如何设计一个科学实验

1、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)2POOCHCC12)。敌敌畏的沸点 35 C (6.667 P0 ;敌敌畏白蒸气压：9.9 Pa (40C) , 1.60 Pa (20C)；敌敌畏的溶 解性：室温下水中的溶解度约为10 g 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

2、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25c代表环境温度，地下水的温度一般不超过 15Co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

3、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)用二次蒸储水配制实验溶液，需要的化学试剂为苯二甲酸氢钾、HCl、NaOH、NaH2P。4、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

4、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 时间问隔取样。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244散开。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dcfpLgHFHS(1)从式（1）可知，农药在水中的水解反应系二级反应,k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 ，c（OH-）保持不变，则式（1）可以写成-dC（农约）=kc（农药）（2）dt式中k = k c

5、（OH2，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c（农药）=c0exp（kt）（3）log=-上，（4）c0（农约）2.303式中c（农药）、c0（农药）分别是农药的瞬时浓度和起始浓度，t是时间，k是水解 速率常数。其单位为t,。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c（农药）-t数据农药水解掉一半，即雪字=0.5,所需的时间称为水解半衰期，以t1/2表Co（农约）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 Co将实验所测数据c（农药）-t,进行做图或作

6、回归处理，得到不同pH及温度条件下的水解速率常数k ,进而可得其半衰期t1/2。有 Arrehnius方程Ealn( k/h,)=ln ART(5)将实验测得的k-T数据进行处理，作图或按式（5）进行回归，可求得水解反应的Ea。示例二:乙醇溶液中进行如下反应:C2H5I + OH C2H50H + 厂据文献报道，在一定温度范围内，上述反应对 C2H5I和OH一均为一级,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

7、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，C2H50H+r0时：aa00t时：a-xa- xxxoo时：00x - ax - at =t =t =则速率方程为r =dx =k(a-x)2dt(1)上式积分后，得xkt 二 一xa( a - x)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居子。OH居子浓度随反应进行不断减小，而I和子浓度则不断增加。由于OH 离子的电导率比I稿子的大得多，所以反应体系的

8、电导将随反应进行而不断下降(溶液中C2H5I和C2H50H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 Go为溶液的起始电导，Gt为t 时刻的电导，G-为t -8时溶液的电导，则有：t = t 时：x = a (Go-Gt)(3)t - 00时：a = a (Go-G-)(4)式中豆为比例常数。由以上两式，得a-x = 口(Gt-GQ(5)将(3)和(5)式代入式(8)中，得kt= GoGt(6)a(Gt -G二)或Gt JxGGi

9、+G.ka t以Gt对(Go-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Ea。ln(k/k) =Ea/ RT +ln(A/A)(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）

10、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Ea。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词子的浓度，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 a和P ,且P比豆更密，a型在290K 和1210Pa下熔化，液体乙酸的正常沸点为319K,液体及口、P于328

11、K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6和P,故有2个三相点：a、P、l; a、卜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。0T图1乙酸的固液平衡相图连线：AB ( = = 1)、BC (l = g)。根据已知条件及 Clapeyron方程：dpH , fdp 3 fdp i ,即AE线的斜率比AB线的要小。dT TV dT . dT :又固体的密度比液体的大，即AfusVm 0,而AfusHmA。，所以有 A 0 , dTAD线属于CO2型相图，即

12、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下的标准摩尔嫡S m(g, 298.15K)数据。要求：(1)阐明实验原理，写出 S m(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始AvapHm?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，具在升温过程中将经历以下变化：乙酸（0K） T 乙酸（T* , St 乙酸（Tf, ot ） T 乙酸（Tf, D t1234乙酸(T

13、b, l) T 乙酸(Tb, g) t 乙酸(298.15K, g)56乙酸的标准摩尔嫡由下式求得：S m(g,298.15K尸 T aT3dT + CCp，m)dT +fusH m + bCP，m(l)dT vapHm 0KT TTfTfTTb(1)298.15K Cp,m(g)dTS为正常熔点和正常沸点，二式中，T*之15K, a =1944/（Od）3,生为乙酸的德拜特征温度；Tf、Tb分别fusH m、AapH m分别是熔化始和蒸发始；跷是气体的非理想性修正对嫡的贡献，其表达式为:p 9 s=p*-：VmR .dp p P(2)式中,-：Vm,一项可由气体状态方程求得。AS的较小，常可

14、忽略。p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始 数据，就可求得乙酸的S m（g, 298.15K）。（2）需要测定乙酸固体的热容Cp,m,S）、乙酸液体的热容Cp,m（l）,以 及乙酸的熔化燃和蒸发始 AfHm、vapHm ,还需要测定乙酸气体的 pVT数 据。Cp,m（%S）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Cpm（豆,S）。方法是：在样品管的电阻丝上输入恒定的电功率UI。p,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：Cp,m 喟 p-UI工 dT测定乙酸气体的pVT数据：可采用气体CO2的pVT数

15、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Vm = f （T, p）,即可由式（2）求得AS测定乙酸液体的蒸发始 AvapHm：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一 rr，.、，I 、，1 I 、，1-同压器；2-冷凝管；3-恒温槽（水浴）；4-接触温度计；5-而 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A va pH m 0ln(p/p) = - AvapHm/RT + C3、乙酸的德拜特征温度观可查

16、有关手册或直接测定乙酸固体的振动光谱性质，由此获得do固体乙酸的熔化始AfusHm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(一N=N一)基的一类化合物，最常用 的是偶氮二异丁月青，其结构式为：(CH )C-N=N-C(CH )IICNCN假设偶氮二异丁月青在某种溶剂 s中的溶解性良好，今欲知偶氮二异丁月青在溶剂 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 tl/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

17、的结果？参考解答：偶氮二异丁月青(AIBN)的分解反应如下：0t=0：t=t：t二二：(CH ) C-N=H-C(CH ) * (CH ) C -CN + N0 p总=psp p 总=ps+ pp=op 总=ps + 叩将一定质量的偶氮二异丁月青(AIBN)溶于一定质量的溶剂 S中，得AIBN 的初始浓度为Co,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：P 二二 cor = dp(N2)/dt = dp/dt = k(c(AIBN) 0(1)p 工 c(A

18、IBN)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 a值o p=0.5 p/寸的 t=ti/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co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)0示例五：已知反应H2(g) + Hg2c12(S) 一 2Hg(l) + 2HCl(m)今欲获得上述反应在298.15K

19、时的热力学函数变化值、0.1mol kg-1HCl中的离子平均活度系数4 328.15K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 I H2(101.325kPa) I HCl(0.1mol kg-1) I Hg2cl2(s) I 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、298.1S 303.15、308.1S 313.15、318.15、323.15、328.

20、1S 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 &Gm、ArHm、4Sm、qK (328.15K),其计 算公式为：.rGm= -nFE*Hm= -nFE-T(旧 fT)p rSm= nF(；:E/；:T)p .rG m=-nFEK =exp(- rG m /RT)E = E -RT/(2F)ln(m/m )44/(p(H2)/p )=E -2RT/(F)ln(m/m ) - 2RT7(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(H

21、2)=101.325kPa= p2、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CO2 pVT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Cpm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1mol HI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