物理化学实验(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：舒红英、陈萍华 主编

出版社：化学工业出版社

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物理化学实验试读：

前言

1.在绪论部分物理化学实验的误差分析中，增加了如何使测量结果达到足够精确度的方法介绍及测量过程中最有利条件确定的应用实例，突出了误差分析在实验中的具体应用。

2.在实验部分，每一实验包括实验目的、实验原理、仪器和试剂、实验步骤、数据记录和处理、思考题，在实验项目中增设了“注意事项”提醒学生注意细节，并增设了“思考与讨论”的内容，让学生开动脑筋、开拓视野。叙述上注意条理清楚，重点突出，使学生在预习实验内容后，在教师的指导下能独立完成实验。实验部分增加了一些计算机在线测量实验及设计、探索性实验内容。

3.在附录中，介绍了一些实验所涉及的仪器原理、操作方法和物理化学实验常用的数据表，以方便学生查找。

4. 实验类型有基础、综合、设计与研究探索类型，从而培养学生熟练的实验操作技能和初步的科研能力。

本教材由南昌航空大学的舒红英和陈萍华主编。其中第一章绪论，第二章中化学热力学、化学动力学、设计与研究探索性实验，第三章中仪器简介由舒红英编写；第二章中电化学、表面与胶体化学和结构化学及第三章中实验数据表由陈萍华编写， 全书由舒红英统稿。本教材由南昌航空大学教材建设基金资助，并且为南昌航空大学创新创业课程培育资助项目（编号KCPY-1511），在编写过程中得到了南昌航空大学的大力支持，以及环境与化学工程学院邹建平教授和钟劲茅教授的帮助，并提出了宝贵意见。在此一并表示感谢。

由于时间紧迫，编者水平有限，本教材存在的不足之处，敬请读者提出宝贵意见，以利改进。编者2016年7月于南昌航空大学第一章　绪论一、物理化学实验的性质与要求（一）物理化学实验的任务

物理化学实验是在无机化学、有机化学、分析化学及普通物理等实验课程的基础上，运用物理化学的理论知识，进行物质综合性质测定的承上启下的基础实验课。其特点是实验中常用多种物理测量仪器，并利用物理方法来研究化学系统的变化规律。物理化学实验的任务是使学生初步了解物理化学的研究方法，掌握物理化学的基本实验技术和技能，学会重要的物理化学性能测定，熟悉物理化学实验现象的观察和记录、实验条件的判断和选择、实验数据的测量和处理、实验结果的分析和归纳等一套严谨的实验方法，从而加深对物理化学基本理论的理解，培养学生的动手能力、观察能力、查阅文献能力、思维能力、表达能力和处理实验结果的能力；培养学生勤奋学习、求真、求实的优良品德和科学精神。（二）物理化学实验的要求

1.实验预习

实验前学生应做到认真、仔细阅读实验教材，明确所做实验的目的和要求，了解与实验有关的物理化学理论，实验测量所依据的基本原理，实验用仪器的性能和操作规程。基本弄清实验步骤与操作，知道实验所测取的是什么数据及数据应如何处理。在此基础上写出预习报告。

预习报告应包括实验目的、简明的实验原理、仪器和药品、操作要点、注意事项以及记录数据的表格。实验开始前，指导教师应检查学生是否写出预习报告，无预习报告者不准进行实验。

2.实验操作

在学生动手进行实验之前，指导教师应先对学生进行考查，对考查不合格者，教师要酌情处理，直至取消其参加本次实验的资格；然后让学生检查实验装置和试剂是否符合实验要求。实验准备完成后，方可进行实验。实验过程中，要求操作要正确，观察现象要仔细，测取数据要认真，记录要准确、完整，还要开动脑筋，善于发现和解决实验中出现的问题。实验结束后，须将原始记录交指导教师检查并签名。

3.实验报告

写出合乎规范的实验报告，对培养学生的综合素质具有十分重要的意义。实验报告的内容包括实验目的、简明原理（包括必要的计算公式）、仪器和药品、扼要的实验操作与步骤、数据记录与处理、实验结果讨论等。其中结果讨论是实验报告的重要部分，主要指实验结果的可靠程度、结果分析、实验现象的分析和解释、误差来源、实验时的心得体会、做好实验的关键等，也可以对实验提出进一步改进的意见。实验报告必须在规定时间内独立完成。（三）实验报告评分标准

