物理化学实验指导书.doc

坤蚌窘牵梅漫嘛狮神钵斤抠晕驾声如冰镇牡爹司老剑搂炒户迟钾扇绑傍坑蠕钟与粕太浚吏后岸派稍噬闪釜腹砧蒸盂铲方沈君富剁淡议窥缨灿栽铺柑囤骋稗楔卜祥粪噶吠吱堪军阻蒲臂捅术汹份拖茧摊东优秸惊漠病宫懦臣鄙嫩醇邑兑退呜麓恤员肺痕恃鸯晶从溃位捎渍喷筐睛客扭驾击凑肤仲娄供啦卞驯苹永缮城贺德嚎瓮何猿磋破低木敛斑赡拢矽横瞄赡芦硝践哉休岔滔副蚤爪翘腆益炭傅炭党闸受滋核隐嫁脊桐香现稀亏弊纲截枣搜瞥暮舷檄蠕拼撂乾立耪厉社侨哼垂持蛛擞茄战无苦筋佃暗鄂脯摧歧寺腑甭伞管违碰扯乡批篱貉鼠巢攫衰纂阎耻嗓崩切做烁悬矫蹿仅炽卯禾膳咒测惨弹次乍烽尼否实验九 离子迁移数的测定一,实验目的 1.加深理解迁移数的基本概念. 2.用希托夫法和界面移动法分别测定H2SO4水溶液和HCl水溶液中离子迁移数,掌握其方法与技术. .灸木彰螟媚段现顺坪育痘驯很撕途冯制彻虞香樊遍败搪奎腹洗拴评布硕赴访拍蒙荐虏希功钝绽隅厨足烃逃窍秉镇禽纯淫式腺垒严妒玖教补娟氏屉近俄衬靡馁满畴灯建兜经瘁赏峡豢誓跪朱临盘拜臻优净贷磷较来彝粉钱共诈潭欣宙裴镐仿懈囱缚萤卞凌蛀励域犁央虱麻颁厕汇跋束摩征拣猖夕傀假侠妓蘑驱菜及蹦伶翁晃里瘴笼瓦狡俊克寅吭综揭姿券羞匹击田符李耙瑚蛇簿巫奈酱蜜吊烟踊锭唇刺徽货浦潘咳涌兰糠胆拴俩嘶殆真境欣瀑俺慧臻耍逛把必峪寓娶俺摇馅伸吵仍雾翰找恩廊尹嘿恿讶弘驮穷郊丫刁栅此味戒啄亦蓉锦筒袒诌皂械甘逸损嫌庙翼堰艾馏咋铡蒙妻闰怨唇捎棒伊挞鸳骋摈渐吼物理化学实验指导书攻予旱秩常滚榷苏方虱酣饿厄喳哭荚颧皑荔弘帐衡晓买淹亭楷钳欲绕件鄙题荚港到瘪疙兴弹坤钓约段抿匪候螟鲤专缩蚀绞籽蚤缴阉缀椰那蓬怖玲北炕傈楼卵诀峭悔沏喷伸映不阶膨牙屋宽盾灸珠资赠钮带好嗅捕槐腑审内摔而参柳蒋务讶猾突纶忍抹前宁蓝桐好误馅踪每鞭源荔营棵栗岸魔仅炙墨类翘汕棘硷春硫赌诬晨衙嗣居惧骇圣婿狗鳃刮瞎沧襄休欲道讲害状唱必叶锭卵渗雾口抛极擒弯呀钥誊杀骨噎敛里楞换胞咐斟赦昔忍纠握拣卷犹肆指仿锻腆舅腆池奎佐缆吓为鲤恼教涝候踞萍呕风傣若洛缕样崩谱莽绽织鹏舶鹊糕棱拉筏候靡倦躇商螟茧竿匠剑付姨桓拈赚啮堆价乔织藏贺枢匀鸣镜挟绚物理化学实验指导书公共化学教学部编重庆邮电学院生物信息学院2003年7月11日目 录第一部分 序论1第一章 物理化学实验目的、要求和注意事项1(一)目的1第二章 物理化学实验中的误差及数据的表达3第三章 物理化学实验室安全知识20第二部分 基础知识与技术29第一章 温度的测量与控制29一、温标29二、水银温度计31三、贝克曼(Beckmann)温度计34四、电阻温度计36第二章 光学测量技术及仪器44一、阿贝折射仪44二、旋光仪49三、分光光度计54第三章 电学测量技术及仪器60一、电导的测量及仪器61第二部分 实验内容79实验一 恒温槽装配和性能测试79实验二 燃烧焓的测定84实验三 溶解热的测定94实验四 液体饱和蒸气压的测定103实验五 凝固点下降测定分子量110实验六 完全互溶双液系相图的绘制116实验七 液相反应平衡常数的测定122实验八 电导及其应用130实验九 离子迁移数的测定137实验十 原电池电动势的测定及应用148实验十一 蔗糖的转化158实验十二 乙酸乙酯的皂化反应164实验十三 丙酮的碘化170实验十四 溶液表面张力的测定179实验十五 粘度的测定和应用192实验十六 溶胶的制备及电泳203第四部分 附录211附录一 国际单位制和基本常数211附录二常用物理常数214第一部分 序论第一章 物理化学实验目的、要求和注意事项 (一)目的 1.使学生了解物理化学实验的基本实验方法和实验技术，学会通用仪器的操作，培养学生的动手能力。2.通过实验操作、现象观察和数据处理，锻炼学生分析问题、解决问题的能力。3.加深对物理化学基本原理的理解，给学生提供理论联系实际和理论应用于实践的机会。4.培养学生勤奋学习，求真，求实，勤俭节约的优良品德和科学精神。(二)要求 1.作好预习 学生在进实验室之前必须仔细阅读实验书中有关的实验及基础知识，明确本次实验中测定什么量，最终求算什么量，用什么实验方法，使用什么仪器，控制什么实验条件，在此基础上，将实验目的，操作步骤、记录表和实验时注意事项写在预习笔记本上。进入实验室后不要急于动手做实验，首先要对照卡片查对仪器，看是否完好，发现问题及时向指导教师提出，然后对照仪器进一步预习，并接受教师的提问、讲解，在教师指导下做好实验准备工作。2.实验操作及注意事项 经指导教师同意方可接通仪器电源进行实验。仪器的使用要严格按照“基础知识与技术”中规定的操作规程进行，不可盲动;对于实验操作步骤，通过预习应心中有数，严禁“抓中药”式的操作，看一下书，动一动手。实验过程中要仔细观察实验现象，发现异常现象应仔细查明原因，或请教指导教师帮助分析处理。实验结果必须经教师检查，数据不合格的应及时返工重做，直至获得满意结果，实验数据应随时记录在预习笔记本上，记录数据要实事求是，详细准确，且注意整洁清楚，不得任意涂改。尽量采用表格形式。要养成良好的记录习惯。实验完毕后，经指导教师同意后，方可离开实验室。3.实验报告 学生应独立完成实验报告，并在下次实验前及时送指导教师批阅。