定量化学分析实验

定量化学分析实验（精选十篇）

定量化学分析实验 篇1

一、知识要点

高中知识体系中具 有代表性 的定量实 验有:1一定物质的量浓度溶液的配制与溶液稀释的操作方法及简单计算;2酸碱中和滴定的操作方法与滴定曲线的测绘;3中和热的测定原理和方法;4硫酸铜晶体中结晶水含量的测定;5物质的质量、气体体积、溶液pH的测量方法;6在定性的基础上融入测定 原子量、式量、物质的纯度及含量等的实验设计。

二、考情分析

纵观近几年的高考试卷发现,定量实验的命题方式是定量与定性相结合,以填空题、简答题为主。此类试题主要考查学生对实验原理、实验过程的理解与分析能力,学生要充分理解题给信息,树立量的概念。定量实验最终会涉及实验数据的处理,为保证实验结果的准确性,这样的实验往往要重复做几次。在处理数据时应该取合理数据(舍去误差较大的数值)的平均值。另外,学生应在掌握实验原理的基础上,注意实验仪器和装置的操作方法、实验数据的处理方法以及误差原因的分析方法。高考化学中定量实验占了一定的比重,学生极有必要专门对定量实验进行突破,以提高解决实验题的能力。

三、题型透析

定量实验题的考点 主要有定 量仪器的 选择、定量仪器的使用方法和要求的判断、定量实验的操作要领和原理、数据处理、误差分析和实验结果的计算等。值得注意的是,高考试卷中的定量分析试题已不再局限于中学化学中常见的定量实验,有些试题已扩展至利用中学化学中的定量仪器完成一些特定的实验。

1.操作要领型

【例1】已知某FeCl3样品中含 有少量FeCl2 杂质,某实验小组要测定其中铁元 素的质量分数,进行了一系列实验,其操作步骤如下图所示:

根据上述流程示意图回答下列问题:

(1)操作Ⅰ中,在溶解样品时,滴加盐酸的作用是________。

(2)操作Ⅱ中,所用到的玻璃仪器除烧杯、玻璃棒、胶头滴管外,还必须有________(填仪器名称),操作Ⅲ必 须用到的 仪器是________(填字母)。

a.50mL烧杯

b.50mL量筒

c.25.00mL滴定管

(3)操作Ⅳ中加入过量H2O2,将Fe2+完全氧化为Fe3+,完成并配 平该离子 方程式:______Fe2++ _______H2O2+_______=____Fe3++_____H2O。

(4)检验沉淀是否已经洗涤干净的操作步骤是_____。

(5)在最后一步操作中,将沉淀物 转移到_____(填仪器名称)中灼烧、冷却后,用天平称量红棕色固 体的质量 为m1 g,再次重复 操作,称量其质量为m2g,若m1-m2=0.3,则接下来还应进行的操作是_____。

(6)若坩埚的质量是W1 g,坩埚与加热后固体的总质量是W2g,则样品中铁元素的质量分数是_____;若称量准确,最终测量的结果偏大,则造成误差的原因可能是_____(写出一种原因即可)。

解析:(1)由于Fe3+易水解,为防止Fe3+水解,一般配制氯化铁溶液时需加入盐酸。(2)操作Ⅱ是一定物质的量浓度溶液的配制,所需要的玻璃仪器主要有烧杯、玻璃棒、250mL容量瓶、胶头滴管。在操作Ⅲ中量取的是12.50mL溶液,依据精确度,只能使用滴定管。(4)检验沉淀是否洗涤干净,即检验检验沉淀表面是否还存在溶液中的一些离子,本题中即可检验沉淀表面是否附有Cl-。(5)加热固体时,根据两次质量差是否小于0.1g判断加热反应是否完全,若大于0.1g,应再次灼烧、冷却、称量,直至两次质量差小于0.1g。(6)最后得到的红棕色固体为氧化铁,其质量为(W2-W1)g,氧化铁中铁元素的 质量为 (W2- W1)g×(112)/(160)=7(W2- W1)/(10)g,则样品中铁元素的质量分数为

答案:(1)增强溶液 的酸性,抑制Fe3+的水解

(2)250mL容量瓶c

(3)212H+22

(4)取少量最后一次的洗涤液,先滴加适量稀HNO3,再滴加AgNO3溶液,若无沉淀 生成,则证明沉淀已洗涤干净(或其他合理答案)

(5)坩埚再次灼烧、冷却、称量,直至两次质量差小于0.1g

(6)14(W2- W1)/a×100%固体加热时未充分反应变为Fe2O3(或其他合理答案)

归纳总结:本题以定量实验的一般步骤为载体,考查常用仪器的基本操作、实验设计与评价。完成定量实验的一般步骤:先看实验目的,再明确实验的反应原理和计算原理。

2.含量测定型

【例2】氮化铝 (AlN)是一种新 型无机材料,广泛应用于集成电路生产领域。某氮化铝样品中可能含有碳或氧化铝中的一种杂质,现用如图1所示的装置来进行检验,使氮化铝样品和NaOH溶液反应:AlN+ NaOH + H2O=NaAlO2+NH3↑。根据反应中所产生氨气的体积来测定样品中的氮化铝的质量分数,并根据实验现象来确定杂质的成分 (实验中导管体积忽略不计)。

(1)实验有关操作:a.往锥形瓶中放入适量的AlN样品;b.用分液漏斗往锥形瓶中加入过量的浓NaOH溶液;c.检验装置 的气密性;d.测定收集到的水的体 积。正确的操 作顺序为_______。

(2)本实验中(图1)检查装置气密性的方法是_______。

(3)广口瓶中 的试剂X可选用_______(填字母)。

A.汽油B.酒精

C.植物油D.CCl4

(4)广口瓶的液体没有装满(上方留有少量空间),实验测得NH3的体积将_______(填“偏大”、“偏小”或“不变”)。

(5)实验结束后,若观察到锥形瓶中还有固体,则样品中含有的杂质是_______。

(6)若实验中测得样品的质量为wg,氨气的体积为aL(标况下),则样品中AlN的质量分数为(AlN的式量为41)_______。

(7)有人改用图2装置进行同样的实验,通过测定烧杯中硫酸的增 重来确定样品中AlN的质量分数。你认为两种实验方案中,比较好的是_______(填“图1”或“图2”),理由是_______。

解析:(1)正确的操 作顺序为c、a、b、d。(2)本实验中 检查装置 气密性可 用微热法。(3)汽油易挥发,酒精与水互溶,CCl4的密度比水大,故答案为C。(4)植物油起到隔离水的作用,所以广口瓶上方留有少量空间不影响测得NH3 的体积。(5)因为该氮化铝样品中可能含有碳或氧化铝中的一种杂质,观察到锥形瓶中还有固体,则样品中含有的杂质是碳。(6)设参加反应的氮化铝的质量为xg,根据反应关系式AlN~NH3可得(41)/(17)=x/(17a)/(22.4),解得x=(41a)/(22.4),则样品中AlN的质量分数为(41a)/(22.4w)×100%=(4 100a)/(22.4w)%。(7)若按图2装置进行实验,会使液体沿着导管倒吸入锥形瓶内,应在导管末端接一个倒置的漏斗,所以比较好的是图1。

答案:(1)c、a、b、d

(2)关闭分液漏斗活塞,在量筒中加入足量的水浸没导管口,微热锥形瓶,导管口有气泡产生,冷却后导管口有一段水柱稳定不动,则表示气密性良好(或其他合理答案)

(3)C

(4)不变

(5)碳

(6)(4100a)/(22.4w)%

(7)图1按图2装置会造成倒吸

归纳总结:本题涉及实验装置的操作顺序、装置气密性检查、药品的选择和装置的评价四个考点,考查学生对陌生实验装置图的识别、理解和操作能力。对于此类综合题宜采用各个击破的方法解题。

3.数据处理型

【例3】某同学进行6次滴定20.00mL某浓度的NaOH溶液的实验,所用0.1250mol/L标准盐酸的体积分别如下:

若要求滴定误差不超过0.5%,则NaOH溶液的浓度为_______。

解析:本题要求滴定误差不超过0.5%,因此标准盐酸的体积差不超过0.1mL。6次实验中第1次、第5次的数据明显较大程度地偏离其他数据,应舍弃。其他4次实验数据间的差值均小于0.1mL,可用于计 算平均值,则V(HCl)=(20.25mL+20.26mL+20.28mL+20.32mL)÷4=20.28mL,则c(NaOH)=(0.1250mol/L×20.28mL)/20.00mL=0.1268mol/L。

答案:0.1268mol/L

归纳总结:本题涉及高中化学最基础的定量实验———中和滴定实验,平时学生操作时常常做3次,但本题是6次操作,对数据进行科学的处理是解决本题的关键。为减小偶然误差,在中和滴定过程中必须重复进行滴定。在处理实验中得到的多个数据时,思路是“先取舍,后平均”。因为在测得的数据中,往往会有一些数据较大程度地偏离其他数据,处理前必须先舍弃,然后对剩余数据求平均值,这样得到的结果误差较小。

4.误差分析型

【例4】将无水碳酸钠配成标准溶液,滴定未知浓度的盐 酸时反应 方程式为Na2CO3 +2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑。下列操作中不会使滴定结果产生误差的是()

1称量无水碳酸钠时,所用砝码沾有脏物,未抹去2用移液管移取盐酸时,把移液管下端残存的液滴吹入锥形瓶3准确移取盐酸至锥形瓶后,又加入少量蒸馏水4标准溶液露置时曾吸收空气中的CO2,但溶液的体积未变

A.3B.2 3

C.3 4D.2 3 4

解析:本题中碳酸钠溶液是标准溶液,盐酸是待测液。根据反 应方程式 可得。1称量无水 碳酸钠时,砝码沾有脏物,称得的无水碳酸钠质量大于实际的质量,配制的Na2CO3 溶液浓度偏高,滴定时消耗Na2CO3 溶液的体积偏小,这样计算出的c(HCl)偏低。2除在管身 上标有“吹”字的移液管,可将下端残留的液滴吹入锥形瓶,其他的均不允许,否则会使取用盐酸的体积偏大,滴定时消耗Na2CO3 溶液的体积也偏大,这样计算出的c(HCl)偏高。3在盛有盐酸的锥形瓶中加入少量蒸馏水,盐酸的物质的量不变,消耗Na2CO3 的体积也不变,所以对测定c(HCl)无影响。4碳酸钠溶液吸收CO2,反应方程式为Na2CO3 + H2O + CO2=2NaHCO3。1molNa2CO3倘若与CO2完全反应,生成2molNaHCO3,NaHCO3与盐酸反应消耗2molHCl。1molNa2CO3 倘若未吸 收CO2,与盐酸反应时也消耗2molHCl,所以标准溶液吸收CO2,对测定c(HCl)无影响。

