Name: graphs, curve fit, and standard deviation
Uploaded: 2020-03-26T07:22:24.000Z
Duration: 4 min 34 s
Channel: JoVE

K12 Standards

Texas Essential Knowledge and Skills

High School

Chemistry

CHEM.1

CHEM.1.D

Scientific Measurement and Lab Skills

Przekształcanie wyników eksperymentów z punktów danych na reprezentacje wizualne, takie jak wykresy, jest niezbędne do określenia relacji między dwiema lub więcej właściwościami. Te właściwości są nazywane zmiennymi. Gdy istnieją dwie zmienne, wykres utworzony na podstawie danych nazywa się dwuwymiarowym. Wykres ma dwie osie. Zmienna niezależna jest wykreślana na osi x, a zmienna zależna jest wykreślana na osi y.
Weźmy na przykład te przykładowe dane dotyczące temperatury i objętości gazu. Objętość gazu zależy od temperatury. W ten sposób wykreślilibyśmy zmierzoną temperaturę na osi x i objętość na osi y.
Gdy istnieje kilka punktów danych o tej samej wartości x, na przykład gdybyśmy zmierzyli objętość kilka razy w jednej temperaturze, obliczamy również odchylenie standardowe tych pomiarów. Odchylenie standardowe jest wartością statystyczną, która wskazuje stopień zmienności występującej w zestawie wartości.
Odchylenie standardowe oblicza się przy użyciu tego wzoru, gdzie n to liczba punktów danych, x bar to średnia wartość punktów danych, a xi reprezentuje każdy pojedynczy punkt danych. Odchylenie standardowe można obliczyć ręcznie lub arkusz kalkulacyjny może obliczyć je automatycznie. Im odchylenie standardowe jest bliższe 0, tym bliżej wartości średniej znajdują się punkty danych. Jeśli odchylenie standardowe jest równe 0, wszystkie wprowadzone punkty danych mają tę samą wartość.
Przyjrzyjmy się średnim wartościom i odchyleniom standardowym pomiarów objętości dla każdej temperatury w naszym zbiorze danych. Każdy zestaw punktów danych możemy podsumować jako średnią plus lub minus odchylenie standardowe. Wyznaczamy liczby znaczące dla każdej średniej na podstawie odpowiednich pomiarów i odpowiednio zaokrąglamy wartości średnie.
Odchylenie standardowe każdej grupy musi mieć taką samą liczbę miejsc dziesiętnych jak średnia, więc każde odchylenie standardowe zaokrąglamy do setnych miejsc. Aby graficznie określić relację między dwiema zmiennymi, możemy dopasować dane do funkcji najlepszego dopasowania.
Funkcja jest generowana automatycznie przez oprogramowanie arkusza kalkulacyjnego i może mieć postać liniowej linii trendu, funkcji wielomianowej lub funkcji wykładniczej lub logarytmicznej. W przypadku naszych danych dotyczących temperatury i objętości zależność jest liniowa. Tak więc punkty danych są dopasowywane za pomocą liniowej regresji metodą najmniejszych kwadratów. Twój arkusz kalkulacyjny zwróci równanie dla linii najlepszego dopasowania i wartości r-kwadrat. Im wartość r-kwadrat jest bliższa 1, tym lepsze dopasowanie danych.
Następnie możesz użyć arkusza kalkulacyjnego, aby znaleźć odchylenia standardowe nachylenia, punkt przecięcia z osią y i obliczoną wartość y. Aby określić liczby znaczące dla wartości w równaniu, postępujemy zgodnie z prostą zasadą. Ostatnia znacząca cyfra każdej wartości odpowiada pierwszemu znaczącemu miejscu po przecinku jej odchylenia standardowego.
W ten sposób zaokrąglamy nachylenie do tysięcznych miejsc i punkt przecięcia z osią y do dziesiętnego miejsca, a następnie zaokrąglamy odchylenia standardowe, aby pasowały. Nasze nachylenie wynosi 0,167 +/- 0,003 litra na kelwin, a nasze przecięcie z osią y wynosi -40,6 +/- 1,2 litra. Każda obliczona wartość y zostanie zaokrąglona do dziesiętnego miejsca i wyniesie +/- 0,8 litra. Równanie to opisuje zależność między temperaturą a objętością gazu.
W tym module stworzysz zestaw danych zmiennych zależnych i niezależnych, mierząc średnicę i obwód zlewek o różnych rozmiarach. Następnie użyjesz tych danych do utworzenia wykresu punktowego i przeprowadzenia regresji liniowej, pamiętając o znaczeniu znaczących liczb. Będziesz także ćwiczyć umiejętności laboratoryjne, takie jak filtrowanie i mierzenie objętości za pomocą pipet, zwracając uwagę na niepewność pomiarów i analizy.

