物理化学实验

绪论 一、物理化学实验的目的和要求 (一) 实验目的 物理化学是药学教育中一门专业基础课程，实验是该课程不可分割的重要组成部分。物理化学在药学中的应用建立了物理药剂学的基础，成为药剂学的重要内容。 物理化学实验不仅应验证已建立的原理，巩固和加深对物理化学基本理论的理解，提高学生灵活运用物理化学知识的能力，更重要的是使学生通过学习各类物理化学参数测量的方法和技能所获得的经验来培养研究能力，从而学会选择实验条件，使用科学仪器，运用所学原理设计新实验。实验过程，能培养学生观察实验现象，正确记录数据、处理数据、分析实验结果的能力；能培养学生严谨的科学态度和实事求是的工作作风。 (二) 实验要求 (1) 实验前必须充分预习，了解实验目的，重点是透彻掌握实验原理，了解实验步骤，明确需要进行哪些测量，记录哪些数据，了解所用仪器的操作规程。如有疑问，应在实验前请教老师。 (2) 写预习报告，包括实验操作要点、实验流程、注意事项、记录数据的表格，预习报告在实验前交老师审阅。 (3) 实验前要认真阅读实验室安全规则。每个人员必须了解实验工作可能碰到的各种各样的危险，不可疏忽大意，特别是用电安全。必须了解急救设备放置处和使用方法，紧急电话和紧急出口。必须认真验收实验用品和仪器，使用前小心检查所有用电仪器的接口是否正常。 (4) 物理化学实验工作需要许多复杂而贵重仪器装置连接，许多还是专门为特定实验制造，实验过程中，未经老师同意，不得擅自乱试或乱拆卸仪器，严格按操作规程进行操作，不得随意改动。 (5) 养成良好的记录习惯。认真观察现象，记录数据，分析和思考问题。 (6) 遇有仪器损坏，立即报告，检查原因并登记损坏情况。废物应按照规定程序处置，避免危及安全和污染环境。 (7) 节约药品、水电。保持仪器和桌面整洁，保持实验室安静。离开时，要确保水电门窗关好。 (8) 不要单独一人在实验室工作。如果必须单独工作，要确认附近实验室有人工作或有保安人员，并一定时间确认一次。 (三) 实验记录 设立实验记录簿(*好有页码)，直接记录实验测量和实验环境的所有数据。记录实验的过程及相关信息。*好使用钢笔或圆珠笔记录数据，不要用铅笔。记录本开头的目录应记下实验开始的时间及开始记录的页数。每一数据页必须有明确的标题，包括姓名(同组者的姓名)、实验题目、日期、页码。如果需要更改，在不正确数字或文字处划一单线，然后在上边或旁边直接写上正确的数字或文字。不可涂写，要清楚留下更改的痕迹。仪器记录如谱图，打印或复印后，标明日期和确认信息，贴入记录簿相应位置。一切更改必留标注。所有记录要求清楚，有序，适当标注和完整。 (四) 数据舍弃 多次测量中，偶然会发生某一数据与其他数据的差异比其余数据之间的差异大得多。此数据是否在进行平均前舍弃呢？需要科学评价来确定。*先要检查误差有否明确的证据(如用错移液管、加错试剂、读错数据等)。如果没有发现误差证据，则用下面两种统计方法判断。①大量测量样品时，舍弃数据的传统规则是舍弃值与其他数据的平均值之差比其他值的平均偏差大4倍的数据；②若3～10次测量样品时，一个测量值偏离平均值似乎过大，则计算Q，Q是怀疑值和与它*一致值之差与这组测量值的*大值减*小值的比值。把Q值与表0-1中对应Qc比较。如果Q等于或大于Qc，则怀疑值应舍弃。如果Q比Qc小，则怀疑值保留。 表0-1 Q对小量样本估算的系数 例如，在标准波长下分光光度计基线的5次测量读数是0.32，0.38，0.21，0.35和0.34吸光单位，0.21可否舍弃？ Q=(0.32－0.21)/(0.38－0.21)=0.65 从表0-1可知测量数n=5的临界值Qc是0.64。Q值大于Qc，因此有90%把握将0.21舍弃。 (五) 实验报告 实验报告是表达实验结果的总结，也是实验工作评价的主要依据。报告内容和长度取决于实验事实和指导老师的要求。一般应包括：实验目的、基本原理、实验步骤、实验数据和结果处理并作图、结果讨论、思考题，共7个部分。预习报告应该包含前三项。实验步骤要针对实际情况，用*简练的语言表达出来，实验数据和结果处理一般用表格形式表示。有时也可以将实验数据和结果合并用一表格形式表示，但要写出计算公式，注明公式所需的已知常数和各数值所用的单位及公式来源。结果讨论是实验报告的重要组成部分，主要包括特殊现象的解释、误差分析、心得体会、提出实验的改进建议。 二、物理化学实验的误差和数据处理 (一) 误差的来源 实验误差，可分为以下两大类。 1. 系统误差 主要由实验方法本身的限制、使用的仪器不够精确、实验者个人习惯所引入的主观误差三方面造成。 2. 偶然误差 主要由以下两方面造成。 (1) 估计读数不够准确：实验者在测量中对*后一位读数的估计不可避免地会产生误差。此情况超出实验者的控制能力。 (2) 意外因素：在测量过程中，温度与压力的起伏、空气的流动、电源电压的变动等意外因素所引起的误差，非人力所能控制。偶然误差随测定的重复次数的增多而减小。它是不可避免的。 (二) 误差的几种表示法 1. 误差和相对误差　测量值a和真值a真之间的偏差Δa称为误差。 