物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)論

1、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)論,北京大學(xué)藥學(xué)實(shí)驗(yàn)中心胡 新 副教授,“化學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，只有實(shí)驗(yàn)才是最高法庭。”傅鷹（1902-1979）著名化學(xué)家,得到訓(xùn)練化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法和基本技能遇到機(jī)會(huì)探索化學(xué)反應(yīng)的奧秘積累方法分析問題和解決問題實(shí)驗(yàn)科學(xué)的基礎(chǔ)：發(fā)現(xiàn)問題并解決問題,課程簡(jiǎn)介,相對(duì)獨(dú)立的基礎(chǔ)課課程類型：藥學(xué)類專業(yè)必修學(xué)時(shí)學(xué)分：每周4學(xué)時(shí)共72學(xué)時(shí)2學(xué)分,教學(xué)方式,每組21－24人，2

2、~3人一套儀器；教師講實(shí)驗(yàn)、助教帶實(shí)驗(yàn)（或長(zhǎng)學(xué)制研究生協(xié)助）；,興趣是基礎(chǔ)：居里夫人：4年時(shí)間，發(fā)現(xiàn)鐳和釙態(tài)度很重要：嚴(yán)謹(jǐn)、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(shí)驗(yàn)作風(fēng)有備而來(lái)、如實(shí)記錄、協(xié)作精神、 安全意識(shí)、環(huán)保意識(shí)恰當(dāng)?shù)姆椒ㄊ?、眼、腦并用必要的交流,討論：教師、同學(xué)之間科學(xué)工作者學(xué)習(xí)的重要方式拒絕抄襲,科學(xué)的支柱精神：懷疑、求實(shí),挑

3、戰(zhàn)“天經(jīng)地義”的實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)在實(shí)驗(yàn)過程中自己思考問題,正確把握實(shí)驗(yàn)的三個(gè)環(huán)節(jié),預(yù)習(xí),實(shí)驗(yàn)過程,實(shí)驗(yàn)報(bào)告,查、看、寫,觀察、記錄、思考,數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)象解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果、問題討論,物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡暮鸵?物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要目的,1、掌握物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法和技能，根據(jù)所學(xué)原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、選擇儀器；2、通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所學(xué)的原理，加深對(duì)物理化學(xué)理論知識(shí)的理解；3、鍛煉學(xué)生觀察現(xiàn)象、正確記錄數(shù)據(jù)、處理和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的作風(fēng)。

4、,實(shí)驗(yàn)的主要要求,1、實(shí)驗(yàn)前要充分預(yù)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、所依?jù)的基本理論、需要測(cè)量的理化參數(shù)、實(shí)驗(yàn)涉及的主要儀器及其使用方法，在此基礎(chǔ)上寫出實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告。預(yù)習(xí)報(bào)告需設(shè)計(jì)一個(gè)記錄原始數(shù)據(jù)的表格，在實(shí)驗(yàn)前由指導(dǎo)教師檢查。,2、按時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，先檢查實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上的儀器和藥品，如有殘缺或損壞應(yīng)當(dāng)即報(bào)告，不允許私自處理，拆卸儀器，待指導(dǎo)老師講解完畢再動(dòng)手安裝，教員檢查無(wú)誤后才能做實(shí)驗(yàn)。,3、實(shí)驗(yàn)要嚴(yán)格按照規(guī)程進(jìn)行，不應(yīng)隨意改動(dòng)操作步驟，如實(shí)驗(yàn)條件與

5、教材情況不吻合，應(yīng)先征求指導(dǎo)教師的意見。記錄數(shù)據(jù)要及時(shí)、完整、準(zhǔn)確，應(yīng)記錄在預(yù)習(xí)報(bào)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(shí)驗(yàn)一般都是二人或二人以上合作進(jìn)行，每人均應(yīng)該同時(shí)記錄原始數(shù)據(jù)，而不是實(shí)驗(yàn)結(jié)束后補(bǔ)記。,4、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)將原始數(shù)據(jù)交給指導(dǎo)教師檢查，檢查合格后才能拆卸實(shí)驗(yàn)裝置，清理好自己的臺(tái)面方可離開。,5、認(rèn)真寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)非常重要

6、的一環(huán)。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果處理，對(duì)結(jié)果的分析和討論，對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)以及自己的心得和體會(huì)都是在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中完成的，實(shí)驗(yàn)報(bào)告構(gòu)成了物化實(shí)驗(yàn)的主要工作之一，因此每人必須獨(dú)立完成，不得合寫或抄寫一份報(bào)告。盡管同組的同學(xué)面對(duì)同一份原始數(shù)據(jù)，但如果是獨(dú)自處理數(shù)據(jù)，結(jié)果也不盡完全相同。,實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式示范,電位滴定法測(cè)定HAc酸常數(shù)及HAc濃度實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 室溫： 大氣壓： 合作人： 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

