如何设计一个科学实验.doc

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 ℃（6.667 Pa）；敌敌畏的蒸气压：9.9 Pa（40℃），1.60 Pa（20℃）；敌敌畏的溶解性：室温下水中的溶解度约为10 gL-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2~4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： a a 0 0 t = t时： a-x a- x x x t = ∞时： 0 0 x - a x - 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 = a (G0-Gt) （3） t → ∞时： a = a (G0-G∞) 　　　 　　　 （4）式中a为比例常数由以上两式，得 a-x = a (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Sym(g, 298.15K) 数据。

要求：（1）阐明实验原理，写出Sym(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py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） 1 2 3 4 乙酸（Tb，l） 乙酸（Tb，g） 乙酸（298.15K，g） 5 6 乙酸的标准摩尔熵由下式求得：Sym(g, 298.15K)= + 。