pomiary naukowe i umiejętności laboratoryjne

Wykresy dwuwymiarowe
Niektóre eksperymenty chemiczne przyjmują formę bezpośredniej zmiany jednej właściwości badanego układu, zwanej inaczej zmienną niezależną, taką jak temperatura, i mierzenia wpływu na inną właściwość, znaną również jako zmienna zależna, taka jak objętość. Po zebraniu danych interakcja między tymi dwoma parametrami musi zostać określona ilościowo — lub przekształcona w postać, którą można ocenić — i porównana z innymi relacjami.
Wykresy dwuwymiarowe mogą być używane do wyprowadzania pewnych typów zależności matematycznych między dwiema właściwościami lub do ustalenia, że taka zależność nie istnieje między nimi. Analiza ostatecznie określi, jak zmienia się zmienna zależna w odpowiedzi na zmienną niezależną. W przykładzie regulacji temperatury cieczy lub gazu i monitorowania zmian jego objętości temperatura jest zmienną niezależną, a objętość jest zmienną zależną.
Aby utworzyć wykres dwuwymiarowy, każdy punkt danych musi mieć wartość znaną jako współrzędna zarówno dla zmiennych zależnych, jak i niezależnych. Zmienna niezależna jest wykreślana na osi x, a zmienna zależna jest wykreślana na osi y. Wykresy te można łatwo wykonać w oprogramowaniu do arkuszy kalkulacyjnych, które można również wykorzystać do analizy wykreślonych danych.
Dopasowanie krzywej
Po wykreśleniu zestawu danych na wykresie dwuwymiarowym, dopasowanie krzywej może być użyte do wygenerowania równania lub funkcji dla zmiennej zależnej pod względem zmiennej niezależnej. Funkcje reprezentują model matematyczny, który najlepiej modeluje dane, z których pochodzi. Dopasowywanie krzywej to technika znajdowania funkcji, która tworzy linię, która jest dobrze dopasowana do wzorca punktów danych. Oprogramowanie do arkuszy kalkulacyjnych zawiera różne narzędzia do dopasowywania krzywych, które są określane jako "najlepsze dopasowanie". Jest to zwykle liniowa analiza regresji metodą najmniejszych kwadratów, chociaż większość programów oferuje również nieliniową regresję metodą najmniejszych kwadratów.
Precyzję najlepiej dopasowanego równania liniowego można sprawdzić, wstawiając wartości x dla punktów danych i porównując "teoretyczne" wyniki równania z rzeczywistymi wartościami y punktów danych. Oprogramowanie do obsługi arkuszy kalkulacyjnych zazwyczaj oblicza wartość współczynnika determinacji (R2) dla funkcji, co pokazuje, jak dobrze funkcja pasuje do punktów danych. Im wartość R2 jest bliższa 1, tym lepsze dopasowanie do regresji liniowej. Inne funkcje mają bardziej wyspecjalizowane metody określania, jak dobrze funkcja jest dopasowana do danych.
Wyznaczenie niepewności wartości zależnych obliczonych na podstawie funkcji najlepszego dopasowania wymagałoby skomplikowanych technik "propagacji błędów". Możliwe jest jednak obliczenie niepewności w równaniu w postaci odchylenia standardowego zarówno dla nachylenia, jak i punktu przecięcia z osią y funkcji najlepszego dopasowania. Zwykle odbywa się to za pomocą innego narzędzia niż to, które służy do generowania wykresu dwuwymiarowego.
odchylenie standardowe
Odchylenie standardowe opisuje stopień zmienności występującej w zestawie wartości. Odchylenie standardowe populacji (σ) jest używane, gdy istnieją dane od każdego członka skończonej populacji, takie jak masa każdej kulki w worku kulek. Przykładowe odchylenie standardowe (s) jest używane we wszystkich innych przypadkach i jest domyślnym obliczeniem odchylenia standardowego w oprogramowaniu do obsługi arkuszy kalkulacyjnych. 1 Można założyć, że "odchylenie standardowe" odnosi się do odchylenia standardowego próbki.
Zakłada się, że błąd pomiaru losowy jest zgodny z mniej więcej "normalnym" rozkładem, gdzie około 68% zbioru wartości mieści się w zakresie jednego odchylenia standardowego po każdej stronie średniej, 95% wartości mieści się w zakresie dwóch odchyleń standardowych po każdej stronie średniej, a 99,7% wartości mieści się w zakresie trzech odchyleń standardowych po każdej stronie średniej. W związku z tym odchylenie standardowe jest użytecznym sposobem opisania błędu i niepewności.
