物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中Origin軟件的應(yīng)用

譚江成，楊　欣，劉　瞻，鄭小丹，吳　峰

(1 沅陵縣清水坪九校，湖南　沅陵　419618；2 懷化學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，湖南　懷化　418000)

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物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中Origin軟件的應(yīng)用

譚江成1，楊欣2，劉瞻2，鄭小丹2，吳峰2

(1 沅陵縣清水坪九校，湖南沅陵419618；2 懷化學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，湖南懷化418000)

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的主要處理方法有列表法、方程式法、作圖法等。Origin軟件在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的繪圖與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合方面有著突出優(yōu)勢(shì)。本文結(jié)合懷化學(xué)院的實(shí)際情況，通過(guò)純液體飽和蒸氣壓的測(cè)量及雙液系的氣-液平衡相圖兩個(gè)經(jīng)典物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的分析，采用線性擬合與非線性擬合法一定程度上詮釋Origin軟件在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的優(yōu)勢(shì)和數(shù)據(jù)分析功能。

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)；Origin軟件；數(shù)據(jù)處理

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是普通高等院?；瘜W(xué)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要分支，素有數(shù)據(jù)繁多且處理過(guò)程復(fù)雜、手工繪表制圖誤差大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力且重現(xiàn)性差等特點(diǎn)。作圖法是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最常用的一種處理方法[1-2]。

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)作圖軟件也越來(lái)越多。目前，用于處理物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的軟件主要是Microsoft Excel和Origin兩款。Microsoft Excel雖具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能[3]，但其圖形處理、分析功能卻不如Origin簡(jiǎn)便、強(qiáng)大[4]，Origin是美國(guó)Lab公司一款優(yōu)秀的科技繪圖和數(shù)據(jù)分析軟件，是目前公認(rèn)的化學(xué)、化工專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域最快、最靈活、使用最容易的科技繪圖軟件[5]，故在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理上首選Origin軟件。

1　懷化學(xué)院《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程開(kāi)設(shè)內(nèi)容

與大部分地方本科院校相似，懷化學(xué)院《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與理論課程緊密聯(lián)系，主要包括五大模塊，十六個(gè)實(shí)驗(yàn)：

(1)熱力學(xué)部分：①凝固點(diǎn)降低法測(cè)定摩爾質(zhì)量；②純液體飽和蒸汽壓的測(cè)定；③燃燒熱的測(cè)定；④雙液系的氣-液平衡相圖；⑤二組分固-液相圖的測(cè)繪。

(2) 電化學(xué)部分：①原電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定及其應(yīng)用；②線性電位掃描法測(cè)定鎳在硫酸溶液中的鈍化行為；③循環(huán)伏安法。

(3) 動(dòng)力學(xué)部分：①旋光法測(cè)定蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速率常數(shù)；②電導(dǎo)法測(cè)定乙酸乙酯皂化反應(yīng)的速率常數(shù)。

(4)膠體化學(xué)和表面化學(xué)：①黏度法測(cè)定水溶性高聚物相對(duì)分子質(zhì)量；②電導(dǎo)法測(cè)定水溶性表面活性劑的臨界膠束濃度；③電滲；④電泳；⑤最大泡壓法測(cè)定溶液的表面張力。

(5) 物質(zhì)結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)化學(xué))：①絡(luò)合物磁化率的測(cè)定。

Origin軟件在上述物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的具體應(yīng)用可歸納為如下兩個(gè)方面。

2　線性擬合法的應(yīng)用

在上述物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)采用線性擬合法，由直線的截距、斜率得到相關(guān)物理量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多，如純液體飽和蒸氣壓的測(cè)量、燃燒熱的測(cè)定、旋光法測(cè)定蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速率常數(shù)及黏度法測(cè)定水溶性高聚物相對(duì)分子質(zhì)量等實(shí)驗(yàn)均屬于此類(lèi)數(shù)據(jù)處理類(lèi)型。本文以純液體飽和蒸氣壓的測(cè)量為例進(jìn)行說(shuō)明。

2.1實(shí)驗(yàn)基本原理(環(huán)己烷)

純液體的飽和蒸氣壓隨溫度的變化而改變，它們之間的關(guān)系可用克勞修斯-克拉貝龍(Clausius-Clapeyron)方程式來(lái)表示：

(1)

