如何设计一个科学实验.docx
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如何设计一个科学实验
如何设计一个科学实验
示例一：
敌敌畏是我国当前大量生产和使用的有机磷农药,属于高毒农药，无色至琥珀色液体，有芳香味，其化学名为2,2-二氯乙烯基二甲基磷酸酯（DDVP，dimethyl-dichloro-vinyl-phosphate，（CH3O）2POOCHCCl2）。
敌敌畏的沸点35℃（6.667Pa）；敌敌畏的蒸气压：
9.9Pa（40℃），1.60Pa（20℃）；敌敌畏的溶解性：
室温下水中的溶解度约为10g·L-1，在煤油中溶解2%3%，能与大多数有机溶剂和气溶胶推进剂混溶。
敌敌畏的水解是其在环境中的主要降解途径之一,是决定它在环境中的持久性的最通常的反应之一。
为了了解这种农药在环境中的持久性,并为污染治理提供依据,需对其在环境水和地下水条件下的动力学行为进行研究。
已知：
环境水的酸度为pH=3-9，地下水的pH=7.0-7.2；以25℃代表环境温度，地下水的温度一般不超过15℃。
实验目标：
测定敌敌畏在不同条件下的水解速率常数、半衰期和活化能。
实验条件：
pH=3.0，7.0，9.0。
要求：
（1）配制题给要求的实验用缓冲溶液（pH=3.0，7.0，9.0）需要用到哪些化学试剂，对其纯度有何要求？
应该用什么质量的水配制实验溶液？
不必写出具体的配方。
（2）研究敌敌畏的水解动力学行为，需要用到哪些仪器？
用什么方法分析反应体系中组分浓度的变化，需要哪些仪器？
（3）如何确定敌敌畏水解反应的级数？
如何测定敌敌畏在不同条件下的水解速率常数、半衰期和活化能？
阐明实验原理、实验操作步骤、数据处理方法。
提示：
取小体积的一定浓度的农药丙酮溶液放于300毫升烧杯中，令丙酮挥发至干，备用。
参考解答：
（1）用二次蒸馏水配制实验溶液，需要的化学试剂为苯二甲酸氢钾、HCl、NaOH、NaH2PO4、KCl、硼酸，所用试剂均为分析纯。
（2）恒温槽，酸度计，振荡器，磁力搅拌器，气相色谱仪。
（3）敌敌畏水解速率的测定：
实验步骤：
将预先在一定温度的恒温器（槽）中恒温的250毫升缓冲溶液倒人盛有农药的烧杯中,迅速在磁力搅拌器上搅拌后转移至250毫升棕色容量瓶中，置容量瓶于恒温器中进行水解反应。
根据化合物的降解速率的快慢，按一定时间间隔取样。
每次取20毫升农药水解溶液于50毫升分液漏斗中,用2毫升二氯甲烷萃取（摇振分10分钟），分出二氯甲烷层,加无水硫酸钠干燥后进行色谱测定。
外标法峰高定量,每次进样24微升。
按照质量作用定律,农药在一定温度下的水解速率决定于二反应物的浓度,可以表示为
（1）
从式
（1）可知，农药在水中的水解反应系二级反应,
称为二级反应速率常数
但是在缓冲溶液及环境水（可以认为环境水是缓冲的）中,
保持不变,则式
（1）可以写成
（2）
式中
，根据式
（2）可以认为农药在缓冲条件下的水解是一级反应或称伪一级反应。
将式
（2）积分得到
（3）
（4）
式中
、
分别是农药的瞬时浓度和起始浓度，
是时间，
是水解速率常数。
其单位为
。
要求反应时间必须大于两个水解半衰期,取的实验点不得少于
6个，即应获得至少6组
数据。
农药水解掉一半,即
=0.5，所需的时间称为水解半衰期,以
表示。
用不同pH的缓冲溶液进行敌敌畏的水解动力学实验，选择实验温度为15、25、30、40、50℃。
将实验所测数据
-
进行做图或作回归处理,得到不同pH及温度条件下的水解速率常数
，进而可得其半衰期
。
有Arrehnius方程
（5）
将实验测得的
数据进行处理，作图或按式（5）进行回归，可求得水解反应的
。
示例二：
乙醇溶液中进行如下反应：
C2H5I+OH→C2H5OH+I
据文献报道，在一定温度范围内，上述反应对C2H5I和OH均为一级，即反应的总级数为2。