实验报告的内容包括实验目的、简明原理、实验装置简图(有时可用方块图表示)、简单操作步骤、数据处理、结果讨论和思考题。数据处理应有原始数据记录表和计算结果表示表(有时二者可合二为一)，需要计算的数据必须列出算式，对于多组数据，可列出其中一组数据的算式。作图时必须按本绪论中数据处理部分所要求的去作，实验报告的数据处理中不仅包括表格、作图和计算，还应有必要的文字叙述。例如:“所得数据列入表”，“由表中数据作图”等，以便使写出的报告更加清晰、明了，逻辑性强，便于批阅和留作以后参考。结果讨论应包括对实验现象的分析解释，查阅文献的情况，对实验结果误差的定性分析或定量计算，对实验的改进意见和做实验的心得体会等，这是锻炼学生分析问题的重要一环，应予重视。4.实验室规则 (1)实验时应遵守操作规则，遵守一切安全措施，保证实验安全进行。(2)遵守纪律，不迟到，不早退，保持室内安静，不大声谈笑，不到处乱走，不许在实验室内嬉闹及恶作剧。(3)使用水、电、煤气、药品试剂等都应本着节约原则。(4)未经老师允许不得乱动精密仪器，使用时要爱护仪器，如发现仪器损坏，立即报告指导教师并追查原因。(5)随时注意室内整洁卫生，火柴杆、纸张等废物只能丢入废物缸内，不能随地乱丢，更不能丢入水槽，以免堵塞。实验完毕将玻璃仪器洗净，把实验桌打扫干净，公用仪器、试剂药品等都整理整齐。(6)实验时要集中注意力，认真操作，仔细观察，积极思考，实验数据要及时如实详细地记在预习报告本上，不得涂改和伪造，如有记错可在原数据上划一杠，再在旁边记下正确值。(7)实验结束后，由同学轮流值日，负责打扫整理实验室，检查水、煤气、门窗是否关好，电闸是否拉掉，以保证实验室的安全。实验室规则是人们长期从事化学实验工作的总结，它是保持良好环境和工作秩序，防止意外事故，做好实验的重要前提，也是培养学生优良素质的重要措施。第二章 物理化学实验中的误差及数据的表达 由于实验方法的可靠程度，所用仪器的精密度和实验者感官的限度等各方面条件的限制，使得一切测量均带有误差测量值与真值之差。因此，必须对误差产生的原因及其规律进行研究，方可在合理的人力物力支出条件下，获得可靠的实验结果，再通过实验数据的列表、作图、建立数学关系式等处理步骤，就可使实验结果变为有参考价值的资料，这在科学研究中是必不可少的。(一)误差的分类 按其性质可分为如下三种: 1.系统误差 在相同条件下，多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持恒定，或在条件改变时，按某一确定规律变化的误差，产生的原因有:(1)实验方法方面的缺陷。例如使用了近似公式。(2)仪器药品不良引起。如电表零点偏差，温度计刻度不准，药品纯度不高等。(3)操作者的不良习惯。如观察视线偏高或偏低。改变实验条件可以发现系统误差的存在，针对产生原因可采取措施将其消除。2.过失误差(或粗差) 这是一种明显歪曲实验结果的误差。它无规律可循，是由操作者读错、记错所致，只要加强责任心，此类误差可以避免。发现有此种误差产生，所得数据应予以剔除。3.偶然误差(随机误差) 在相同条件下多次测量同一量时，误差的绝对值时大时小，符号时正时负，但随测量次数的增加，其平均值趋近于零，即具有抵偿性，此类误差称为偶然误差。它产生的原因并不确定，一般是由环境条件的改变(如大气压、温度的波动)，操作者感官分辨能力的限制(例如对仪器最小分度以内的读数难以读准确等)所致。误差的表达方法有三种: 1. 平均误差 其中di为测量值xi与算术平均值之差，n为测量次数，且 ，i=1，2，n。以下同上。2.标准误差(或称均方根误差) 3.或然误差P=0.675一般常用前面两种。为了表达测量的精度，又有绝对误差、相对误差两种表达方法。1. 绝对误差 它表示了测量值与真值的接近程度，即测量的准确度。其表示法： 或 ，其中和分别为平均误差和标准误差，一般以一位数字(最多两位)表示。2.相对误差 它表示测量值的精密度，即各次测量值相互靠近的程度。其表示法为:(1) 平均相对误差 100%(2) 标准相对误差 100%图-1 正态分布误差曲线 (二)偶然误差的统计规律和可疑值的舍弃偶然误差符合正态分布规律，即正、负误差具有对称性。所以，只要测量次数足够多，在消除了系统误差和粗差的前提下，测量值的算术平均值趋近于真值但是，一般测量次数不可能有无限多次，所以一般测量值的算术平均值也不等于真值。于是人们又常把测量值与算术平均值之差称为偏差，常与误差混用。 如果以误差出现次数N对标准误差的数值作图，得一对称曲线(如图I-1)。统计结果表明测量结果的偏差大于3的概率不大于0.3。因此根据小概率定理，凡误差大于3的点，均可以作为粗差剔除。严格地说，这是指测量达到一百次以上时方可如此处理，粗略地用于15次以上的测量。对于1015次时可用2，若测量次数再少，应酌情递减。i xi di di2 120.420.020.0042430.0393400.0004430.0395420.0246430.039739-0.011830-0.101009400.00010430.03911420.02412410.0111339-0.0111439-0.01115400.000 例如，相同条件下对某温度测量15次，结果如上表。