物理化学实验(许新华)

 

《物理化学实验》分为上、中、下三篇，上篇是实验相关知识，包括“致学生——物理化学实验的课程要求和注意事项”“实验数据处理与分析”和“科学数据分析与绘图软件在物理化学实验中的应用”三章，第1章着重介绍了编者的物理化学实验教学理念，第2章着重于误差分析，第3章着重于Origin软件的实用技术。中篇和下篇分别是基础型实验和拓展型实验，包括A类实验（基础型实验）21个和B类实验（拓展型实验）12个，共计33个实验项目。每个实验项目由实验简介、理论探讨、仪器试剂、安全须知和废弃物处理、实验步骤、数据处理与结果分析、讨论与思考及附（若有）构成。《物理化学实验》对一些经典实验项目的实验设计和理论探讨进行了拓展，对实验技术的学习提供了多层次指导和训练，强调科学数据处理软件的应用，尝试在教学实验中模拟科学研究过程。采用全彩色印刷，绘图精美，生动逼真地展现了化学实验的多姿多彩。《物理化学实验》可作为高等院校尤其是工科院校化学及近化学类专业的物理化学实验教材，也可以作为化学类专业基础化学实验教材和化学工作者的参考书。

许新华，同济大学化学系，教研室主任，副教授，1989年7月毕业于复旦大学化学系，物理化学专业，获理学学士学位；1992年7月毕业于复旦大学化学系，物理化学专业，获理学硕士学位；1995年7月毕业于复旦大学化学系，物理化学专业，获理学博士学位。1995年7月进入同济大学化学系担任教师至今，期间参与和完成国家自然科学基金项目2项、863重大项目子课题1项、上海市自然科学基金项目1项。在同济大学从事物理化学专业方向的本科教学工作20多年，主要承担对外院系化学相关专业学生的物理化学课程的理论教学和物理化学实验课程的实验指导，并同时承担对化学系应用化学专业和化学工程与工艺专业本科生的物理化学、物理化学实验及其他专业必修、选修课程的教学，年授课量近300学时，累计完整完成过的本科教学课程总数超过10门，涉及化学学科物理化学专业方向几乎全部的教学内容，包括：物理化学（材料学院）、物理化学实验（材料学院）、物理化学（应用化学专业）、物理化学实验（应用化学专业）、综合化学实验、催化化学、谱学导论、表面化学、化学动力学、结构化学等。在物理化学实验教学方面有深入研究，取得丰富的教学成果，累计开发原创性教学实验项目近20项，发表实验教学改革论文30余篇（其中多篇论文发表在美国化学会主编的Journal of Chemical Education期刊上），获得上海市教学成果一等奖一项、同济大学教学成果奖多项，因教学实践活动表现优异，多次获得同济大学的表彰。教学成果奖和教师荣誉奖1、同济大学教学成果奖特等奖（2015年），项目名称：物理化学实验课程的现代化建设2、高等教育上海市级教学成果奖一等奖（2013年），项目名称：改革实验教学模式，培养学生创新能力-分层次跨学科化学开放实验教学实践3、同济大学教学成果奖二等奖（2012年），项目名称：分层次、跨学科化学开放实验教学平台建设4、上海市级精品课程：物理化学（2010年）5、同济大学教学奖励金教师系列二等奖（2012年）6、同济大学本科生学科竞赛优 秀指导教师（2013）7、同济大学本科生学科竞赛优 秀指导教师（2009）

