книги / Химия воды и основы очистки природных и сточных вод физико-химическими методами

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Правила работы в химической лаборатории

Перед началом каждой лабораторной работы студенты должны четко усвоить цель, теоретические основы протекающих процессов, порядок проведения работы.

Поскольку проведение лабораторных работ связано с использованием реальных сточных вод и применением реагентов, студентам необходимо соблюдать правила техники безопасности. При работе необходимо точно соблюдать порядок и последовательность операций, указанных в руководстве, внимательно следить за ходом опыта и замечать все признаки химических реакций. По окончании опыта следует тотчас произвести запись в рабочей тетради. Запись на отдельных листочках не допускается. На обложке должна быть указана фамилия студента и шифр группы.

При оформлении работы необходимо указать дату выполнения; название и цель работы; записать все экспериментальные данные; указать условия проведения опытов; признаки реакций (изменение цвета, выделение света, тепла, осадка и т.д.).

Расчет следует сопровождать пояснениями, работа должна заканчиваться краткими выводами. По окончании работы студент должен привести в порядок рабочее место, реактивы, посуду, оборудование. Работа с приборами разрешается только после ознакомления с инструкцией, прилагаемой к прибору.

Реактивы, применяемые в лабораторной практике, обычно являются химически чистыми веществами. Поэтому при работе с ними нужно соблюдать следующие правила:

1.Брать реактив в минимальном количестве, если нет указаний по дозировке.

2.Сухиереактивыбратьсухимичистымшпателемилиложечкой.

3.Излишек реактива не высыпать и не выливать обратно в сосуд, из которого он был взят.

4.Если раствор отбирается пипеткой, то для отбора другого раствора эту пипетку следует вымыть дистиллированной водой.

71

5.После употребления реактива банку или склянку тотчас закрыть пробкой и поставить на место этикеткой наружу.

6.Реактивы общего пользования (концентрированные растворы кислот, щелочей и др.) хранятся в вытяжном шкафу, и уносить их на свои рабочие места нельзя.

7.Индикаторы (метилоранж, фенолфталеин и др.) приливаются

крастворам по каплям из специальных сосудов-капельниц.

Перед выполнением лабораторных работ студент должен ознакомиться с применяемыми веществами и реакционными смесями, безопаснымиметодамиработы схимическими веществами иприборами.

Студент должен пройти инструктаж по технике безопасности и ознакомиться с расположением в лаборатории средств тушения пожара (песок, огнетушитель, асбест, одеяло); распределительного щита, мест включения тяги и электроосвещения; лабораторной аптечки и средств индивидуальной защиты(очков, перчаток, прорезиненного фартука).

Студент обязан соблюдать правила поведения в химической лаборатории:

1.Соблюдать чистоту рабочего места. Все предметы, не относящиеся к работе (портфели, сумки и другие личные вещи), не должны находиться на рабочем месте.

2.Сухие вещества для проведения опыта берутся чистым капсулятором, микрошпателем или фарфоровой ложечкой.

3.Просыпанное вещество нельзя ссыпать обратно в материальную банку, а необходимо выбрасывать в отходы.

4.Нельзя использовать вещества из материальных банок без этикеток.

5.Работу с вредными, ядовитыми газами и парами, а также выпаривание летучих соединений проводить в вытяжном шкафу.

6.Перегонку и нагревание легколетучих соединений проводить

вкруглодонных колбах на нагревательных приборах с закрытой спиралью или банях – водяной или песочной.

7.При воспламенении летучих жидкостей засыпать их песком, затем песок удалить, стол промыть.

8.Растворы нагревать в термостойкой химической посуде через асбестовую сетку. Пробирку нагревать на спиртовке, используя пробиркодержатель.

72

9.Горячую стеклянную ифарфоровуюпосуду ставить на асбест.

10.Во избежание попадания брызг кипящей жидкости нельзя наклоняться над сосудом; при нагревании жидкости в пробирке нужно держать её отверстием от себя и работающих рядом людей.

11.После мытья химической посуды ополаскивать её дистиллированной водой.

12.Работу, связанную с опасностью воспламенения или взрыва, следует выполнять стоя и не оставлять её без наблюдения.

13.Горючие жидкости нельзя выливать в канализацию.

14.Нюхать выделяющиеся газы издали, слегка направляя рукой ток воздуха от сосуда к себе.

15.Концентрированные растворы кислот и щелочей сливать

вспециальные сосуды, находящиеся в вытяжном шкафу.

16.Растворение веществ, протекающих с выделением тепла производить в термостойких сосудах.

17.Приразбавлении сернуюкислоту литьв воду, а ненаоборот.

18.Соблюдать правила обращения с источниками электрического тока.