答案:C

归纳总结:学生在进行实验设计中的误差分析时,可从两个方面来考虑:一是外界 环境(H2O、CO2、O2等)对该实验的影响而产生的误差;二是由于操作不当引起的误差。如果是对最终结果的误差分析,应通过最后得出的代数表达式来看哪些物理量发生了变化,从而得出实际误差情况。

5.变量控制型

【例5】控制变量法是化学实验中的一种常用方法,下表是某学习小组研究等物质的量浓度的稀硫酸和锌反应的实验数据(计算结果精确到小数点后一位):

分析表中数据,回答下列问题:

(1)实验1和实验2表明_______对化学反应速率有影响,对这一规律进行研究的实验还有一组是_______(填实验序号)。

(2)下列数据推断正确的是_______(填字母)。

A.t1<70B.m1<m2

C.m6=19.3 D.t1>t4

(3)本实验还可以研究______对化学反应速率的影响。

(4) 稀硫酸的 物质的量 浓度是_______mol/L,实验6生成硫酸 锌的质量m5=_________。

解析:(1)实验1和实验2只有温度不同,其他量都相同;实验3和实验4也是只有温度不同,其他量都相同。(2)实验5和实验3比较,粉末代替颗粒,反应速率加快,所以t1<70,A项正确;实验1和实验2所用Zn的质量一样,生成硫酸锌 的质量相 等,m1=m2,B项错误;和实验8、实验10相比,实验9用的Zn的质量是10.0g,所以m6=19.3,C项正确;和实验8相比,实验5用的Zn少,t1<t4,D项错误。(4)实验10中硫酸反 应完全,n(ZnSO4)=19.3g/161g/mol=0.12mol,则c(H2SO4)=0.12mol/0.05L=2.4mol/L。实验6中Zn反应完全,生成硫酸锌的质量为4.0g/65g/mol×161g/mol=9.9g,则m5=9.9。

答案:(1)温度3和4

(2)AC

(3)硫酸的浓度和催化剂(或压强)

(4)2.49.9

定量化学分析实验 篇2

问题教学法在定量分析实验教学中的实践

在定量分析实验教学中运用问题教学法有利于养成学生科学思维和学习习惯.提高教学质量,可采用强化实验教学中几个关键,实行科学化过程考核,建立和运用实验教学信息平台等方法和手段.

作 者：丁爱琴 作者单位：合肥学院基础实验与实践教学中心,安徽,合肥230022刊 名：当代教育论坛英文刊名：FORUM ON CONTEMPORARY EDUCATION年，卷(期)：“”(14)分类号：G63关键词：问题教学法 定量分析 实验教学

大学定量化学分析实验教学 篇3

关键词:定量化学分析实验;教学过程;含量测定

收稿日期:2009-12-04

作者简介:曲智(1988-),男,黑龙江铁力人,大庆师范学院化学化工学院化学工程与工艺2006届化工本科班;赵秀丽(1980-),女,黑龙江庆安人,大庆师范学院化学化工学院讲师,研究方向:石油化工。

进行定量化学分析实验的目的是:(1)使学生掌握定量化学分析实验的基本知识,基本操作,基本技能,典型的分析方法和实验数据处理方法;(2)帮助学生确立"量"的概念,"误差"和"偏差"的概念及"有效数字"的概念,了解并能掌握影响分析结果的主要因素和关键环节,合理地选择实验条件和实验仪器,以确保定量结果的可靠性;(3)引导学生加深对有关理论的理解并能灵活运用所学理论知识和实验知识指导实验设计及操作,提高分析解决实际问题的独立工作能力及统筹思维能力,培养创新意识和探究欲望;(4)培养严谨的科学作风和良好的实验素养。以下是SiO²、Fe²O³、CaO和MgO的含量测定的实验原理及教学步骤.

一、实验原理

水泥熟料中碱性氧化物占60%以上,因此易为酸分解。水泥熟料主要为硅酸三钙(3CaO?SiO²)、硅酸二钙(2CaO?SiO²)、等化合物的混合物。这些化合物与盐酸作用时,生成硅酸和可溶性的氯化物。

硅酸是一种很弱的无机酸,在水溶液中绝大部分以溶胶状态存在。

在水泥经分解后之溶液中,采用加热蒸发近干和加固体氯化铵两种措施,使水溶性胶状硅酸尽可能全部脱水析出。含水硅酸的组成不固定,故沉淀经过滤、洗涤、烘干后,还需经950～1000℃高温灼烧成固定成分SiO2,然后称量,根据沉淀的质量计算SiO2的百分含量。

灼烧时,硅酸凝胶不仅失去吸附水,并进一步失去结合水,脱水过程的变化如下:

H²SiO³?nH²O110℃H²SiO³950～1000℃SiO²

灼烧所得之 SiO2沉淀是雪白而又疏松的粉末。如所得沉淀呈灰色,黄色或红棕色,说明沉淀不纯。在要求比较高的测定中,应用氢氟酸-硫酸处理。

水泥中的铁、钙、镁等组分以Fe3+、Ca3+、Mg3+等离子形式存在于过滤SiO2沉淀后的滤液中,它们都与EDTA形成稳定的配离子。但这些配离子的稳定性有较显著的差别,因此只要控制适当的酸度,就可用EDTA分别滴定它们。

滴定时以磺基水杨酸为指示剂,它与Fe3+形成的配合物的颜色与溶液酸度有关,在Ph=1.2～2.5时,配合物呈红紫色。由于Fe3+-磺基水杨酸配合物不及Fe3+-EDTA配合物稳定,所以临近终点时加入的EDTA便会夺取Fe3+-磺基水杨酸配合物中的Fe3+,使磺基水杨酸游离出来,因而溶液由红紫色变为微黄色,即为终点。磺基水杨酸在水溶液中是无色的,但由于Fe3+-EDTA配合物是黄色的,所以终点时由红紫色变为黄色。

由于配位滴定的过程中有H+产生(Fe3++ H² Y2-≒FeY-+ 2H+),所以在没有缓冲作用的溶液中,当铁含量较高时(Fe²O³在40mg以上),在滴定的过程中溶液的pH值逐渐降低,妨碍反应进一步完成,以致终点变色缓慢,难以准确测定。实验表明Fe²O³的含量以不超过30mg为宜。

二、仪器与试剂

仪器:水浴锅;马弗炉;瓷坩埚;酸式滴定管(50mL);移液管(50mL、25mL)

试剂:浓盐酸(1+1)HCl溶液;(3+97)HCl溶液;浓硝酸;1+1氨水;10%的NaOH溶液;固体NH₄Cl;10%的NH₄SCN溶液;1+1三乙醇胺;0.015mol/L EDTA标准溶液;0.015mol/L CuSiO₄标准溶液;Hac-NaAc缓冲溶液(Ph=4.3);NH³-NH₄Cl缓冲溶液(Ph=10);0.05%溴甲酚绿指示剂;10%磺基水杨酸指示剂;0.2%的PAN指示剂;酸性铬蓝K-萘酚绿B;钙指示剂。

三、实验步骤

(1)SiO²的测定。准确称取试样0.8～0.9g左右,置于干燥的200mL烧杯中,加入4g固体氯化铵,用玻璃棒混合均匀。盖上表面皿,沿杯口滴加6mL濃盐酸和2滴浓硝酸,仔细搅拌,使试样充分分解。将烧杯置于沸水浴上,盖上表面皿,蒸发近干(约需10-15min),(为什么要蒸发至近干?)取下,加10mL热的稀盐酸(3+97),搅拌,使可溶性盐类溶解,以中性定量滤纸过滤,用热的稀盐酸(3+97)洗玻璃棒及烧杯,并洗涤沉淀至洗涤液中不含Fe3+为止。Fe3+可用NH₄SCN溶液检验,一般来说,洗涤10次以上可达不含Fe3+的要求。滤液及洗涤液保存在500mL容量瓶中,并用水稀释至刻度,摇匀,供测定Fe3+、Al3+、Ca3+、Mg3+等离子之用。

将沉淀和滤纸移至已称至恒重的瓷坩埚中,先在电炉上低温烘干,再升高温度使滤纸充分灰化。然后在950～1000℃的高温炉内灼烧30min。取出,稍冷,再移置干燥器中冷却至室温(约15～40min),称量。如此反复灼烧,直至恒重。

(2)Fe3+的测定。准确吸取分离SiO²后之滤液50mL,置于250mL锥形瓶中,加2滴0.05%溴甲酚绿指示剂(溴甲酚绿指示剂在Ph小于3.8时呈黄色,大于5.4时呈绿色),此时溶液呈黄色。逐滴滴加1+1氨水,使之成绿色。然后再用1+1HCl溶液调节溶液酸度至呈黄色后再过量3滴,此时溶液酸度约为Ph=2。加热至约70℃(根据经验,感到烫手但还不觉得非常烫),取下,加6～8滴10%磺基水杨酸,以0.015mol/L的EDTA标准溶液滴定。滴定开始时溶液呈红紫色,此时滴定速度宜稍快些。当溶液开始呈淡红紫色时,滴定速度放慢,一定要每加一滴,摇摇,看看,然后再加一滴,最好同时再加热,直至滴到溶液变为淡黄色,即为终点,滴得太快,EDTA易多加,这样不仅会使Fe3+的结果偏高,同时还会使Al3+的结果偏低。

(3)Al3+的测定。在滴定铁含量后的溶液中,加入0.015mol/L EDTA标准溶液约20 mL,记下读数,摇匀。然后再加入15 mL pH为4.3的Hac-NaAc缓冲液。煮沸1～2min,取下,冷至90℃左右,加入5～6滴0.2%PAN指示剂,以0.015mol/L CuSO₄标准溶液滴定。开始时溶液呈黄色,随着CuSO₄标准溶液的加入,颜色逐渐变绿并加深,直至再加入一滴突然变紫,即为终点。在变紫色之前,曾有蓝色变为灰绿色的过程。在灰绿色溶液中再加1滴CuSO₄溶液,即变紫色。

参考文献

[1]四川大学化工学院,浙江大学化学系.分析化学实验(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2003.