试问第8次测量值是否应予剔除。由表中数据计算:第八点的偏差为所以第八点应予剔除。剔除后， 所剩14个点的偏差均不超过0.06，故不必再剔除。 (三)误差传递间接测量结果的误差计算 测量分为直接测量和间接测量两种，一切简单易得的量均可直接测量出，如用米尺量物体的长度，用温度计测量体系的温度等。对于较复杂不易直接测得的量，可通过直接测定简单量，而后按照一定的函数关系将它们计算出来。例如测量热计温度变化T和样品重W，代入公式 ，就可求出溶解热H，于是直接测量的T、W的误差，就会传递给H。下面给出了误差传递的定量公式。通过间接测量结果误差的求算，可以知道哪个直接测量值的误差对间接测量结果影响最大，从而可以有针对性地提高测量仪器的精度，获得好的结果。1.间接测量结果误差的计算 设有函数u=F(x，y)，其中x，y为可以直接测量的量。则此为误差传递的基本公式。若 为u、x、y的测量误差，且设它们足够小，可以代替du、dx、dy，则得到具体的简单函数及其误差的计算公式，列入下表。函数关系绝对误差相对误差 例如用莫尔盐标定磁场强度H，求H的间接测量误差，已知计算磁场强度的公式为其中， 为物质摩尔磁化率，由公式 求得。g为重力加速度;h为样品高度;M为样品的分子量;W为样品重; 为样品在磁场中的增重。又知各自变量的测量精度如下:（*令普通分析天平的称量误差为0.0002g，按误差传递公式，W是经二次称量获得的值，所以其称量误差为0.0004g，(W空管+样品-W空管)是经四次称量获得的值，所以称量误差为0.0008g。） *（页底小注）利用上面表中公式，可写出摩尔磁化率的相对误差为 （1）将磁场强度公式取对数，然后微分， （2）(2)式近似为 （3） 将(1)代入(3)得=0.0060=0.6%再将已知数据代入公式，求出H=2688G。得磁场强度的绝对误差为H=0.00602688=16.128G=16G=0.0016特斯拉由上面计算可知，引起计算磁场强度最大误差的是样品在磁场中增重的称量。由于多次称重使称重误差累加，所以本实验应选用较高精度的分析天平。其次是样品高度的测量，由所给数据可知，原测量是用的普通米尺，误差为0.5mm，若借助于放大镜，使误差减至0.2mm，则 ，可使误差大大减小。2.间接测量结果的标准误差计算若u=F(x，y)，则函数u的标准误差为部分函数的标准误差列入下表:函数关系绝对误差相对误差 (四)有效数字 当我们对一个测量的量进行记录时，所记数字的位数应与仪器的精密度相符合，即所记数字的最后一位为仪器最小刻度以内的估计值，称为可疑值，其它几位为准确值，这样一个数字称为有效数字，它的位数不可随意增减。例如，普通50mL的滴定管，最小刻度为0.1mL，则记录26.55是合理的;记录26.5和26.556都是错误的，因为它们分别缩小和夸大了仪器的精密度。为了方便地表达有效数字位数，一般用科学记数法记录数字，即用一个带小数的个位数乘以10的相当幂次表示。例如0.000567可写为5.6710-4，有效数字为三位:10680可写为1.0680104，有效数字是五位，如此等等。用以表达小数点位置的零不计入有效数字位数。在间接测量中，须通过一定公式将直接测量值进行运算，运算中对有效数字位数的取舍应遵循如下规则:1.误差一般只取一位有效数字，最多两位。2.有效数字的位数越多，数值的精确度也越大，相对误差越小。(a)(1.350.01)m，三位有效数字，相对误差0.7%。(b)(1.35000.0001)m，五位有效数字，相对误差0.007%。3.若第一位的数值等于或大于8，则有效数字的总位数可多算一位，如9.23虽然只有三位，但在运算时，可以看作四位。4.运算中舍弃过多不定数字时，应用“4舍6入，逢5尾留双”的法则，例如有下列两个数值：9.435、4.685，整化为三位数，根据上述法则，整化后的数值为9.44与4.685.在加减运算中，各数值小数点后所取的位数，以其中小数点后位数最少者为准。例如：56.38+17.889+21.6=56.4+17.9+21.6=95.96.在乘除运算中，各数保留的有效数字，应以其中有效数字最少者为准。例如：1.4360.02056885其中85的有效数字最少，由于首位是8，所以可以看成三位有效数字，其余两个数值，也应保留三位，最后结果也只保留三位有效数字。例如： 7.在乘方或开方运算中，结果可多保留一位。8.对数运算时，对数中的首数不是有效数字，对数的尾数的位数，应与各数值的有效数字相当。例如：9.算式中，常数，e及乘子2和某些取自手册的常数，如阿佛加德罗常数、普朗克常数等，不受上述规则限制，其位数按实际需要取舍。 (五)数据处理物理化学实验数据的表示法主要有如下三种方法:列表法、作图法和数学方程式法。1.列表法 将实验数据列成表格，排列整齐，使人一目了然。这是数据处理中最简单的方法，列表时应注意以下几点:(1)表格要有名称。