物理化學實驗導論

1、物理化學實驗導論,北京大學藥學實驗中心胡 新 副教授,“化學是實驗的科學，只有實驗才是最高法庭?！备碟棧?902-1979）著名化學家,得到訓練化學實驗的基本方法和基本技能遇到機會探索化學反應(yīng)的奧秘積累方法分析問題和解決問題實驗科學的基礎(chǔ)：發(fā)現(xiàn)問題并解決問題,課程簡介,相對獨立的基礎(chǔ)課課程類型：藥學類專業(yè)必修學時學分：每周4學時共72學時2學分,教學方式,每組21－24人，2

2、~3人一套儀器；教師講實驗、助教帶實驗（或長學制研究生協(xié)助）；,興趣是基礎(chǔ)：居里夫人：4年時間，發(fā)現(xiàn)鐳和釙態(tài)度很重要：嚴謹、自信、鉆研、好問、集中注意力愛因斯坦：“我沒有什么特別的才能，不過喜歡尋根刨底地追究問題罷了?！?實驗作風有備而來、如實記錄、協(xié)作精神、 安全意識、環(huán)保意識恰當?shù)姆椒ㄊ帧⒀?、腦并用必要的交流,討論：教師、同學之間科學工作者學習的重要方式拒絕抄襲,科學的支柱精神：懷疑、求實,挑

3、戰(zhàn)“天經(jīng)地義”的實驗學會在實驗過程中自己思考問題,正確把握實驗的三個環(huán)節(jié),預習,實驗過程,實驗報告,查、看、寫,觀察、記錄、思考,數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)象解釋實驗結(jié)果、問題討論,物理化學實驗目的的和要求,物理化學實驗的主要目的,1、掌握物理化學實驗的基本方法和技能，根據(jù)所學原理設(shè)計實驗、選擇儀器；2、通過實驗驗證所學的原理，加深對物理化學理論知識的理解；3、鍛煉學生觀察現(xiàn)象、正確記錄數(shù)據(jù)、處理和分析實驗結(jié)果的能力，培養(yǎng)嚴謹、科學的作風。

4、,實驗的主要要求,1、實驗前要充分預習，了解實驗目的、所依據(jù)的基本理論、需要測量的理化參數(shù)、實驗涉及的主要儀器及其使用方法，在此基礎(chǔ)上寫出實驗預習報告。預習報告需設(shè)計一個記錄原始數(shù)據(jù)的表格，在實驗前由指導教師檢查。,2、按時進入實驗室后，先檢查實驗臺面上的儀器和藥品，如有殘缺或損壞應(yīng)當即報告，不允許私自處理，拆卸儀器，待指導老師講解完畢再動手安裝，教員檢查無誤后才能做實驗。,3、實驗要嚴格按照規(guī)程進行，不應(yīng)隨意改動操作步驟，如實驗條件與

5、教材情況不吻合，應(yīng)先征求指導教師的意見。記錄數(shù)據(jù)要及時、完整、準確，應(yīng)記錄在預習報告的原始數(shù)據(jù)區(qū)，記錄數(shù)據(jù)不要用鉛筆，數(shù)據(jù)如果有誤，不能用涂改液或涂改帶涂抹，而應(yīng)用筆輕輕畫去，再在旁邊記下新的數(shù)據(jù)。物化實驗一般都是二人或二人以上合作進行，每人均應(yīng)該同時記錄原始數(shù)據(jù)，而不是實驗結(jié)束后補記。,4、實驗結(jié)束后應(yīng)將原始數(shù)據(jù)交給指導教師檢查，檢查合格后才能拆卸實驗裝置，清理好自己的臺面方可離開。,5、認真寫實驗報告。實驗報告是物理化學實驗非常重要

6、的一環(huán)。實驗的結(jié)果處理，對結(jié)果的分析和討論，對實驗的改進以及自己的心得和體會都是在實驗報告中完成的，實驗報告構(gòu)成了物化實驗的主要工作之一，因此每人必須獨立完成，不得合寫或抄寫一份報告。盡管同組的同學面對同一份原始數(shù)據(jù)，但如果是獨自處理數(shù)據(jù)，結(jié)果也不盡完全相同。,實驗報告格式示范,電位滴定法測定HAc酸常數(shù)及HAc濃度實驗時間： 室溫： 大氣壓： 合作人： 一、實驗目的