Równanie odchylenia standardowego próbki jest następujące:
<img src="/CDNSource/lm/labs/42/42_Concepts_1.jpg">
W tym równaniu N jest liczbą wartości; <img src="/CDNSource/lm/labs/42/30034eq02.jpg"> jest średnią (lub średnią) wartości, a xi reprezentuje każdą pojedynczą wartość. Tak więc, aby ręcznie obliczyć odchylenie standardowe, oblicz średnią zbioru wartości, odejmij średnią od każdej wartości, podnieś każdą różnicę do kwadratu, dodaj różnice do kwadratu, podziel całkowitą sumę przez jeden mniej niż liczba wartości i weź pierwiastek kwadratowy z ilorazu. Im s jest bliższe zeru, tym mniejsza jest różnica między wartościami. Jeśli wartości są wprowadzane do arkusza kalkulacyjnego, odchylenie standardowe można obliczyć z poziomu oprogramowania.
Liczba cyfr znaczących w odchyleniu standardowym zależy od tego, dla jakich wartości jest ono przeznaczone. Podając odchylenie standardowe dla grupy punktów danych pobranych w tych samych warunkach, należy najpierw określić odpowiednią liczbę cyfr znaczących w wartości średniej. Odchylenie standardowe jest następnie zaokrąglane do tej samej liczby miejsc po przecinku co średnia. Dla zestawu objętości z czterema cyframi znaczącymi, średnią 15,361 ml i odchyleniem standardowym 0,2313, średnia i odchylenie standardowe zostaną podane jako 15,36 ml ± 0,23 ml.
W przypadku podawania odchylenia standardowego średniej i punktu przecięcia z osią y dla funkcji najlepszego dopasowania wyznaczonej za pomocą analizy metodą najmniejszych kwadratów, która jest zwykle stosowaną metodą w arkuszach kalkulacyjnych, pierwszym miejscem po przecinku z osią y jest ostatnia cyfra znacząca średniej lub punktu przecięcia z osią y. W związku z tym odchylenie standardowe należy zaokrąglić do jednego znaczącego miejsca po przecinku, a nachylenie lub punkt przecięcia z osią y należy zaokrąglić do odpowiedniego miejsca po przecinku. Na przykład, jeśli nachylenie wynosi 0,1691 L·K-1 i ma odchylenie standardowe 0,00512, nachylenie powinno być zgłaszane jako 0,169 L·K-1 ± 0,005 L·K-1.
Jeśli odchylenie standardowe nachylenia lub punktu przecięcia z osią y jest o tyle mniejsze niż odpowiadająca mu wartość, że zastosowanie tej reguły dałoby nachyleniu lub punkt przecięcia z osią y więcej wartości znaczących, niż pozwalałyby na to pierwotne dane pomiarowe, należy wyznaczyć wartości znaczące nachylenia lub punktu przecięcia z osią y na podstawie wartości x i y i zaokrąglić odchylenie standardowe do jednej liczby znaczącej. Zatem dla nachylenia 0,1691 L·K-1, odchylenia standardowego 0,0000512 oraz wartości x i y z czterema cyframi znaczącymi, nachylenie należy podać jako 0,1691 L·K-1 ± 0,00005 L·K-1. W takim przypadku nie ma nic złego w tym, że obliczona wartość i jej odchylenie standardowe mają różną liczbę miejsc po przecinku. Należy pamiętać, że metoda najmniejszych kwadratów używa zarówno wartości x, jak i y do obliczenia nachylenia i punktu przecięcia z osią y.
Podając odchylenie standardowe jako zakres niepewności, należy zwrócić szczególną uwagę na to, że niepewność odpowiada jednemu odchyleniu standardowemu. To mówi czytelnikowi, że istnieje około 68% szansy, że rzeczywista wartość pomiaru mieści się w tym zakresie średniej, przy założeniu rozkładu normalnego. Często bardziej odpowiednie może być podanie niepewności jako dwóch odchyleń standardowych od średniej, ponieważ zwiększa to prawdopodobieństwo do około 95%. Aby to zrobić, po prostu pomnóż odchylenie standardowe przez dwa, a następnie zaokrąglij je do odpowiedniej liczby cyfr znaczących.
Odwołania
<ol style="font-size:17px">
	<li style="font-size:17px">Harris, D.C. (2015). Ilościowa analiza chemiczna. Nowy Jork, NY: W.H. Freeman and Company.</li>
</ol>