7、二、實(shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)方法（或步驟）,1： 2： 3：,四、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的成敗因素。⑵對(duì)實(shí)驗(yàn)方法提出新的建議等。六、思考題,實(shí)驗(yàn)室安全知識(shí),一、電的安全,1、實(shí)驗(yàn)室總電閘應(yīng)由指導(dǎo)老師開啟和關(guān)閉，學(xué)生不應(yīng)隨意接觸；2、實(shí)驗(yàn)過程如需使用接線板，須向指導(dǎo)老師提出，不得私自拉線；3、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置，連好電路再通電，禁止帶電操作；6、使用儀器時(shí)必須注意儀器的的額定功率，防止過載跳閘；7、儀器的保險(xiǎn)管應(yīng)按照設(shè)備要求裝配，防止失去保護(hù)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(shí)特別注意儀器的正負(fù)接線柱接頭要保留充分距離，防止短路。,二、汞的安全,物化實(shí)驗(yàn)頻繁使用溫度計(jì)，特別是水銀溫度計(jì)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(shí)驗(yàn)中常見的是由于設(shè)備線路老化引起的儀器著火，這時(shí)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?yàn)樗鼈儗?dǎo)電。,,四、氣,物化實(shí)驗(yàn)需要高壓O2、N2、H2 應(yīng)注意鋼瓶放在陰涼、干燥，遠(yuǎn)離熱源的地方，開啟鋼瓶時(shí)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(jī)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(shí)驗(yàn)中用水主要是回流冷凝水，結(jié)束后需關(guān)好。實(shí)驗(yàn)前要先檢查橡皮膠管接口處有無(wú)老化跡像，防止通水后水管爆裂。,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和表達(dá),物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是以測(cè)量體系的理化參數(shù)為基本內(nèi)容的，它不同于其它實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(dāng)?shù)男问奖磉_(dá)出來(lái)，才能找到變量之間的規(guī)

11、律。,數(shù)據(jù)的表達(dá),在讀取滴定管上刻度時(shí)，甲乙二人分別測(cè)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(zhǔn)確的，而第四位數(shù)字是估計(jì)的，但它反映了滴定管的精度（能準(zhǔn)確測(cè)量到0.1ml），因此第四位數(shù)字應(yīng)該保留而不能舍去，這個(gè)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(cè)量?jī)x器的最小刻度。,物化學(xué)驗(yàn)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(jìn)一步的處理，數(shù)據(jù)列表的要求是：a、表頭應(yīng)有簡(jiǎn)

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(shí)間t(s)等。,c、數(shù)據(jù)的排列要有規(guī)律，一般是按照實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(xiàng)，可將指數(shù)項(xiàng)提前到該欄名稱處，但此時(shí)指數(shù)的正負(fù)號(hào)要變號(hào)。,物化實(shí)驗(yàn)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(dá)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行內(nèi)

13、插、外推、作切線、求面積等，還可以得到經(jīng)驗(yàn)方程。在物化實(shí)驗(yàn)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(biāo)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(shí)驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)用鉛筆以“X”“O”“Δ”等符號(hào)標(biāo)出，如果在一張圖上有幾組曲線，各組測(cè)量值應(yīng)用不同的符號(hào)加以區(qū)別。擬合直線或曲線時(shí)應(yīng)光滑均勻，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)平均分布在線的兩側(cè)而不必讓擬合線通過所有實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。,作圖時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)

14、,a、一般選擇直角坐標(biāo)紙，用HB型鉛筆作圖。橫軸為自變量，縱軸為因變量。坐標(biāo)軸不一定從0開始，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的大小范圍確定，坐標(biāo)軸的精度應(yīng)與測(cè)量的精度相匹配，坐標(biāo)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(dāng)屬Excel軟件，該軟件中與本部分內(nèi)容密切相關(guān)的是“散點(diǎn)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(cè)量值不準(zhǔn)確性的尺度，反映了測(cè)量準(zhǔn)確度(accuracy)的高低。 誤差越小，測(cè)量的準(zhǔn)確度越高。,,絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差（兩種表示方法）1、 絕對(duì)誤差（absolute error)： ? = x－µµ是真實(shí)值 ,可接近而不可達(dá)到;x是測(cè)量值， ?

