物理化学实验教案.DOC

1、物 理 化 学 实 验 教 案新 乡 学 院物 理 化 学 教 研 室1 实验名称目录绪 论 .2实验一 恒温槽的调节及液体粘度的测定 .10实验二 凝固点降低法测摩尔质量 .12实验三 液体饱和蒸汽压的测定 .14实验四 电导分析 .17实验五 电极制备及电池电动势的测定 .18实验六 蔗糖水解反应速率常数的测定 .21实验七 乙酸乙酯皂化反应 .23实验八 溶液表面张力的测定(最大气泡压力法) .25实验九 固体在溶液中的吸附 .29实验十 胶体制备和电泳 .30实验十一 溶解热的测定 .33实验十二 燃烧热的测定 .35实验十三 粘度法测定水溶性高聚物相对分子质量 .39实验十四 分配系

2、数与化学平衡常数的 测定 .45实验十五 偶极矩的测定实验十四 磁化率络合物的结构测定2 绪 论 1、物理化学实验的目的与要求物理化学实验是一门相对独立的综合性的基础实验课程。物理化学实验的主要目的是使学生掌握物理化学实验的基本方法和技能；培养学生正确记录实验数据和现象、正确处理实验数据和分析实验结果的能力；掌握有关物理化学的原理，提高学生灵活运用物理化学原理的能力。认真做好物理化学实验，对培养学生独立从事科学研究的工作能力具有重要的作用。在实验的过程中，学生应以提高自己的实际工作能力为目的，要勤于动手、动脑，钻研问题，做好每一个实验。（1）实验预习在实验前要充分预习，预先了解实验的目的和原理

3、，所用仪器的构造和使用方法，对实验操作过程和步骤，做到心中有数。在认真预习的基础上写出实验预习报告，其内容包括：实验目的和原理；主要的实验步骤；设计一个原始数据记录表，以便记录实验时所要记录的数据；画出必要的实验装置图。（2）实验记录记录实验数据和现象必须忠实、准确。不能用铅笔记录数据，不能只捡“好”的数据记，不能随意涂抹数据。所有数据都应记录在实验记录本上。实验过程中出现的现象应认真观察和真实地记录，这样有助于深入了解实验内容和发现问题。对培养学生敏锐洞察力也是大有益处的。实验条件也是必须记录的内容。实验结果与实验条件是紧密相关的，它提供了分析实验中所出现问题和误差大小的重要依据。实验条件一

4、般包括环境条件和仪器药品条件：前者，如室温、大气压等；后者，包括使用药品的名称、纯度、浓度和仪器的名称、规格、型号和实际精度等。数据记录要表格化，字迹要整齐清楚。养成一个良好的记录习惯是物理化学实验的基本要求之一。（3）实验报告完成实验报告是本课程的基本训练，它将使学生在实验数据处理、作图、误差分析、问题归纳等方面得到训练和提高。实验报告的质量在很大程度上反映了学生的实际水平和能力。物理化学实验报告的内容大致包括：实验题目，姓名（包括同组者的名字） ，日期，实验目的，实验原理，实验装置，实验条件（室温、大气压等） ，实验步骤，原始实验数据，数据的处理和作图，结果和讨论等。实验讨论部分主要结合实

5、验现象及发现的问题，讨论误差的主要来源，对实验中出现的某些现象做出解释，提出对实验方法、使用的仪器及操作方法的改进意见。3 一份好的实验报告应该符合实验目的明确、原理清楚、数据准确、作图合理、结果正确、讨论深入和字迹清楚等要求。实验报告必须个人独立完成。此外，对实验室的安全操作应予以高度重视。学生应严格按照仪器操作规程使用仪器。在实验过程中，应保持台面的整洁和遵守实验室的各项规定。2、误差分析和数据处理 物理化学实验是研究物质的物理性质以及这些物理性质与其化学反应间关系的一门实验科学。在实验研究工作中，一方面要拟定实验的方案，选择一定精度的仪器和适当的方法进行测量；另一方面必须将测得的数据加以