一份优秀的实验报告具有整洁、格式规范、内容完整、数据可靠、误差较小、讨论合理的特点。

要鼓励学生在实验过程中提出新方案和新想法，从而对本实验进行合理的改进。通过和老师进行口头交流或作为个人感悟附在实验报告之后，将得到加分的回报。

报告杂乱潦草、内容不全、数据混乱、误差较大且未进行认真分析讨论，通常认为是一份不成功的实验报告。篡改实验数据，抄袭、剽窃他人数据和结果（包括同组人），实验成绩只能得0分！（四）实验注意事项（1）实验前，要按实验要求核对仪器和药品。如有破损或不足时，应向指导教师报告，及时更换和补充。（2）未经指导教师考查，不得擅自操作仪器，以免损坏设备。（3）对连接电路的实验，在学生连接电路后，要经过教师检查，认为合格后才能接通电源。（4）为避免造成仪器的损坏，必须严格按操作规程使用仪器，不得随意改变操作方法。（5）实验时，只许使用本组的仪器。如出现故障，须向教师提出，不许擅自动用他组的仪器而影响他人实验。（6）实验时，应按实验需用量使用药品等，不得随意浪费。（7）实验时，除实验装置及必需用具与书籍外，其余物品一律不许放置在实验桌上。（8）实验自始至终要保持环境清洁、整齐。实验结束后，应将玻璃仪器清洗干净放回原处，将实验工作台收拾整洁，并须安排值日生打扫实验室。（9）实验结束后，应将实验用的水源关闭，切断电源。二、物理化学实验室安全知识

在化学实验室中，安全是非常重要的，它常常隐藏着诸如发生爆炸、着火、中毒、灼伤、割伤、触电等事故的危险性。能够防止这些事故的发生以及万一发生又懂得如何急救，这些都是每一个化学实验工作者必须具备的素质。这些内容在先行的化学实验课中均已反复地做了介绍。本节主要结合物理化学实验的特点介绍安全用电、使用化学药品的安全防护等知识。（一）安全用电常识

违章用电常常可能造成人身伤亡、火灾、损坏仪器设备等严重事故。物理化学实验室使用电器较多，要特别注意安全用电。表1-1示出了50Hz交流电不同电流强度时的人体反应情况。表1-1　50Hz交流电不同电流强度时的人体反应

为了保障人身安全，一定要遵守实验室安全规则。

1.防止触电

①不用潮湿的手接触电器。

②电源裸露部分应有绝缘装置（如电线接头处应裹上绝缘胶布）。

③所有电器的金属外壳都应保护接地。

④实验时，应先连接好电路后再接通电源。实验结束时，先切断电源再拆线路。

⑤修理或安装电器时，应先切断电源。

⑥不能用试电笔去试高压电。使用高压电源应有专门的防护措施。

⑦如有人触电，应迅速切断电源，然后进行抢救。

2.防止引起火灾

①使用的保险丝要与实验室允许的用电量相符。

②电线的安全通电量应大于用电功率。

③室内若有氢气、煤气等易燃易爆气体，应避免产生电火花。继电器工作和开关电闸时，易产生电火花，要特别小心。电器接触点（如电插头）接触不良时，应及时修理或更换。

④如遇电线起火，立即切断电源，用沙或二氧化碳、四氯化碳灭火器灭火，禁止用水或泡沫灭火器等导电液体灭火。

3.防止短路

①线路中各接点应牢固，电路元件两端接头不要相互接触，以防短路。

②电线、电器不要被水淋湿或浸在导电液体中，如实验室加热用的灯泡接口不要浸在水中。

4.电器仪器的安全使用

①在使用前，先了解电器仪表要求使用的电源是交流电还是直流电，是三相电还是单相电以及电压的大小（380V、220V、110V或6V）。需弄清电器功率是否符合要求及直流电器仪表的正、负极。

②仪表量程应大于待测量。若待测量大小不明时，应从最大量程开始测量。

③实验之前要检查线路连接是否正确。经教师检查同意后方可接通电源。

④在电器仪表使用过程中，如发现有不正常声响、局部温升或嗅到绝缘漆过热产生的焦味，应立即切断电源，并报告教师进行检查。（二）使用化学药品的安全防护

1.防毒

①实验前，应了解所用药品的毒性及防护措施。

②操作时有有毒气体（如HS、Cl、Br、NO、浓HCl和HF等）2222产生时应在通风橱内进行。

③苯、四氯化碳、乙醚、硝基苯等的蒸气会引起中毒。它们虽有特殊气味，但久嗅会使人嗅觉减弱，所以应在通风良好的情况下使用。

④有些药品（如苯、有机溶剂、汞等）能透过皮肤进入人体，应避免与皮肤接触。

⑤氰化物、高汞盐[HgCl、Hg（NO）等]、可溶性钡盐232（BaCl）、重金属盐（如镉盐、铅盐）、三氧化二砷等剧毒药品，应2妥善保管，使用时要特别小心。

⑥禁止在实验室内喝水、吃东西。饮食用具不要带进实验室，以防毒物污染。离开实验室及饭前要洗净双手。

2.防爆

可燃气体与空气混合，当两者比例达到爆炸极限时，受到热源（如电火花）的诱发，就会引起爆炸。一些气体的爆炸极限见表1-2。表1-2　与空气相混合的某些气体的爆炸极限（20℃，1atm下）5注：1atm=1.013 25×10Pa。

