Excel软件在物理化学实验数据处理中的应用

訾学红 陈永宝 刘淑珍 张红光 林兴桃

北京工业大学环境与能源工程学院 北京 100124

Excel软件在物理化学实验数据处理中的应用

訾学红 陈永宝 刘淑珍 张红光 林兴桃

北京工业大学环境与能源工程学院 北京 100124

探讨了如何利用Excel软件处理传统的和创新物理化学实验数据的方法。

Excel软件；物理化学实验；数据处理

物理化学是化学化工类专业中理论性很强的一门基础课程，其通过物理学方法、手段的运用，研究化学物质的结构、组成、性能及相互转化。物理化学实验是课堂教学的延伸，是课堂教学的有力补充，是锻炼学生实践能力的一个重要环节。在物理化学实验数据的处理中，培养学生学会科学的分析处理数据，有利于提高学生分析问题和解决问题的能力。

传统的物理化学实验数据处理方法主要包括3种：方程式法、列表法和作图法，其中作图法是比较常用的一种方法。传统的手工作图法是对实验数据进行分析计算后利用铅笔、格尺等工具在坐标纸上进行描点作图，这种作图方法随意性强，人为误差较大，而且费时费力，效率很低[1，2]。为了改变这种现状，随着计算机的日益普及，各种计算机数据处理软件(如Excel和Origin软件等)被广泛应用到物理化学实验数据处理过程中。在各种计算机数据处理软件中，Excel软件是一个功能强大、使用方便的表格式数据综合管理和分析系统。它采用电子表格方式进行数据处理，工作直观方便，提供了丰富的函数，可以进行多种数据处理、统计分析，具有强大的制图功能，可以方便地绘出各种专业图表[3]，将其应用到物理化学实验数据的处理中，使得数据处理变得简单易行，并且降低了误差，提高了实验数据处理的准确度，提高了学生的学习兴趣和效率。以下将探讨用Microsoft Excel处理物理化学实验数据的方法。

1 Excel在传统物理化学实验中的应用

燃烧热测定实验是物理化学中一个十分经典的教学实验，我们以这个实验数据处理为例介绍Excel的应用。在教学过程中，对物质燃烧热的测定通常采用氧弹燃烧热测定方法，该方法是将一定量待测物质样品在氧弹中通过点火丝引燃并完全燃烧，燃烧放出的热量使氧弹周围环境温度升高，通过测定燃烧前后环境温度变化从而获得待测样品的燃烧热。测量的基本原理是能量守恒定律，样品完全燃烧放出的能量促使氧弹卡计本身及其周围的介质温度升高，测量了介质燃烧前后温度的变化，就可以求算该样品的恒容燃烧热。体系温度的变化是测量分析的唯一信息，温度测量的准确度就成为量热研究中的关键[4，5]。在实际测量中热量的散失是无法完全避免的，其原因：(1)由于环境向卡计辐射热量而使其温度升高；(2)由于卡计向环境辐射而使卡计的温度降低，因此，燃烧前后温度的变化值不能直接准确测量，而必须经过雷诺温度校正图进行校正。从校正图中得到样品燃烧前后系统温度的变化值，再计算燃烧热。温度变化值的计算是燃烧热数据处理的关键，其值直接影响实验结果的准确度，实验数据处理量较大，过程也较复杂，手工作图计算费时且误差较大。利用Excel处理氧弹燃烧热的实验数据求解温度变化，从而计算燃烧热，使数据处理过程更简单快捷、直观、方便。

实验过程中，首先称适量待测物质，使燃烧后的水温为1.5～2.0℃。预先调节水温低于室温0.5～1.0℃。然后将燃烧前后历次观察的水温对时间作图，联成FHIDG折线，如图1所示，图中H相当于开始燃烧之点，D为观察到最高的温度读数点，作相当于室温之平行线JI交折线于I，过I点作ab垂线，然后将FH线和GD线外延交ab线于A，C两点，A点与C点所表示的温度差即为欲求温度的升高△T[6]。

实验数据处理过程中，以蔗糖燃烧数据为例(见表1)。首先以表1中AB列燃烧数据利用Excel软件绘制散点图，添加趋势线。以表1中CD两列数据画图做水温为室温之平行线，根据水温为室温之平行线与燃烧数据趋势线的交点，估算出上述交点在横向坐标轴上的时间值，为了减少估算值的误差，我们在“图表选项”中选择“添加网格线”，从而更精确的读出上述交点的时间值(如图2中时间t0=590 s)。以表1中EF两列数据做室温(横坐标为时间t0)之垂线(如图1中ab所示)。以表1中GH两列点火阶段的数据画散点图，然后添加趋势线，并且在“添加趋势线”的“选项”中的“趋势预测”的“前推”项中输入适当的数值(如300)，使前推绘制的趋势线与室温之垂线(如图1中ab所示)相交(交点为图1中的A点)。同样，我们以表1中IJ两列燃烧完成之后的数据画散点图，然后添加趋势线，并且在“添加趋势线”的“选项”中 “趋势预测”的“倒推”项中输入适当的数值(如650)，使倒推绘制的趋势线与室温之垂线(图1中ab)相交(交点为图1中的C点)。图中AC两点的温差即为所求温差△T。