6、整理归纳、科学地分析，并寻求被研究体系变量间的关系规律。但由于仪器和感觉器官的限制，实验测得的数据只能达到一定程度的准确性。因此，在着手实验之前了解测量所能达到的准确度，以及在实验后合理地进行数据处理，都必须具有正确的误差概念。在此基础上通过误差分析，寻找适当的实验方法，选用最适合的仪器及量程，得出测量的有利条件。可见，在测量过程中误差问题是十分重要的，如缺乏误差的观点，实验者在测量过程中将带有一定的盲目性，往往得不到合理的实验结果。2.1 有关数据处理的基本概念2.1.1 测量值、真值和平均值通过仪器测量某种物理量，仪器所示值即为测量值，在一定条件下，被测物理量客观存在的值成为真实值（真值）

7、 。真值在不同场合下有不同的含义。包括理论真值、规定真值和相对真值。对于被测物理量，真值通常是个未知量，由于误差的客观存在，真值一般是无法测得的。测量次数无限多时，根据正负误差出现的概率相等的误差分布定律，在不存在系统误差的情况下，它们的平均值极为接近真值。故在实验科学中真值的定义为无限多次观测值的平均值。但实际测定的次数总是有限的，由有限次数求出的平均值，只能近似地接近于真值，可称此平均值为最佳值（或可靠值） 。 常用的平均值有下面几种：设 x1、x 2、 、x n 为各次的测量值 ，n 代表测量次数。（1）算术平均值 这种平均值最常用。（2）均方根平均值4 （3）几何平均值2.1.2 误差

8、的分类、特点及消除测量值与真值之间的差值称为测量误差（简称误差） 。根据误差的性质和来源，测量误差一般可分为系统误差、偶然误差和过失误差。（1）系统误差系统误差是由某些固定不变的因素引起的，这些因素影响的结果永远朝一个方向偏移，其大小及符号在同一组实验测量中完全相同。实验条件一经确定，系统误差就是一个客观上的恒定值，多次测量的平均值也不能减弱它的影响。误差随实验条件的改变按一定规律变化。系统误差主要是因为实验方法本身的限制，使用的仪器不够精确以及实验者个人的习惯所引起的主观误差等因素所造成的，通过改进仪器和实验装置，以及提高测试技能等方法可以减小系统误差。（2）偶然误差它是由某些不能预料的因素

9、所造成的。在相同条件下做多次测量，其误差数值是不确定的，时大时小，时正时负，没有确定的规律，这类误差称为随机误差或偶然误差。这类误差产生原因不明，因而无法控制和补偿。若对某一量值进行足够多次的等精度测量，就会发现偶然误差服从统计规律，这种规律可用正态分布曲线表示。如图 1-2 所示。随着测量次数的增加，偶然误差的算术平均值趋近于零，所以多次测量结果的算术平均值将更接近于真值。（3）过失误差过失误差是一种与实际事实明显不符的误差，过失误差明显地歪曲实验结果。误差值可能很大，且无一定的规律。它主要是由于实验人员粗心大意、操作不当造成的，如读错数据，记错或计算错误操作失误等。图 1-2 偶然误差的正

10、态分布曲线5 nXdnii1在测量或实验时，只要认真负责是可以避免这类误差的。存在过失误差的观测值在实验数据整理时应该剔除。 2.1.3 误差的表示测量的质量和水平可以用误差概念来描述，根据误差表示方法的不同，有绝对误差和相对误差。 （1）绝对误差 绝对误差是指测量值与真值之差： 绝对误差=测量值-真值对于多次测量的结果，使用平均误差的概念： 绝对误差能表示测量的数值是偏大还是偏小以及偏离程度,但不能确切地表示测量所达到的准确程度。准确程度可以用相对误差来表示。（2）相对误差相对误差是指绝对误差与被测真值的比值：相对误差=（绝对误差/真值）X100%同样对于多次测量，相对平均误差： （3）标准

11、误差 用数理统计方法处理实验数据时，常用标准误差（均方根误差）来衡量精密度。标准误差： 2.1.4 精密度和准确度精密度是指测量值重复性的程度。它可以反映偶然误差的影响程度，偶然误差越小，数据重复性就好，测量的精密度就高。准确度是指测量值与真值符合的程度。它是测量中所有系统误差和偶然误差的综合影响结果，系统误差和偶然误差都小，测量值的准确度就高。在一组测量中，尽管精密度很高，但准确度不一定很好；反之，若准确度好，则精密度一定高。换句话说，高的精密度不能保证有高的准确度，但高的准确度必须有高的精密度来保证。6 2.1.5 可疑测量值的舍弃在测量过程中，经常发现有个别数据很分散，如果保留它，则计算