[2]邢文卫,李炜.分析化学实验(第二版)[M].北京:化学工业出版社,2007.

[3]蔡明招.分析化学实验[M].北京:化学工业出版社,2004.

[4]李永秀等.基础分析化学实验[M].南京:南京理工大学,1994.

偏振光实验中的定量分析 篇4

光的偏振特性研究是从人们进一步认识和研究晶体光学和许多重要光学仪器的基础,而研究的主要内容就是观察在对马吕斯定律的验证和观察布鲁斯特角进行定量直观的研究。其次,传统的数据处理(手工作图),误差较大,难以达到精确研究的目的。随着电子技术的不断发展,Excel这一工具,编辑为一体的办公软件,独特的功能、简单的方法得到了大众的青睐,为提高效率和减少误差,本文利用Excel软件对偏振光实验测量中的数据进行处理。

1 仪器用具

KF-WZS型偏振光实验仪一套,起偏器,1/2波片及转动装置,检偏器,光电转换装置,1/4波片及转动装置,玻璃堆,转台,光源,功率计,转臂,导轨。

2 实验原理

2.1 马吕斯定律[2]

一束光强度为I0的线偏振光,透过检偏器以后,透射光的光强度为I=I0cos2α,其中α是线偏振光的光振动方向与检偏器透振方向间的夹角,该式称为马吕斯定律。

2.2 布儒斯特定律[3]

光从折射率为n1的介质射向折射率为n2的介质时,当入射角满足:,反射光就变为振动方向垂直于入射面得完全偏振光,而折射光仍为部分偏振光。i称为布儒斯特角。由折射定律和布儒斯特定律可以证明:当入射角等于i时反射光和折射光相互垂直。即:

2.3 波片的特性[3]

波片是一种对二垂直振动分量提供固定相位差的元件,是从单轴晶体中切割下来的平面平行板,其表面平行于光轴。δ=2π(No-Ne)d/λ式中d为波片厚度,λ为光在真空中的波长。于是,入射的偏振光通过滤片后,由于其二垂直分量之间附加了一个相位差,将会改变偏振状态。

2.3.1 半波片

半波处的附加相位延迟差为δ=2π(No-Ne)d/λ=(2m+1)π(m=0,±1,±2,…),出射光仍为线偏振光,振动面方位较入射光转过了2θ角,当θ=45,振动90°。

2.3.2 1/4波片

1/4波片的附加相位差为δ=2π(No-Ne)d/λ=(2m+1)π/2(m=1,±1,±2,…),线偏振光通过1/4波片后,出射光将变为长、短半轴等于Ae,Ao的椭圆偏振光。当θ=45°时,Ae=Ao=A/2,出射出光为一圆偏振光。

3 调试方法及步骤

3.1 验证马吕斯定律

调整两偏振片透光轴平行。方法是将起偏器不动,转动检偏器,直到照度计示值最大为止。此时记下检偏器度盘上的角度示值θ,θ即为两偏振片透光轴平行时,偏振片度盘上的角度示值。将起偏器每转动10°,记下照度计的示值。如表1所示,并以cos2θ为横坐标,I为纵坐标作I~cos2θ关系曲线如下所示,由此验证马吕斯定律,如图3所示。

3.2 观测光以布儒斯特角入射的偏振现象

去掉起偏器,把玻璃堆放置转台中心位置,用压片固定,调节转台使玻璃堆与入射光线垂直,完毕将玻璃堆转至布儒斯特角,转动转臂,观察功率计读数,在读数最大处固定转臂,旋转检偏器,旋转至一周,观察功率计功率变化,并分析原因。如表3所示,并以θ为横坐标,I为纵坐标作I~θ关系曲线,如图4所示。

3.3 观察波片现象

3.3.1 定偏振片光轴

把所有器件按原理图的顺序摆放在平台上,调至共轴。旋转第二个偏振片,使起偏器的偏振轴与检偏器的偏振轴相互垂直,观察消光现象。

3.3.2 考察平面偏振光通过λ/2波片时的现象

在两块偏振片之间插入λ/2波片,把X轴旋转二维架转动360度,观察消光的次数并解释这现象。将λ/2波片转任意角度,这时消光现象被破坏。把检偏器转动360度,观察发生的现象,仍使起偏器和检偏器处于正交(即处于消光现象时),插入λ/2波片,使消光,再将转15度,破坏其消光。转动检偏器至消光位置,并记录检偏器所转动的角度。继续将λ/2波片转15度(即总转动角为30度),依次使λ/2波片总转角为45度,60度,90度,记录检偏器消光时所转总角度(表4)。

3.3.3 用波片产生圆偏振光和椭圆偏振光

使起偏器和检偏器正交,用λ/4波片代替λ/2波片,转动λ/4波片使消光。再将λ/4波片转动15度,然后将检偏器转动360度,观察现象,并分析这时从λ/4波片出来光的偏振状态。依次将转动总角度为30度,45度,60度,90度,每次将检偏器转动,记录所观察到的现象(表5)。

4 实验数据记录及处理

5 实验总结

从图3可知,当θ在90至180时I与cos2θ关系曲线和上图走势一样。反映了周期性的关系变化。从图4可得当入射角为布儒斯特角时,反射光为振动方向垂直入射面的线偏振光,而折射光仍为振动方向平行于入射面的成分占优势的部分偏振光。实验发现结果随着角度的变化而变化。基本在120度和300度是最小。

本实验从三个方面对有关偏振光进行了系统的验证和总结,实验利用计算机软件(Excel)对偏振光实验的测量数据进行分析处理,使学生能更深刻的理解和掌握偏振光实验。人们现在对自然光有很好的认识然而对偏振光的了解还不够深刻,但随着社会的发展,越来越多的利用光的偏振光原理所制作的产品得到了人们的广泛认可(如在摄影镜头前加上偏振镜消除反光,使用偏振镜看立体电影,利用偏振现象可了解晶体的光学特性)。

摘要：本文根据理论和实验两方面对有关偏振光的问题进行定量分析,利用计算机软件(Excel)对偏振光实验的测量数据进行分析处理,使学生能更深刻的理解和掌握偏振光实验。

关键词：马吕斯定律,布儒斯特角,玻片,偏振光,定量分析

参考文献

[1]竺江峰,芦立娟.大学物理试验[M].北京:中国科学技术出版社,2005.200-203.

[2]赵近芳主编.大学物理简明教程[M].北京邮电大学出版社,2008.7.

[3]母国光,战元龄主编.光学(第2版物理专业经典教材)[M].高等教育出版,2009.9.

定量化学分析实验 篇5

姓 名：

学 号：

专业年级： 2015级预防

组 别： 第二实验室

生物化学与分子生物学实验教学中心

实验名称 质粒DNA的提取、定量与酶切鉴定

实验地点 指导老师

教师签名

第二实验室 实验日期 2016-12-1 合作者 评分

一、实验目的

批改日期

1.掌握PCR基因扩增的原理和操作方法 2.掌握碱裂解法提取质粒的方法

3.了解紫外吸收法检测DNA浓度与纯度的原理、方法 4.学习水平式琼脂糖凝胶电泳操作

二、实验原理

1.PCR反应：加热使模板DNA在高温下90℃-95变性，双链解链；降低溶液温度使合成引物在低温（35－70℃,一般低于模板Tm值的5℃左右），与模板DNA互补退火形成部分双链；溶液反应温度升至中温72℃，在 Taq酶作用下，以dNTP为原料，引物为复制起点，模板DNA的一条单链在解链和退火之后延伸为一条双链。

2.碱裂解法：基于染色体DNA与质粒DNA的变性与复性的差异。在pH高达12.6的碱性条件下，细菌线性染色体DNA氢键断裂，双螺旋结构解开而变性，而质粒DNA大部分氢键也断裂，当pH调至4.8的时候线状染色体DNA片段难以复性而成缠连网状结构，与变性蛋白质与细胞碎片缠绕在一起而沉淀，而质粒DNA双链又恢复原状，并溶解于液相中。

3.离心层析柱：硅基质膜在高盐、低pH值状态下选择性地结合溶液中的质粒DNA，不吸附蛋白质、多糖等物质；通过去蛋白液和漂洗液将杂质和其它细菌成分去除；低盐，高pH值的洗脱缓冲液将纯净质粒DNA从硅基质膜上洗脱。

4.紫外光吸收法：物质在光的照射下会产生对光的吸收效应，而且物质对光的吸收是具有选择性的，各种不同的物质都具有其各自的吸收光谱。因为组成核酸的碱基(G,A,T,C）在260nm处具有强吸收峰，所以通过测定260nm的吸收峰即可对DNA进行定量。

5.琼脂糖凝胶电泳：琼脂糖是一种天然聚合长链状分子，可以形成具有刚性的滤孔，凝胶孔径的大小决定于琼脂糖的浓度；DNA分子在碱性环境中带负电荷，在外加电场作用下向正极泳动；DNA分子在琼脂糖凝胶中泳动时，有电荷效应与分子筛效应。不同的DNA，分子量大小及构型不同，电泳时的泳动率就不同，从而分出不同的区带(迁移速度与分子量的对数值成反比关系)。

三、材料与方法：

材料与仪器：

PCR反应：PCR仪、加样枪、菌液（大肠杆菌DH5a菌株）、引物、2×Premix Taq、灭菌去离子水；

质粒DNA的提取与鉴定：台式离心机、含pMD19-T质粒的大肠杆菌DH5α、AXYGEN试剂盒质粒提取试剂盒、溶液 P1（S1，50mmol/L 葡萄糖、25mmol/L Tris·Cl(pH8.0)、10 mmol/L EDTA(pH8.0))、溶液 P2(S2，0.2 mol/ L NaOH、1% SDS）、溶液 P3（S3，5mol/L 乙酸钠 60ml、冰乙酸11.5ml、水28.5ml）、去蛋白液 PE（W1)、漂洗液 WB(W2）、洗脱液 EB（Eluent)；