请您设计一个实验方案来研究该反应的动力学规律，即要获得该反应的动力学积分方程、反应速率常数、反应的Arrhenius活化能等信息。
阐明实验原理和实验方法、所需主要仪器设备、主要操作步骤、获得的直接测量数据是什么？
怎样处理这些数据以得到您想要的动力学信息？
解：
（1）实验原理和实验方法
设反应物的初始浓度均为a，反应的速率常数为k，有
C2H5I+OH→C2H5OH+I
t=0时：
aa00
t=t时：
a-xa-xxx
t=∞时：
00x-ax-a
则速率方程为
r=
=k（a-x）2
（1）
上式积分后，得
（2）
可采用电导法测定此反应进程中电导随时间的变化来反映不同时间反应物的浓度。
体系的电导与x的关系可分析如下：
反应体系中起导电作用的是OH、I离子。
OH离子浓度随反应进行不断减小，而I离子浓度则不断增加。
由于OH离子的电导率比I离子的大得多，所以反应体系的电导将随反应进行而不断下降（溶液中C2H5I和C2H5OH的导电能力都很小，可忽略不计）。
因此，用电导仪测定溶液在不同时刻的电导，即能求出反应速率常数。
在电解质稀溶液中，可近似认为每种强电解质的电导与其浓度成正比，而且溶液的电导为组成该溶液各电解质电导之和。
设G0为溶液的起始电导，Gt为t时刻的电导，G∞为t→∞时溶液的电导，则有：
t=t时：
x=（G0-Gt）（3）
t→∞时：
a=（G0-G∞） （4）
式中为比例常数。
由以上两式，得
a-x=（Gt-G∞）（5）
将（3）和（5）式代入式（8）中，得
（6）
或
（7）
以Gt对（G0-Gt）/t作图，得一直线，其斜率为m=1/ka，于是有
k=1/am（8）
在不同温度下做实验，可得一组（ki,Ti）数据（i=1,2,…,n），由下式可求得反应的活化能
。
（9）
（2）主要仪器设备
电导率仪1台，电导电极1支，水浴恒温装置一套，其他玻璃仪器。
（3）主要操作步骤
配制溶液，调节恒温槽温度至需要的实验温度，测量反应过程中体系电导随时间的变化，并记录电导-时间数据。
改变温度，重复上述测定实验。
（4）获得的直接测量数据是体系的电导-时间数据。
（5）数据处理
将不同温度下测定的电导-时间数据按式（7）和（8）处理，便可得一组（ki,Ti）数据（i=1,2,…,n），由式（9）可求得反应的活化能
。
其他解答思路：
1、用精密酸度计（pH计）可以跟踪该反应，研究其动力学过程；
2、化学分析法测定混合液中的碘离子浓度，可以跟踪该反应，研究其动力学过程，但较麻烦。
3、用离子选择性电极测定混合溶液中的碘离子浓度，可以跟踪该反应，研究其动力学过程。
4、化学分析法测定混合液中OH离子的浓度，可以跟踪该反应，研究其动力学过程
，但较麻烦。
以上方法，均可给分。
示例三：
1、已知基本信息：
乙酸的固体有两种晶型
和
，且
比
更密，
型在290K和1210Pa下熔化，液体乙酸的正常沸点为319K，液体及
、
于328K和200MPa下达平衡。
试根据上述数据画出乙酸的p-T相图。
参考解答：
作单组分相图，应以三相点为轴心（有几个就要找出几个并画在图上）。
乙酸的固态有两种晶型
和
，故有2个三相点：
、
、l；
、l、g。
据此，将两个三相点标于图上的A、B两点。
正常沸点为C点。
图1乙酸的固液平衡相图
连线：
AB（
==l）、BC（l==g）。
根据已知条件及Clapeyron方程：
，
，即AE线的斜率比AB线的要小。
又固体的密度比液体的大，即
，而
，所以有
，
AD线属于CO2型相图，即固液平衡线是右斜的。
2、基于题1的基本信息，请您设计一个方案来获得乙酸在298.15K、100kPa下的标准摩尔熵Sm（g,298.15K）数据。
要求：
（1）阐明实验原理，写出Sm（g,298.15K）的计算公式；
（2）需要测定哪些量？
如何测固体乙酸的热容、乙酸气体的pVT数据、液体乙酸的摩尔蒸发焓