12、出的误差将较大，但又无法证明是否由于过失误差造成，此时只有根据误差理论决定数据的取舍。由正态分布曲线的积分计算可知，一组数据包含偏差大于 3（ 为标准偏差）的点的可能性（几率）小于 1%。所以在一组相当多的数据中，偏差大于 3 的数据，可以认为是由于过失误差所造成的，应予舍弃。并有 99%以上的把握认为这个数据是不合理的。另一个舍弃可疑值的近似方法是乔文涅（Chauvenet）原理。该原理指出，某数据与包括这个数据在内的平均值的偏差，大于这组数据或然误差的 K 倍时，此数据可舍弃。这个原理只有当包括可疑值在内，至少有 4 个以上数据时才能应用。2.2 误差分析一切物理量的测定，可分为直接测量和

13、间接测量两种。直接表示所求结果的测量称为直接测量，如用天平称量物质的质量，用量筒测量液体的体积等。若所求结果为数个测量值以某种公式计算而得，则这种测量称为间接测量。在间接测量中，每个直接测量值的准确度都会影响最后结果的准确性。通过误差分析，我们可以查明直接测量的误差对结果的影响情况，从而找出误差的主要来源，以便于选择适当的实验方法，合理配置仪器；寻求测量的有利条件。2.2.1 仪器的精密度误差分析限于对结果的最大可能误差的估计，因而对各直接测量的量只要预先知道其最大误差范围就够了。当系统误差已经校正，而操作控制又足够精密时，通常可以用仪器读数精密度来表示测量误差范围。如果没有精度表示，对于大多

14、数仪器来说，最小刻度的 1/5 可以看作其精密度，如玻璃温度计、液柱式压力（压差）计等。 2.2.2 误差传递(1) 平均误差与相对平均误差的传递设有物理量 N，由直接测量值 u1,u2,.un 决定：N =f(u1,u2,.un)直接测量值的平均误差为： u1, u2,. un，那么 N 可由如下方法求得。用各自变量的平均误差 ui 代替 dui,并考虑最不利的情况下，直接测量的误差不能抵消，从而引起误差的累积，故取绝对值。上式变为：nuu dd .,.,.,1 213132 )(.)(7 上式两边同除以 N 得：运用上式可以讨论直接测量值与结果的不同函数关系时，误差传递的计算。加、减法：

15、N =u1u2u3.乘、除法： N =u1 .u2或 N =u1/u2乘方、开方： N=un(2) 间接测量结果的标准误差估计设函数为 u=f(,.) ,式中 , 的标准误差分别是 ， .，则 u 的标准误差应为： 2.2.3 测量结果的正确记录和有效数字实验测量中所使用的仪器仪表只能达到一定的精度，因此测量或运算的结果不可能也不应该超越仪器仪表所允许的精度范围。通常称所有确定的数字（不包括表示小数点位置的“0” ）和最后不确定的数字一起为有效数字。有效数字只能具有一位可疑值。例如:用最小分度为cm 的标尺测量两点间的距离,得到:9140 mm、914.0 cm、9.140 m、0.00914

16、0 km，其精确度相同，但由于使用的测量单位不同，小数点的位置就不同。有效数字的表示应注意非零数字前面和后面的零。0.009140km 前面的三个零不是有效数字，它与所用的单位有关。非零数字后面的零是否为有效数字，取决于最后的零是nnuNuNu .221 nnuuuf .221.321u21uN2122.uuu8 否用于定位。 有效数字的运算规则：1）加、减法运算 有效数字进行加、减法运算时，各数字小数点后所取的位数与其中位数最小的相同。2）乘、除法运算 两个量相乘（相除）的积（商） ，其有效数字位数与各因子中有效数字位数最少的相同。3）乘方、开方运算 其结果可比原数多保留一位有效数字。4）对