紫外光吸收法：比色杯、紫外分光光度计；

酶切鉴定：无菌水、10×M酶切缓冲液、质粒DNA（来自质粒DNA提取步骤）、Hind III(15U/ul)、EcoR I(12U/ul)琼脂糖凝胶电泳：电泳指示剂、Gelview、TBE、琼脂糖、DNA Marker 5000

实验方法：

煮菌，PCR（PCR程序最后设4℃保温）

↓约2小时收集PCR产物

质粒DNA提取（约1小时）

↓ 紫外检测定量

↓ 酶切步骤 ↓ 酶切约1~2小时

↓

电泳（样品：质粒DNA，PCR产物，酶切产物，Marker）

↓约30分钟 观察电泳结果、记录、拍照、保存

1.PCR反应：

菌液煮沸10min, 冷冻，室温解冻后离心取上清

↓

取0.2 ml PCR反应管一只，用微量加样枪分别加入各试剂

↓

在PCR仪中94℃预变性5分钟后开始循环（94℃30 秒，50℃30 秒，72℃↓(循环30次)72℃ 5 分钟，4 ℃ 保温

2.质粒DNA提取与定量）1min

取1.5ml培养物加入Eppendorf管中

↓

9000rpm×30 s，弃上清

↓

加入250μl 溶液S1，吹打，使细菌沉淀分散，彻底悬浮

↓

加入250μl 溶液S2，颠倒6～10次混匀（不要剧烈振荡），直到溶液变得清亮

↓

加入400μl 溶液S3，立即温和混匀，室温放置3-5min。13000rpm离心10min，小心取上清液（700-800μl）

↓

将吸附柱放于收集管中，将上一步所得上清液加入吸附柱中，13000rpm离心3min，弃滤液

↓

加入500μl去蛋白液(W1)，13000rpm离心1min，弃滤液

↓

向吸附柱中加入700μl 漂洗液W2，13000rpm离心1min，弃滤液

↓ 重复步骤8一次

↓

空柱13000rpm离心2min，然后室温放置3min，使残留乙醇挥发

↓

取出吸附柱，放入一个干净的离心管中，在吸附膜的中间加60μl-100μl洗脱缓冲液(Eluent)，室温放置1min，13000rpm离心1min洗脱质粒DNA，-20℃保存备用

酶切鉴定：

在一个洁净的1.5mlEP管中按顺序依次加入试剂

↓

移液枪轻轻混匀,37℃水浴1.5h 琼脂糖凝胶电泳：

将PCR、酶切及提取的质粒DNA分别点样入凝胶电泳槽中

↓ 电泳 ↓ 取出观察并拍照

四、结果与讨论：

结果：在本次实验中，三种产物从左到右为酶切产物，质粒，PCR,如图1；

图1 在质粒DNA的提取中，经第一次离心过后的样品中沉淀附着于EP管壁下方；而在对提取的质粒DNA进行纯度鉴定时，可根据在260nm以及在280nm的读数比值估计核酸的纯度（Ratio=A260/A280），Ratio= 1.8表示DNA样品较纯,符合实验要求，Ratio＞1.9表示有RNA污染，而Ratio＜1.6则表示有蛋白质或其它杂质的污染，我们所测得的A260与A280的比值分别为1.82，1.79，1.75，如图2、3、4.图2

图3

A280 0.026 0.022 0.017 0.022

图4

Ratio(A260/A280)1.82 1.79 1.75 1.79

测量次数 质粒DNA的浓度（ug/ml）A260 1 2 3平均值 119.5 100.5 73 97.67

0.048 0.040 0.029 0.039 进行琼脂糖凝胶电泳后制版上呈现颜色不同且移动路程不同的点，如图。

讨论：我们组的DNA纯度较纯，Ratio值为1.79，但未达到1.8，说明混入了蛋白质或其他杂物，有可能是在吸取上清液的时候吸入了蛋白质或者是在操作过程中操作不当，引入了污染物；也有可能是，因为前面的同学在进行紫外分光光度法测DNA的浓度及Ratio时用手多次接触比色杯的光滑面，造成了后来我们的实验数据有错误。每组质粒DNA的浓度都大于55ug/ml，说明DNA浓度较纯。

从琼脂糖凝胶电泳的实验结果来看我们组做的PCR反应及酶切鉴定都很成功，美中不足之处是质粒DNA的浓度不够，现象不是很明显，说明我们没有尽可能的吸取上清液，导致DNA含量不足。思考题：

（1）在碱裂解法提取质粒DNA时，溶液1的作用是：葡萄糖悬浮细胞，EDTA鳌合金属离子使DNase失活；溶液2的作用是：细胞壁肽聚糖在碱性下水解，使核酸和蛋白质变性；溶液3的作用是在酸性条件下使质粒DNA复性，变性蛋白-SDS＋线性DNA沉淀，而Na则可中和DNA。

例谈初中化学定性实验的定量化设计 篇6

定量型实验是化学实验课程教育体系中的重要组成部分，它能有效地引导学生从量的角度认识物质的组成、性质及其变化规律;但现行九年级化学课本中的实验大多是定性实验[1]，定量型实验很少（如测量空气中氧气体积含量、配制一定溶质质量分数的溶液、验证质量守恒定律等）。近年来，笔者利用一些常规仪器（如电子天平、量筒等）、替代品（如注射器、塑料瓶等）和传感器，从定量的角度对一些初中化学定性实验进行改进和优化。创新后的实验既能用于课堂演示，又能作为课外探究活动素材，而且教学效果显著。

一、“二氧化碳气体密度比空气大”的实验

各种版本的九年级化学教科书都是直接告诉学生“二氧化碳气体的密度比空气大”，并在“二氧化碳气体熄灭蜡烛火焰”的实验中顺便进行验证。笔者巧妙利用电子天平设计出了验证“二氧化碳气体密度比空气大”的实验。

（一）实验装置

改进后的实验装置见图1[2]，其中电子天平的量程为100g、精确度为10mg。

（二）实验操作

（1）在500 mL的塑料瓶里，用向上排空气法收集一瓶二氧化碳气体，再将瓶盖旋紧。

（2）把盛满二氧化碳气体的塑料瓶放到电子天平上称量，显示的测量值约是25.31 g。

（3）取下塑料瓶，打开瓶盖，倒立塑料瓶一会儿，以倒出其中的二氧化碳气体（同时空气进入瓶中）;估计塑料瓶内二氧化碳气体已全部倒出，再把盛满空气的塑料瓶放回电子天平上进行第二次称量，发现读数减小了，约为25.10g。

（三）实验结论

盛满二氧化碳气体的塑料瓶在倒出二氧化碳气体后质量明显减少，说明二氧化碳气体比同体积的空气质量大，即二氧化碳气体的密度比空气大。另外，也说明二氧化碳气体可以像液体那样倾倒。

（四）几点说明

（1）二氧化碳气体不能用排水法收集，因为潮湿的二氧化碳气体中含有的水分会严重干扰实验结果。

（2）塑料瓶尽量使用广口的，这样有利于二氧化碳气体快速、彻底地倒出。

（3）本实验两次称量的质量差（0.21g）小于理论值（0.34g），是因为向上排空气法收集的二氧化碳气体中含有较多的空气，但这并不影响实验结果。

二、“二氧化碳气体溶于水”的实验

九年级化学教科书上多用塑料瓶做“二氧化碳溶于水”的实验，这样设计需要的二氧化碳气体多，而且实验过程中学生看到的是塑料瓶略有变瘪，不能显示二氧化碳气体在一定量水里溶解的多少[3]。其实，只要把塑料瓶换成可计量仪器“注射器”，不仅能避开课本实验的不足，还能直观地显示二氧化碳气体在一定量水里溶解的多少。

（一）实验装置

改进后的实验装置见图2，其中注射器为30mL的玻璃材质注射器。

（二）实验操作

（1）取规格是30 mL的玻璃注射器，缓缓吸入10mL的二氧化碳气体，再缓缓吸入10mL刚冷却的凉开水（此时注射器活塞处于20mL刻度处）。

（2）将注射器针头扎入橡皮塞（封闭注射器针管），稍稍用力振荡针筒里的气、水混合物十来次;停止振荡后，注射器活塞会缓缓向前移动，最终停留在大约12mL刻度处。

（三）实验结论

上述实验现象说明，10mL的水约能溶解8 mL的二氧化碳气体，即1体积水约能溶解0.8体积的二氧化碳气体。

（四）两点说明

（1）所用二氧化碳气体尽量使用排水法收集，从而提高其纯度，减小实验误差。

（2）要确保活塞润滑性良好。

三、“二氧化碳气体与氢氧化钠溶液反应”的实验

目前的“二氧化碳气体与氢氧化钠溶液反应”的实验，大多通过“验证碳酸盐存在”“对比实验”等方法排除氢氧化钠溶液中水的干扰，这不失为实验良策。笔者从定量的视角，对该实验进行了创新。

（一）实验装置

改进后的实验装置见图3[4]，其中的集气瓶是60mL（实际容积约是78mL）。

（二）实验操作

（1）按图3装好药品、连好仪器，并确保装置气密性良好。

（2）先将2mL的浓氢氧化钠溶液一次性挤入集气瓶，然后轻轻振荡集气瓶，50 mL酒精很快就能全部喷入集气瓶里。

（三）现象分析

2mL氢氧化钠溶液中约含有2mL的水，这些水通常能吸收2mL的二氧化碳气体，那么另外减少的48mL二氧化碳气体无疑是与氢氧化钠反应了。

（四）两点说明

（1）实验中的酒精也能换用饱和碳酸氢钠溶液（不能用水，因为水能溶解二氧化碳气体）。

（2）本实验中只要喷入集气瓶里的酒精体积明显多于氢氧化钠溶液中水的体积，就能说明氢氧化钠溶液与二氧化碳气体发生了化学反应。

四、“一氧化碳的还原性”实验

按照九年级化学教科书上的方法做“一氧化碳还原性”实验，困扰教师的最大问题是，不能及时知道玻璃管内的空气何时排完。为了保证实验安全，实验者大都较长时间地通入过量的一氧化碳气体，这样既浪费药品，也影响课堂教学效率。笔者对该实验的“排空气操作”进行定量化设计后，圆满地解决了这个疑难问题。