？
需要哪些实验装置或仪器设备？
（3）若有些量的测定确有困难，该怎样获得所需数据？
参考解答：
（1）、对于温度为298.15K、压力为p的乙酸气体，其在升温过程中将经历以下变化：
乙酸（0K）乙酸（T*，
）乙酸（Tf，
）乙酸（Tf，l）
1234
乙酸（Tb，l）乙酸（Tb，g）乙酸（298.15K，g）
56
乙酸的标准摩尔熵由下式求得：
Sm（g,298.15K）=
+
（1）
式中，T*15K，a=1944/
，
为乙酸的德拜特征温度；
、
分别为正常熔点和正常沸点，
、
分别是熔化焓和蒸发焓；
是气体的非理想性修正对熵的贡献，其表达式为：
（2）
式中，
一项可由气体状态方程求得。
的较小，常可忽略。
由式
（1）和
（2）可知，只要有乙酸的热容与温度的关系数据和相变焓数据，就可求得乙酸的Sm（g,298.15K）。
（2）需要测定乙酸固体的热容
、乙酸液体的热容
，以及乙酸的熔化焓和蒸发焓
、
，还需要测定乙酸气体的pVT数据。
的测定：
采用自动低温绝热热容热量计测定固体乙酸在低温下的热容
。
方法是：
在样品管的电阻丝上输入恒定的电功率UI。
记录温度T对时间t的关系曲线，由曲线上任意温度下的dt/dT值，计算相应的热容：
测定乙酸气体的pVT数据：
可采用气体CO2的pVT数据的测定装置，见图1。
图1气体的pVT关系测定实验系统
将测得的pVT数据拟合成方程
，即可由式
（2）求得
。
测定乙酸液体的蒸发焓
：
实验装置及方法见实验指导书的实验3，装置见图2。
图2乙酸的蒸气压测定装置
1-同压器；2-冷凝管；3-恒温槽（水浴）；4-接触温度计；5-
温度计；6-测温探头；7-数字式温度压力计；8-安全瓶；9-缓冲瓶；D、E、F、G-两通开关
测得不同温度下液体乙酸的蒸气压与温度的关系数据，由下式求得其
。
ln（p/[p]）=-ΔvapHm/RT+C
3、乙酸的德拜特征温度
可查有关手册或直接测定乙酸固体的振动光谱性质，由此获得
。
固体乙酸的熔化焓
可查表获得，或通过DSC技术测定。
示例四：
偶氮类引发剂是分子中含有偶氮（―N=N―）基的一类化合物，最常用的是偶氮二异丁腈，其结构式为：
假设偶氮二异丁腈在某种溶剂S中的溶解性良好，今欲知偶氮二异丁腈在溶剂S中的分解动力学规律，即要测定其分解反应的速率常数k、k与温度T的关系、在某一温度下分解反应的半衰期t1/2。
试提出一个实验研究方案达到上述目的，要求如下：
阐明实验原理，画出实验装置示意图，指明直接测定的物理量有哪些，阐明数据处理方法，怎样得到所需的结果？
参考解答：
偶氮二异丁腈（AIBN）的分解反应如下：
t=0:
000p总=pS
t=t:
pp总=pS+p
t=:
pp总=pS+p
将一定质量的偶氮二异丁腈（AIBN）溶于一定质量的溶剂S中，得AIBN的初始浓度为c0，将此溶液置于一密闭反应器（置于恒温水浴）中，在一定温度下实验，测定体系压力随时间的变化数据。
设S的平衡蒸气分压为pS，在此体系中温度一定时pS为常数，AIBN的初始压力为0，则有：
pc0
r=dp（N2）/dt=dp/dt=k（c（AIBN））
（1）
pc（AIBN）
实测多组数据（p总,t）,pS已知，则应用尝试法、微分法等可求出式
（1）中的k和值。
p=0.5p时的t=t1/2。
反应器：
四口反应器，一插1/10温度计，二为进料口，三接压力表，四接N2入口；有磁力搅拌子。
恒温水浴一套。
操作：
用纯N2将系统中的空气排除干净；恒温到指定温度；加入AIBN，计时。
读取不同时刻的压力表读数。
改变c0进行实验。
2、在不同温度下重复上述步骤的实验，可得多组数据（k,T），对此数据进行拟合可得方程k=f（T）。
示例五：
已知反应
H2（g）+Hg2Cl2（s）→2Hg（l）+2HCl（m）
今欲获得上述反应在298.15K时的热力学函数变化值、0.1mol·kg-1HCl中的离子平均活度系数、328.15K时的平衡常数。