啊 (0-1) (0-2) 评定测定结果的精密程度以相对误差更为合理。 误差理论认为，消除了系统误差和意外因素，考虑偶然误差分布的对称性，进行无限次测量所得值的算术平均值为真值。即 (0-3) 又在大多数情况下只作有限次测量(n次)，故只把有限次测量的算术平均值作为可靠值。 把各次测定值ai与的差Δai作为各次测量的误差：(0-4) 因各次测量误差的数值可正可负，对整个测量来说不能由它来表达其特点，故引入平均误差 (0-5) (0-6) 2. 准确度和精密度 (1) 准确度是指测量结果的正确性，即偏离真值的程度，因此准确度可表示为 (0-7) 由于大多数物化实验中，真值是要测定的结果，一般可近似用文献值或由可靠方法测出的标准值a标代替a真，所以测量的准确度可近似地表示为 (0-8) (2) 精密度是指测量结果的重复性与所得数据的有效数字的位数，即各次测定值ai与可靠值的偏差程度。精密度常用三种方式来表示。 1) 平均误差 (0-9) 2) 标准误差 (0-10) 3) 或然误差p (0-11) 三者关系为 物化实验中，常用或表示测量精密度。平均误差的优点是计算方便，缺点是可能掩盖一些质量不高的测量；标准误差是平方和的开方，能更明显地反映误差，所以精密计算实验误差时常用。 3. 误差的传递　间接测量中，每一步的测量误差对*终测量结果都会产生影响，这称为误差的传递。 (1) 平均误差和相对平均误差的传递：设某变量y是从u1，u2， ，un各直接测量值求得的。即y为u1，u2， ，un的函数： y=f(u1，u2， ，un)(0-12) 若已知测定的u1，u2， ，un的平均误差为Δu1，Δu2， ，Δun，如何求得y的平均误差Δy？将式(0-12)全微分得 (0-13) 设各自变量的平均误差Δu1，Δu2， ，Δun等足够小时，可代替它们的微分du1，du2， ，dun，并考虑到在*不利的情况下，直接测量的正负误差不能对消而引起误差积累，故取其绝对值，则式(0-13)可改写为 (0-14) 这就是间接测量中计算*终结果的平均误差的普遍公式。 如将式(0-12)两边取对数，再求微分，然后将du1，du2， ，dun分别换作Δu1，Δu2， ，Δun，且dy换成Δy，则得 (0-15) 这就是间接测量中计算*终结果的相对平均误差的普遍公式。 例题1：以苯为溶剂，用凝固点降低法测定苯的摩尔质量，按式(0-16)计算：(0-16) 式中，Kf是凝固点降低常数，其值为5.12℃ kg/mol。直接测量W、W0、T、T0的值。其中溶质质量是用分析天平称得，W=(0.2352±0.0002)g，溶剂质量W0为(25.0±0.1)×0.879g，用25ml移液管移取苯溶液，其密度为0.879g/cm。若用贝克曼温度计测量凝固点，其精密度为0.002℃，3次测得纯苯的凝固点T0读数为：3.569，3.570，3.571。溶液的凝固点T读数为：3.130，3.128，3.121。试计算实验测定的苯摩尔质量M及其相对误差，并说明实验是否存在系统误差。 *先对测得的纯苯凝固点T0数值求平均 其平均绝对误差为 同理求得 对于ΔW0和ΔW的确定，可由仪器的精密度计算： ΔW0=0.1×0.879=0.09(g) ΔW=0.000 2(g) 将计算公式取对数，再微分，然后将dW，dW0，dT，dT0换成ΔW，ΔW0，ΔT0和ΔT，可得摩尔质量M的相对误差：(0-17) *终结果为：M=(123±2)g/mol，与文献值128.11g/mol比较，可认为该实验存在系统误差。 (2) 标准误差的传递：设函数y=f?(u1，u2， ，un)，u1，u2， ，un的标准误差分别为，则y的标准误差为 (0-18) 此式是计算*终结果的标准误差普遍公式。 例题2：测量某一电热器功率时，得到电流I=(8.40±0.04)A，电压U=(9.5±0.1)V，求该电热器功率P及其标准误差。 电功率P=IU=8.40×9.5=79.8(W) 其标准误差： *终结果为：P=(79.8±0.8)W (三) 有效数字 有效数字包括可靠数字和不确定的数字。例如，温度计的*小刻度是1℃，可读到25.1℃，小数点左边为可靠数字，小数点右边为不确定数字，有效数字为三位。 现将与有效数字有关的一些规则综述如下。 (1) 误差(绝对误差和相对误差)一般只有一位有效数字，至多不超过两位。 (2) 任何一物理量的数据，其有效数字的*后一位，在位数上应与误差的*后一位统一。如： 1.35±0.01 正确 1.35±10.01 夸大了结果的精确度 1.3±0.01 缩小了结果的精确度 (3) 有效数字的位数越多，数值的精确程度也越大，即相对误差越小。如 (1.35±0.01)m，三位有效数字，相对误差0.7%； (1.350 0±0.000 1)m，五位有效数字，相对误差0.007%。 (4) 有效数字的位数与十进制单位的变换无关，与小数点的位数无关，如(1.35±0.01)m与(135+1)cm完全一样，都有0.7%的误差。但在另一种情况下，如 158 000这个数值就无法判断后面三个0究竟是用来表示有效数字的，还是用来标