基础化学实验(第3版普通高等教育十一五规划教材)

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第1章 绪论
　　祝贺同学们完成了中学阶段的学习任务并顺利进入大学这一知识的海洋和能力培养的阵地，在这里你们将受到良好的培养和教育。你们将在化学领域中探索化学世界的奥秘、施展自己的才华! 在这一过程中，化学实验起着十分重要的作用。然而，同学们做实验前，必须知道：化学实验的目的是什么？怎样才能做好化学实验？
　　1.1 基础化学实验课程的目的
　　实验是人类研究自然规律的一种基本方法。没有实验就没有化学。化学实验既是化学科学的基石，又是化学科学的“试金石”，即化学中的绝大多数定律、原理、学说都来源于实验，同时又受实验的检验。化学实验课是传授知识和技能、训练科学思维和方法、培养科学精神和职业道德、实施全面化学素质教育的最有效形式。它不仅包括理论的验证，还包括主观能动的探索性内容；不仅包括产品的合成，还包括基础操作的训练；不仅包括性质实验，还包括实验技术的综合运用；不仅体现方法的经典性，还体现其先进性。
　　通过实验可以培养学生科学的认识能力和研究能力，即实验操作能力，细致观察和记录实验现象、归纳、综合、正确处理实验数据的能力，分析和正确表达实验结果的能力等。
　　通过实验可以培养学生实事求是、严肃认真、一丝不苟的科学态度，准确、细致的科学习惯以及科学的思维方式，从而逐步掌握科学研究的方法。
　　通过实验可以加强学生对化学的基本原理和基础知识的理解和掌握。化学实验的任务是培养学生的基本功和思维方式、分析问题和解决问题的能力，同时使学生在基本操作方法和技能技巧等方面得到严格训练。
　　1.2 化学实验的学习方法
　　要达到上述实验目的，学好实验课程，不仅要有正确的学习态度，还要有正确的学习方法。
　　1.2.1 预习
　　为了避免实验中“照方抓药”的不良现象，使实验能够获得良好的效果，实验前必须进行预习：
　　(1)认真阅读实验教材、参考资料中的有关内容。
　　(2)明确实验的目的和基本内容。
　　(3)掌握实验的原理。
　　(4)了解实验的内容、步骤、操作过程和注意事项。
　　(5)写出简明扼要的预习报告后才能进行实验。
　　通过预习应达到的目的是：弄清本次实验要做什么，怎样去做，为什么这样做，不这样做是否可行，还有什么更好的方法能达到同样的目的，基本了解本实验所用仪器的工作原理、用途和正确的操作方法，可否用其他仪器代替实验给定的仪器等。
　　实验前由指导教师检查预习报告，若发现学生预习得不够充分，应停止实验，并要求熟悉实验内容后再进行实验。
　　1.2.2 实验
　　实验时应做到：
　　(1)认真操作，细心观察，如实记录。
　　(2)在实验全过程中勤于思考，仔细分析，力争自己解决问题，遇到难以解决的疑难问题时，可请教师指点。
　　(3)保持肃静，遵守规则，注意安全，整洁节约。
　　设计新实验和做规定以外的实验时，应先经指导教师允许。实验完毕，洗净仪器，整理药品及实验台。
　　1.2.3 实验报告
　　实验结束后，应严格根据实验记录对实验现象做出解释，写出有关反应式，或根据实验数据进行处理和计算，得出相应的结论，并对实验中的问题进行讨论，独立完成实验报告，及时交指导教师审阅。
　　书写实验报告应字迹端正、简单扼要、整齐清洁，实验报告写得潦草者应重写。
　　实验报告包括六部分内容：
　　(1)实验目的。
　　(2)实验步骤。尽量采用表格、框图、符号等形式清晰、明了的表示方式。
　　(3)实验现象和数据记录。表达实验现象要正确、全面，数据记录要规范、完整。
　　(4)数据处理。获得实验数据后，进行数据处理是一个重要环节，详见1.3节。
　　(5)实验结果的讨论。对实验结果的可靠程度与合理性进行评价，并解释所观察到的实验现象。