试设计一个实验方案达到上述目标。
要求：
阐明实验原理，画出实验装置示意图，指明直接测定的物理量有哪些，阐明数据处理方法，怎样得到所需的结果？
参考解答：
应用电化学方法来实现题目所要求的目标。
1、设计电池为：
Pt∣H2（101.325kPa）∣HCl（0.1mol·kg-1）∣Hg2Cl2（s）∣Hg（l）,Pt
上述电池中发生的化学反应即为题给反应。
通过测定上述电池在不同温度（293.15、298.15、303.15、308.15、313.15、318.15、323.15、328.15、333.15K）下的电动势E，得多组数据（Ei,Ti），i=1,2,3,…,n，便可得E=f（T），于是可获得所要求反应的热力学函数变化值rGm、rHm、rSm、、K（328.15K），其计算公式为：
rGm=-nFE
rHm=-nF[E-T（E/T）p]
rSm=nF（E/T）p
rGm=-nFE
K（T）=exp（-rGm/RT）
E=E–RT/（2F）ln（（m/m））4/（p（H2）/p））
=E–2RT/（F）ln（m/m）-2RT/（F）ln
固定电解质溶液浓度m，实测不同温度T时电池的电动势E；改变m，重复上述步骤实验。
p（H2）=101.325kPa=p
2、实验装置：
与实验讲义上的相同，但电池必须有恒温夹套，内通恒温水，确保电池反应系统处于恒温条件下实验。
恒温水浴装置与CO2pVT关系测定实验的相同。
思考题：
1、今有一个气体系统，有人认为该气体系统的恒压摩尔热容
仅是温度T的函数，而与压力p无关。
请你设计一个实验方案，通过实验证明上述结论。
答题时，需阐明实验原理，提出实验方案和实验步骤，需要测定哪些量，如何测，如何进行数据处理。
2、今给定Cl2（g）、H2（g）、HI（g）各若干克。
需要测定298.15K下、从元素生成1molHI的∆H及∆U。
试设计一个实验方案来实现上述目标。
要求阐明实验原理、写出化学反应方程式及有关计算公式，写出实验过程，需要哪些仪器设备。
3、我们知道，对于一个气体系统，恒压下，若体积变化，则其熵值也随之变化。
今欲知一个气体系统恒压下其熵值随体积的变化率。
请你设计一个实验方案，以达到上述目的。
答题时，需阐明实验原理，写出计算方程，提出实验方案和实验步骤，数据处理方法。
4、已知反应：
H2（g）+Ag2O（s）2Ag（s）+H2O（l）
今欲知上述反应在101.325kPa、298.15K下进行时的热力学函数改变值rGm、rHm、rSm，以及Ag2O（s）达平衡时的分解压。
请设计一个实验方案，以达到上述目的。
答题时，需阐明实验原理，写出计算方程，提出实验方案和实验步骤，数据处理方法。
5、卡他灵，又名白内停酸，分子式C16H8N2O5，分子量308.2，其结构式如下：
白内停酸为防止白内障药物，能改善芳香氨基酸的代谢异常，抑制醌类化合物的产生。
问题：
如何确定病人用药的时间间隔？
要求：
设计一个实验方案，以达到上述目的。
答题时，需阐明实验原理，实验方法，提出实验方案和实验步骤，需要哪些仪器设备，需要测量哪些数据，数据处理方法怎样。
6、我们知道，对于实际气体系统，恒温下，若系统压力变化，则系统的焓值也随之变化。
今欲知在恒温T下一个气体系统的压力从p1变化到p2的过程中系统焓值的变化为若干。
请你设计一个实验方案，以达到上述目的。
答题时，需阐明实验原理，写出计算方程，提出实验方案和实验步骤，数据处理方法。
7、已知乙酸丁酯的正常熔点和沸点分别为77.9°C、126.11°C。
试设计实验方案来获得乙酸丁酯的蒸发焓vapHm（T）数据，其中温度T=30130°C。
阐明实验原理，提出实验方法、实验步骤和数据处理方法。
（注：
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