7、二、實驗原理三、實驗方法（或步驟）,1： 2： 3：,四、實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)處理,,2.pH~V圖⑴作圖⑵由圖求Ve值,五、討論⑴分析與總結(jié)本次實驗的成敗因素。⑵對實驗方法提出新的建議等。六、思考題,實驗室安全知識,一、電的安全,1、實驗室總電閘應(yīng)由指導老師開啟和關(guān)閉，學生不應(yīng)隨意接觸；2、實驗過程如需使用接線板，須向指導老師提出，不得私自拉線；3、實驗結(jié)束所有儀器插頭均需從插座上拔出；,4、操作電器手必須干燥；

8、5、必須先安裝好實驗裝置，連好電路再通電，禁止帶電操作；6、使用儀器時必須注意儀器的的額定功率，防止過載跳閘；7、儀器的保險管應(yīng)按照設(shè)備要求裝配，防止失去保護作用而燒毀電器；8、如遇觸電情況，迅速切斷總電閘再搶救；9、在連線時特別注意儀器的正負接線柱接頭要保留充分距離，防止短路。,二、汞的安全,物化實驗頻繁使用溫度計，特別是水銀溫度計易破裂，汞漏出后應(yīng)盡量用吸汞管收集，再用Zn或Cu等能形成汞齊的金屬片在汞濺落處多次掃過，最后

9、用硫磺粉覆蓋。亦可用KMnO4溶液氧化，切忌讓汞直接暴露在空氣中，應(yīng)在裝汞的容器上加水覆蓋，傷口亦勿接觸汞。,三、注意防火,物化實驗中常見的是由于設(shè)備線路老化引起的儀器著火，這時應(yīng)首先切斷電源，再用沙土或干粉滅火器等滅火，決不能用水或泡沫滅火器，因為它們導電。,,四、氣,物化實驗需要高壓O2、N2、H2 應(yīng)注意鋼瓶放在陰涼、干燥，遠離熱源的地方，開啟鋼瓶時要站在氣表出口的側(cè)面，氣表口保持潔凈，不能沾上油和有機物；可燃性氣體鋼瓶與O2瓶必

10、須保持充分距離。液N2使用需注意液氮罐口不能塞緊，以防止爆炸。液N2例入保溫瓶，瓶口也不能旋緊蓋子，并注意輕拿輕放，防止迅速揮發(fā)。,五、用水,實驗中用水主要是回流冷凝水，結(jié)束后需關(guān)好。實驗前要先檢查橡皮膠管接口處有無老化跡像，防止通水后水管爆裂。,實驗數(shù)據(jù)的處理和表達,物理化學實驗的特點是以測量體系的理化參數(shù)為基本內(nèi)容的，它不同于其它實驗，實驗的結(jié)果并不是直觀顯然的，而要將所得數(shù)據(jù)加以處理，并以適當?shù)男问奖磉_出來，才能找到變量之間的規(guī)

11、律。,數(shù)據(jù)的表達,在讀取滴定管上刻度時，甲乙二人分別測得某液體容積是25.48ml和25.46ml。這里的四位數(shù)字中前三位都是準確的，而第四位數(shù)字是估計的，但它反映了滴定管的精度（能準確測量到0.1ml），因此第四位數(shù)字應(yīng)該保留而不能舍去，這個數(shù)據(jù)有四位有效數(shù)字。有效數(shù)字的原是能夠反應(yīng)出測量儀器的最小刻度。,物化學驗獲得的大量數(shù)據(jù)在滿足有效數(shù)字原則的基礎(chǔ)上，應(yīng)該有規(guī)律地排列成數(shù)據(jù)表，以方便進一步的處理，數(shù)據(jù)列表的要求是：a、表頭應(yīng)有簡

12、明的名稱，表格線用鉛筆畫。b、表的每行（列）的第一欄，應(yīng)注明物理量的名稱、單位，如壓力p(mmHg)，溫度T（°C），時間t(s)等。,c、數(shù)據(jù)的排列要有規(guī)律，一般是按照實驗進程依次列出。同一欄的數(shù)據(jù)應(yīng)有相同的有效位數(shù)，如果數(shù)據(jù)中有指數(shù)項，可將指數(shù)項提前到該欄名稱處，但此時指數(shù)的正負號要變號。,物化實驗的各理化參數(shù)的求得僅僅列表是不能得到，利用圖形表達實驗結(jié)果是最常見的，它不僅使數(shù)據(jù)的顯示更加直觀，更重要的是利用圖形可進行內(nèi)