　　(6)问题讨论。针对本实验中遇到的疑难问题，提出自己的见解或收获，也可对实验方法、检测手段、合成路线、实验内容等提出自己的意见。
　　1.3 化学实验的误差与数据处理
　　1.3.1 误差
　　化学实验中采用直接测量(用某种仪器直接测量出某物理量的结果)或间接测量(一些物理量的获取要经过一系列直接测量后再依据化学原理、计算公式或图表处理后才能得出的结果)的方法可获得试样的各种物理量。然而，在测量过程中，其结果受仪器、化学试剂、测量条件的突变及测定者本身等各种因素的影响，使测量值和真实值之间总会存在一些差距，称为误差。即使是同一个人在相同条件下，对同一试样进行多次测定，所得结果也不完全相同，这说明误差是客观存在的。为使结果尽量接近客观真实值，操作者必须对误差产生的原因进行分析，学会减免误差的措施，并借助一些数理知识对所得数据进行处理。
　　1. 准确度和精密度
　　准确度是指单次测量值()与真实值()的符合程度。绝对误差和相对误差用来表示准确度的高低。
　　绝对误差 (1.1)
　　相对误差 (1.2)
　　绝对误差越小，说明准确度越高。相对误差是绝对误差在真实值中所占的百分数，因它与真实值和绝对误差的大小有关，故能更准确地反映准确度。显然，两种误差的表示均有可能出现正、负值。正值表示测定结果偏高，负值表示测定结果偏低。
　　若真实值不知道，就无法知道其准确度，在这种情况下，应采用精密度来描述测定结果的好坏。精密度是指在确定条件下，反复多次测量，所得结果之间的一致程度。用偏差表示单次测定值()与几次测定平均值之间的差，其绝对偏差与相对偏差可表示为
　　绝对偏差 (1.3)
　　相对偏差 (1.4)
　　显然，精密度越好，说明测定结果的重现性越好。
　　应该指出，精密度高不一定准确度就高；但每次测定的准确度高，则精密度一定高。
　　2. 误差的种类与误差的减免
　　误差按来源可分为系统误差(可测误差)和偶然误差(随机误差)。
　　1)系统误差
　　构成测量系统的各要素(包括人、物和方法)产生的误差称为系统误差。在相同条件下多次测量同一物理量，系统误差的大小和符号不变；改变测量条件时，系统误差又按某一确定规律变化；系统误差不能通过重复测量来减免；系统误差决定测量的准确度。因此，发现和减免系统误差是十分重要的。
　　其中仪器误差是指测定中用到的仪器本身有缺陷或未经校正或仪表零位未调好等产生的误差，可通过调整、校正或改用另外的仪器来减免。
　　实验方法的理论根据有缺陷或引用了近似公式而造成的误差称为方法误差；由于试剂不纯，所用去离子水(或蒸馏水)不合规格引入的误差称为试剂误差。“对照实验”是减免这两种误差的最有效方法，即选用公认的标准方法与所采用的测定方法对同一试样进行测定，找出校正数据，或用已知标准含量的试样，按同样的测定方法进行分析找出校正数据；还可用“空白实验”减免试剂误差，即在不加试样的情况下，按照同样的实验步骤和条件进行测量，得出空白值，然后从试样的分析结果中扣除空白值。
　　环境因素误差是指测定中温度、湿度、气压等环境因素的变化对仪器产生影响而引入的误差，可通过改变实验条件发现此类误差，然后采取控制环境因素的措施达到减免此类误差的目的。
　　个人误差是因观测者个人不良习惯和特点引起的误差，如记录某一信号的时间总是滞后、读取仪表时头偏于一边、对某种颜色的辨别特别敏锐或迟钝等，更多的是操作水平低，不知如何控制实验条件，不自觉地进行了错误的操作。同一套仪器，不同人测得的结果相差很大，是个人误差所致。这种误差只有认真学习、多加训练才能被减小或消除。
　　图1.1 误差的正态分布
　　2)偶然误差