上篇 物理化学实验基础知识

第1章  致学生——物理化学实验的课程要求和注意事项
2

1.1 准备实验 2

1.2 进行实验 3

1.3 完成实验 4

1.4 文献资料和文献数据 5

1.5 实验诚信与道德 6

1.6 实验室安全 7

第2章  实验数据处理与分析 9

2.1 数值计算与数据表达 9

2.2 数据和结果的不确定性 11

2.3 随机误差统计处理的基本概念 15

2.4 个体标准不确定度的估算 20

2.5 合成标准不确定度：误差传递 31

参考文献 38

第3章  科学数据分析与绘图软件在物理化学实验中的应用 39

3.1 数据输入 39

3.2 图线绘制 41

3.3 线性拟合 45

3.4 图形输出 48

3.5 在已有图形中添加曲线 50

3.6 多坐标图和图层叠合技术 52

3.7 非线性拟合 57

3.8 信号处理 65

3.9 峰的拟合与分析 68

3.10  特殊图线的处理与绘制
74

中篇 基础型实验

A1 氧弹量热法——固体有机物生成焓的测定 86

附 热电阻温度传感器 95

A2 溶解热的测定 97

A3 差热分析 104

附  恒温控制原理 110

A4 纯液体饱和蒸气压的测定 120

A5 凝固点降低法测定溶质的摩尔质量 124

A6 二元溶液的气液平衡 133

附  折射率和阿贝折光仪 139

A7 二组分合金体系液固平衡相图的绘制 144

A8 正戊醇-乙酸-水三元体系等温等压相图的绘制 149

A9 电解质溶液电导率的测定 156

附  电导率仪和电导池常数的标定 162

A10 希托夫法测定离子的迁移数 166

附  铜离子标准溶液的配制和铜离子浓度的分光光度法测定 172

A11 原电池电动势的测定 173

附  SDC-Ⅱ数字电位差综合测试仪 179

A12 建筑钢筋在混凝土模拟液中的腐蚀行为 181

A13 旋光度法测定蔗糖酸催化转化反应的速率常数 187

附一  旋光度和旋光仪 193

附二  变旋过程对旋光度法测量蔗糖转化反应速率的影响分析 199

A14 电导法测定乙酸乙酯皂化反应速率常数 202

附  溶液电导率与浓度的关系 206

A15 一级可逆-连续反应动力学：谷胱甘肽还原Cr（Ⅵ） 209

附  一级可逆-连续反应动力学方程推导 216

A16 蔗糖酶催化蔗糖转化反应 220

A17 特性黏度法测定聚（乙烯醇）高分子链结构 226

附  水的黏度系数 235

A18 溶液表面吸附的测定 237

A19 十二烷基硫酸钠胶束的热力学性质测定 245

A20 溶液法测定极性分子的偶极矩 251

附一  PGM-Ⅱ介电常数实验装置使用说明 262

附二  电容池底值Cd的测量方法 263

附三  极性分子平均摩尔取向极化度的计算 263

A21 配合物磁化率的测定 265

附  磁学物理量和磁学单位 274

参考文献 278

下篇 拓展型实验

B1 简单离子晶体的晶格能与水合热测定与计算 280

附  关于电学公式中国际单位制与高斯单位制的换算问题 284

B2 混合熵的测定 286

B3 简易差热分析装置组装及二元合金相变过程的测定 293

附  热电偶温度计 300

B4 扫描电子显微镜对二元合金相结构的观察与分析 305

B5 苯酚-叔丁醇固液平衡相图的绘制 314

B6 差热分析法测定NaNO3-KNO3固液平衡相图 318

B7 简易流动色谱法BET装置测定固体物质比表面积 326

B8 酶反应—α-糜蛋白酶催化有机酯水解反应动力学 335

B9 热动力学分析：固体分解反应活化能的测定 345

B10 差热分析-拉曼光谱联用测定液固相变 352

B11 循环伏安法测定电极过程动力学参数 362

B12 H2分子在Ag（111）表面势能面的构建 375

参考文献 382

元素周期表 383

本教材从酝酿写作计划到今天完成书稿，已历时6年了。说实话，编写一本物理化学实验的教材是需要勇气的，虽然编者都是从事物理化学实验教学逾二十年的一线教师，但是面对国内各高校优秀教师们编写的上百个版本各具特色的物理化学实验教科书，仍然有无从下笔之感。对于物理化学实验，我们还有多少新“货色”可以提供给同行和学生呢？一切的教学成果都来自于教学一线的实践，教材也不例外。当编者们还是一群“青椒”的时候，也曾一度“唯书本是从”，在实验教学中严格按照选定教材的内容、方法和教学理念去指导学生。记得有一个经典的物理化学实验项目——溶液表面吸附的测定（参见本书A18），实验原理是吉布斯等温吸附方程，其中吸附量的推算采用朗格缪尔吸附等温式变形的双倒数直线方程。但是在测量乙醇水溶液体系时，很多学生都得不到满意的线性拟合结果，编者当年将这种情况一律归之于学生实验完成质量差，并给予他们低等级成绩。学生都有些失落，因为他们觉得实验的重现性是不错的，数据计算也是经过仔细核对的，应该是实验本身有问题。