Pomiary naukowe i umiejętności laboratoryjne

Wykresy dwuwymiarowe
Niektóre eksperymenty chemiczne przyjmują formę bezpośredniej zmiany jednej właściwości systemu, który badasz, inaczej zwanej ...

Education

JoVE Lab Manual

Chemia

graphs, curve fit, and standard deviation

Two-dimensional graphs help students compare an independent variable with a dependent variable in science data. In a chemistry example, temperature is the independent variable and volume is the dependent variable. After data are collected, the relationship between the two measurements must be quantified so it can be evaluated and compared with other relationships. A graph can also show when no relationship exists between the two variables.

To make a two-dimensional graph, each data point needs a coordinate for both variables. The independent variable is plotted on the x-axis, and the dependent variable is plotted on the y-axis. These plots are often made in spreadsheet software, which can also be used to analyze the data. This helps show how the dependent variable changes in response to the independent variable.

Once the data are plotted, curve fitting can turn the pattern into an equation, or function. A function is a mathematical model that best matches the data it comes from. Curve fitting looks for a line or curve that fits the data points well. In many cases, spreadsheet tools use a best-fit method based on linear least-squares regression, although nonlinear least-squares regression is also available in most software.

The quality of a best-fit line can be checked by comparing the x values in the equation with the actual y values from the data. Spreadsheet software usually reports the coefficient of determination, or R squared, which shows how well the function matches the plotted points. A value closer to 1 means a better fit for linear regression. Finding uncertainty for values calculated from the equation can be more complicated, but standard deviation can be used to describe the uncertainty in the slope and y-intercept of a best-fit line.

Standard deviation shows how much values vary in a set. Population standard deviation, written as sigma, is used when data are available for every member of a finite population, such as the mass of each marble in a bag. Sample standard deviation, written as s, is used in all other cases and is the default in spreadsheet software. For that reason, standard deviation usually means sample standard deviation. Random measurement error is assumed to follow a roughly normal distribution, where about 68% of values fall within one standard deviation of the mean, 95% fall within two, and 99.7% fall within three.

The sample standard deviation can also be calculated by hand. First find the mean. Then subtract the mean from each value, square each difference, add the squared differences, divide by one less than the number of values, and take the square root. The closer s is to zero, the less variation there is in the data. Spreadsheet software can also calculate standard deviation directly.

When reporting standard deviation, the number of significant figures depends on what it describes. For a group of measurements taken under the same conditions, the standard deviation is rounded to the same number of decimal places as the mean. For example, 15.361 mL with a standard deviation of 0.2313 should be reported as 15.36 mL ± 0.23 mL. When reporting the standard deviation of a slope or y-intercept from least-squares analysis, the first decimal place of the standard deviation becomes the last significant figure of the value. So 0.1691 L·K-1 with a standard deviation of 0.00512 is reported as 0.169 L·K-1 ± 0.005 L·K-1.

If the standard deviation is much smaller than the slope or y-intercept, this rule can give more significant figures than the original x and y data allow. In that case, use the significant figures from the data and round the standard deviation to one significant figure. For example, 0.1691 L·K-1 with a standard deviation of 0.0000512 and x and y values with four significant figures is reported as 0.1691 L·K-1 ± 0.00005 L·K-1. It is important to state whether the uncertainty represents one standard deviation. One standard deviation gives about a 68% chance that the true value lies within that range. Two standard deviations may be a better choice when a wider uncertainty range is needed, since that raises the chance to about 95%.

Graphs, Curve Fit, and Standard Deviation

lab techniques

Measuring with Accuracy in the Lab

Measuring with accuracy in the lab starts with careful records, the right tools, and correct reading of data. Scientists use lab notebooks to record how an experiment was done. These notes include the amounts of materials used and each step of the procedure. Without that record, an experiment cannot be repeated in the same way. Balances and glassware are used to measure solids and liquids for experiments. The precision of a measurement depends on the equipment used. Digital balances show the...

scientific measurement and lab skills

Two-dimensional graphs help students compare an independent variable with a dependent variable in science data. In a chemistry example, temperature is the independent variable and volume is the dependent variable. After data are collected, the relationship between the two measurements must be quantified so it can be evaluated and compared with other relationships. A graph can also show when no relationship exists between the two variables. To make a two-dimensional graph, each data point needs...

stoichiometry, product yield, and limiting reactants

stoichiometry-product-yield-and-limiting-reactants

Balancing Equations and Reactant Limits

Chemical equations show how reactants change into products during a reaction. Stoichiometry is the study of the relative amounts of reactants and products. It is based on the Law of Conservation of Mass, which says matter is neither created nor destroyed. Because atoms are only rearranged, the number and identity of atoms must match on both sides of a reaction. That is why a chemical equation must be balanced. A balanced equation has the same number of atoms for each element in the reactants...

redox reactions

Oxidation States in Redox Reactions

Oxidation states help identify redox reactions. In a redox reaction, oxidation is the loss of one or more electrons, and reduction is the gain of one or more electrons. These reactions are often tracked by changes in oxidation state, also called oxidation number. Each atom in a molecule has an oxidation state. This number shows how oxidized an atom is compared with its free elemental form. It is written as the charge an atom would have if every bond were purely ionic. In that model, bonding...

ideal gas law

Gas Laws Behind the Ideal Gas Equation

The ideal gas equation brings together the main gas laws used in chemistry. Gases have molecules that are far apart, so their behavior is described with four measurable variables: pressure, volume, number of moles, and temperature. The ideal gas law links these variables with the gas constant, R, which equals 8.314 J·K−1 mol−1. Boyle’s law describes the link between pressure and volume. When temperature and the number of moles stay constant, pressure and volume change in opposite directions.

acid and base concentrations

Acids, Bases, and pH in Titration

Acids, bases, and pH explain how acidic or basic a solution is. An Arrhenius acid releases hydrogen ions when it dissolves in water, while an Arrhenius base releases hydroxide ions. These reactions also create conjugate partners: an acid forms a conjugate base after losing hydrogen, and a base forms a conjugate acid after losing hydroxyl. Every acid has a conjugate base, and every base has a conjugate acid. pH measures the amount of hydrogen ions in a solution. The pH scale runs from 0 to 14...