　　实验过程中，偶然的原因引起的误差称为偶然误差，如观察温度或电流时有微小的起伏、估计仪器最小分度时偏大或偏小、控制滴定终点的指示剂颜色稍有深浅的差别、几次读数不一致、外界条件的微小波动以及一些不能预料的影响因素等。偶然误差的大小、方向都不固定，在操作中难以完全避免。这种误差是“偶然的”，其服从统计规律，可用正态分布曲线(图1.1)表示。图1.1中横坐标表示每次测定值与总体平均值()间的误差；为无限多次测量时的标准偏差；纵坐标为偏差出现的概率。曲线与横坐标从–∞到+∞所围面积代表具有各种大小偏差的测定值出现概率的总和(100%)。由图1.1可知，偶然误差具有以下规律：
　　(1)绝对值相等的正、负误差出现的概率相等。这说明重复多次测量，取其算术平均值，正、负误差可相互抵消。消除了系统误差后，其平均值接近真实值。
　　(2)就绝对值而言，小误差出现概率大，大误差出现概率小，很大误差出现的概率近于零。在多次重复测定中，若个别数据误差的绝对值超出3σ，可舍去。
　　除系统误差和偶然误差外，在测量过程中还可能出现读数错误、记录错误、计算错误以及不小心出现了错误操作等原因引起的过失误差，如发现过失误差应及时纠正或弃去所得数据。
　　1.3.2 数据记录、有效数字及数据处理
　　1. 数据记录与有效数字
　　为获得准确的实验结果，正确记录测定结果是必要的。读数时，一般要在仪器最小刻度(精密度)后再估读一位。例如，常用滴定管最小刻度为0.1 mL，读数应该到小数点后第二位，若读数在22.6 mL与22.7 mL之间，这时根据液面所在0.6～0.7的位置再估读一位，如读数为22.65 mL等。读数22.65 mL中的22.6是可靠的，最后一位数字“5”是可疑的，可能有正负一个单位的误差，即液体实际体积是在22.65 mL±0.01 mL范围的某一数值，其绝对误差为±0.01 mL，相对误差为(±0.01/22.65)×100%=±0.04%，若将上述测量结果读成22.6 mL，意味着液体实际体积是22.6 mL±0.1 mL范围内的某一数值，其绝对误差为±0.1 mL，相对误差为±0.4%，这样测量精度就变成原来的1/10。一个准确记录的数字中，可靠数字是测量中的准确部分，是有效的。可疑数字(末位数字)是测量中的估计部分，虽不准确，但毕竟接近准确，也是有实际意义的，但估计数字后的数字显然是没有实际意义的。因此，由可靠数字和一位可疑数字组成的测量值称为有效数字。有效数字反映了测量的精度，记录有效数字时应注意如下两点：
　　(1)“0”在数据中具有双重意义。其一，“0”只起定位作用，不属于有效数字。例如，滴定管读数为22.65 mL，换成大单位表示写成0.02265 L 或0.00002265 m3时，在“2”前面的“0”是起定位作用的，不属有效数字，有效数字仍只有4位。其二，“0”在有效数字中间或末尾时均为有效数字，末尾的“0”说明仪器的最小刻度。例如，滴定管读数为20.50 mL，两个“0”都是有效数字，末尾的“0”是可疑的，它的存在说明滴定管的最小刻度为0.1 mL，该“0”必须有，但在可疑数字之后不可任意添“0”，如果将20.50 mL写成20.500 mL，从数学角度看，关系不大，而在化学实验中，绝对不能将20.50 mL和20.500 mL等同，否则就夸大了仪器的精度。由此可见，实验数据具有特殊的物理意义，它既包含了量的大小、误差，又反映了仪器的精度，不同于纯数学的数值。为了不使有效数字的位数出错，实验数据宜用指数形式表示。例如，质量为16.0 g以毫克表示时，应写成1.60×104 mg，若写成16000 mg就易被误解为5位有效数字。
　　(2)在表示绝对误差和相对误差时，通常只取一位有效数字，记录数据时，有效数字的最后一位与误差的最后一位在位数上应对齐。例如，22.65±0.01的表示是正确的，而22.65±0.001是错误的。
　　2. 数字修约规则
　　实验中所测得的各个数据因测量的精度可能不同，导致其有效数字的位数也可能不同。在进行运算时，应弃去多余的数字进行修约，修约时应依我国国家标准(GB8170)使用下