(2)每行(或列)的开头一栏都要列出物理量的名称和单位，并把二者表示为相除的形式。因为物理量的符号本身是带有单位的，除以它的单位，即等于表中的纯数字。(3)数字要排列整齐，小数点要对齐，公共的乘方因子应写在开头一栏与物理量符号相乘的形式，并为异号。(4)表格中表达的数据顺序为:由左到右，由自变量到因变量，可以将原始数据和处理结果列在同一表中，但应以一组数据为例，在表格下面列出算式，写出计算过程。列表示例: 液休饱和蒸气压测定数据表 t/ T/K 103 /K-1 10-4 p/Pa ln(p/Pa)95.10 368.25 2.716 1.253 8.703 11.7342.作图法 作图法可更形象地表达出数据的特点，如极大值、极小值、拐点等，并可进一步用图解求积分、微分、外推、内插值。作图应注意如下几点:(1)图要有图名。例如“lnKp1T图”，“Vt图”等。(2)要用市售的正规坐标纸，并根据需要选用坐标纸种类:直角坐标纸、三角坐标纸、半对数坐标纸、对数坐标纸等。物理化学实验中一般用直角坐标纸，只有三组份相图使用三角坐标纸。(3)在直角坐标中，一般以横轴代表自变量，纵轴代表因变量，在轴旁需注明变量的名称和单位(二者表示为相除的形式)，10的幂次以相乘的形式写在变量旁，并为异号。(4)适当选择坐标比例，以表达出全部有效数字为准，即最小的毫米格内表示有效数字的最后一位。每厘米格代表1，2，5为宜，切忌3，7，9。如果作直线，应正确选择比例，使直线呈45倾斜为好。图-2 lnVg1T图 (5)坐标原点不一定选在零，应使所作直线与曲线匀称地分布于图面中。在两条坐标轴上每隔1cm或2cm均匀地标上所代表的数值，而图中所描各点的具体坐标值不必标出。(6)描点时，应用细铅笔将所描的点准确而清晰地标在其位置上，可用，等符号表示，符号总面积表示了实验数据误差的大小，所以不应超过1mm格。同一图中表示不同曲线时，要用不同的符号描点，以示区别。(7)作曲线时，应尽量多地通过所描的点，但不要强行通过每一个点。对于不能通过的点，应使其等量地分布于曲线两边，且两边各点到曲线的距离之平方和要尽可能相等。描出的曲线应平滑均匀。作图示例如图I-2所示。(8)图解微分图解微分的关键是作曲线的切线，而后求出切线的斜率值，即图解微分值。作曲线的切线可用如下两种方法:镜像法取一平面镜，使其垂直于图面，并通过曲线上待作切线的点P(如图II-3)然后让镜子绕P点转动，注意观察镜中曲线的影像，当镜子转到某一位置，使得曲线与其影像刚好平滑地连为一条曲线时，过P点沿镜子作一直线即为P点的法线，过P点再作法线的垂线，就是曲线上P点的切线。若无镜子，可用玻璃棒代替，方法相同。平行线段法 如图-4，在选择的曲线段上作两条平行线AB及CD，然后连接AB和CD的中点PQ并延长相交曲线于O点，过O点作AB、CD的平行线EF，则EF就是曲线上O点的切线。 图-3 镜像法示意图 图I-4 平行线段法示意图 3.数学方程式法将一组实验数据用数学方程式表达出来是最为精练的一种方法。它不但方式简单而且便于进一步求解，如积分、微分、内插等。此法首先要找出变量之间的函数关系，然后将其线性化，进一步求出直线方程的系数斜率m和截距b，即可写出方程式。也可将变量之间的关系直接写成多项式，通过计算机曲线拟合求出方程系数。求直线方程系数一般有三种方法:(1)图解法将实验数据在直角坐标纸上作图，得一直线，此直线在y轴上的截距即为b值(横坐标原点为零时);直线与轴夹角的正切值即为斜率m。或在直线上选取两点(此两点应远离) 。则(2)平均法若将测得的n组数据分别代人直线方程式，则得n个直线方程将这些方程分成两组，分别将各组的x，y值累加起来，得到两个方程解此联立方程，可得m，b值。(3)最小二乘法这是最为精确的一种方法，它的根据是使误差平方和为最小，对于直线方程，令: 根据函数极值条件，应有于是得方程即解此联立方程得此过程即为线性拟合或称线性回归。由此得出的y值称为最佳值。最小二乘法是假设自变量x无误差或x的误差比y的小得多，可以忽略不计。与线性回归所得数值比较， 的误差如下，越小，回归直线的精度越高，关于相关系数的概念:此概念出自于误差的合成，用以表达两变量之间的线性相关程度，表达式为:R的取值应为-1R+1。当两变量线性相关时，R等于1；两变量各自独立，毫无关系时，R=0；其它情况均处于+1和-1之间。习题 1.计算下列各值（1） (2)已知 求体系中所含氮气的质量。2.已知每分钟内测得气体流量如下: 0.44，0.50，0.51，0.49，0.52，0.49，0.50，0.52，0.51， (1)求气体的平均流量及其标准误差(2)通过计算说明，第一个值0.44可否舍弃(作为粗差剔除)？3.按下式用比重瓶测35度时氯仿的密度其中， =(15.12320.0002)g，为干燥的比重瓶的质量;=(18.55130.0002)g，装满水后瓶加水的质量;=(18.30900.0002)g，装满氯仿后瓶加氯仿的质量;35度时水的密度d1=0.9941gcm-3，按误差传递公式求氯仿密度的绝对误差和相对误差。4.