buffers

Buffer pH and the Common Ion Effect

Buffer solutions help keep pH steady when acids or bases are added. In water, an Arrhenius acid (HA) dissociates into hydrogen ions, H+, and a conjugate base, A-. More hydrogen ions make a solution more acidic and lower its pH. An Arrhenius base (BOH) dissociates into a conjugate acid, B+, and hydroxide ions, OH-. Strong acids and strong bases usually change pH a lot because they react completely in water and raise the amount of H+ or OH-. Buffers reduce those pH changes. A buffer usually...

enthalpy of reaction

Reaction Heat, Hess’s Law, and Calorimetry

Reaction heat is explained through enthalpy, Hess’s law, and calorimetry. These ideas show how heat moves during chemical reactions and how scientists measure it. Thermodynamics is the study of heat energy and other forms of energy, such as work. Its laws are used across science, from biology to physics. The first law says energy is conserved in an isolated system. Energy can change form, such as thermal energy becoming work, but it cannot be created or destroyed. The second law of...

solubility

Solubility in Water and Other Solvents

Solubility describes how much of a solute can dissolve in a specific solvent. It is usually reported as solute mass per solvent volume or as solute mass per solvent mass. For example, sodium chloride has a solubility of 36 g per 100 mL of water at room temperature. If solubility is given by solvent mass, that mass must be converted to volume for later calculations. Temperature changes solubility. Sodium carbonate dissolves at about 7 g per 100 mL of water at 0 °C, 22 g per 100 mL at room...

metal flame emission

Flame Test Metal Color Clues

Flame testing uses a metal sample and a flame to identify a substance by its color. Each element gives off a characteristic light emission in the flame, so the color can help distinguish one element from another. This same idea appears in fireworks, where different metal components create different colors. The color comes from energy absorbed by the metallic component. When a species absorbs energy, that energy can go into translation, vibration, rotation, or electron excitement. Electron...

balmer series

Hydrogen Emission Lines

Hydrogen emission lines show how electrons move between fixed energy levels in the Bohr model. Niels Bohr proposed this model for the hydrogen atom in 1913. In this model, an electron can only occupy certain orbits, and it cannot exist between them. These energy states are labeled with the quantum number n. The ground state is n = 1. Higher values, such as n = 2, 3, 4, and so on, are excited states. An electron changes state only by absorbing or emitting energy equal to the difference between...

beer's law

Absorbance Spectra and Beer-Lambert Analysis

Absorbance spectra and the Beer-Lambert Law show how light can be used to study molecules in solution. When light hits a substance, it may be absorbed, transmitted, or reflected. A substance often interacts with a range of wavelengths, and each wavelength can affect the molecules or atoms in a different way. When a molecule absorbs light, that energy can be used for translation, vibration, rotation, or electron excitement. Electron excitement is especially important in spectroscopy because it...

concentration dependence

Reaction Order and Rate Constants

Chemical kinetics describes the speed of a chemical reaction. The rate depends on the reaction mechanism, the complexity of the reaction, and the number of reactants involved. Reactant concentration also affects how fast a reaction happens. The rate law is the experimental relationship that connects these factors to reaction rate. In the rate law, each reactant contributes through a reaction order. The general form is r = k[A]^m[B]^n for aA + bB + ... → cC. Here, r is the reaction rate, k is...

temperature dependence

Reaction Rate, Arrhenius, and Catalysts

Chemical kinetics explains how fast a reaction happens and why that speed changes. The reaction rate is the speed of a chemical reaction. It is defined as the change in concentration of a reactant or product over time. Reaction speed depends on several factors, including the concentration of the reactants and the temperature of the reaction. Each reactant affects the rate in a specific way. That relationship is described by the rate law. The rate law is an equation that connects the...

galvanic cells

Battery Power from Redox Reactions

Electrochemistry studies how chemical change and electrical energy are linked. In this branch of chemistry, electrons move from one species to another. That movement can either produce current or be driven by an applied current. The main reaction in electrochemistry is the oxidation-reduction, or redox, reaction. A redox reaction has two half-reactions. Oxidation is the loss of electrons, and reduction is the gain of electrons. These changes also shift the oxidation state of each substance. The...

electrolytic cells

Electroplating with Electrolytic Cells

Electrochemistry links electrical energy with chemical change, and electrolytic cells show how electricity can drive a nonspontaneous reaction. In these reactions, electrons move from one species to another. The key chemistry is a redox reaction, or oxidation-reduction reaction, which happens in two half-reactions. Oxidation is the loss of electrons, and reduction is the gain of electrons. The substance that loses electrons is the reducing agent, and the substance that gains electrons is the...

proper lab notebook keeping

Recording a Reproducible Lab Experiment

Accurate lab notebook records are essential in science and organic chemistry labs. Without clear notes, descriptions, quantities, and observations, an experiment cannot be repeated or checked. Good record keeping supports reproducibility, which means other people can follow the same work and get similar results. A laboratory notebook is useful in school labs, research settings, and industry. It can also become a legal record when an idea, process, substance, or technique is patented and...