①使用可燃性气体时，要防止气体逸出，室内通风要良好。

②操作大量可燃性气体时，严禁同时使用明火，还要防止产生电火花及其他撞击火花。

③有些固体试剂如高氯酸盐、过氧化物等，受震和受热都易引起爆炸，使用时要特别小心。

④严禁将强氧化剂和强还原剂放在一起。

⑤久藏的乙醚使用前应除去其中可能产生的过氧化物。

⑥进行容易引起爆炸的实验，应有防爆措施。

3.防火

①许多有机溶剂如乙醚、丙酮、乙醇、苯等非常容易燃烧，大量使用时室内不能有明火、电火花或静电放电。实验室内不可过多存放这类药品，用后还要及时回收处理，不可倒入下水道，以免聚集引起火灾。

②有些物质如磷、钠、钾、电石及金属氢化物等，在空气中易氧化自燃；还有一些金属如铁、锌、铝等粉末，比表面积大，也易在空气中氧化自燃。这些物质要隔绝空气保存，使用时要特别小心。

③实验室如果着火不要惊慌，应根据情况进行灭火。常用的灭火剂有水、沙、二氧化碳灭火器、四氯化碳灭火器、泡沫灭火器和干粉灭火器等。可根据起火的原因选择使用，以下几种情况不能用水灭火。

a.金属钠、钾、镁、铝粉、电石、过氧化钠着火，应用干沙灭火。

b.比水轻的易燃液体，如汽油、苯、丙酮等着火，可用泡沫灭火器。

c.有灼烧的金属或熔融物的地方着火时，应用干沙或干粉灭火器。

d.电器或带电系统着火，可用二氧化碳灭火器或四氯化碳灭火器。

4.防灼伤

强酸、强碱、强氧化剂、溴、磷、钠、钾、苯、酚、冰醋酸等都会腐蚀皮肤，特别要防止溅入眼内。液氧、液氮等低温液体也会严重灼伤皮肤，使用时要小心。万一灼伤应及时治疗。（三）汞的安全使用

汞中毒分急性和慢性两种。急性中毒多为高汞盐（如HgCl）入2口所致，0.1～0.3g即可致死。吸入汞蒸气会引起慢性中毒，症状有食欲不振、恶心、便秘、贫血、骨骼和关节疼、精神衰弱等。汞蒸气3的最大安全浓度为0.1mg/m，而20℃时汞的饱和蒸气压为1.6Pa（0.0012mmHg），超过安全浓度100倍。所以使用汞必须严格遵守安全用汞操作规定。