13、插、外推、作切線、求面積等，還可以得到經(jīng)驗方程。在物化實驗中通常是擬合成線性方程，通過方程的斜率和截距得到各種理化參數(shù)值。,b、應(yīng)在圖的上方或下方寫圖名，坐標軸應(yīng)注明物理量名稱和單位，橫軸的方向通常自左至右，縱軸是自下而上。圖上的實驗點應(yīng)用鉛筆以“X”“O”“Δ”等符號標出，如果在一張圖上有幾組曲線，各組測量值應(yīng)用不同的符號加以區(qū)別。擬合直線或曲線時應(yīng)光滑均勻，實驗點應(yīng)平均分布在線的兩側(cè)而不必讓擬合線通過所有實驗點。,作圖時應(yīng)注意的事項

14、,a、一般選擇直角坐標紙，用HB型鉛筆作圖。橫軸為自變量，縱軸為因變量。坐標軸不一定從0開始，應(yīng)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的大小范圍確定，坐標軸的精度應(yīng)與測量的精度相匹配，坐標軸上的分刻度應(yīng)是1，2，5的倍數(shù)，避免3，6，7，9的倍數(shù)。作出圖形大小合理，布局勻稱，如果是直線傾斜角應(yīng)接近45°.,現(xiàn)在各種數(shù)據(jù)處理軟件十分豐富，最著名的當屬Excel軟件，該軟件中與本部分內(nèi)容密切相關(guān)的是“散點圖的繪制及方程的擬合，”可參閱軟件附帶的幫助文件或其

15、相關(guān)書籍，在此不再作具體介紹，但作圖要求同上。,誤差和有效數(shù)據(jù),誤差(error) 衡量測量值不準確性的尺度，反映了測量準確度(accuracy)的高低。 誤差越小，測量的準確度越高。,,絕對誤差和相對誤差（兩種表示方法）1、 絕對誤差（absolute error)： ? = x－µµ是真實值 ,可接近而不可達到;x是測量值， ?

16、＞0 測量結(jié)果偏高， ?＜0 測量結(jié)果偏低；,2、相對誤差 (relative error),反映誤差在測量結(jié)果中所占的比例，沒有單位，用％、‰、ppm。 有正、負值，與絕對誤差相同。,X-µ,,µ,1、系統(tǒng)誤差（systematic error) 特點：1）固定的方向（正負）和大?。?2）能重復出現(xiàn)；

17、 產(chǎn)生原因： 某種確定的因素引起的，這種因素可以是方法上的、儀器試劑及操作上的。,系統(tǒng)誤差和偶然誤差,方法誤差(method error),儀器試劑誤差(instrumentand reagent error),操作誤差或個人誤差(operation or personal error）,方法或原理本身引起 ，通過改變設(shè)計方案或采用不同的實驗原理來減少；,儀器不準試劑不純，校準儀器和更換試劑來

18、消除，設(shè)計空白、對照實驗等；,操作者的生理因素或習慣上的差異，嚴格、規(guī)范的操作，控制實驗條件,特點：（1）沒有固定的方向和大?。?（2）大誤差出現(xiàn)的概率小，小誤差出現(xiàn)的概率大， 且正負出現(xiàn)的概率大致相等，符合正態(tài)分布。 產(chǎn)生原因：由偶然因素引起的，如實驗室的溫度、濕度等 有變動，而得不到控制等。

19、 消除措施：增加平行測定的次數(shù)。,2、偶然誤差（accidental error) 也稱隨機誤差（random error),偶然誤差分布圖,4次測量,12次測量,正態(tài)分布,0,1、準確度（accuracy) 表示分析結(jié)果與真實值接近的程度，其大小用誤差表示。表示測量的正確性。 ? = x－µ2、精密度（precision)

20、表示平行測量值之間的接近程度，其大小用偏差表示。表示測量值的重現(xiàn)性（重復性或再現(xiàn)性等）。,三、準確度和精密度,偏差（deviation),測量值與平均值之差,特點：單個測量值的偏差有正有負，與誤差相同。,（1）平均偏差（average deviation),（2）相對平均偏差（relative deviation),（3）標準偏差（standard deviation),（4）相對標準偏差（relative standard devia

21、tion; RSD),也稱變異系數(shù)（coefficient of variation),實際工作中都用RSD（C.V.）表示精密度。,準確度與精密度的關(guān)系,? 精密度好，準確度不好。? 精密度好，準確度也好。 ? 精密度不好，準確度好。? 精密度不好，準確度也不好。,,,,,,,,,,,,,,,9.60 9.80 10.00 10.20 10.40,????,方法,真