basic organic chemistry techniques

Organic Lab Glassware and Safe Handling

Organic chemistry labs use specific glassware, careful weighing steps, and controlled heating to keep reactions safe and accurate. Beakers and Erlenmeyer flasks are often used for mixing or holding solvents, but they are not meant for measuring volume unless only an approximate amount is needed. Volumetric glassware is used when a precise volume matters. This group includes graduated cylinders, volumetric pipettes, and volumetric flasks. A graduated cylinder is commonly used in the organic lab...

melting points

How Impurities Change Melting Points

Melting point helps identify an organic compound by showing the temperature where a solid turns into a liquid at 1 atmosphere of pressure. It is a physical property, like solubility, density, color, and electronegativity. Because the exact start of melting is hard to measure, the result is reported as a range. The lower end is when the first drops of liquid appear. The upper end is when the last solid has melted. Scientists compare this range with literature values to help identify a compound. <br...

boiling points

Boiling Point and Vapor Pressure

Boiling point and vapor pressure are key physical properties of a liquid. For a pure compound, the boiling point can help identify the substance. In experiments, the boiling point is usually recorded as a range because exact values are hard to measure and may differ by a few degrees from the literature value. Vapor pressure explains why a liquid boils. In a sealed container, some molecules at the liquid surface gain enough energy to escape into the gas phase. At the same time, some gas...

recrystallization

Purifying Crystals by Solubility

Purifying crystals by solubility is a key organic chemistry technique. Recrystallization uses differences in solubility to separate a desired solid product from starting materials, solvent, and impurities. It is one of the three standard purification methods, along with distillation and extraction. Solubility is the maximum amount of a substance that can dissolve in a fixed volume of solvent at a given temperature. Different solutes dissolve in different solvents, and their behavior can vary...

extraction

Separating Mixtures with Solvent Extraction

Solvent extraction is a common way to separate and isolate a target compound in organic chemistry. In this process, a solute moves from one phase to another so it can be separated from unreacted starting materials or impurities. Extraction is also useful when a product is dissolved in a reaction solvent that is hard to remove by evaporation, such as a solvent with a high boiling point. There are three main types of extraction. In solid-liquid extraction, the solute moves from a solid phase...

simple distillation

Separating Liquids by Boiling Point

Separating liquids by boiling point is the goal of distillation. A miscible mixture contains liquids that mix evenly, and it can be heated so that the more volatile liquid evaporates first. Volatility is a liquid’s tendency to vaporize, and boiling begins when bubbles form in the liquid phase. In a closed container, liquid and vapor can reach equilibrium, which means the rate of vaporization equals the rate of condensation. The pressure from the vapor above the liquid is called vapor pressure.

steam distillation

Steam Distillation and Low-Boiling Separation

Steam distillation is a separation method for temperature-sensitive organic compounds. It works best when the organic compound is immiscible in water, meaning the two liquids do not mix. The method helps remove the organic molecule from a non-volatile contaminant without using the higher temperatures needed for many other separations. In steam distillation, the immiscible mixture is heated until both water and the volatile organic compound distill together. The vapor rises to a condenser,...

thin-layer chromatography

TLC Separation by Polarity

Thin-layer chromatography (TLC) separates compounds in a mixture by polarity. It uses the same basic parts as other chromatography methods: a stationary phase, a mobile phase, and the solute. In TLC, the stationary phase is a thin coating on a plate instead of material packed into a column. The stationary phase in most TLC systems is polar silica gel, a form of silicon dioxide. Its surface has OH groups that can form hydrogen bonds. The sample is first spotted on a pencil start line with a...

column chromatography

Separating Mixtures by Polarity

Column chromatography separates compounds in an organic chemistry lab by using differences in physical properties. It is especially useful for microscale separations when less than 10 grams of material is available for analysis. The method can separate a mixture based on solubility, polarity, hydrophobicity, size, and charge. Any chromatography system has three main parts: the stationary phase, the mobile phase, and the sample mixture. In column chromatography, the stationary phase is usually...

hydrolysis of an ester

Soap Formation from Triglycerides

Triglycerides are lipids made of a glycerol backbone linked to three fatty acids. They are common in vegetable oils and animal fats. Plant lipids are the basis of vegetable oils, while animal lipids are used as lard or general sources of fats. A fatty acid has a long carbon chain, usually between 12 and 20 carbons, with a weak organic acid at one end. Some fatty acids contain double bonds. These are unsaturated fats. The double bond usually gives the chain a bent, cis shape. As a result,...

synthesis of luminol

Luminol Chemiluminescence in Forensics

Luminol chemiluminescence shows how a chemical reaction can produce light and help with blood detection. Chemical reactions may be endothermic or exothermic, depending on whether they absorb or release heat as reactants become products. The enthalpy of a reaction is the energy difference between reactants and products, or ΔH. A positive ΔH means the reaction is endothermic. A negative ΔH means it is exothermic. Many reactions do not happen in a single step. They can pass through intermediates...