16、＞0 測(cè)量結(jié)果偏高， ?＜0 測(cè)量結(jié)果偏低；,2、相對(duì)誤差 (relative error),反映誤差在測(cè)量結(jié)果中所占的比例，沒有單位，用％、‰、ppm。 有正、負(fù)值，與絕對(duì)誤差相同。,X-µ,,µ,1、系統(tǒng)誤差（systematic error) 特點(diǎn)：1）固定的方向（正負(fù)）和大??； 2）能重復(fù)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(gè)人誤差(operation or personal error）,方法或原理本身引起 ，通過改變?cè)O(shè)計(jì)方案或采用不同的實(shí)驗(yàn)原理來(lái)減少；,儀器不準(zhǔn)試劑不純，校準(zhǔn)儀器和更換試劑來(lái)

18、消除，設(shè)計(jì)空白、對(duì)照實(shí)驗(yàn)等；,操作者的生理因素或習(xí)慣上的差異，嚴(yán)格、規(guī)范的操作，控制實(shí)驗(yàn)條件,特點(diǎn)：（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(fù)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(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度等 有變動(dòng)，而得不到控制等。

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

20、表示平行測(cè)量值之間的接近程度，其大小用偏差表示。表示測(cè)量值的重現(xiàn)性（重復(fù)性或再現(xiàn)性等）。,三、準(zhǔn)確度和精密度,偏差（deviation),測(cè)量值與平均值之差,特點(diǎn)：?jiǎn)蝹€(gè)測(cè)量值的偏差有正有負(fù)，與誤差相同。,（1）平均偏差（average deviation),（2）相對(duì)平均偏差（relative deviation),（3）標(biāo)準(zhǔn)偏差（standard deviation),（4）相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard devia

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

22、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,均,準(zhǔn)確度與精密度的關(guān)系,精密度是保證準(zhǔn)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(lái)反映準(zhǔn)確度的高低。,有效數(shù)字及運(yùn)算法則,一、有效數(shù)字（significant figure) 實(shí)驗(yàn)中實(shí)際上能測(cè)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(cè)量值的記錄原則：測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄必須與測(cè)量的準(zhǔn)確程度相符合。只允許數(shù)據(jù)的末位欠準(zhǔn)，而且只能上下差1（即

23、?1個(gè)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(shí)，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(jì)一位。如，98（3位有效數(shù)字）4、pH、lgK等對(duì)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(jì)算中遇到的一些常數(shù)、倍數(shù)、分?jǐn)?shù)，它們的有效數(shù)可看成無(wú)限位。如反應(yīng)的摩爾比、分

24、子量等。,運(yùn)算法則,1、加減運(yùn)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(yùn)算： （RE）積商＝（數(shù)據(jù)RE）max 如， ?8，9為首位時(shí)，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(duì)尾數(shù)進(jìn)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(duì)原測(cè)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(shí)，可在最后修約。（4）在修約表示不確定度的數(shù)據(jù)時(shí)（如S，RSD等），應(yīng)往前入一位，但做統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)時(shí)，可多保留1－2位，以免造成錯(cuò)誤。,09藥學(xué)長(zhǎng)學(xué)制實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,教材《現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)化學(xué)》（上冊(cè)）劉俊義、曾慧慧 主編實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：藥學(xué)樓213、214室每個(gè)實(shí)驗(yàn)室每次開兩個(gè)實(shí)

26、驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)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(bào)到藥學(xué)樓212室。,特別注意,由于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及物理儀器眾多，各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)內(nèi)容均超前理論課，請(qǐng)大家務(wù)必提前預(yù)習(xí)相關(guān)理論課知識(shí)點(diǎn)；考慮到同學(xué)們均沒有學(xué)習(xí)物理化學(xué)理論，每次實(shí)驗(yàn)課前主講教師用約1小時(shí)來(lái)講授相關(guān)實(shí)驗(yàn)理論，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)間為下午1點(diǎn)至5點(diǎn)。,藥學(xué)實(shí)驗(yàn)成績(jī),為必修課成績(jī)，百分制，其中：平時(shí)成績(jī) 10分（預(yù)習(xí)、考勤、態(tài)度、值日等）操作 10分（有無(wú)損壞儀器、操作

27、規(guī)范、動(dòng)手能力等）實(shí)驗(yàn)報(bào)告 70分實(shí)驗(yàn)小論文 10分,關(guān)于實(shí)驗(yàn)小論文,針對(duì)本學(xué)期某1~2個(gè)實(shí)驗(yàn)提出改進(jìn)（原理、方法、數(shù)學(xué)處理等）；檢索2000年以來(lái)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展，并介紹1~2個(gè)可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的，并進(jìn)行評(píng)論；回顧物理化學(xué)的歷史，就實(shí)驗(yàn)在理論發(fā)展中的作用寫一篇綜述。選擇以上一個(gè)主題即可，可以單獨(dú)，也可2~3人合作完成，不許超過3人。,09藥學(xué)長(zhǎng)年制實(shí)驗(yàn)安排,第一輪：共4個(gè)實(shí)驗(yàn)213房間：實(shí)驗(yàn)38（4套儀器）、39（

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