①不要让汞直接暴露于空气中，盛汞的容器应在汞面上加盖一层水。

②装汞的仪器下面一律放置浅瓷盘，防止汞滴散落到桌面上和地面上。

③一切转移汞的操作，也应在浅瓷盘内进行（盘内装水）。

④实验前要检查装汞的仪器是否放置稳固。橡皮管或塑料管连接处要缚牢。

⑤贮汞的容器要用厚壁玻璃器皿或瓷器。用烧杯暂时盛汞，不可多装以防破裂。

⑥若有汞掉落在桌面上或地面上，先用吸汞管尽可能将汞珠收集起来，然后用硫黄盖在汞溅落的地方，并摩擦使之生成HgS。也可用KMnO溶液使其氧化。4

⑦擦过汞或汞齐的滤纸或布必须放在有水的瓷缸内。

⑧盛汞器皿和有汞的仪器应远离热源，严禁把有汞仪器放进烘箱。

⑨使用汞的实验室应有良好的通风设备，纯化汞应有专用的实验室。

⑩手上若有伤口，切勿接触汞。（四）高压钢瓶的使用及注意事项

1.气体钢瓶的颜色标记

我国气体钢瓶常用标记见表1-3。表1-3　我国气体钢瓶常用标记

2.气体钢瓶的使用

①在钢瓶上装上配套的减压阀。检查减压阀是否关紧，方法是逆时针旋转调压手柄至螺杆松动为止。

②打开钢瓶总阀门，此时高压表显示出瓶内贮气总压力。

③慢慢地顺时针转动调压手柄，至低压表显示出实验所需压力为止。

④停止使用时，先关闭总阀门，待减压阀中余气逸尽后，再关闭减压阀。

3.注意事项

①钢瓶应存放在阴凉、干燥、远离热源的地方。可燃性气瓶应与氧气瓶分开存放。

②搬运钢瓶要小心轻放，钢瓶帽要旋上。

③使用气瓶时应装减压阀和压力表。可燃性气瓶（如H、CH）222气门螺丝为反丝；不燃性或助燃性气瓶（如N、O）为正丝。各种22压力表一般不可混用。

④不要让油或易燃有机物沾染气瓶上（特别是气瓶出口和压力表上）。

⑤开启总阀门时，不要将头或身体正对总阀门，防止阀门或压力表冲出伤人。

⑥不可把气瓶内气体用光，以防重新充气时发生危险。

⑦使用中的气瓶每三年应检查一次，装腐蚀性气体的钢瓶每两年检查一次，不合格的气瓶不可继续使用。

⑧氢气瓶应放在远离实验室的专用小屋内，用紫铜管引入实验室，并安装防止回火的装置。

⑨钢瓶内气体不能全部用尽，要留下一些气体，以防止外界空气进入气体钢瓶，一般应保持0.5MPa表压以上的残留压力。

⑩钢瓶需要定期送交检验，合格钢瓶才能充气使用。（五）气体使用操作规程

由电解水或液化空气能得到纯氧气，压缩后贮于钢瓶中备用。从气体厂刚充满氧的钢瓶压力可达15MPa，使用氧气需用氧气压力表。钢瓶阀门和压力表的构造如图1-1所示。图1-1　钢瓶阀门和压力表的构造1—高压总阀；2—减压器接口；3—高压表；4—调节阀；5—低压表；6—放气阀；7—高压气管

使用氧气钢瓶时，必须遵守下面的规则。

①搬运钢瓶时，防止剧烈振动，严禁连氧气表一起装车运输。

②严禁与氢气在同一个实验室里使用。

③尽可能远离热源。

④在使用时应特别注意手上、工具上、钢瓶和周围不能沾有油污，扳手上的油可用酒精洗去，待干后使用，以防燃烧和爆炸。

⑤氧气瓶应与氧气表一起使用，氧气表需仔细保护，不能随便用在其他钢瓶上。

⑥开阀门及调压时，人不要站在钢瓶出气口处，头不要在瓶头之上，而应在瓶之侧面，以确保人身安全。

⑦开气瓶高压总阀1之前，必须首先检查氧气表调压阀4是否处于关闭（手把松开还是关闭）状态。不要在调压阀4处于开放（手把顶紧是开放）状态时突然打开气瓶总阀，否则会将氧气表打坏或引发其他事故。

⑧防止漏气，若漏气应将螺旋旋紧或换皮垫。

⑨钢瓶内压力在0.5MPa以下时，不能再用，应该去灌气。三、物理化学实验中的误差分析

在测量时，由于所用仪器、实验方法、条件控制和实验者观察局限等的限制，任何实验都不可能测得一个绝对准确的数值，测量值和真值之间必然存在着一个差值，称为“测量误差”。只有知道结果的误差，才能了解结果的可靠性，决定这个结果对科学研究和生产是否有价值，进而研究如何改进实验方法、技术以及考虑仪器的正确选用和搭配等问题。如在实验前能清楚该测量允许的误差大小，则可以正确地选择适当精度的仪器、实验方法和条件控制，不致过分提高或降低实验的要求，造成浪费和损失。（一）误差的分类

一切物理量的测定，可分为直接测量和间接测量两种。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，用电位计测定电池的电动势等。若所求的结果由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。如用电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数，通常是在不同时间测定溶液的电阻，再由公式计算得出。物理化学实验中的测量大都属于间接测量。

根据性质的不同可将误差分为三类，即系统误差、过失误差、偶然误差。

1.系统误差

系统误差是由有关测量方法中某些经常的原因而导致的。如：（1）实验方法本身的限制，如反应没有完全进行到底，指示剂选择不当，计算公式有某些假定及近似等。（2）使用的仪器不够精确，如滴定管的刻度不准，仪器失灵或不稳，或药品不纯等。（3）实验者个人习惯所引入的主观误差，使测量数据有习惯性的偏高或偏低等。

系统误差总是以同一符号出现，在相同条件下重复实验无法消除，但可以通过测量前对仪器进行校正或更换，选择合适的实验方法，修正计算公式和用标准样品校正实验者本身所引进的系统误差来减少。只有不同实验者用不同的校正方法、不同的仪器所得数据相符合，才可认为系统误差基本消除。