esterification

Ester Formation and Everyday Fragrances

Esters are organic compounds with a carbonyl group attached to an oxygen that connects to another alkyl or aryl group. Their general formula is RCOOR'. They are often made by reacting a carboxylic acid with an alcohol in an esterification reaction. In this process, the hydroxyl group of the acid is replaced by an alkyl or aryl group. Many simple esters have familiar fruit and flower smells because their structures are small and less complex. Formic acid and methanol can combine to form methyl...

identification of unknown aldehydes and ketones

identification-of-unknown-aldehydes-and-ketones

Carbonyl Tests for Aldehydes and Ketones

Aldehydes and ketones are carbonyl compounds, which means they contain a C=O functional group. A ketone has two alkyl or aryl groups attached to the carbonyl carbon. Acetone is the simplest ketone, with two methyl groups. An aldehyde is similar, but it has at least one hydrogen attached to the carbonyl carbon. Formaldehyde is the simplest aldehyde, and acetaldehyde has one hydrogen and one methyl group. The carbonyl carbon in both aldehydes and ketones is electrophilic because the oxygen atom...

uv-vis spectroscopy of dyes

How Dyes Absorb Visible Light

Dyes absorb visible light because their molecular structure lets them interact with specific wavelengths. When light hits a substance, some light is absorbed and the rest is reflected or transmitted. The color we see depends on the wavelength that is reflected. A blue substance reflects blue light, around 430 to 480 nm, and absorbs the complementary orange region, around 590 to 630 nm. Compounds that do not absorb in the visible range appear colorless to the human eye. Light also has energy and...

identifying alcohols

Alcohol Tests for Primary, Secondary, and Tertiary

Alcohol tests can help sort alcohols by structure and reactivity. Alcohols are organic molecules with a hydroxyl group attached to an alkyl or aryl group, written as ROH. If the carbon with the hydroxyl group has one R group, the alcohol is primary. If it has two R groups, it is secondary. If it has three R groups, it is tertiary. Alcohols can also be aromatic when they contain a benzene ring. Phenol is the simplest aromatic alcohol. To identify an alcohol, chemists can use its chemical...

chemistry

Comprehensive, curriculum-focused videos for both instructors and students in introductory chemistry lab courses.

https://cloudfront.jove.com/files/banners/scicat/labbio.jpg

Learn how to plot independent and dependent variables, use best-fit lines, and report standard deviation to describe uncertainty in science data.

Graphs, Curve Fit, and Standard Deviation | JoVE K12

Przygotuj się do nauczania Pomiary naukowe i umiejętności laboratoryjne dzięki temu 3-minutowemu przewodnikowi dla instruktorów. Obejmuje kluczowe kroki przygotowawcze dla laboratorium Chemistry na JoVE Lab Manual.

Przygotowanie instruktora do Pomiary naukowe i umiejętności laboratoryjne w Chemistry - Ponad 5.7K wyświetleń | JoVE Lab Manual

Postępuj zgodnie z procedurami Pomiary naukowe i umiejętności laboratoryjne krok po kroku w tym 15-minutowym filmie z protokołem studenckim. Część kolekcji Chemistry na JoVE Lab Manual.

Protokół studencki dla Pomiary naukowe i umiejętności laboratoryjne w Chemistry - Ponad 20K wyświetleń | JoVE Lab Manual

Scientific Laws and Theories

Scientific Laws

In science, a law is defined as a concise, verbal or mathematical, statement that summarizes a vast number of experimental observations. ...

The Scientific Method

Chemistry is an empirical science. Scientists often pose questions to understand the chemistry in everyday life and seek answers to these questions. To ...

CHEM.1.A

What is an Experiment?

An experiment is a planned activity carried out under controlled conditions. The purpose of an experiment is to investigate the relationship between two ...

Study Design in Statistics

A study design is a set of techniques that allow a researcher to collect and analyze data from different variables defined for a specific research ...

Observational Studies

Observational studies are a type of analytical study where researchers observe events without any interventions. In other words, the researcher does not ...

Experimental Designs

An experimental design is a systematic process that allows researchers to evaluate the relationship between dependent and independent variables. There are ...

Randomized Experiments

The randomization process involves assigning study participants randomly to experimental or control groups based on their probability of being equally ...

Crossover Experiments

Crossover experiments, also called the repeated-measurements design, is a study design in which all experimental units are exposed to all treatments in ...

Controls in Experiments

When conducting an experiment, it is crucial to have control to reduce bias and accurately measure the dependent variables. It also marks the results more ...

Bias

Bias refers to any tendency that prevents a question from being considered unprejudiced. In research, bias occurs when one outcome or answer is selected ...

Blinding

Blinding is a commonly used method of not telling participants which treatment a subject is receiving. Blinding is a critical part of a randomized control ...