（一）实验装置

改进后的实验装置见图4，其中的长柄V形玻璃管是用外径10mm的硬质玻璃管加工而成的微型仪器[5]，其容积约是20mL。

（二）实验操作

（1）按图4装好药品、连好仪器，确保装置的气密性良好。

（2）轻轻推动注射器活塞，向长柄V形玻璃管里缓缓通入一氧化碳气体（由于玻璃管较细，一氧化碳气体能充满整个玻璃管，从而有利于空气的排出）;当通入20mL一氧化碳气体时（这部分一氧化碳气体穿过石灰水后进入小气球中储存起来），说明长柄V形玻璃管内的空气已经排完。endprint

（3）点燃酒精灯加热氧化铜，继续缓缓推入一氧化碳气体;约1分钟后澄清的石灰水变浑浊，约3分钟后氧化铜全部变红。

（4）此时熄灭酒精灯，停止通入一氧化碳气体;让红色粉末在充满一氧化碳气体的玻璃管中逐渐冷却（石灰水不会倒流）;等到玻璃管冷却至室温，拆开实验装置，处理尾气（直接点火烧掉）。

（三）两点说明

（1）长柄V形玻璃管尽量细一些（用外径9 mm左右的玻璃管加工），这样有利于空气排出。

（2）也可以使用如图5的实验装置，其中的排空气操作是：

轻轻打开玻璃旋塞少许（注意控制气流），气球中的一氧化碳气体能自动地缓缓进入长柄V形玻璃管内（这部分一氧化碳气体穿过石灰水后进入注射器针筒里储存起来）;当注射器活塞移至20mL刻度时，说明长柄V形玻璃管里的空气已基本排完，此时可以对氧化铜进行加热了。

五、“探究分子运动”的实验

按照九年级化学教科书上设计的方法探究分子运动时，虽然实验现象明显，但氨水的用量大、实验不够环保。笔者借助于氧气传感器去探究分子的运动情况，不仅再现了分子运动，还反映出影响分子运动快慢的外界因素，从而帮助学生直观认识微粒的基本性质。

（一）实验装置

改进后的实验装置见图6，其中的氧气传感器是朗威牌、数据处理软件是DISLab 6.9。

（二）实验操作

（1）用向上排空气法在500 mL塑料瓶里集满氧气，再旋紧瓶盖;然后按照图6所示，将实验用品连接起来。

（2）打开瓶盖，保持塑料瓶的瓶口向上，点击氧气传感器“开始”按钮，数据处理软件能将氧气体积分数的变化情况，通过计算机真实地记录下来。

（3）约130s后，用双手紧握塑料瓶外壁（仍保持瓶口向上），微热瓶内氧气，通过数据处理软件记录氧气体积分数的变化情况。

（4）约250s左右，松开双手，把塑料瓶翻转180°，继续通过数据处理软件记录氧气体积分数的变化情况。

（5）将采集的实验数据绘成“氧气体积分数随时间变化”的曲线（见图7）。AB段（常温下瓶口向上）：氧气的体积分数逐渐降低，即氧气不断逸出塑料瓶。BC段（常温下瓶口向上微热氧气）：氧气逸出塑料瓶的速率明显加快。CD段（常温下瓶口向下）：氧气逸出塑料瓶的速率进一步加快。

（三）实验结论

（1）上述实验数据充分说明，分子在不断运动;温度升高，分子运动速率加快;密度比空气大的气体，其分子向下运动的速率大于向上运动的速率。

（2）延伸可知，密度比空气大的气体要用向上排空气法收集，盛有密度比空气大的气体的集气瓶必须正立。

（四）一点说明

本实验中的氧气也可以更换为二氧化碳气体，利用二氧化碳传感器也能完成实验。

六、结束语

总之，把初中化学定性实验定量化处理，设计成科学、新颖、有趣的定量型实验，既能引导学生对化学概念和原理进行精确化延伸，又能有效地启发学生运用适当的数学方法从定量的角度分析、解决有关的化学问题。

参考文献：

[1] 陈萍.初中化学实验中学生定量思维培养策略的研究[D].北京：首都师范大学，2013.

[2] 李德前.二氧化碳性质实验的改进二则[J].实验教学与仪器，2004（12）：14-15.

[3] 李德前.“CO2溶于水”的实验设计[J].化学教学，2003（6）：12.

[4] 陈立铭，李德前. 基于量的角度设计“氢氧化钠溶液与二氧化碳反应”的实验[J].化学教育，2014（23）：50-51.

混合式定量控制实验系统的设计 篇7

混合式自动定量充填是在容积式和称量式自动定量充填的基础上发展起来的。整个充填过程与称量式自动定量充填相同,在微机控制下,采用多级给料来实现。首先,由容积式粗给料器快速往称量料斗中加入大部分目标量(粗加料),稳定一定时间后进行准确静态称量(而不是像称量式自动定量那样,一边给料一边称量的动态称量);然后,将剩余的小部分量精确地换算成细给料器加料的流量(时间一定)或时间(流量一定);最后,控制细给料器补加料,并同时控制步进电机打开投料门,向包装机投料,完成一次自动定量充填过程。这样一方面提高加料速度,另一方面减少加料冲击和落差对称量准确度的影响。

混合式定量的准确度直接与粗细给料器的加料量有关,细加料器加料越少,其准确度越高,所以粗加料量必须最大限度地接近目标量,但又不能超过目标量。本文设计了一种混合式定量控制实验系统,通过实验为确定粗加料与细加料的比例分配问题提供解决方案[1]。

1 控制实验系统总体结构

混合式定量控制实验系统的组成结构如图1所示。整个系统可分为机械部分和控制部分:机械部分包括料仓、备料斗、粗给料器、细给料器、称量台架以及集中卸料斗等控制部分包括粗细给料器的控制步进电机的控制、单片机应用系统以及上位机等。整个实验系统的设计开发包括3个方面,即机械部分、硬件以及软件[2]。

2 称量台架的设计

在混合式定量控制实验系统加料过程中,由于从给料器到称量台架有一定的高度,所以物料对称量台架有一定的冲量,同时系统运行中称量台架也会产生振动,影响称量结果的准确性。传统的解决方法是增加稳定的时间,但这样会影响称量的速度。为了既快又准地获得称量数据,笔者设计了一种带阻尼的称重台架。

图2为混合式定量控制实验系统的称量台架结构示意图。(1)为称量台架底座;(2)为称量传感器。本系统采用上海大和衡器公司生产的UH 53系列高精度电阻应变式称量传感器。该传感器具有准确度高、结构合理、长期稳定性好以及抗偏载能力强等优点,额定容量为型为步进电机用于卸料为料斗,从电磁振动给料器中下落的物料直接到料斗中;(5)为阻尼器。本阻尼器采用硅胶作为阻尼剂,能有效缓解下落物料对称量台架的冲击,大大缩短称量的等待时间,提高了称量的准确度。

1.底座2.称量传感器3.步进电机4.料斗5.阻尼器

3 系统硬件设计

数据采集系统的主要由放大电路和A/D转换电路组成。物料质量通过称量传感器变为电压(或电流)信号。由于传感器的输出阻抗一般都很高,输出电压信号幅度都很小,同时这些信号动态范围较大,往往还有很大的共模干扰成分,再加上工作环境一般都很恶劣,有不同程度的电磁干扰,因此传感器输出的信号必须经过放大和滤波。本系统选择单电源和电源限输出仪表放大器AD 623作为前置放大传感器与AD 623构成的放大电路,如图3所示。为了提高输入端阻抗不匹配程度,并提高抗共模干扰能力,传感器输出端的地线(接在传感器外壳上的线)通过AD 8031与AD 623的高阻抗输入端+RG相连。AD 623的输入端-RG和+RG电阻值相同,均为RG/2,可以有效地抑制共模干扰。AD 8031有8个引脚。在本系统中,VS接+5V,采用单极型供电,可获得更好性能参数[3]。

3.1 数据采集系统

A/D转换电路采用串行A/D转换器MAX 194,如图4所示。

单片机主频采用12MHz,引脚ALE的频率是2MHz,用74LS93进行二分频后,得到1MHz的时钟信号,作为MAX 194的转换频率(接引脚CLK)。由于使用中CONV必须与CLK同步,既应该确保CONV信号在转换时钟为低时出现,又至少保持40ns的时间,而转换时钟是由ALE的二分频提供的,是不可控制的,因此将单片机P1.0作为启动信号,与CLK相或后与CONV相连接。EOC连接单片机的外部中断1(INT1),每次转换结束后,向单片机请求中断[4]。

3.2 控制模块

系统的控制模块主要是对给料器及步进电机的控制,这两者的控制均通过数字控制。给料器的控制经过数字控制系统来间接控制。给料器数字控制系统如图5所示。对给料量的大小调节可通过调节t1的大小来实现。由于交流电周期T=20ms,半波为10ms,因此t1的调节范围在0～10ms之间[5]。

步进电机主要是用来控制料斗门的开闭及开斗时间。改变传统的离合器和制动器控制。步进电机可直接采用数字量控制,以便高速、准确地控制斗门的旋转速度和角度。由于步进电机的准确度高,系统对它的控制只需要开环控制就能实现系统的要求。

4 系统软件设计

系统软件采用模块化结构,本软件系统包含有主程序模块、显示子程序模块、称量子程序模块、标定模块、数据处理模块、键盘子程序模块以及输入原始参数模块等。

4.1 主程序

整个程序设计按实验系统的设计要求来编写主程序,系统软件流程图如图6所示。主程序还要注意散转程序的设计,散转程序特点是利用散转指令实现向各分支程序的转移。系统采用转移指令表法,把散转地址用无条件转移指令AJMP或LJMP组成一个表。

4.2 数字采集处理方法

数据处理包括标度转换、去皮处理、数字滤波和剔除采样数据中的奇异项等。本文重点介绍数字滤波。在模拟量的采集中,由于信号中含有各种噪音和干扰,为了对测量对象进行比较准确的测量,可以利用一些计算或者程序算法减少外界随机干扰在有用信号中的比重。另外,由于采用程序设计,利用计算机的强大的运算能力,可以编制比较复杂且灵活方便的算法进行处理本系统采用两种滤波方法相结合一是中值滤波(去极值)法,二是算术平均值法。

首先,系统设置采样周期,每个周期采样4次数据;然后,进行中值滤波,去掉最大值及最小值,把剩余的数据求平均值作为本周期采样值。整个过程设置了200个采样周期,接着再对200个采样值进行算术平均值滤波,以消除或削弱随机干扰信号。采用算术平均法后,信噪比提高了N倍,从而达到消除或削弱随机干扰信号。两种滤波功能结合起来,实现了多级数字滤波,提高了滤波抗干扰效果,既可消除周期性脉冲干扰,又可消除随机干扰脉冲的干扰。

5 结束语

混合式定量控制实验系统的设计为解决混合式定量粗细加料的比例分配问题提供了一个平台。通过实验,能够方便详细地获得各种物料的加料特性,从而针对不同的物料获得最佳比例,降低了混合式定量设备的研制成本,缩短了研制周期,在一定程度上缩小了我国在自动定量称量技术方面与国际发达国家的差距具有极大的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]张西良.固体物料定量充填技术综述[J].包装工程,2002,23(5):18-20.