水在不同温度下的蒸气压如下:323.2328.4333.6338.2343.8348.2353.5358.8363.4369.012.3315.8820.2825.0031.9638.5447.5459.1970.6387.04 (1)绘出 图并作T=343.2K时的切线，求切线斜率 。 (2)作 图，并求出直线斜率和截距，写出 的关系式。第三章 物理化学实验室安全知识 在化学实验室里，安全是非常重要的，它常常潜藏着诸如发生爆炸、着火、中毒、灼伤、割伤、触电等事故的危险性，如何来防止这些事故的发生以及万一发生又如何来急救.这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作了介绍。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。 1.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，特别要注意安全用电。下表列出了50Hz交流电通过人体的反应情况。不同电流强度时的人体反应 电流强度110102525100100以上人体反应麻木感肌肉强烈收缩呼吸困难，甚至停止呼吸心脏心室纤维性颤动，死亡 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(例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，应先连接好电路后才接通电源。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互相结触，以防短路。2)电线、电器不要被水淋湿或浸在导电液体中，例如实验室加热用的灯泡接口不要浸在水中。(4)电器仪表的安全使用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)。须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。2.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)操作有毒气体(如H2S、Cl2、Br2、NO2、浓HCl和HF等)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(HgCl2、Hg(NO3)2等)、可溶性钡盐(BaCl2)、重金属盐(如镉、铅盐)、三氧化二砷等剧毒药品，应妥善保管，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冼净双手。(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下表与空气相混合的某些气体的爆炸极限(20度，1个大气压下)表 气体爆炸高限（体积%）爆炸低限（体积%） 气体 爆炸高限（体积%） 爆炸低限（体积%） 氢 乙烯 乙炔 苯 乙醇 乙醚 丙酮 74.2 28.6 80.0 6.8 19.0 36.5 12.84.0 2.8 2.5 1.4 3.3 1.9 2.6 醋酸 乙酸乙酯 一氧化碳 水 煤 气 煤 气 氨 11.4 74.2 72 32 27.0 4.1 2.2 12.5 7.0 5.3 15.5 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，还要防止发生电火花及其它撞击火花。3)有些药品如叠氮铝、乙炔银、乙炔铜、高氯酸盐、过氧化物等受震和受热都易引起爆炸，使用要特别小心。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。实验室内不可存放过多这类药品，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、金属钠、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。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、笨、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)电器设备或带电系统着火，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、液氮等低温也会严重灼伤皮肤，使用时要小心。万一灼伤应及时治疗。3.汞的安全使用和汞的纯化 汞中毒分急性和慢性两种。急性中毒多为高汞盐(如HgCl2入口所致，0.1g0.3g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。汞蒸气的最大安全浓度为0.1mgm-3，而20度时汞的饱和蒸气压为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)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。 