CHEM.1.B

Proper Personal Protective Equipment

Robert M. Rioux &#38; William A Elliott, Pennsylvania State University, University Park, PA
Hazards are many and varied in the laboratory, but the right ...

Emergency Eyewash and Shower Stations

Robert M. Rioux, Pennsylvania State University, University Park, PA
The Occupational Safety and Health Administration (OSHA) mandates that an emergency ...

Electrical Safety

Robert M. Rioux &amp; Suprita Jharimune, Pennsylvania State University, University Park, PA
Among the many hazards present in the laboratory, electrical ...

Working with Centrifuges

Source: Robert M. Rioux &amp; Suprita Jharimune, Pennsylvania State University, University Park, PA
Earth's gravitational force is capable of separating ...

Working with Hot and Cold Sources

Source: Robert M. Rioux &amp; Suprita Jharimune, Pennsylvania State University, University Park, PA
Working with extreme temperatures, both high and low, ...

guidelines-in-case-of-a-laboratory-emergency

Guidelines in Case of a Laboratory Emergency

Robert M. Rioux &amp; Zhifeng Chen, Pennsylvania State University, University Park, PA
The most common laboratory emergencies include chemical spills, ...

chemical-storage-categories-hazards-and-compatibilities

Chemical Storage: Categories, Hazards And Compatibilities

Source: Robert M. Rioux &amp; Taslima A. Zaman, Pennsylvania State University, University Park, PA
While the use of various chemicals in experimental ...

Safe Handling of Mineral Acids

Source: Robert M. Rioux &#38; Taslima A. Zaman, Pennsylvania State University, University Park, PA
A mineral acid (or inorganic acid) is defined as a ...

Handling Chemical Spills

Source: Robert M. Rioux &#38; Taslima Zaman, Pennsylvania State University, University Park, PA
Since chemicals are commonly used for laboratory research ...

Proper Use of Autoclaves

Robert M. Rioux &amp; Zhifeng Chen, Pennsylvania State University, University Park, PA
Autoclaving is one of the most commonly used methods in the ...

Fume Hoods and Laminar Flow Cabinets

Robert M. Rioux &amp; William A. Elliott, Pennsylvania State University, University Park, PA
Fume hoods and laminar flow cabinets are engineering controls ...

handling-air-and-water-sensitive-chemicals-using-a-schlenk-line

Handling Air- and Water-Sensitive Chemicals Using a Schlenk Line

Robert M Rioux, Ajay Sathe, Zhifeng Chen, Pennsylvania State University, University Park, PA
The use of reagents sensitive to oxidation or moisture ...

proper-operation-of-vacuum-based-equipment

Proper Operation of Vacuum Based Equipment

Source: Robert M. Rioux, Ajay Sathe &#38; Zhifeng Chen, Pennsylvania State University, University Park, PA
Vacuum is required for a number of laboratory ...

Operating the Glovebox

Robert M Rioux, Ajay Sathe, Zhifeng Chen, Pennsylvania State University, University Park, PA 
A glovebox is an isolated enclosure that is designed to ...

operation-of-high-pressure-reactor-vessels

Operation of High-pressure Reactor Vessels

Robert M Rioux, Pennsylvania State University, University Park, PA
The use of gases in a synthetic chemistry laboratory is essential for carrying out a ...

CHEM.1.C

Lab Techniques

Measurement Accuracy
The ability to repeat an experiment and get the same results, or reproducibility, is essential in scientific research. However, ...

Two-Dimensional Graphs
Some chemistry experiments take the form of directly changing one property of the system that you are studying otherwise known as ...

Proper Lab Notebook Keeping

Organic Lab Notebook Keeping
Record keeping is a vital skill in science and organic chemistry labs. Without proper notes, descriptions, quantities, or ...

Basic Organic Chemistry Techniques

Glassware in Organic Chemistry
There are standard pieces of glassware that are used in the organic chemistry lab. Beakers and Erlenmeyer flasks are ...

Measurement: Standard Units

Every measurement provides three kinds of information: the size or magnitude of the measurement (a number), a standard of comparison for the measurement ...

Measurement: Derived Units

The International System of Units or SI system, by international agreement, has fixed measurement units for seven fundamental properties: length, mass, ...

uncertainty-in-measurement-accuracy-and-precision

Uncertainty in Measurement: Accuracy and Precision

Scientists typically make repeated measurements of a quantity to ensure the quality of their findings and to evaluate both the precision and the accuracy ...

uncertainty-in-measurement-reading-instruments

Uncertainty in Measurement: Reading Instruments

Counting is the type of measurement that is free from uncertainty, provided the number of objects being counted does not change during the process. Such ...

CHEM.1.E

Scientific and engineering practices. The student, for at least 40% of instructional time, asks questions, identifies problems, and plans and safely conducts classroom, laboratory, and field investigations to answer questions, explain phenomena, or design solutions using appropriate tools and models. The student is expected to:

Graphs, Curve Fit, and Standard Deviation

Description

Transcript

Tags

More videos by Standards