22、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,均,準確度與精密度的關(guān)系,精密度是保證準確度的先決條件，只有消除了系統(tǒng)誤差的情況下，才可用精密度來反映準確度的高低。,有效數(shù)字及運算法則,一、有效數(shù)字（significant figure) 實驗中實際上能測量到的數(shù)字，包括數(shù)字1－9，數(shù)字0可以是，也可不是。 測量值的記錄原則：測量數(shù)據(jù)的記錄必須與測量的準確程度相符合。只允許數(shù)據(jù)的末位欠準，而且只能上下差1（即

23、?1個單位）。如，25ml液體，若 用,有效數(shù)字的表示方法,1、很大或很小的數(shù)，可用10的方次表示。如， 2、變換單位時，有效數(shù)字的位數(shù)不變。如，10.0ml與0.0100L3、首位為8或9的數(shù)據(jù)，有效數(shù)字可多計一位。如，98（3位有效數(shù)字）4、pH、lgK等對數(shù)數(shù)值，有效數(shù)字取決于小數(shù)部分。如pH=8.02（兩位）5、在計算中遇到的一些常數(shù)、倍數(shù)、分數(shù)，它們的有效數(shù)可看成無限位。如反應(yīng)的摩爾比、分

24、子量等。,運算法則,1、加減運算： （A.E.）和差 ＝（數(shù)據(jù)A.E.）max 如，結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)與數(shù)據(jù)有效數(shù)字位數(shù)最少的相同。 2、乘除運算： （RE）積商＝（數(shù)據(jù)RE）max 如， ?8，9為首位時，可多取一位有效數(shù)字，如，9.0?2.41?28.36 = 616（多取一位）,有效數(shù)字修約規(guī)則,確定有數(shù)字有效位數(shù)后，對尾數(shù)進行的舍入

25、。 規(guī)則： （ 1） 四舍六入五成雙 ：由5的舍入引起的誤差，可自相抵消。（2）只允許對原測量值一次修約至所需位數(shù)，不能分次修約。（3）需修約的數(shù)據(jù)較多時，可在最后修約。（4）在修約表示不確定度的數(shù)據(jù)時（如S，RSD等），應(yīng)往前入一位，但做統(tǒng)計檢驗時，可多保留1－2位，以免造成錯誤。,09藥學長學制實驗內(nèi)容,教材《現(xiàn)代實驗化學》（上冊）劉俊義、曾慧慧 主編實驗地點：藥學樓213、214室每個實驗室每次開兩個實

26、驗，每個實驗有4~5套儀器，2~3人合用一套儀器；分組名單本周五以前報到藥學樓212室。,特別注意,由于物理化學實驗涉及物理儀器眾多，各實驗項內(nèi)容均超前理論課，請大家務(wù)必提前預習相關(guān)理論課知識點；考慮到同學們均沒有學習物理化學理論，每次實驗課前主講教師用約1小時來講授相關(guān)實驗理論，因此實驗時間為下午1點至5點。,藥學實驗成績,為必修課成績，百分制，其中：平時成績 10分（預習、考勤、態(tài)度、值日等）操作 10分（有無損壞儀器、操作

27、規(guī)范、動手能力等）實驗報告 70分實驗小論文 10分,關(guān)于實驗小論文,針對本學期某1~2個實驗提出改進（原理、方法、數(shù)學處理等）；檢索2000年以來物理化學實驗的進展，并介紹1~2個可用于實驗教學方面的，并進行評論；回顧物理化學的歷史，就實驗在理論發(fā)展中的作用寫一篇綜述。選擇以上一個主題即可，可以單獨，也可2~3人合作完成，不許超過3人。,09藥學長年制實驗安排,第一輪：共4個實驗213房間：實驗38（4套儀器）、39（

28、4套儀器）可容納16~24人；214房間：實驗37（4套儀器）、49（4套儀器）可容納16~24人；第二輪：213房間：實驗40（4套儀器）、41 （4套儀器）；214房間：實驗47 （4套儀器）、45 （4套儀器）；第三輪：213房間：實驗43 （2套儀器） 、46 （4套儀器） ；214房間：實驗42、藥物有效期測定（另外附講義） 國慶放假一周，順延 特別選修實驗有兩個，可選做