高中化學/測量
正如我們在上一節中瞭解到的，定性觀察需要使用感官收集資料，以便解釋周圍環境中發生的事情，然後根據這些解釋得出結論。定量觀察透過使用測量來收集資料。從這些測量中，我們可以解釋資料並得出結論。科學家究竟是如何收集所有這些數值資料的？需要什麼樣的裝置以及用於什麼目的？它的準確性如何？讓我們先看看化學中使用的典型裝置，然後再看看確定準確性和精密度所需的技能。讓我們探索化學的定量方面。
- 根據所需的測量單位匹配裝置型別。
- 確定所選裝置的有效數字。
- 定義準確度和精密度。
- 區分準確度和精密度。
想想你最後做的實驗。你使用了什麼裝置？如果你要測量液體體積，你會使用燒杯還是量筒？
看看上面的兩個圖；如果你需要測量出 65 毫升，你最有可能想使用什麼儀器？量筒每 10 毫升有刻度，然後每 5 毫升有更細的刻度。燒杯每 10 毫升、50 毫升或 100 毫升可能有刻度，具體取決於你使用哪種型別。在量筒中測量體積會更容易。如果在同一個實驗室中，你需要稱量出 3.25 克氯化鈉 NaCl。看看下面的兩個圖，並確定你會使用哪種裝置。
天平的測量精度僅為 ± 0.1 克。因此，你必須稱量出 3.3 克 NaCl 而不是 3.25 克。數字天平可以測量到 ± 0.01 克。使用這種儀器，你可以根據你的技能精確地測量出你需要的東西！
你選擇的裝置也決定了你測量中的單位，反之亦然。例如，如果你被提供了量筒、燒杯、移液管、滴定管、燒瓶或瓶子，那麼你被要求測量體積。國際單位制中的體積測量使用公制而不是英制，以便在全球範圍內標準化這些測量。因此，對於體積測量，我們使用升 (L) 表示大體積，使用毫升 (mL) 表示在實驗室中測量的較小體積。看看下面的圖，並確定每個裝置中存在的體積。
反之亦然。如果你要測量出 5 克固體、3 釐米的金屬絲或溶液的溫度；上面的圖中的任何物體是否有幫助？為什麼不？這些物體沒有幫助，因為這些測量單位不是體積，所有這些裝置部件都測量體積。對於你需要進行的測量，你需要不同的裝置。看看下面的圖，將三個所需的測量值與顯示的裝置部件匹配。
a) 5 克固體
b) 3 釐米金屬絲
c) 溶液的溫度
在上一節中，我們查看了很多用於測量特定單位的裝置。我們之前看過的量筒用於測量體積，天平用於測量質量，溫度計用於測量溫度。我們還看到，在兩種型別的天平中，一種型別的天平比另一種天平更精確地測量質量。這兩種天平之間的差異在於它們能夠測量的有效數字的位數。記住，天平的測量精度為 ± 0.1 克，數字天平的測量精度為 ± 0.01 克。
在繼續之前，我們回憶一下有效數字是什麼？測量只能和產生它的儀器一樣精確。科學家必須能夠表達數字的精度，而不僅僅是它的數值。
我們為實驗室實驗選擇的儀器取決於所需的精度。例如，如果你要用粉狀可可粉在家中做一杯熱巧克力，你可能會使用量勺或茶匙。將此與在實驗室中進行反應序列所需的稱量出 4.025 克碳酸氫鈉進行比較。茶匙可以做到嗎？可能不行！你需要使用一種名為分析天平的裝置，其測量精度為 ± 0.001 克。
準確度和精密度是我們經常在科學、數學和其他日常事件中聽到的兩個詞。令人驚訝的是，這兩個詞也經常被誤用。你多久會聽到這些詞？例如，你經常聽到汽車廣告談論它們的精確駕駛能力。但是這兩個詞是什麼意思。準確度是指一個數字與實際值或預測值的接近程度。如果氣象員預測 7 月 1 日的溫度為 30°C，而實際溫度為 29°C，她很可能被認為當天非常準確。
一旦你進入實驗室並進行了測量，無論是質量、體積還是長度，你怎麼知道它們是否正確？準確度是測量值與該量值的公認值（我們稱之為正確值）之間的差值。為了提高準確度，科學家會盡可能多地重複測量。精密度是衡量所有這些測量值彼此之間接近程度的指標。因此，測量可以具有精密度，但精度不高。測量準確度的例子是擁有以下資料：26 毫升、26.1 毫升和 25.9 毫升，而公認值為 26.0 毫升。這些資料也顯示出精密度。但是，如果資料是 25.2 毫升、25.0 毫升和 25.2 毫升，則它們將顯示出精密度但不顯示準確度。