[2]张西良,邓志辉,李萍萍.组合秤组合性能分析与仿真研究[J].农业机械学报,2005(12):65-66.

[3]邓志辉,张西良,刘剑敏,等.组合秤组合模型对定量误差研究[J].机械设计与制造,2006(3):108-110.

[4]雷卫武.89C52单片机在电子计量秤中的应用[J].电子与自动化,2000(5):28-29.

实时荧光定量PCR技术的实验研究 篇8

关键词：荧光定量PCR技术,原理,主要类型,定量方法,优化

实时荧光定量PCR技术于1996年由美国Applied Biosystems公司推出,该技术不仅实现了PCR从定性到定量的飞跃,而且具有灵敏度高、特异性和可靠性强、能实现多重反应、自动化程度高、无污染性、具实时性和准确性等特点[1]。目前,该技术已广泛应用于分子生物学、医学等学科和基础研究领域,特别是在现代农业转基因作物的定性检测、品系鉴定、转基因成分含量的检测中发挥着重要作用[2]。

1 荧光定量PCR技术的原理

荧光定量PCR技术是在PCR反应体系中加入荧光基团,利用荧光信号累积实时监测整个PCR进程,最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法[3]。由于常规PCR无法对扩增反应进行实时检测,需借助凝胶电泳等手段对扩增终产物进行定性和半定量分析,不仅费时、费事、易污染,且无法对起始模板准确定量。荧光定量PCR技术是在反应体系中加入荧光基团,荧光基团发出的荧光信号随着反应进程而变化,每经过一个PCR循环反应,定量PCR仪收集1个荧光强度信号,通过荧光强度变化检测产物量的变化,从而得到1条荧光扩增曲线,荧光扩增曲线一般由基线、指数扩增期和平台期组成[4]。只有在荧光信号指数扩增阶段,PCR产物荧光信号的对数值与起始模板量之间存在线性对应关系,才可以在这个阶段进行定量分析。为了便于对所检测样本进行比较,在荧光定量PCR反应的指数期,需要设定1个荧光信号的阈值(threshold)。荧光阈值是荧光扩增曲线上人为设定的一个值,荧光阈值的缺省设置是3~15个循环的荧光信号的标准偏差的10倍,用它可以定义样本的循环阈值(Cycle Threshold,Ct)。Ct值是PCR扩增过程中,反应管的荧光信号达到设定阈值时的循环次数。可见,Ct值取决于阈值。经数学证明[5],每个模板起始拷贝数的对数与Ct值存在线性关系。起始拷贝数越多,Ct值越小。利用已知起始拷贝数的标准品可作出标准曲线,只要获得未知样品的Ct值,即可从标准曲线上计算出该样品的起始拷贝数[6]。

2 荧光定量PCR技术的主要类型

荧光定量PCR所使用的荧光化学材料可分为两大类,即荧光染料和荧光探针。荧光染料以SYBR GreenⅠ为主要代表,是非特异性荧光化学材料。荧光探针包括Taq Man、分子信标、荧光标记引物、杂交探针等,属于特异性荧光材料。

2.1 SYBR GreenⅠ

SYBR GreenⅠ是一种能够与双链DNA小沟结合的染料。在游离状态下,SYBR GreenⅠ发出微弱的荧光,但是一旦与双链DNA结合,其荧光强度大大增强。因此,一个反应发出的全部荧光信号与出现的双链DNA量成正比,可以根据荧光信号检测出PCR体系中的双链DNA的数量[7]。其优点是检测方法简单,通用性好,价格相对较低,是许多实验室开展荧光定量实验的首选。SYBR GreenⅠ的缺点在于它能够和所有的双链DNA相结合,因此由引物二聚体、单链二级结构、非特异性扩增产物引起的荧光信号会影响定量的准确性。但可以通过优化PCR的反应条件、选择设计良好的引物,来减少或去除引物二聚体和非特异性产物的产生;另外,也可以通过对扩增产物的溶解曲线进行分析来判断荧光信号的真实性。

2.2 Taq Man探针

Taq Man探针技术是有美国Perkin Elmer(PE)公司研制的一种实时PCR定量技术,在PCR扩增加入一对引物的同时加入1个特异性的荧光探针,此荧光探针为一个30~45 bp的寡核苷酸,它设计为与目标序列上游引物和下游引物之间的序列配对,其5′端标记荧光发射基团,3′端标记荧光淬灭基团。当探针保持完整时,3′端淬灭基团抑制了5′端发射基团的荧光发射。但在PCR扩增中,模板变性后低温退火,引物与探针同时与模板结合,在引物的介导下,沿模板向前延伸至探针结合处,发生链的置换,Taq DNA聚合酶的5′→3′外切酶活性将探针5′端连接的荧光发射基团从探针上切割下来,游离于反应体系中,从而脱离3'端荧光淬灭基团的屏蔽,接受光刺激发出荧光信号。由于被释放的荧光基团数目和PCR产物数量是相对应关系,且荧光强度同被释放的荧光基团的数目也是正比关系,因此该技术可对模板进行准确定量[8]。Taq Man探针技术特异性好、准确性高、假阳性低、重复性比较好。但是需要设计特异性的探针,因此成本较高[9]。

2.3 分子信标

分子信标技术是一种呈发夹结构的茎环状双标记寡核苷酸探针,环部与靶DNA序列互补,为15~35 bp;茎部是由互相配对的碱基组成,但与靶DNA无序列同源性,约8 bp。在探针的5′端和3′端分别标记荧光发射基团和荧光淬灭基团。当溶液中的模板与分子信标结合配对时,分子信标的构象改变成链状使得荧光发射基团与淬灭基团分开,当荧光基团被激发时,就发出荧光信号。与探针互补的靶分子数量越多,荧光信号也就越强,从而实现了对目的基因的定量检测。分子信标的方法优点是特异性强,荧光背景低。其缺点是设计困难,杂交探针不能完全与模板结合,稳定性较差,价格高[10]。

3 荧光定量PCR技术的定量方法

实时荧光定量PCR技术是DNA定量技术的一次飞跃。运用该技术,可以对DNA、RNA样品进行定量和定性分析。定量方法包括绝对定量和相对定量。前者可以得到某个样本中基因的拷贝数和浓度;后者可以对不同方式处理的2个样本中的基因表达水平进行比较。

3.1 标准曲线法的绝对定量法

用一系列已知浓度的标准品,作为模板进行PCR反应,以标准品浓度的对数值为横坐标,以测得的Ct值为纵坐标,绘制标准曲线,在相同条件下检测未知样品的Ct值,从而根据标准曲线计算出未知样品的浓度(拷贝数)。制作1个好的标准曲线对定量结果至关重要,在制作标准曲线时,应至少选择5个稀释度的标准品,涵盖待测样本中目的基因量可能出现的全部浓度范围,最好与目的基因有较高的同源性;绝对定量标准品通常可以是纯化的质粒ds DNA,体外转录的RNA,或者是体外合成的ss DNA、标准品的量可根据260 nm的吸光度值并用DNA或RNA的分子量转换成其拷贝数来确定。

3.2 双标准曲线法的相对定量法

在某些不需要对基因进行绝对定量、只需要确定基因相对表达差异的情况下,如某基因在经过某种处理后表达量是增加了还是减少了,用相对定量的方法就可以得到结果。双标准曲线法是指在测定目的基因的同时测定某一内源性管家基因,并用目的基因和管家基因的标准品分别作出标准曲线,处理与未处理样品同时扩增目的基因和管家基因,获得Ct值,然后从各自的标准曲线上求出初始模板量,经管家基因均一化处理后,求出目的基因的相对含量。定量的表达是相对于某个参照物的量而言的,因此相对定量的标准曲线就比较容易制备,对所用的标准品不需要知道绝对拷贝数,只要知道其相对稀释度即可。通常选用的管家基因有GAPDH、β-actin、β2-微球蛋白和r RNA。此方法在扩增效率较低、目标基因与管家基因扩增效率有差异时适用,且需要很精确的结果计算。

3.3 比较Ct法的相对定量法

如果反应条件控制较好,扩增效率较高,目的基因和管家基因的扩增效率基本一致,这时就不需要作标准曲线,而是通过与管家基因Ct值之间的相差来计算目的基因的表达差异。比较Ct法运用了数学公式来计算相对量,前提是假设每个循环增加1倍的产物量,根据数学推导得出:

目的基因的量=2-ΔΔCt

在该公式中,ΔΔCt=(Ct目的基因-Ct管家基因)实验组-(Ct目的基因-Ct管家基因)对照组。因此,2-ΔΔC t表示的是实验组目的基因的表达相对于对照组的变化倍数,使用这一方法可以直接得到的目的基因相对于管家基因的定量,而不必制作标准曲线[11]。

4 荧光定量PCR技术实验条件的优化

定量PCR技术已经在生物学研究中得到了广泛的应用,技术也日臻完善,并且敏感度极高,特异性强;正因为敏感度高,很容易受其他因素的影响,因此要得到准确可靠的反应结果,必须根据不同的反应类型优化实验条件,如特异性探针及引物的设计、选择合适的Mg2+浓度、引物和探针浓度、循环数等,规范操作步骤,并仔细配制PCR反应体系。