编者当年可是拿出了好几本不同的物理化学实验教材，以此证明实验方法是得到公认的，将他们打发了事。后来在教学中偶然翻到E. A. Guggenheim研究乙醇水溶液表面吸附的经典论文，才发现该实验体系根本不符合朗格缪尔吸附等温式。对此，编者至今对那些学生怀有深深的歉意，同时也促使编者不断考虑究竟应该如何组织和编写一本物理化学实验教材。结合多年一线教学体会，本教材主要在以下几个方面做了新的尝试。，对一些经典实验项目的实验设计和理论探讨进行了拓展。以燃烧热测定实验项目为例（参见实验A1），常规教学中一般要求学生由实测数据直接计算有机物的恒容燃烧热和恒压燃烧焓，本教材增加了实验数据的校正内容，包括温度校正、液体物质的压力校正和气态物质的理想气体状态校正，后得到25℃时物质的标准生成焓数据。通过这种实验设计，使学生知道物质的实际状态与标准状态的差别和联系，从而加深对标准热力学函数等抽象概念的理解。除实验A1外，实验A4、A5、A6、A9、A13、A14、A17、A18和A19等也进行了类似的实验设计拓展。第二，对实验技术的学习提供了多层次指导和训练。教材在实验A7、B3和B4中，集中研究合金相变问题，分别采用热分析、差热分析和扫描电子显微镜等技术，逐步将研究内容由宏观拓展到微观；在实验A3、B6、B9和B10中，采用差热分析技术，分别研究化学反应、简单体系相图、复杂体系相图和热动力学过程，展示了同一实验技术在不同研究工作中的运用方式；实验B3和B7则是训练学生组装与改造商品化实验仪器用于特殊研究目的等。本教材中许多实验项目在实验技术方面都存在一定的内在联系和分层递进关系。第三，强调科学数据处理软件的应用。教材上篇重点介绍数据分析理论和方法以及Origin软件的应用，所用案例全部来自于学生的物理化学实验报告。同时，在许多实验项目中要求学生使用相关科学数据处理软件进行误差统计、科学绘图和回归分析。以此培养学生正确处理实验数据和分析实验结果的能力。第四，尝试在教学实验中模拟科学研究过程。编者通过重新整理各实验项目的原始文献，追溯其由研究性课题到基础实验项目的演化路径，尽量展示其内在的科学研究特征。比如实验A13用非线性拟合法进行蔗糖酶催化转化反应动力学测定、实验A19由临界胶束浓度推算胶束热力学性质、实验B5测定生成化合物的二组分固液平衡相图、实验B10差热分析-光谱技术联用测定熔盐相变等。同时，在有些实验的讨论与思考中引入实验相关的经典文献阅读与分析等内容，并在按照科学论文格式撰写实验报告、文献查阅方法、科学道德诚信、实验室安全等方面编写了指导内容。通过以上的工作，编者希望学生从准备实验开始，通过实验操作、结果分析，直至实验报告的撰写，在每一个物理化学实验项目的完成过程中经历一次模拟科学研究项目的训练。本教材分为上、中、下三篇：上篇是实验相关知识，中篇和下篇分别是基础型实验和拓展型实验。上篇包括“致学生——物理化学实验的课程要求和注意事项”“实验数据处理与分析”和“科学数据分析与绘图软件在物理化学实验中的应用”三章，其中第1章着重介绍了编者的物理化学实验教学理念，第2章着重于误差分析，第3章着重于Origin软件的实用技术。中篇包括基础型实验21个，下篇包括拓展型实验12个，共计33个实验项目，每个实验项目由实验简介、理论探讨、仪器试剂、安全须知和废弃物处理、实验步骤、数据处理与结果分析、讨论与思考及附（若有）构成。本教材所选的实验项目绝大部分都能够在一个实验班规模上进行实验教学，并针对4课时和8课时实验教学分别设计了实验内容，以满足工科实验教学和理科实验教学的不同要求。教材涉及的实验仪器以常规类型为主，部分物理化学实验仪器原理和操作介绍附于相关实验之后，或给出了相应仪器公司的网址。教材没有选入一些常见于各类实验教材中的物理化学实验项目，因为这些项目涉及中、高级的大型仪器，如傅里叶变换红外光谱仪、X射线衍射仪、核磁共振波谱仪、全自动表面吸附仪等，当前不可能满足人手（或人组）一套的实验条件，容易造成实验教学中一人动手、全体“围观”的状态，不符合我们一贯倡导的学生全体、全程动手实验的教学理念。此外，教材没有编制实验技术和标准数据等内容，因为在当今互联网资源极其丰富的背景下，学生可以、而且应该能够获得实验所需的各种资料，而查阅文献寻找准确可靠的参考数据以及对实验方法进行比较和研究，也是学生完成科学研究训练的基本内容之一。本教材由同济大学化学科学与工程学院的许新华、王晓岗和浙江大学化学系的王国平整理编写，其中王晓岗编写了实验A7、A8、A9、A11、A12、B2、B3和B11，王国平编写了实验A10、A13、A14、A21、B1和B7，其余部分由许新华编写（实验B12由韦广丰博士提供）。本教材许多内容是在同济大学化学科学与工程学院（原化学系）物理化学教研室和浙江大学化学实验教学中心长期的实验教学改革实践基础上凝练成形的，同济大学教务处、实验室与设备管理处对本书的编写出版给予了大力支持，在此谨向他们表示衷心感谢。由于编者水平有限，教材中各种缺点以及实验安排的不合理之处在所难免，这些问题概由编者负责，恳请同行和学生批评指正（联系邮箱：[email protected]）。编者 2017年3月