式中p*為純液體在溫度T時(shí)的飽和蒸氣壓；T為熱力學(xué)溫度；R為摩爾氣體常數(shù)；ΔvapHm為液體摩爾汽化熱。在溫度變化范圍不大的前提下，ΔvapHm可視為常數(shù)，即可當(dāng)作平均摩爾汽化熱。將式(1)積分可得：

(2)

式中c為積分常數(shù)，積分常數(shù)與壓力p*的單位相關(guān)。

由(2)式可知，在溫度范圍一定時(shí)，測(cè)定不同溫度下的飽和蒸氣壓p*，以ln{p*/[p]}對(duì)1/T作圖，得一直線。由該直線的斜率就可求得在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)液體的平均摩爾汽化熱ΔvapHm。當(dāng)外壓為p=101.325 kPa時(shí)，液體的蒸氣壓與外壓相等時(shí)的溫度稱(chēng)為該液體的正常沸點(diǎn)，從所得圖形可求得環(huán)己烷的正常沸點(diǎn)[6]。

2.2圖表繪制

將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)填入Origin的工作表A，B列，然后新增C，D列，選定C列，將該列數(shù)值設(shè)定為col(C)=1/col(A)；選定D列，將該列數(shù)值設(shè)定為col(D)=ln{col(B)/[p]}，測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　純液體飽和蒸氣壓實(shí)驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)Table 1　The measurement datas of saturated vapor pressures of pure liquid

選定C，D列，點(diǎn)擊散點(diǎn)圖，改寫(xiě)X，Y軸的名稱(chēng)，點(diǎn)擊Analysis菜單的Fitting項(xiàng)，點(diǎn)Linear Fit鍵后得ln{p*/[p]}-1/T曲線圖及線性擬合結(jié)果如圖1所示[7]。

圖1　ln{p*/[p]}-1/T曲線圖Fig.1　Working curve of ln{p*/[p]} and 1/T

從直線斜率算出環(huán)己烷的平均摩爾氣化熱為30.30 kJ/mol，由直線求得環(huán)己烷的正常沸點(diǎn)為80.09 ℃。

3　非線性擬合法的應(yīng)用

在處理物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，線性擬合法并非適應(yīng)所有的數(shù)據(jù)處理要求，此時(shí)我們需要進(jìn)行多項(xiàng)式擬合、指數(shù)擬合或?qū)?shù)擬合得到曲線關(guān)系。在基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中雙液系的氣-液平衡相圖及最大泡壓法測(cè)定溶液的表面張力等實(shí)驗(yàn)就需要運(yùn)用非線性擬合法來(lái)處理數(shù)據(jù)。相對(duì)于線性擬合而言，非線性擬合的抗干擾性能強(qiáng)，可以得到偏差平方和較小的結(jié)果，因此可更加接近實(shí)際測(cè)定的數(shù)值[8-9]。本文以雙液系的氣-液平衡相圖為例進(jìn)行說(shuō)明。

3.1實(shí)驗(yàn)基本原理(乙醇-環(huán)己烷)

兩種液態(tài)物質(zhì)混合而成的二組分體系稱(chēng)為雙液系。液體的蒸氣壓與外界壓力相等時(shí)的溫度即為液體的沸點(diǎn)。根據(jù)相律：自由度=組分?jǐn)?shù)-相數(shù)+2。因此，一個(gè)氣-液共存的二組分體系中的自由度為2，只要任意一個(gè)變量可被確定，就可以用二維圖形來(lái)描述整個(gè)體系的存在狀態(tài)。例如，在一定的溫度下，可以畫(huà)出體系的壓力p和組分x的關(guān)系圖。如體系的壓力確定，則可作溫度T對(duì)x的關(guān)系圖。這就是相圖。通常，測(cè)定一系列不同配比溶液的沸點(diǎn)及氣-液兩相的組成，就可以繪制氣-液體系的相圖(T-x圖)。

3.2圖表繪制

3.2.1折光率-組成標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的繪制

表2　20 ℃時(shí)環(huán)己烷-乙醇體系的折射率-組成關(guān)系Table 2　Relationship between refractive index and composition of the cyclohexane-ethanol system at 20 ℃

