一物理量重复多次 测量测量 偶然误差的大小和正负完全偶然误差的大小和正负完全 由概率决定由概率决定 误差分布具有对称性误差分布具有对称性 即正即正 负误负误 差出现的概率相等差出现的概率相等 随机误差的消除随机误差的消除 多次重复测量多次重复测量 图1 误差的正态分布曲线 C 过失误差过失误差 过失误差是由于实验粗心大意过失误差是由于实验粗心大意 操作不正确等所引起操作不正确等所引起 此类误差无此类误差无 规则可寻规则可寻 只要正确只要正确 细心操作就可避免细心操作就可避免 3 1 3 误差的表达误差的表达 a 单个物理量测量误差表示单个物理量测量误差表示 单次测量单次测量 一般直接采用仪器的读数精度一般直接采用仪器的读数精度 如如 T 0 01 g 0 0001g 多次测量多次测量 先求平均值先求平均值 计算测量值与平均值差计算测量值与平均值差 计算平均误差计算平均误差 aaa Ti n aa n aa n 1i ii n321 aa a naa n i ii 1 b 间接物理量间接物理量测量误差表示测量误差表示 如如 c ba N ln ln lncbaN c c ba ba N N 求导 c 绝对误差和相对误差 绝对误差是测量值与真值之差绝对误差是测量值与真值之差 相对误差是绝对误差与真值之比相对误差是绝对误差与真值之比 即即 绝对误差绝对误差 测量值测量值 真值真值 相对误差相对误差 绝对误差绝对误差 真值真值 绝对误差的单位与被测量相同绝对误差的单位与被测量相同 相对误差则无因次相对误差则无因次 故不同物理量故不同物理量 的相对误差可以互相比较的相对误差可以互相比较 因此评定测量结果的精密程度因此评定测量结果的精密程度以以相对误相对误 差更为合理差更为合理 d d 平均误差平均误差 标准误差标准误差 均方根误差均方根误差 或然误差或然误差 平均误差平均误差 标准误差标准误差 或然误差或然误差 以上三种均可用来表示测量的精密度以上三种均可用来表示测量的精密度 但数值上略有但数值上略有 不同不同 其关系是其关系是 1 n ii i aa d n 2 1 1 n ii i aa n 0 675P 0 675 0 794 1 00P d 例例 压力的五次测量结果压力的五次测量结果 单位单位为为Pa Pa 为为 9829498294 9830698306 9829898298 9830198301 9829198291 试求其精密度试求其精密度 解解 算术平均值算术平均值 平均误差平均误差 相对平均误差相对平均误差 标准误差标准误差 相对标准误差相对标准误差 故上述压力测量值的精密度为故上述压力测量值的精密度为 98298 4Pa 或或98298 6Pa 或记为或记为 98298Pa 0 004 或或98298Pa 0 006 1 98298 5 i i PP 1 4 5 i i dPP 4 982980 004 id P 2 6 5 1 i i PP 6 982980 006 iP e 可疑测量值的舍弃 从概率论可知大于从概率论可知大于3 的误差的出现概率只有的误差的出现概率只有0 3 故通常故通常 把这一误差称为把这一误差称为极限误差极限误差 即即 极限 极限 3 如果个别测量的误差超过如果个别测量的误差超过3 则可认为是过失误差引起而则可认为是过失误差引起而 将其舍弃将其舍弃 实际测量次数不多实际测量次数不多 概率论已不适用概率论已不适用 为此为此 H M Goodwin提出一个简单的判断法提出一个简单的判断法 即略去可疑值后即略去可疑值后 计算其余各测量值的平均值和平均误差计算其余各测量值的平均值和平均误差 然后计算可疑值然后计算可疑值 与平均值之差与平均值之差 如果如果 则此可疑值可以舍弃则此可疑值可以舍弃 因为这种测量值存在的概率大约只因为这种测量值存在的概率大约只 有有0 1 4 i i aad 例例 质量的五次测量结果质量的五次测量结果 单位为单位为g 为为 0 1914 0 1953 0 1957 0 1947 0 1943 试问数试问数 据据0 1914能否舍弃能否舍弃 解解 略去略去0 1914后后 其余各值的其余各值的 算术平均值算术平均值 0 1950 平均误差平均误差 0 0005 因因 故故0 1914可以舍弃可以舍弃 ia d 0 19144 iad 3 1 4 误差传递的计算误差传递的计算 用电热补偿法在用电热补偿法在120ml120ml水中分两次加入水中分两次加入KNOKNO3 3 固体固体 的的 溶解热测定中溶解热测定中 求求KNOKNO3 3在水中的积分溶解热在水中的积分溶解热Qs Qs J molJ mol QsQs 101 1101 1IVt WKNO3 如果把相对误差如果把相对误差 控制在控制在3 3 以内以内 应选择什么样的仪器应选择什么样的仪器 在直接测量中各物理量的数值分别为在直接测量中各物理量的数值分别为 电流电流 I 0 5A 0 5A V 4 5V 4 5V 时间时间t t 400s 400s 样品量样品量WKNO3 3g 3g 34005 45 0 dWdtdVdI W dW t dt V dV I dI Qs dQs 误差计算误差计算 Qs 101 1IVt WKNO3 lnQs lnI lnV lnt lnW 用停表进行时间的测定用停表进行时间的测定 t250 常温恒温 室温 250 以及低温恒温 室温 218 三大类 控温采用的方法是把控温体系置于热容比它大的多的 恒温介质中 一 常 温 控 温 通常用恒温槽造为控温装置 恒温槽是实验室工作中 常用的一种以液体为介质的恒温装置 用液体作介质 的优点是热容量大 导热性能好 使温度控制的稳定 性和灵敏度大为提高 60 30 用乙醇或乙醇水溶液 0 90 用水 80 160 用甘油或甘油水溶液 70 300 用液体石蜡 气缸润滑油 硅油 常温恒温槽构件组成图 1 浴槽 2 加热器 3 搅拌器 4 温度计 5 水银定温计 6 恒 温控制器 7 贝克曼温度计 恒温槽的构造和原理 1 恒温介质 介质流动性好 热容大 则精度高 2 接触温度计接触温度计的热容小 与恒温介质 的接触面大 水银与铂丝和毛细管壁间的粘附作用小 则精度好 3 加热器在功率足以补充恒温槽单位时间内向环 境散失能量的前提下 加热器功率愈小 精度愈好 另 外 加热器本身的热容愈小 加热器管壁的导热效率愈 高 则精度愈好 4 继电器电磁吸引电键 后者发生机械运动所需 时间愈短 断电时线圈中的铁芯剩磁愈小 精度愈好 提高恒温槽灵敏度的方法 5 搅拌器 搅拌速度需足够大 使恒温介质各部分 温度能尽量一致 6 部件的位置 加热器要放在搅拌器附近 以使加 热器发出的热量能迅速传到恒温介质的各个部分 定 温计要放在加热器附近 并且让恒温介质的旋转能使 加热器附近的恒温介质不断地冲向定温计地水银球 被研究地体系一般要放在槽中精度最好的区域 测定 温度的温度计应放置在被研究体系的附近 二 高 温 控 温 实验室中以马弗炉和管式炉最为常用 良好 的加热电炉 一般必须有较长的恒温区 传热要 迅速 散热小 恒温区的长短 在很大长度上取 决于电阻丝的绕法及通电的方式 实验时如需要低于室温的恒温条件 则需用低温