Первая помощь при несчастных случаях

вхимической лаборатории

1.При попадании кислоты в глаза немедленно промыть их обильным количеством воды, после этого промыть их 2 %-ным раствором бикарбоната натрия и снова промыть водой. Обязательно обратиться к врачу.

2.При попадании кислоты на кожу немедленно насухо вытереть обожженное место чистым полотенцем (платком), промыть большим количеством воды, обмыть 2 %-ным раствором соды. Смазать обожженное место вазелином, перевязать бинтом. При ожогах второй степени обратиться к врачу.

3.При ожогах щелочью обмыть обожженное место струёй воды, а затем 3 %-ным раствором уксусной или борной кислот, смазать борным вазелином.

4.При попадании щелочи в глаз обильно промыть его водой, 1%-ным раствором борной кислоты и закапать 1–2 капли касторового масла. Немедленно обратиться к врачу.

73

5.При ранениях стеклом извлечь из ранки осколки стекла, удалить кровь с пореза ватой, смоченной этиловым спиртом или слабым раствором перманганата калия, смазать рану йодом и перевязать бинтом.

6.При тепловом ожоге смочить обожженное место раствором перманганата калия, смазать мазью от ожогов, перевязать бинтом.

7.При поражении электротоком выключить ток или устранить контакт при помощи резиновых перчаток, сухой деревянной палки, уложить пострадавшего, при необходимости освободить от стесняющей одежды, дать понюхать нашатырный спирт, сделать искусственное дыхание, немедленно вызвать врача.

74

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Основные методики оценки точности измерений и математической обработки результатов экспериментов

Классификация погрешностей измерений

Любое измерение производится с определенной степенью точности. Это связано с несовершенством измерительных приборов, методики измерений, органов человеческих чувств и т.п. При этом измеренная величина всегда отличается от ее истинного значения. Другими словами, всякое измерение характеризуется наличием ошибок – погрешностей. Во многих случаях погрешности оказываются весьма значительными. Поэтому в задачу экспериментатора помимо измерения искомой величины входит оценка погрешности полученного результата. Без такой оценки результат опыта не имеет, как правило, практической ценности.

Обычно значение измеренной величины X записывают в следующем виде:

X X ,

где Х – абсолютная погрешность измерения, характеризующая отклонение измеренного значения данной величины от ее истинного значения. При этом, поскольку истинное значение остается неизвестным (так как в принципе нельзя осуществить абсолютно точное измерение), можно дать приближенную оценку абсолютной погрешности.

В связи с тем, что причины возникновения ошибок могут быть самыми разными, необходимо классифицировать погрешности, возникающие в ходе экспериментов. Погрешности подразделяются на

случайные и систематические.

Систематической погрешностью называют составляющую по-

грешности измерения, остающуюся постоянной или закономерно изменяющуюся при повторных измерениях одной и той же величины. Случайной погрешностью называют составляющую погрешности измерения, изменяющуюся случайным образом при повторных

75

измерениях одной и той же величины. Выделяют также погрешности приборов, которые могут иметь как систематический, так и случайный характер.

Рассмотрим некоторые причины, вызывающие появление систематических и случайных погрешностей. Систематическая погрешность может быть связана с неисправностями измерительных приборов, неточностью их регулировки, несоблюдением условий их эксплуатации и т.п., а также может заключаться и в самой методике измерений. В этом случае устранить ошибку можно, только изменив метод измерений.

Случайные погрешности связаны с некоторыми случайными факторами, влияющими на точность измерений. Они могут зависеть от условий, в которых производится эксперимент. Основным способом уменьшения случайных погрешностей является многократное измерение одной и той же величины. Погрешности приборов связаны с несовершенством любого измерительного инструмента. Если значение измеряемой величины определяется по шкале инструмента, абсолютная погрешность прибора считается, как правило, равной половине цены деления шкалы.

Оценка погрешности измерений

Для повышения точности измерений следует по возможности устранить математические погрешности. Это можно сделать различными способами. Если известна природа такой ошибки и может быть определена ее величина, достаточно ввести соответствующую поправку. Это возможно, например, для исключения влияния на результат измерения таких факторов, как температура и давление воздуха, или факторов, связанных с известным недостатком измерительного инструмента. Можно исключить некоторые виды систематических погрешностей, однако всегда остается ошибка, связанная с погрешностью используемого прибора, а также случайные погрешности, которые заранее учесть нельзя.

В этом случае, если погрешность прибора заведомо больше величины случайных погрешностей, присущих данному методу при данных условиях эксперимента, достаточно выполнить измерение один раз.

76

Тогда абсолютная погрешность измерения будет равна погрешности прибора. Если определяющей является случайная погрешность, надо уменьшить ее величину спомощьюмногократных измерений.