曲線擬合的操作步驟如下：在Origin工作表格中導(dǎo)入上述表格中的數(shù)據(jù)，繪制曲線圖，并通過(guò)Analysis菜單下Fitting的Linear Fit鍵進(jìn)行線性擬合，得到圖形如圖2所示。由圖2可得曲線擬合相關(guān)系數(shù)R=0.9994，說(shuō)明數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，精確度較高。

圖2　20 ℃時(shí)折光率-X環(huán)己烷工作曲線圖Fig.2　Working curve of refractive index and composition at 20 ℃

3.2.2沸點(diǎn)-組成氣液平衡相圖的繪制

將所測(cè)折光率數(shù)據(jù)代入折光率-組成標(biāo)準(zhǔn)工作曲線方程得表3各組數(shù)據(jù)。首先將表3中的三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在Origin工作表格中導(dǎo)入，點(diǎn)擊散點(diǎn)圖作圖，之后在Graph菜單下點(diǎn)擊Exchange X-Y Axes鍵，可將所得散點(diǎn)圖X、Y軸坐標(biāo)置換。接著雙擊圖中曲線，在“ Plot Details”對(duì)話框中選擇Line框，在“Connect”中選擇B-Spline線條類(lèi)型，可使圖中線條圓潤(rùn)美觀，且在此對(duì)話框中還可對(duì)曲線的符號(hào)、顏色及其樣式等圖形參數(shù)進(jìn)行修改。之后雙擊坐標(biāo)軸，可在彈出的“Axis”對(duì)話框中對(duì)坐標(biāo)軸的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的完善和修改。最后更改X、Y軸名稱(chēng)，并添加坐標(biāo)軸名稱(chēng)，保存圖片，所得環(huán)己烷-乙醇體系的溫度-組成相圖即為圖4所示的經(jīng)過(guò)美化后的氣-液平衡相圖。

表3　環(huán)己烷-乙醇體系的溫度-組成相圖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3　Data of composition-temperature phase diagram of cyclohexane-ethanol system

圖4　環(huán)己烷-乙醇體系的溫度-組成相圖Fig.4　Gas-liquid equilibrium phase diagram of cyclohexane-ethanol system system

4　結(jié)　語(yǔ)

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是普通高等院校化學(xué)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要且獨(dú)立的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜，Origin軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和繪圖功能，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中不需要編程，簡(jiǎn)便易行且?guī)缀蹩梢詫?shí)現(xiàn)所有物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理，是一款十分容易上手的軟件，在排除了手工畫(huà)圖的復(fù)雜，減少了所花費(fèi)的冗長(zhǎng)時(shí)間及精力的同時(shí)可以大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)這門(mén)課程的積極性。合理地利用Origin軟件處理物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用線性擬合與非線性擬合等方法，不僅可以得到科學(xué)規(guī)范的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，還可以準(zhǔn)確反應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，而且可以很快地比較實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)并分析其原因。

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Applications of Origin Software in the Physical Chemistry Experiment Data Processing

TAN Jiang-cheng1, YANG Xin2, LIU Zhan2, ZHENG Xiao-dan2, WU Feng2

(1 Qingshuiping Middle School, Hunan Yuanling 419618;2CollegeofChemistryandMaterialsEngineering,HuaihuaUniversity,HunanHuaihua418000,China)

The main methods of physical chemistry experimental data analysis include tabulation method, equations method, and plotting method, etc. Origin software has outstanding advantages in the process of physical chemistry experimental drawing combined with data. Taking the Huaihua university as a case, the advantages were explained and functions of the origin software were related using “the measurement of saturated vapor pressures of pure liquid” and “gas-liquid equilibrium phase diagram of two liqiud system” as two classic physical chemistry experiments employ linear fitting and non-linear fitting methods.

physical chemistry experiment; origin software; data processing

懷化學(xué)院應(yīng)用化學(xué)重點(diǎn)學(xué)科培育點(diǎn)項(xiàng)目(No.201103)；懷化學(xué)院教改課題(No.201330)。

楊欣(1983-)，男，講師，在職博士，主要從事電分析化學(xué)研究。

G642

A

1001-9677(2016)09-0177-03