2.过失误差

过失误差主要由实验者粗心大意、操作不正确等所引起。此类误差无规则可寻，只要正确、细心操作就可避免。

3.偶然误差

偶然误差是由实验时许多不能预料的其他因素造成的。如实验者视觉、听觉不灵敏，对仪器最小分度值以下的估计难以完全相同或操作技巧的不熟练。又如在测量过程中外界条件改变，如温度、压力不恒定、机械的震动、电磁场的干扰等。仪器中常包含的某些活动部件，如水银温度计或压力计中的水银柱、电流计中的游丝与指针，在对同一物理量进行重复测量时，这些部件所达的位置难以完全相同（尤其是使用年久或质量较差的仪器更为明显），造成偶然误差。偶然误差的特点是其数值时大时小，时正时负。在相同条件下对同一物理量重复多次测量，偶然误差的大小和正负完全由概率决定。如图1-2所示。误差分布具有对称性，即正、负误差出现的概率相等。因此多次重复测量的算术平均值是其最佳的代表值。图1-2　误差的正态分布曲线（二）偶然误差的表达

1.误差和相对误差

在物理量的测定中，偶然误差总是存在的。所以测得值a和真值a之间总有着一定的偏差Δa，这个偏差称为误差。真　　（1-1）

误差和真值之比，称为相对误差，即　　（1-2）

误差的单位与被测量的单位相同，而相对误差无量纲，因此不同物理量的相对误差可以互相比较。误差的大小与被测量的大小无关，而相对误差则与被测量的大小及误差的值都有关，因此评定测定结果的精密程度用相对误差更为合理。

例如，测量0.5m的长度时所用的尺可以引入±0.0001m的误差，平均相对误差为×100%=0.02%，但用同样的尺测量0.01m的长度时相对误差为×100%=1%，为前者的50倍。显然用这一尺子来测量0.01m长度是不够精密的。

由误差理论可知，在消除了系统误差和过失误差的情况下，由于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即为真值。

　　（1-3）

然而在大多数情况下，我们只是做有限次的测量。故只能把有限次测量的算术平均值作为可靠值：　　（1-4）

把各次测量值与其算术平均值的差作为各次测量的误差。　　（1-5）

又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，为此引入平均误差　　（1-6）

而平均相对误差为：　　（1-7）

2.准确度与精密度

准确度是指测量结果的正确性，即偏离真值的程度，准确的数据只有很小的系统误差。精密度是指测量结果的可复性与所得数据的有效数字，精密度高指的是所得结果具有很小的偶然误差。

按准确度的定义：　　（1-8）

由于大多数物理化学实验中a是我们要求测定的结果，一般可真近似地用a的标准值a来代替a。所谓标准值，是指用其他更为可标真靠的方法测出的值或摘自文献的公认值。因此测量的准确度可近似地表示为：　　（1-9）

精密度是指各次测量值a与可靠值的偏差程度，也就是指在ni次测量中测得值之间相互偏差的程度。它可判断所做的实验是否精细（注意不是准确度），常用三种不同方式来表示。（1）平均误差　（2）标准误差σ　（3）或然误差P　P=0.6745σ

以上三种均可用来表示测量的精密度，但数值上略有不同，它们的关系是

在物理化学实验中通常用平均误差或标准误差来表示测量精密度。平均误差的优点是计算方便，但有着把质量不高的测量值掩盖着的缺点。标准误差是平方和的开方，能更明显地反映误差，在精密地计算实验误差时最为常用。如甲、乙两人进行某实验，甲的两次测量误差为+1、-3，而乙为+2、-2。显然乙精密度比甲高，但甲、乙的平均误差均为2，而其标准误差甲和乙各为=、=，由此可见用后者来反映误差比前者优越。

由于不能肯定a离是偏高还是偏低，所以测量结果常用i±σ（或±）来表示。σ（或）愈小，则表示测量的精密度愈高。有时也用相对精密度σ来表示精密度。相对　　（1-10）

测量压力的五次有关数据列于表1-4。表1-4　测量压力的五次有关数据

其算术平均值

平均误差

平均相对误差

标准误差

相对误差

故上述压力测量值的精密度为（98298±6）Pa[或（98298±4）Pa]，从概率论可知，大于3σ的误差的出现概率只有0.3%，故通常把这一数值称为极限误差，即　　（1-11）

如果个别测量的误差超过3σ，则可认为是由过失误差引起而将其舍弃。由于实际测量是为数不多的几次测量，概率论不适用，而个

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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