17、数运算 对数的有效数字的位数应与其真数相同。 在所有计算式中，常数 ,e 的数值的有效数字位数，认为是无限制，需要几位就取几位。表示精度时，一般取一位有效数字，最多取两位有效数字。数值取舍规则（有时称之为“四舍六入五留双” ） ，常用的“四舍五人”的方法对数值进行取舍，得到的均值偏大。而用上述的规则，进舍的状况具有平衡性，变大的可能性与变小的可能性是一样的。 2.3 物理化学实验中的数据表达方法实验数据中各变量的关系的表示可为列表法，图示法和经验公式法。列表法：将实验数据制成表格。它显示了各变量间的对应关系，反映出变量之间的变化规律。它是进一步处理数据的基础。图示法：将实验数据绘制成曲线，它直

18、观地反映出变量之间的关系，而且为整理成数学模型（方程式）提供了必要的函数形式的直观表达。经验公式法：借助于数学方法将实验数据按一定函数形式整理成方程，即数学模型。(1)列表法在科学试验中一系列测量数据都是首先列成表格，然后再进行其他的处理。表格法简单方便，但要进行深入的分析，表格就不能胜任了。首先，尽管测量次数相当多，但它不能给出所有的函数关系；其次，从表格中不易看出自变量变化时函数的变化规律，而只能大致估计出函数是递增的、递减的或是周期性变化的等。列成表格是为了表示出测量结果，或是为了以后的计算方便，同时也是图示法和经验公式法的基础。列表法的基本要求：a.应有简明完备的名称、数量单位和因次；

19、b.数据排列整齐（小数点） ，注意有效数字的位数；c.选择的自变量如时间，温度、浓度等，应按递增排列；d.如需要，将自变量处理为均匀递增的形式，这需找出数据之间的关系，用拟合的方法处理。(2)图示法9 图示式的最大优点是一目了然，即从图形中可非常直观地看出函数的变化规律，如递增性或递减性，是否具有周期性变化规律等，也可从图上获得如：最大值、最小值，作出切线，求出曲线下包围的面积等。但是，从图形上只能得到函数变化关系而不能进行数学分析。图解的基本要点为：a.在直角坐标系中绘制测量数据的图形时，应以横坐标为自变量，纵坐标为对应的函数量。b.坐标纸的大小与分度的选择应与测量数据的精度相适应。分度过粗

20、时，影响原始数据的有效数字，绘图精度将低于试验中参数测量的精度；分度过细时会高于原始数据的精度。坐标分度值不一定自零起，可用低于试验数据的某一数值作起点和高于试验数据的某一数值作终点，曲线以基本占满全幅坐标纸为宜，直线应尽可能与坐标轴成 450角。横坐标与纵坐标的实际长度应基本相等。c.坐标轴应注明分度值的有效数字和名称、单位，必要时还应标明试验条件，坐标的文字书写方向应与该坐标轴平行，在同一图上表示不同数据时应该用不同的符号加以区别。d.实验点的标示可用各种形式，如点、圆、矩形、叉等，但其大小应与其误差相对应。e.连曲线，作出各代表点后，用曲线板或曲线尺，连出尽可能接近于诸实验点的曲线，曲线

21、应光滑均匀，细而清晰，曲线不必也不可能通过所有各点。但各点在曲线两旁之分布，在数量上和远近程度应近似于相等。代表点和曲线间的距离表示了测量的误差，曲线与代表点间的距离应尽可能小，并且曲线两侧各代表点与曲线间距离之和亦应近于相等。在作图时也存在着作图误差，所以作图技术的好坏，也将影响实验结果的准确性。作图完成后，写上清楚完备的图名。 (3)经验公式法测量数据不仅可用图形表示出数据之间的关系，而且可用与图形对应的一个公式（解析式）来表示所有的测量数据，当然这个公式不可能完全准确地表达全部数据。因此，常把与曲线对应的公式称为经验公式，在回归分析中则称之为回归方程。把全部测量数据用一个公式来代替，不仅有紧凑扼要的优点，而且可以对公式进行必要的数学运算，以研究各自变量与函数之间的关系。建立公式的步骤大致可归纳如下：a.描绘曲线。用图示法把数据点描绘成曲线。b.对所描绘的曲线进行分析，确定公式的基本形式。 c.曲线化直。如果测量数据描绘的曲线被确定为某种类型的曲线，尽可能地将该曲线方程变换为直线方程，然后按一元线性回归方法处理。