Рассмотрим методику оценки случайной погрешности. Предположим, что мы произвели n измерений величины Х. Обо-

значим через Х1, Х2, … Хn результаты отдельных измерений, которые вследствие наличия случайных погрешностей будут в общем случае неодинаковыми. В теории вероятностей доказывается, что истинное значение измеряемой величины (при отсутствии систематических погрешностей) равно ее среднему значению, получаемому при бесконечно большом числе измерений, т.е.

Поэтому наиболее близким Х истинному будет для данной серии измерений среднее арифметическое значение, а именно

Отклонения измеренных значении Хn от Xср носят случайный характер и называются абсолютными ошибками отдельных намерений:

В элементарной теории ошибок, разработанной Гауссом, мерой случайной погрешности отдельного измерения является так называемая средняя квадратичная погрешность, вычисляемая по формуле

n

( Xi )2

n(n 1)

При большом числе измерений величина Sn стремится к некото-

рому пределу σ, т.е. lim Sn .

R

77

Этот предел называется средней квадратичной погрешностью, а квадрат этой величины – дисперсией измерений.

Средняя квадратичная погрешность отдельного измерения Sn полезна лишь для оценки точности применяемого способа измерений. Нас же главным образом интересует погрешность результата всей серии измерений. Для этого надо найти среднюю квадратичную погрешность среднего арифметического, характеризующую отклонение Хср от истинного значения искомой величины. Из закона сложения ошибок вытекает, что средняя квадратичная погрешность среднего арифметического определяется как

Отсюда следует, что чем больше проделано измерений одной и той же величины, тем меньше случайная погрешность результата. Это вполне понятно, так как согласно (1) и (2), чем больше число

опытов, тем ближе Хср к Хист.

Используя соотношения (4) и (5), можно записать следующее окончательное выражение для средней квадратичной погрешности результата серии измерений:

n

( Xi )2

Xкв . (П2.6)

i 1

n(n 1)

Это не означает, однако, что истинное значение измеряемой величины обязательно будет заключено в интервале от Xср – Xкв до Хср + Xкв. Оказывается, что даже при очень большом числе измерений вероятность того, что истинное значение попадет в указанный интервал, не превышает 0,7.

Вероятность того, что истинное значение измеряемой величины попадет в заданный интервал, называется доверительной вероятностью, или коэффициентом доверия Р, а соответствующий интервал, определяемый величиной абсолютной погрешности – доверительным интервалом. Достоверность результата при данном количестве измерений можно увеличить, уменьшая его точность, т.е. расширяя доверительный интервал.

78

Обычно случайную погрешность рассчитывают по формуле

n

( Xi )2

где ni P – коэффициент Стьюдента, зависящий от числа измерений и выбранного значения доверительной вероятности P. Значения ni P для ряда случаев приведены в табл. П2.1.

Таблица П2 . 1 Значения коэффициентов Стьюдента

Как видно из табл. 1, увеличение числа опытов позволяет при заданной доверительной вероятности существенно уменьшить случайную погрешность. Здесь следует учесть, что помимо коэффициента αni p с ростом n уменьшается и значение Хкв.

Таким образом, для характеристики величины случайной погрешности в принципе необходимо задать два числа: саму погрешность Xкв и доверительную вероятность P, позволяющую оценить степень надежности полученного результата. Необходимая степень надежности определяется спецификой производимых измерений. Доверительная вероятность должна быть, например, очень высокой при контроле размеров деталей самолетов и достаточно низкой при аналогичном контроле деталей ручной тележки. В условиях учебной лаборатории обычно принимают P = 0,95.

Для окончательной оценки величины абсолютной погрешности Х следует сравнить полученную случайную погрешность с погрешностями других видов. Если путем многократных измерений удалось сделать случайную ошибку заметно меньше приборной (при

79

незначительных систематических ошибках), то в качестве Х можно взять погрешность использовавшегося прибора. В противном случае в качестве X берут значение Xсл.

Такимобразом, дляоценкиабсолютнойпогрешностиследует:

1) произвести серию измерений искомой величины и вычислить среднее значение по формуле:

Xср 1 n Xi ;

n i 1

2) вычислитьабсолютныеошибкиотдельныхопытовсогласно(П2.3):

Хi Xср Xi ;

3) рассчитать Хкв по формуле (6):

n

( Xi )2

4) определить случайную погрешность, пользуясь формулой

(П2.7) и табл. П2.1:

n

( Xi )2

5)сравнить Хср погрешность прибора, выбирая в качестве абсолютной погрешности наибольшую из этих погрешностей;

6)записать результат измерений в виде

Если величины случайной и приборной погрешностей близки друг к другу, то обе они влияют на точность результата в одинаковой степени. Поэтому иногда в качестве максимального значения абсолютной ошибки берут сумму указанных погрешностей.

Следует обратить внимание на то обстоятельство, что величина абсолютной погрешности сама по себе дает мало информации о действительной точности измерения, если не сопоставлять ее со значе-

80