物理化學實驗數據處理中Origin軟件的應用

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 懷化學院化學與材料工程學院，湖南　懷化　418000)

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物理化學實驗數據處理中Origin軟件的應用

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 懷化學院化學與材料工程學院，湖南懷化418000)

物理化學實驗數據的主要處理方法有列表法、方程式法、作圖法等。Origin軟件在物理化學實驗數據處理過程中的繪圖與實驗數據結合方面有著突出優勢。本文結合懷化學院的實際情況，通過純液體飽和蒸氣壓的測量及雙液系的氣-液平衡相圖兩個經典物理化學實驗所得數據的分析，采用線性擬合與非線性擬合法一定程度上詮釋Origin軟件在物理化學實驗數據處理中的優勢和數據分析功能。

物理化學實驗；Origin軟件；數據處理

物理化學實驗是普通高等院校化學及相關專業基礎化學實驗的重要分支，素有數據繁多且處理過程復雜、手工繪表制圖誤差大、費時費力且重現性差等特點。作圖法是物理化學實驗數據最常用的一種處理方法[1-2]。

隨著計算機應用的飛速發展，計算機作圖軟件也越來越多。目前，用于處理物理化學實驗數據的軟件主要是Microsoft Excel和Origin兩款。Microsoft Excel雖具有強大的數據分析功能[3]，但其圖形處理、分析功能卻不如Origin簡便、強大[4]，Origin是美國Lab公司一款優秀的科技繪圖和數據分析軟件，是目前公認的化學、化工專業領域最快、最靈活、使用最容易的科技繪圖軟件[5]，故在物理化學實驗的數據處理上首選Origin軟件。

1　懷化學院《物理化學實驗》課程開設內容

與大部分地方本科院校相似，懷化學院《物理化學實驗》課程開設的實驗教學內容與理論課程緊密聯系，主要包括五大模塊，十六個實驗：

(1)熱力學部分：①凝固點降低法測定摩爾質量；②純液體飽和蒸汽壓的測定；③燃燒熱的測定；④雙液系的氣-液平衡相圖；⑤二組分固-液相圖的測繪。

(2) 電化學部分：①原電池電動勢的測定及其應用；②線性電位掃描法測定鎳在硫酸溶液中的鈍化行為；③循環伏安法。

(3) 動力學部分：①旋光法測定蔗糖轉化反應的速率常數；②電導法測定乙酸乙酯皂化反應的速率常數。

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

(5) 物質結構(結構化學)：①絡合物磁化率的測定。

Origin軟件在上述物理化學實驗中的具體應用可歸納為如下兩個方面。

2　線性擬合法的應用

在上述物理化學實驗中數據采用線性擬合法，由直線的截距、斜率得到相關物理量的實驗項目較多，如純液體飽和蒸氣壓的測量、燃燒熱的測定、旋光法測定蔗糖轉化反應的速率常數及黏度法測定水溶性高聚物相對分子質量等實驗均屬于此類數據處理類型。本文以純液體飽和蒸氣壓的測量為例進行說明。

2.1實驗基本原理(環己烷)

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

(1)

式中p*為純液體在溫度T時的飽和蒸氣壓；T為熱力學溫度；R為摩爾氣體常數；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，即可當作平均摩爾汽化熱。將式(1)積分可得：

(2)

式中c為積分常數，積分常數與壓力p*的單位相關。

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

2.2圖表繪制

將實驗所得數據填入Origin的工作表A，B列，然后新增C，D列，選定C列，將該列數值設定為col(C)=1/col(A)；選定D列，將該列數值設定為col(D)=ln{col(B)/[p]}，測量數據計算結果如表1所示。

表1　純液體飽和蒸氣壓實驗的測量數據Table 1　The measurement datas of saturated vapor pressures of pure liquid

選定C，D列，點擊散點圖，改寫X，Y軸的名稱，點擊Analysis菜單的Fitting項，點Linear Fit鍵后得ln{p*/[p]}-1/T曲線圖及線性擬合結果如圖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

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

3　非線性擬合法的應用

在處理物理化學實驗數據時，線性擬合法并非適應所有的數據處理要求，此時我們需要進行多項式擬合、指數擬合或對數擬合得到曲線關系。在基礎物理化學實驗中雙液系的氣-液平衡相圖及最大泡壓法測定溶液的表面張力等實驗就需要運用非線性擬合法來處理數據。相對于線性擬合而言，非線性擬合的抗干擾性能強，可以得到偏差平方和較小的結果，因此可更加接近實際測定的數值[8-9]。本文以雙液系的氣-液平衡相圖為例進行說明。

3.1實驗基本原理(乙醇-環己烷)