4.1 引物及探针

一是设计要求。引物设计是实时定量PCR中最重要的一步,扩增片段长度根据技术的不同有所区别:SYBR green I技术要求扩增片段不大于500 bp,Taq Man探针技术要求扩增片段长度在50~150 bp。引物序列选取应在基因的保守区段并具有特异性,长度一般为18~24 bp,避免引物自身或与引物之间形成4个或4个以上连续配对,引物自身不能形成环状发卡结构,熔解温度Tm值在55~65℃,GC含量在40%~60%,上、下游引物之间的Tm值相差不要超过4℃。在Taqman探针的设计上要求绝对保守,长度为30~45 bp,Tm值在68~70℃,探针的5’端不能为G和避免多个碱基同时出现,探针应尽可能靠近上游引物。二是浓度。引物和探针的浓度也会影响反应的特异性,引物浓度太低会致使反应不完全,引物浓度太高会导致非特异性产物扩增。最佳的引物浓度一般在0.1~0.6μmo L/L,探针的浓度在0.05~0.30μmo L/L,可以在这个基础上再进一步优化,以达到引物探针整体的最佳浓度。三是稳定性。一般从生物技术公司定制引物是以干粉形式运输的,使用时最好用TE溶液溶解,使其最终浓度为100μmo L/L,-20℃保存。纯度高、标记效率高的探针不仅荧光值高,且保存时间可以长达1年以上。由于反复冻融易导致探针降解,在确认探针质量好的情况下,最好稀释成2μmo L/L(10×),作为工作浓度分装多支,避光保存。四是退火温度。退火温度一般设定比引物的Tm值低5℃。在理想状态下,退火温度足够低,以保证引物同目的序列有效退火;同时还要足够高,以减少非特异性结合。合理的退火温度一般为55~70℃。

4.2 模板质量与浓度

模板的质量会影响PCR扩增的效率。模板应在-20℃保存,避免反复冻融。用TE溶液溶解和稀释模板,这能大大延长保质期。模板浓度应根据Ct值选择,使Ct值位于15~30个循环比较合适,若Ct值大于30,则应提高的模板浓度;如果小于15,则应降低的模板浓度。

4.3 镁离子浓度

Mg2+是影响Taq酶活性的关键因素。Mg2+的浓度过高,会增加非特异性扩增,降低忠实性;Mg2+的浓度过低影响Taq酶发挥最佳活性。一般来说,对以DNA或c DNA为模板的PCR反应,应选择2~5 mmo L/L浓度的Mg2+。

4.4 循环数

一般的实时定量PCR反应只需25~30个循环便可获得满意的结果,但是对于那些极微量的待测样本而言,适当增加循环数可以提高反应的检出底限,建议循环数为40个,但是并非循环数增加的越多,其敏感性就会越高。实际上,当循环数增加到某一值时,敏感性便不再升高。

4.5 重复实验和阴性、阳性对照

定量实验,误差是不可避免的,设立重复实验,对数据进行统计处理,可以将误差降低到最小,因此定量实验的每个样本至少要重复3次以上。为了增加PCR扩增反应的可信度,在扩增的同时,需进行阴性、阳性对照反应。阴性反应中不加模板DNA,而以水或缓冲液代替,用于检验是否存在PCR污染。阳性对照则用于检验PCR试剂和实验操作上可能出现的问题。相对来说,仪器、PCR试剂、SYBR GreenⅠ染料是很稳定的,而操作和模板是薄弱环节,模板的加入量一定要准确,为确保实验数据的有效性,每个样品至少平行做3次重复。使用微量移液器时,如果不仔细,就会产生较大的用量误差甚至错误。在实验过程中应当避免室温下混合各种试剂,应在冰上进行,避免所配体系产生气泡,并且在一经混合后立即开始进行扩增。

5 结语

通过设计针对目的基因的特异性引物和探针,并优化反应体系和控制反应条件,可以成功地建立快速、灵敏、特异的荧光定量PCR检测方法,实现大样本同时检测,节省大量的时间和反应成本。随着基因科学技术的发展,荧光定量PCR技术将会深入和拓展,在现代农业中得到更广泛的应用。

参考文献

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[4]SCHUBERT J,FOMITCHEVA V,SZTANGRET-WISNIEWSKA J.Diff-erenti-ation of Potato virus Y strains using improved sets of diagnosticPCR-primers[J].J Virol Methods,2007(140):66-74.

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[7]BECKER K,PAN D,WHITELY C B.Real-time quantutative polymerasechain reaction to assess gene trnsfer[J].Hum Gene Ther,1999(10):2559-2566.

[8]HIGGIS J A,EZZELL J,HINNEBUSCH BJ,et al.Nuclease PCR assay todetect Yersinia pesits[J].J Clin Microbiol,1998(36):2284-2288.

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[10]朱捷,杨成君,王军.荧光定量PCR技术及其在科研中的应用[J].生物技术通报,2009(2):73-76.

直观可定量的驻波实验的改进与演示 篇9

关键词：直观,定量,驻波实验

驻波作为一种特殊的干涉现象, 其形成原理和结论可以通过教学让高中生们理解, 驻波的应用尤其是在乐器中的广泛应用, 常常能引起学生们极大兴趣。如果能在理论认识的基础上加上直观的感知就更好了。在本文中, 笔者结合自己的教学实践, 从定性到定量列举了几个形象直观、妙趣横生的演示实验, 希望对从事物理教学的同仁有所帮助。

在现行人教版八年级上册物理教材动手动脑学物理中有水琴瓶实验, 如图所示:

这实际上就是一种驻波实验, 但是这种驻波实验有一些缺点, 第一这种驻波实验只能演示一端封闭一端开口的驻波实验, 不能演示两端开口的驻波实验;第二这种驻波实验的频率的变化范围较小, 频率的选择性较小。下面我们介绍几种简单易做, 而且现象明显的驻波实验。

一、弦上的驻波实验

实验1.用玩具彩虹圈演示波节波腹等概念

实验录像:实验一、实验二

实验器材:玩具彩虹圈一个

实验说明:一人手执彩虹圈的一端不动, 另一人手执彩虹圈的另一端上下抖动, 入射波和反射波振动的频率相同, 方向相反, 就可以发生波的干涉现象, 这种特殊的干涉现象叫做驻波。在实验中我们可以看到弹簧圈上各点分别做振幅不同的振动, 其中振幅最大的位置称为波腹, 振幅为零的位置称为波节。波腹是振动的加强点, 波节是振动的减弱点。实验中由于一人手执弹簧圈不动, 所以在此处必然形成波节, 在这个边界一定的条件下, 另一人上下抖动, 振动频率不同时, 同样长度的弹簧圈上就会形成个数不同的波节与波腹。在实验一中, 形成了2个波腹, 2个波节;在实验二中增大了振动频率形成了3个波腹, 3个波节。

实验2.用打点计时器定量演示弦上驻波的形成

实验录像:实验三

实验器材:学生电源 (交流输出2V) 、打点计时器、带滑轮的长木板、细线、50g钩码一盒和两根导线。

实验参数:打点计时器振动频率f=50Hz, 细线的线密度为μ=0.3g/m, 细线的长度l=81cm, 重力加速度g=9.8m/s2。

实验说明:这个实验中, 细线一端系在打点计时器的振片上, 另一端绕过定滑轮挂上钩码。由于打点计时器的振动频率为50Hz, 所以在细线上形成的波的频率也为50Hz。细线的另一端所挂钩码的质量不同, 可以使细线上的弹力不同。细线上的波速υ与细线上的弹力F以及细线的线密度μ有关, 实验中所用细线的线密度μ=0.3g/m。

由于绳子上的弹力F等于钩码的重力, 即F=mg。由于细线的两端是固定的, 所以两端会形成波节。由于相邻波节之间的距离为半个波长, 这样细线长度l=nλ/2。由于波的传播速度υ为其频率f和波长λ的乘积, 即υ=fλ。

通过计算可以得到, 波节和波腹的个数 (n取整数) 。

这样当改变钩码的个数或者质量, 可以在线上形成波节与波腹个数不同的驻波。通过计算得到, 当n=1, 时, m=200g (即挂4个钩码) ;当n=2时, m=50g (即挂1个钩码) 。

二、空气柱的振动形成的驻波

实验1.用百鸟笛听出不同频率声音的驻波条件

实验录像:实验四

实验器材:百鸟笛

实验说明:边吹百鸟笛边上下拉动百鸟笛的拉杆, 可以听到不同音调的声音。百鸟笛中有一段一端开口 (吹奏端) 一端闭口 (活塞端) 的空气柱, 拉动拉杆, 改变活塞的位置从而改变了管中空气柱的长度, 当空气柱长度不同时, 形成的驻波对应的波长不同, 即对应的波的频率不同, 因此可以吹出不同的音调。

实验2.用音频发生器和PVC管定量演示音频驻波的形成规律

实验录像:实验五

实验器材:低频信号发生器 (输出频率为340Hz) 、小喇叭、长度分别为25cm、50cm、75cm和1m的PVC塑料管各一根、薯片筒一个和米尺一把。

实验说明:调节低频信号发生器的输出频率为340Hz, 与它连接的小喇叭发出的声波的波长为1m。实验录像实验五中分别演示了两端开口空气柱驻波实验和一端开口另一端封闭的空气柱的驻波现象。当听到声音比较响时, 说明此时在管中形成了驻波。

声波在两端开口的空气柱, 会在管口两端形成波腹, 所以当空气柱长度l=nλ/2 (n取整数) 时, 在管内就会形成驻波。所以波长为1m的声波在长为50cm、100cm的管中会形成驻波。

用薯片桶底做活塞, 塞入塑料管中, 塑料管中就会有一端封闭一端开口的空气柱, 在封闭端会形成波节, 在开口端会形成波腹, 所以当空气柱长度l= (2n+1) λ/4 (n取整数) 时, 就会形成驻波。所以声波波长为1m时, 长度为25cm和75cm的空气柱中会形成驻波。

定量化学分析实验 篇10

瓦斯爆炸是矿井生产中的重大灾害, 常造成大量人员伤亡和巨大的经济损失。煤矿瓦斯爆炸通常是由瓦斯涌出后不断积聚达到爆炸极限浓度范围时发生爆炸, 通常是浓度低于10%的甲烷与空气混合物发生的剧烈化学反应。定量研究甲烷在不同条件下爆炸反应过程, 对爆炸破坏性及危害的预测, 爆炸预防意义重大。但是, 甲烷爆炸反应, 由于其过程十分复杂、持续时间很短, 实验研究十分困难。