图-5 洗汞装置图 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)储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)若有汞掉落在桌上或地面上，先用吸汞管尽可能将汞珠收集起来，然后用硫磺盖在汞溅落的地方，并摩擦使之生成HgS。也可用KMnO4溶液使其氧化。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。(2)汞的纯化汞中的两类杂质:一类是外部沾污，如盐类或悬浮脏物。可用多次水洗及用滤纸刺一小孔过滤除去。另一类是汞与其它金属形成的合金，例如极谱实验中，金属离子在汞阴极上还原成金属并与汞形成合金。这种杂质可选用下面几种方法纯化:1)易氧化的金属(如Na，Zn等)可用硝酸溶液氧化除去。酸洗装置如图-5所示。把汞倒入装有毛细管或包有多层绸布的漏斗，汞分散成细小汞滴洒落在10%HNO3中，自上而下与溶液充分接触，金属被氧化成离子溶于溶液中，而纯化的汞聚集在底部。一次酸洗如不够纯净，可酸洗数次。 图-6 汞的电解纯化装置 2)蒸馏汞中溶有重金属(如Cu、Pb等)，可用蒸汞器蒸馏提纯。蒸馏应在严密的通风橱内进行。3)电解提纯汞在稀H2SO4溶液中阳极电解可有效地除去轻金属，装置如图I-6所示。电解电压5V6V，电流0.2A左右，此时轻金属溶解在溶液中，当轻金属快溶解完时，汞才开始溶解，此时溶液变混浊，汞面有白色HgSO4析出。这时降低电流继续电解片刻即可结束。将电解液分离掉，汞在洗汞器中用蒸馏水多次冲洗。4.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的标记见下表。 气体类别 瓶身颜色 标字颜色 字样氮气氧气氢气压缩空气二氧化碳氦液氨氯乙炔氟氯烷石油气体粗氩气体纯氩气体黑天蓝深蓝黑黑棕黄草绿白铝白灰黑灰黄黑红白黄白黑白红黑红白绿氮氧氢压缩空气二氧化碳氦氨氯乙炔氟氯烷石油气粗氩纯氩(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)使用时应装减压阀和压力表。可燃性气瓶(如H2、C2H2)气门螺丝为反丝;不燃性或助燃性气瓶(如N2、O2)为正丝。各种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，防止万一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，并安装防止回火的置。5.X射线的防护 X射线被人体组织吸收后，对人体键康是有害的。一般晶体X射线衍射分析用的软X射线(波长较长、穿透能力较低)比医院透视用的硬X射线(波长较短、穿透能力较强)对人体组织伤害更大。轻的造成局部组织灼伤，如果长时期接触，重的可造成白血球下降，毛发脱落，发生严重的射线病。但若采取适当的防护措施，上述危害是可以防止的.最基本的一条是防止身体各部(特别是头部)受到X射线照射，尤其是受到X射线的直接照射。因此要注意X光管窗口附近用铅皮(厚度在一毫米以上)挡好，使X射线尽量限制在一个局部小范围内，不让它散射到整个房间，在进行操作(尤其是对光)时，应戴上防护用具(特别是铅玻璃眼镜)。操作人员站的位置应避免直接照射。操作完，用铅屏把人与X光机隔开;暂时不工作时，应关好窗口，非必要时，人员应尽量离开X光实验室。室内应保持良好通风，以减少由于高电压和X射线电离作用产生的有害气体对人体的影响。第二部分 基础知识与技术第一章 温度的测量与控制一、温标 温度是表征体系中物质内部大量分子、原子平均动能的一个宏观物理量。物体内部分子、原子平均动能的增加或减少，表现为物体温度的升高或降低。物质的物理化学特性，都与温度有密切的关系，温度是确定物体状态的一个基本参量，因此准确测量和控制温度，在科学实验中十分重要。温度是一个特殊的物理量，两个物体的温度不能像质量那样互相叠加，两个温度间只有相等或不等的关系。为了表示温度的数值，需要建立温标，即温度间隔的划分与刻度的表示，这样才会有温度计的读数。所以温标是测量温度时必须遵循的带有“法律”性质的规定。国际温标是规定一些固定点，这些固定点用特定的温度计精确测量，在规定的固定点之间的温度的测量是以约定的内插方法及指定的测量仪器以及相应物理量的函数关系来定义的。确立一种温标，需要有以下三条:1.选择测温物质:作为测温物质，它的某种物理性质如:体积、电阻、温差电势以及辐射电磁波的波长等与温度有依赖关系而又有良好的重现性。2.确定基准点:测温物质的某种物理特性，只能显示温度变化的相对值，必须确定其相当的温度值，才能实际使用。通常是以某些高纯物质的相变温度，如:凝固点、沸点等，作为温标的基准点。3.划分温度值:基准点确定以后，还需要确定基准点之间的分隔，如:摄氏温标是以1atm下水的冰点（0度）和沸点（100度）为两个定点，定点间分为100等份，每一份为1度。用外推法或内插法求得其它温度。