兩種液態物質混合而成的二組分體系稱為雙液系。液體的蒸氣壓與外界壓力相等時的溫度即為液體的沸點。根據相律：自由度=組分數-相數+2。因此，一個氣-液共存的二組分體系中的自由度為2，只要任意一個變量可被確定，就可以用二維圖形來描述整個體系的存在狀態。例如，在一定的溫度下，可以畫出體系的壓力p和組分x的關系圖。如體系的壓力確定，則可作溫度T對x的關系圖。這就是相圖。通常，測定一系列不同配比溶液的沸點及氣-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-組成標準工作曲線的繪制

表2　20 ℃時環己烷-乙醇體系的折射率-組成關系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工作表格中導入上述表格中的數據，繪制曲線圖，并通過Analysis菜單下Fitting的Linear Fit鍵進行線性擬合，得到圖形如圖2所示。由圖2可得曲線擬合相關系數R=0.9994，說明數據相關性較好，精確度較高。

圖2　20 ℃時折光率-X環己烷工作曲線圖Fig.2　Working curve of refractive index and composition at 20 ℃

3.2.2沸點-組成氣液平衡相圖的繪制

將所測折光率數據代入折光率-組成標準工作曲線方程得表3各組數據。首先將表3中的三組實驗數據在Origin工作表格中導入，點擊散點圖作圖，之后在Graph菜單下點擊Exchange X-Y Axes鍵，可將所得散點圖X、Y軸坐標置換。接著雙擊圖中曲線，在“ Plot Details”對話框中選擇Line框，在“Connect”中選擇B-Spline線條類型，可使圖中線條圓潤美觀，且在此對話框中還可對曲線的符號、顏色及其樣式等圖形參數進行修改。之后雙擊坐標軸，可在彈出的“Axis”對話框中對坐標軸的相關系數進行進一步的完善和修改。最后更改X、Y軸名稱，并添加坐標軸名稱，保存圖片，所得環己烷-乙醇體系的溫度-組成相圖即為圖4所示的經過美化后的氣-液平衡相圖。

表3　環己烷-乙醇體系的溫度-組成相圖實驗數據Table 3　Data of composition-temperature phase diagram of cyclohexane-ethanol system

圖4　環己烷-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　語

物理化學實驗是普通高等院校化學及相關專業一門重要且獨立的基礎實驗課程。物理化學實驗數據處理比較復雜，Origin軟件具有強大的數據處理和繪圖功能，在實驗數據處理過程中不需要編程，簡便易行且幾乎可以實現所有物理化學實驗的數據處理，是一款十分容易上手的軟件，在排除了手工畫圖的復雜，減少了所花費的冗長時間及精力的同時可以大大提高學生學習這門課程的積極性。合理地利用Origin軟件處理物理化學實驗數據，采用線性擬合與非線性擬合等方法，不僅可以得到科學規范的實驗數據處理結果，還可以準確反應實驗數據的變化規律，而且可以很快地比較實驗得出的數據并分析其原因。

[1]劉云珍, 陳順玉. Microsoft Excel軟件處理物理化學實驗數據[J]. 福建師范大學福清分校學報, 2011, 2(10):20-27.

[2]劉建平, 馬雪萍, 楊喜平, 等. Origin6.0在物理化學實驗中的應用[J]. 齊齊哈爾大學學報, 2006, 22(4):16-18.

[3]周進康. EXCEL的功能在處理物理化學實驗數據中的應用[J]. 貴州教育學院學報, 2003, 12(2):77-79.

[4]孫冬梅, 周益明, 陸天虹. ORIGIN在物理化學實驗數據處理中的應用[J]. 南京曉莊學院學報, 2003, 19(4):96-98.

[5]葉衛平, 方安平, 于本方. Origin7.0科技繪圖及數據分析[M]. 北京:機械工業出版社. 2004:1-10.

[6]復旦大學等編, 莊繼華等修訂. 物理化學實驗 第三版[M]. 北京:高等教育出版社, 2004:28-31.

[7]吳健. 利用Microal Origin軟件處理純液體飽和蒸汽壓數據[J]. 廣西名族學院學報(自然科學版), 2001, 7(3):191-193.

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[9]于文肖,羅鳴,馬爭,等. 巧用Origin8.0軟件繪制雙液系平衡相圖[J]. 理化檢驗-物理分冊, 2015, 51(5):328-331.

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

懷化學院應用化學重點學科培育點項目(No.201103)；懷化學院教改課題(No.201330)。

楊欣(1983-)，男，講師，在職博士，主要從事電分析化學研究。

G642

A

1001-9677(2016)09-0177-03