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示例問題 傑克在做滴定實驗時收集了以下體積：34.25 毫升、34.30 毫升、34.60 毫升、34.00 毫升和 34.50 毫升。滴定中和酸所需的實際體積為 34.50 毫升。你會說傑克的資料準確嗎？精確？既準確又精確？既不準確也不精確？解釋一下。 解決方案: 傑克的所有資料都將是準確的，因為它們接近真實值 34.50 毫升。資料也將是精確的，因為最高值和最低值之間只有 2% 的差異。 |
準確度和精密度之間的區別及其在科學中的重要性在安年伯格影片中得到證明，網址為 按需影片 - 化學世界 - 測量。
- 實驗中的任務決定了測量單位；這反過來又決定了裝置。示例：如果要測量質量，則選擇天平作為裝置。
- 相反，選擇的裝置將決定測量單位。示例：如果選擇量筒，則測量單位將是體積（毫升或升）。
- 每件裝置都有指定的有效數字位數，它能夠測量到該位數。示例：家用溫度計的測量精度可能為 ± 1°C 或 ± 1°F，而普通高中酒精溫度計的測量精度為 ± 0.1°C。
- 有效數字用於科學中的所有定量測量。提供了五個主要規則來讀取數字的有效數字，以及兩個主要規則來求解在保持適當有效數字的情況下保持有效數字的代數方程。
- 準確度是指值與實際值的接近程度（記住 A 和 a）。
- 精密度是指實驗中值彼此之間的接近程度。精密度取決於儀器或測量的有效數字。
- 假設你想用彩彈槍擊中這個圓圈的中心。以下哪項被認為是準確的？精確的？兩者都是？都不是？
- 四名學生進行測量以確定立方體的體積。他們的結果是 15.32 cm3、15.33 cm3、15.33 cm3 和 15.31 cm3。立方體的實際體積為 16.12 cm3。關於他們的測量中的準確度和精密度，你能說出哪些結論？
- 求解以下各項的值，保留正確的有效數字位數。
- (a) 1.25 + 11
- (b) 2.308 − 1.9
- (c) 498 − 97.6
- (d) 101.3 ÷ 12
- (e) 25.69 × 0.51
- 為什麼化學中使用公制？
- 區分準確度和精密度。
- 以下每個數字中包含多少個有效數字
- (a) 0.002340
- (b) 2.0×10−2
- (c) 8.3190
- (d) 3.00×108
- Nisi 在她的實驗室考試中被問到了以下問題。在進行實驗時，什麼術語最能描述你的結果的可重複性？她應該回答什麼？
- (a) 準確性
- (b) 謹慎
- (c) 精確度
- (d) 顯著性
- (e) 不確定性
- Karen 在實驗室裡進行涉及質量的反應。她需要稱量 1.50 g 的每種反應物，並將它們放在她的燒瓶中。她在她的資料表中記錄了她的資料，並開始檢視它（表 3.4）。透過檢視 Karen 的資料，你能得出什麼結論？
表 3.4 反應物 1 的質量 反應物 2 的質量 試驗 1 1.45 ± 0.02 g 1.46 ± 0.02 g 試驗 2 1.43 ± 0.02 g 1.46 ± 0.02 g 試驗 3 1.46 ± 0.02 g 1.50 ± 0.02 g - (a) 資料是準確的，但不是精確的。
- (b) 資料是精確的，但不是準確的。
- (c) 資料既不精確也不準確。
- (d) 資料是精確且準確的。
- (e) 你真的需要看看 Karen 使用的平衡。
- 求解以下各項的值，保留正確的有效數字位數。
- (a) 3.567 + 3.45
- (b) 298.968 + 101.03
- (c) 1.25 × 11
- (d) 27 ÷ 5.67
- (e) 423 × 0.1
詞彙表
[edit | edit source]- 準確性
- 一個數字與實際值或預測值的接近程度。
- 精確度
- 實驗中各值彼此接近的程度。
- 有效數字
- 描述儀器或測量值的準確度或精確度的一種方法。
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