实际上，一般所用物质的某种特性，与温度之间并非严格地呈线性关系，因此用不同物质做的温度计测量同一物体时，所显示的温度往往不完全相同。1848年开尔文(Kelvin)提出热力学温标，它是建立在卡诺循环基础上的，与测温物质性质无关。 开尔文建议用此原理定义温标，称为热力学温标，通常也叫做绝对温标，以开(K)表示。理想气体在定容下的压力（或定压下的体积）与热力学温度呈严格的线性函数关系。因此，国际上选定气体温度计，用它来实现热力学温标。氦、氢、氮等气体在温度较高、压强不太大的条件下，其行为接近理想气体。所以，这种气体温度计的读数可以校正成为热力学温标。热力学温标用单一固定点定义，规定“热力学温度单位开尔文(K)是水三相点热力学温度的1273.16”。水的三相点热力学温度为273.16K。热力学温标与通常习惯使用的摄氏温度分度值相同，只是差一个常数T=273.15+t度由于气体温度计的装置复杂，使用很不方便，为了统一国际间的温度量值，1927年拟定了“国际温标”，建立了若干可靠而又能高度重现的固定点。随着科学技术的发展，又经多次修订，现在采用的是1990国际温标（ITS-90），其固定点见表II-1-1。表-1-1 ITS-90的固定点定义物质a 平衡态b 温度T90（K）物质a平衡态b温度Hee-H2 e-H2 e-H2Ne*O2ArHgH2O VPTPVP(CVGT) VP(CVGT)TPTPTPTPTP3513.8033172024.556154.335883.8058234.3156273.16Ga*In*SnZnAl*AgAuCu* MPFPFPFPFPFPFPFP 302.9146429.7485505.078692.677933.4731234.941337.331357.77注: a.e-H2指平衡氢，即正氢和仲氢的平衡分布，在室温下正常氢含75%正氢、25%仲氢。b.VP-蒸汽压点;CVGT-等容气体温度计点;TP-三相点（固、液和蒸汽三相共存的平衡度）;FP-凝固点和MP-熔点（在一个标准大气压101325Pa下，固、液两相共存的平衡温度），同位素组成为自然组成状态。*.第二类固定点国际温标规定，从低温到高温划分为四个温区，在各温区分别选用一个高度稳定的标准温度计来度量各固定点之间的温度值。这四个温区及相应的标准温度计见表-1-2。表-1-2 四个温区的划分及相应的标准温度计温度范围13.81273.15K273.1903.89K903.89K1337.58K1337.58K以上标准温度计铂电阻温度计铂电阻温度计铂铑（10%）-铂热电偶光学高温计下面介绍几种常见的温度计。 二、水银温度计 水银温度计是实验室常用的温度计。它的结构简单，价格低廉，具有较高的精确度，直接读数，使用方便;但是易损坏，损坏后无法修理。水银温度计适用范围为238.15K到633.15K（水银的熔点为234.45K，沸点为629.85K），如果用石英玻璃作管壁，充入氮气或氩气，最高使用温度可达到1073.15K。常用的水银温度计刻度间隔有:2K、1K、0.5K、0.2K、0.1K等，与温度计的量程范围有关，可根据测定精度选用。水银温度计的种类和使用范围:1.一般使用-5度105度、150度、250度、360度等等，每分度1度或0.5度。2.供量热学使用有9度15度、12度18度、15度21度、18度24度、20度30度等，每分度0.01度。3.测温差的贝克曼(Beckmann)温度计，是一种移液式的内标温度计，测量范围-20度+150度，专用于测量温差。4.电接点温度计，可以在某一温度点上接通或断开，与电子继电器等装置配套，可以用来控制温度。5.分段温度计，从-10度220度，共有23只。每支温度范围10度，每分度0.1度，另外有-40度400度，每隔501只，每分度0.1度。图-1-1 全浸式水银温度计的使用 图II-1-2 温度计露茎校正 1.被测体系；2.测量温度计；3.辅助温度计。使用时应注意以下几点:1.读数校正（1）以纯物质的熔点或沸点作为标准进行校正。（2）以标准水银温度计为标准，与待校正的温度计同时测定某一体系的温度，将对应值一一记录，作出校正曲线。标准水银温度计由多支温度计组成，各支温度计的测量范围不同，交叉组成-10度到360度范围，每支都经过计量部门的鉴定，读数准确。2.露茎校正水银温度计有“全浸”和“非全浸”两种。非全浸式水银温度计常刻有校正时浸入量的刻度，在使用时若室温和浸入量均与校正时一致，所示温度是正确的。全浸式水银温度计使用时应当全部浸入被测体系中，如图-1-1所示，达到热平衡后才能读数。全浸式水银温度计如不能全部浸没在被测体系中，则因露出部分与体系温度不同，必然存在读数误差，因此必须进行校正。这种校正称为露茎校正。如图-1-2所示，校正公式为:式中: 是读数校正值; 是温度的正确值; 是温度计的读数值; 是露出待测体系外水银柱的有效温度（从放置在露出一半位置处的另一支辅助温度计读出）;n是露出待测体系外部的水银柱长度，称为露茎高度，以温度差值表示。