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有效数字及其运算法则

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有效数字及其运算法则

    在定量分析中,欲得到准确可靠的分析结果,不仅要准确地测定每个数据,而且还要进行正确的记录和计算。由于测定值不仅表示了试样中被测组分的含量,而且还反映了测定的准确程度。因此,在记录实验数据和计算结果中,保留几位数字不是任意确定的,而是根据测量仪器和分析方法的准确度而定。

    2.2.1 有效数字

    有效数字 (significant figure)是在测定中所得到的具有实际意义的数字,有效数字位数的多少反映了测定的准确度。例如,滴定管的刻度至0.1 m L,滴定中消耗标准溶液体积的读数为25.20 m L,显然,前三位是从滴定管的刻度上直接读取的准确数据,第4位是估读的数字,此位数据称为不确定数字或可疑数字,因此25.20为四位有效数字。综上所述,有效数字是由全部能准确读取的数据和最后一位可疑数字组成,它们共同决定有效数字的位数。对于可疑数字,除非特别说明,通常理解为它可能有±1个单位的绝对误差。

    例如,用分析天平称取试样0.5000 g,该数据有四位有效数字,试样称量的相对误差为:

    若用台秤称取试样0.5 g,该数据只有1位有效数字,试样称量的相对误差为:

    上述计算结果表明,在测定方法和仪器准确度允许的范围内,数据中有效数字的位数越多,相对误差就越小,则测定的准确度就越高。

    有效数字位数的保留,应当根据分析方法和仪器的准确度确定。数据中只有最后一位是可疑的,人为地增减数字的位数是错误的。例如,对于移液管和容量瓶的体积通常记为25.00 m L,对于量筒的体积则记为25 m L。因此,量取20.00 m L或20 m L溶液时,前者应使用移液管,后者可使用量筒。

    数据中的 “0”具有双重意义:若是测定所得则为有效数字;若作定位用则为非有效数字。例如分析天平的读数为0.2500 g,其中数字前面的一个 “0”仅起定位作用,后面两个 “0”是测定所得数字,故其有效数字为四位。该数据若改用kg作单位,则表示为0.0002500 kg,这时数字前面的四个 “0”只起定位作用,不是有效数字,此数仍为四位有效数字,即单位改变时有效数字的位数不变。当需要在数的末尾加 “0”作定位用时,最好采用指数形式表示,否则容易引起误解。例如上述质量若用mg表示,则应写为2.500×102mg;倘若表示为250 mg,其有效数字就只能认为是三位。

    在分析化学中,常遇到的倍数、分数关系和非测量所得数 (如π、e)等,可视为具有无限多位有效数字,实用中其位数可根据具体情况来确定。对于p H、pc、lg K等负对数和对数值,其有效数字的位数仅取决于小数点后数字的位数,因其整数部分只表示该数据的方次。例如,p H=10.06,其有效数字为两位而不是四位,即[H]=8.7×10-11mol/L。对于10x或ex等幂指数,其有效数字的位数只与指数x的小数点后的位数相同。例如, 100.0035的有效数字为四位而不是两位,100.0035=1.008;1020.0035的有效数字为四位而不是六位,1020.0035=1.008×1020

    2.2.2 数字修约规则

    在数据处理的过程中,可能使用不同准确度的器皿或仪器,所得测定数据的有效数字位数可能不同。因此,在进行具体的运算之前,需要按照统一的规则,合理地确定一致的位数,舍去某些数据后面多余的数字 (称为尾数),这个过程称为数字的 “修约”。目前,数字修约多采用 “四舍六入五留双”规则。

    “四舍六入五留双”规则规定,当尾数小于等于4时则将其舍去;当尾数大于等于6时则进一位;如果尾数为5而后面的数为零时,则看前一位,前一位为奇数就进位,前一位为偶数则舍去,“0”以偶数论;当 “5”后面的数不完全为零时,无论前方是奇数还是偶数,都须向前进一位。例如,将下列数字全部修约为四位有效数字:

    0.55164→0.5516

    0.28366→0.2837

    1.02150→1.022

    5.14250→5.142

    12.3050→12.30

    18.06501→18.07

    修约数字时,只允许对原测定值一次修约而成,不能分次修约,否则会出错。例如,将0.2348修约成两位有效数字时,应为0.2348→0.23;如果按0.2348→0.235→0.24修约,则是错误的。

    2.2.3 有效数字的运算规则

    1.加减法

    当几个数据相加减时,它们的和或差的有效数字的位数取决于其中小数点后位数最少(即绝对误差最大)的那个数据的位数。例如,0.043+28.34+1.2538=?的运算如下:

    参加运算的三个数中,以第二个数的绝对误差最大,它决定了总和的绝对误差为±0.01,三数之和为29.63。进行有效数字的运算时,应先修约,后计算。

    2.乘除法

    当几个数据相乘或相除时,它们的积或商的有效数字的位数取决于各数据中相对误差最大 (即有效数字位数最少)的那个数据。例如,求0.0121,26.54和1.0275之积。三个数据的相对误差分别为:

    第一个数据为三位有效数字,其相对误差最大。因此,应以它为依据对其他两个数据进行修约,即各数均保留三位有效数字后,再求积,计算结果的有效数字仍为三位。

    0.0121×26.5×1.03=0.330

    在乘除运算中,如果有效数字位数最少的因数的首数是 “8”或 “9”(称为大数),则积或商的有效数字位数可以比这个因数多取一位。例如,9.0×0.251÷2.53,其中9.0的有效数字位数最少,只有两位,但是它的相对误差约为±1%,与10.0等三位有效数字的相对误差接近,所以最后结果可保留三位,即9.0×0.251÷2.53=0.893。

    上述运算规则也不是绝对的。有时为了避免在运算过程中因数字的取舍而引入计算误差,可对中间数据先多保留一位数字,并对最终结果进行修约,使其符合事先所确定的位数 (由运算规则决定)。

    使用计算器进行计算时,为了迅速连续地进行,一般先进行修约,不对中间各步的计算结果进行修约,再对最后结果按运算规则进行修约。

    分析化学中的计算主要有两大类。一类是各种化学平衡中有关浓度的计算,该过程中一般都要使用有关的平衡常数,如Ka,Kb,K和Ksp等 (相对误差约为5%),此时可依照平衡常数的位数来确定计算结果有效数字的位数,一般为两至三位;另有一类是计算测定结果,确定其有效数字位数与待测组分在试样中的相对含量有关。一般具体要求如下:对于高含量组分 (>10%)的测定结果应保留四位有效数字;对中含量组分 (1%~10%)的测定结果应为三位有效数字;微量组分 (<1%)的测定结果常取两位有效数字。例如,采用滴定分析法测定组分含量大于10%的试样时,为了使测定结果达到上述要求的准确度,则应采用误差与实验数据的处理使用万分之一的分析天平进行称量,配制的标准溶液浓度应具有四位有效数字,滴定体积应大于20 m L,并精确至小数点后两位。

    对于各种误差和偏差的计算,一般只需要保留一位有效数字,采用过多的位数是无意义的,误差数据修约时应全部进位。

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