美国、日本、苏联、加拿大等国家, 国内大连理工大学、中国科技大学、北京理工大学等、中北大学都开展了球形爆炸罐内的爆炸实验[1,2,3,4], 并开展了爆炸实验。西安科技大学也建立了球形爆炸试验系统[2], 同时开展了大量试验和分析研究。但是, 目前均还没有运用球形爆炸罐进行爆炸过程温度、组分浓度等各参数定量研究的报道。

1 气体爆炸实验

甲烷爆炸实验用爆炸实验系统中进行, 该实验系统可定量配制可燃气体与空气的混合气体, 点火后实时记录反应容器内压力的变化, 据此可分析爆炸过程。爆炸实验系统由容积20L爆炸罐、点火系统、喷粉系统及测量系统五部分组成, 如图1所示[2]。点火系统采用电起爆烟火点火具作为点火源, 点火位置在反应罐中心, 由计算机自动控制, 可实现延时自动点火, 点火能量约1J;测量系统主要由压力传感器、控制器和计算机等构成, 系统点火时可同步采集爆炸压力数据, 响应时间1 ms, 最大采集时间500 ms。

1-20 L爆炸罐;2-压力传感器;3-真空泵;4-计算机;-控制器;6-压力表;7-空压机;8-点火电极;9-甲烷气瓶;10-数字式压力计

实验环境温度为20℃, 相对湿度为74%, 起爆前初始压力为常压。采用分压比法配制空气与甲烷混合气体, 预设浓度混合气体配好后静置30 s后点火实验。分别配制甲烷浓度为6%、7%、8%和9%的混合气体进行爆炸实验, 系统自动记录下了反应压力随时间的变化, 如图2所示。

可以看出, CH4和空气混合物点火后, 实验罐内压力迅速增加, 达到峰值后开始下降。随甲烷起始浓度增加, 实验压力上升速度和压力峰值都有所增大。

2 爆炸罐散热系数

爆炸罐壁散热对反应过程有重要影响, 容器壁散热系数是研究其散热的重要参数[5,6]。

瓦斯爆炸是非常复杂的自由基链锁反应过程, 该过程的其它中间产物量很少, 所以实验混合气体主要组份包括CH4、O2、CO2和H2O。其总反应方程式为:

瓦斯爆炸实验初始气体为O2、N2和CH4和少量水蒸气, 压力为常压温度为常温, 随着反应的进行, 气体混合物的成分中增加了CO2、H2O, 但分子数总量基本不变。反应是等容过程, N2不参加反应, 浓度不发生变化, 即。定义某一时刻已经反应的CH4占其初始摩尔浓度的百分比为转化率α, 则此时间各组分摩尔浓度为:

式中, 分别为反应器中CH4、O2、N2初始浓度, mol/m3。

通过查表, 得到各组分在不同温度下的比热容[6], 可拟合出其与温度之间关系方程:

式中, 分别为CH4、O2、N2、CO2和H2O在温度为T时的等容比热容, J/ (g·K) 。

忽略不同组分之间的相互作用, 混合气体比热容CV, T为:

式中, CV, T, i为第i组份温度为T时的比热容, Xi为第i组份的质量份数。

反应气体中的水蒸汽初始浓度很小, 在计算比热容时可以忽略, 则各组分质量分数为:

将式 (2) 、 (4) 代入式 (3) 整理得系统比热容为:

实验开始后, CH4与O2之间发生化学反应, 放出的热量引起温度迅速升高, 使得爆炸罐内压力迅速增加, 达到最大值后由于容器散热引起压力下降。设容器内气体温度T分布均匀, 爆炸容器为金属质, 其热容很小, 可以忽略不计, 则爆炸罐内气体通过容器壁向外散发的热量与容器内外温差成正比, 即:

式中, qE为容器壁单位时间散热量, J/S;β为散热系数, J/ (K·S) ;TE为环境温度, K。

纯散热条件下, 爆炸罐内的热平衡方程为

式中, T1, T2分别表示散热阶段t1和t2时刻对应的温度, K;Cv是比热容, J/ (g·K) 。

反应终止时, 反应罐内的温度 (1000K以上) 远高于各气体组分的临界温度, 压力为 (0.7MPa左右) 远低于各组分的临界压力, 故P―V―T关系可用理想气体状态方程表示:

式中, n为反应器内气体的物质的量, mol;P为压力, Pa;R是通用气体常数, R=8.314472J/ (mol·K) ;由于反应器容积固定、起始温度为常温、起始压力为常压, 且据反应式反应过程中气体分子数不发生改变, 故n/V=44.64286mol/m3。

在CH4起始浓度为8%时的爆炸实验中, 气体初始压力为常压, 按照产物均为水蒸气和二氧化碳 (α=1) 计算。将式 (7) 代入式 (5) , 代入相关数据并积分得:

式 (9) 反映了散热阶段温度随时间变化规律, 与实验曲线的规律一致。据实验结果计算得到的散热段温度值, 取t1=285ms, 对应的温度T1为1681K, 随后每隔5ms取一个, 选一系列 (t2, T2) 点, 以 (t2-t1) 为横坐标, 值为纵坐标, 可绘制出曲线图3。

从图3可以看出系列点符合线性规律, 其拟合方程为:y=58.185x+0.048, 线性拟合方程的拟合度较高 (R2=0.9992) , 说明方程 (9) 是可靠的。拟合曲线的斜率就是散热系数, 为β=58.185J/ (s.K) 。一个很小的截距反映了爆炸罐容器热容的影响, 在持续升温或降温段, 该影响可以忽略。

3 爆炸反应各参数变化的数学模型

瓦斯爆炸实验中, 系统中的气体组分主要是H2O、N2、O2、CO2、CH4及H2O。由于系统中可能发生H2O相变, 故选择可以准确地计算气液平衡和饱和蒸汽压的Peng-Robinson方程 (1976) 表征P-V-T关系[6]。

a是温度的函数, 可用下式表示:

式中, Vm是摩尔体积, Tc、Pc分别为临界温度和临界压力;w是偏心因子;Tr是相对温度, Tr=T/Tc。各气体组分临界温度、临界压力、偏心因子和根据式 (11) ~ (13) 计算的b、a (T) 值见表2。

对于两组分混合气体, 对应的Peng-Robinson方程的参数a', b'采用如下混合规则计算:

式中, r是调整系数, 可用实验求得;Yi、Yj是第i、j组分的摩尔份数, 用下式计算:

实验气体为多组分混合气体, 三组分以上的相互用影响很小, 故仅考虑两两相互作用, 按照式 (16) ~ (17) 可计算混合物参数a', b', 进而代入式 (9) 得到混合气体状态方程。

爆炸罐内气体爆炸实验过程中, 实验罐内的热平衡方程为:

式中, ρ表示混合气体的密度, g/m3;V为实验容器的体积, m3;q为瓦斯爆炸的反应热, q=802.292k J/mol。

将微分方程 (18) 写成差分形式为:

式中, Tj表示第j时刻对应的温度, αj为第j时刻对应的转化率, 初始条件为t0=0时, α0=0, T0=293K。

4 甲烷爆炸实验定量分析

方程式 (10) ~ (17) 、式 (19) 是代数方程, 其中有a, b, a', b', w, k, ai, j, P, T, α等变量, 其中P和t可通过实验得到, 方程是封闭的。将 (t, P) 数据点代入方程组, 从t1时刻开始通过数值迭代法求解方程组, 可以依次得到不同时刻的温度和转化率, 将计算的转化率代入式 (1) , 又可得到各组分的摩尔浓度进而求得其体积份数。据初始浓度为6%、7%、8%和9%的CH4爆炸实验数据计算的各参数变化曲线见图4~9。

爆炸温度随时间变化规律如图4所示。可以看出, 甲烷浓度为6%、7%、8%和9%时, 爆炸反应的最高温度依次为1638.8K、1905.4K、2107.3K和2180.0K, 可见随着甲烷浓度增大, 爆炸最高温度提高, 爆炸达到最高温度点的时间减小。CH4转化率 (如图5) 先加速增加, 随后增速趋于平缓, 最后趋近一个确定的值。随着甲烷浓度增加, 反应最高转化率呈增加趋势。CH4浓度6%时最大转化率为83.52%, 7%时为95.24%时, 8%以上时接近100%。初始浓度为6%和8%的甲烷爆炸过程中各气体组分变化曲线见图6和图7。可以看出, 点火后甲烷和氧气浓度先加速下降, 然后下降速度趋缓, 最终达到一个恒定值。水和二氧化碳浓度则是先加速升高, 随后上升速度趋缓, 最终达到稳定。温度变化率曲线 (图8) 和甲烷转化率的变化率曲线 (见图9) 呈现相同的规律, 两曲线在点火300ms后均为一条重合的直线。温度及转化率的变化率曲线与该直线相交 (切) 的时间即为反应终止时间。CH4初始浓度6%、7%、8%和9%时, 反应终止时间分别为310ms、185ms、150ms和120ms, 可见CH4初始浓度越高, 反应终止时间越短。在CH4初始浓度6%、7%、8%时温度变化率和甲烷转化率曲线均出现两个峰值点, CH4浓度9%时仅出现一个峰值点。CH4初始浓度越高, 第一个峰与第二个的峰高及峰面积之比越大 (CH4浓度为8%时第二个峰不明显, 9%时仅剩第一个峰) , 并且峰越陡峭, 说明爆炸反应越剧烈。

5 结论

1) 建立了据爆炸罐内甲烷爆炸实验测定的压力值, 计算爆炸化学反应不同时刻转化率、温度、各组分浓度等重要参数的数学模型, 能够定量研究爆炸过程。

2) 甲烷初始浓度越大 (浓度范围6%~9%) , 爆炸最高温度越高, 达到最高温度点的时间越小, 反应最高转化率越大, 反应终止时间越短, 说明爆炸反应越剧烈。

3) 甲烷初始浓度为6%和7%时, 爆炸温度变化率和甲烷转化率曲线各出现两个明显的峰值。随着甲烷初始浓度升高, 第一个峰高度增大, 第二个峰高度降低, 到甲烷浓度9%时仅剩第一个峰。理论分析认为, 第一个峰是自由基链反应的结果, 第二个峰则可能是热着火过程发展的结果。

4) 甲烷浓度升高到8%~9%时, 爆炸反应温度很高, 除甲烷完全燃烧以外, 氮气氧化等反应会导致爆炸罐内分子数增多, 或者放热量增大, 引起计算的转化率略偏大。

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