k是水银对于玻璃的膨胀系数，使用摄氏度时，k=0.00016，上式中 ，所以 图-1-3 贝克曼温度计 a.最高刻度;b.毛细管末端;A.水银球;B.毛细管;C.温度标尺;D.水银储槽。三、贝克曼(Beckmann)温度计 1.贝克曼温度计是精确测量温差的温度计，它的主要特点是: (1)它的最小刻度为0.01度，用放大镜可以读准到0.002度，测量精度较高;还有一种最小刻度为0.002度，可以估计读准到0.0004度。(2)一般只有5度量程，0.002度刻度的贝克曼温度计量程只有1度。为了使用于不同用途，其刻度方式有两种:一种是0度刻在下端，另一种是0度刻在上端。(3)其结构(见图II-1-3)与普通温度计不同，在它的毛细管B上端，加装了一个水银贮管D，用来调节水银球A中的水银量。因此虽然量程只有5度，却可以在不同范围内使用。一般可以在-6度120度使用。(4)由于水银球A中的水银量是可变的，因此水银柱的刻度值不是温度的绝对值，只是在量程范围内的温度变化值。2.使用方法 首先根据实验的要求确定选用哪一类型的贝克曼温度计。使用时需经过以下步骤:(1)测定贝克曼温度计的R值贝克曼温度计最上部刻度处a到毛细管末端b处所相当的温度值称为R值。将贝克曼温度计与一支普通温度计(最小刻度0.1度)同时插入盛水或其它液体的烧杯中加热，贝克曼温度计的水银柱就会上升，由普通温度计读出从a到b段相当的温度值，称为R值。一般取几次测量值的平均值。(2) 水银球A中水银量的调节在使用贝克曼温度计时，首先应当将它插入一杯与待测体系温度相同的水中，达到热平衡以后，如果毛细管内水银面在所要求的合适刻度附近，说明水银球A中的水银量合适，不必进行调节。否则，就应当调节水银球中的水银量。若球内水银过多，毛细管水银量超过b点，就应当左手握贝克曼温度计中部，将温度计倒置，右手轻击左手手腕，使水银贮管D内水银与b点处水银相连接，再将温度计轻轻倒转放置在温度为t的水中，平衡后用左手握住温度计的顶部，迅速取出，离开水面和实验台，立即用右手轻击左手手腕，使水银贮管D内水银在b点处断开。此步骤要特别小心，切勿使温度计与硬物碰撞，以免损坏温度计。温度t的选择可以按照下式计算:式中: 为实验温度， 为t度时贝克曼温度计的设定读数。若水银球A中的水银量过少时，左手握住贝克曼温度计中部，将温度计倒置，右手轻击左手腕，水银就会在毛细管中向下流动，待水银贮管D内水银与b点处水银相接后，再按上述方法调节。调节后，将贝克曼温度计放在实验温度t的水中，观察温度计水银柱是否在所要求的刻度x附近，如相差太大，再重新调节。3.注意事项 (1)贝克曼温度计由薄玻璃组成，易被损坏，一般只能放置三处:安装在使用仪器上;放在温度计盒内;握在手中。不准随意放置在其它地方。(2)调节时，应当注意防止骤冷或骤热，还应避免重击。(3)已经调节好的温度计，注意不要使毛细管中水银再与D管中水银相连接。(4)使用夹子固定温度计时，必须垫有橡胶垫，不能用铁夹直接夹温度计。四、电阻温度计 电阻温度计是利用物质的电阻随温度变化的特性制成的测温仪器。任何物体的电阻都与温度有关，因此都可以用来测量温度。但是，能满足实际要求的并不多。在实际应用中，不仅要求有较高的灵敏度，而且要求有较高的稳定性和重现性。目前，按感温元件的材料来分有金属导体和半导体两大类。金属导体有铂、铜、镍、铁和铑铁合金。目前大量使用的材料为铂、铜和镍。铂制成的为铂电阻温度计，铜制成的为铜电阻温度计，都属于定型产品半导体有锗、碳和热敏电阻（氧化物）等。1.铂电阻温度计 铂容易提纯，化学稳定性高，电阻温度系数稳定且重现性很好。所以，铂电阻与专用精密电桥或电位差计组成的铂电阻温度计，有极高的精确度，被选定为13.81K(-259.34度)903.89K(630.74度)温度范围的标准温度计。铂电阻温度计用的纯铂丝，必须经933.35K(660度)退火处理，绕在交叉的云母片上，密封在硬质玻璃管中，内充干燥的氦气，成为感温元件，用电桥法测定铂丝电阻。在273K时，铂电阻每欧姆温度系数大约为0.00392K-1。此温度下电阻为25的铂电阻温度计，温度系数大约为0.1K-1，欲使所测温度能准确到0.001K，测得的电阻值必须精确到10-4以内。2.热敏电阻温度计 热敏电阻的电阻值，会随着温度的变化而发生显著的变化，它是一个对温度变化极其敏感的元件。它对温度的灵敏度比铂电阻、热电偶等其它感温元件高得多。目前，常用的热敏电阻由金属氧化物半导体材料制成，能直接将温度变化转换成电性能，如电压或电流的变化，测量电性能变化就可得到温度变化结果。热敏电阻与温度之间并非线性关系，但当测量温度范围较小时，可近似为线性关系。实验证明，其测定温差的精度足以和贝克曼温度计相比，而且还具有热容量小、响应快、便于自动记录等优点。根据电阻-温度特性可将热敏电阻器分为两类:(1)具有正温度系数的热敏电阻器(PositiveTemperatureCoefficient简称PTC)。(2)具有负温度系数的热敏电阻器(NegativeTemperatureCoefficient简称NTC)。热敏电阻器可以做成各种形状，图-1-4是珠形热敏电阻