图1 雷诺作图法

以表1中KL两列以及MN两列数据作图与图1中ab的交点为图1中的A′和C′点，图中AA′为开始燃烧到温度上升至室温这一段时间△t1内由环境辐射进来和搅拌引进的能量而造成卡计温度的升高，必须扣除之。CC′为温度由室温升高到最高点D这一段时间△t2内，卡计向环境辐射出能量而造成卡计温度的降低，因此需要添加上。由此可知，AC两点的温差较客观地表示了样品燃烧促使卡计温度升高的数值。具体数据处理后的结果如图2所示，这个数据处理过程更好地使用了Excel软件的趋势预测功能和绘图功能。

表1 部分蔗糖燃烧数据及求解结果

表1(续)

图2 数据处理后的图示

下面介绍Excel在物理化学另一个传统实验—双液系的气-液平衡相图中的应用。常温下，由两种液态物质混合而成的两组份体系被称为双液系。若两组份能按任意比例互相溶解，则称为完全互溶的双液系。通常，测定一系列不同配比溶液的沸点及气、液两相的组成，就可以绘制气-液体系的相图。本实验采用乙醇-正丙醇双液系，通过折光率的测定来确定平衡体系的两相组成，沸点测定使用沸点测定仪[6，7]。

在实验数据处理过程中，首选利用已知组分的乙醇-正丁醇和其对应的折光率为行/列数据点，选中数据，根据“图表向导”按照提示作图。在标准类型中选择“XY散点图”，在子图表类型中选择“散点图”，点击“下一步”，再次点击“下一步”，在图表标题、数值(X)轴(A)和数值(Y)轴(V)部分输入相应的内容，点击“下一步”，点击“完成”。然后选中图表中的数据点，右键点击“添加趋势线”，在“类型”选项中选中“线性”，在“选项”中勾选“显示公式”和“显示R平方值”，其完成后的图表如图3所示。根据拟合公式可以看出R2为0.997 7，表明拟合程度较高。

然后，利用检测的未知组分乙醇-正丙醇溶液的折光率，根据图3中标准曲线的公式求出对应的体积百分比。再根据求算出的体积百分比与检测的沸点为数据，依据图表向导，绘制图表的过程与图3类似，但是，点击“完成”后，需选中图表中的数据点，右键点击“添加趋势线”，在类型中选择“多项式”，对绘制出的乙醇-正丙醇的气液平衡相图做后期的优化后如图4所示，这个数据处理过程更好地使用了Excel软件的拟合功能以及数据处理功能。

图3 双液系的气-液平衡相图标准曲线的绘制

图4 双液系的气-液平衡相图

2 Excel在创新物理化学实验中的应用

传统的物理化学实验是检测正丁醇或者无水乙醇的表面张力，为了让实验对象更加生活化，更能引起学生的兴趣，我们为学生设置了洗衣粉去污能力分析的创新小实验。学生查阅资料后了解到洗涤作用主要是基于表面活性剂降低界面的表面张力而产生的综合效应，因此将检测洗衣粉溶液的表面张力作为研究对象，进行洗衣粉的去污能力评价。在实验过程中，选取市售洗衣粉(A和B)，分别配置不同浓度的溶液，并检测不同浓度溶液的表面张力。根据检测洗衣粉A的不同浓度与相应的表面张力数值，然后将这两列数值按照行/列的方式分类输入Excel表格中，选中输入的数据，然后点击工具栏中的“图表向导”选项。选择“XY散点图”，在子图表类型中选择“平滑线散点图”，并点击“下一步”按钮可以预览到所绘图线的形状。点击“下一步”按钮，按照需要在图表标题部分输入“表面张力与浓度”，在数值(X)轴(A)部分输入浓度“浓度(g/L)”，在数值(Y)轴(V)部分输入“表面张力(N/m)”，最后点击“下一步”按钮，点击“完成”按钮。根据需要，双击坐标轴格式、坐标轴标题格式和图表标题格式，选择需要的字形、字号和字体等。在实际工作中，可对绘制出的图形做大小的调整，如果坐标轴标题格式和图表标题格式中的字体不需要进行相应的调整，我们将此处的“自动缩放”选项不做勾选。这样，就绘制出实验数据点的相关关系曲线，完成图形如图5所示。

图5 洗衣粉A的表面张力与浓度的关系

实验检测结果发现，同浓度A溶液比B溶液的表面张力小，对于同一种洗衣粉不同浓度溶液的表面张力也不同，并检测出各自溶液的临界胶束浓度(CMC)(图5中的A点浓度)。利用污布的洗涤效果发现，对于同一种洗衣粉在浓度为CMC时的洗涤效果是最好的。

孔材料比表面积的测量，无论在科研还是工业生产中都具有十分重要的意义。一般比表面积大、活性大的多孔物，吸附能力强，催化性能高。测定比表面积的方法有很多，通用的方法是气体吸附法，吸附不仅是催化过程最重要的基元步骤之一，而且是研究催化的最基本和最常用的手段之一。实际测量中，通常保持催化剂在恒定的温度下，测量不同压力下的吸附/脱附量，然后根据测量得到一系列对应的吸附量V和相对平衡压力p/p0为行/列数据，利用Excel软件中的“图表向导”，按照提示绘制出相应的吸脱附等温线，其优化和调整后的图形如图6所示，然后利用P/P0=0.05～0.35范围内的数据，并根据计算公式计算出相应的比表面积。

图6 样品的吸脱附等温线

3 结束语

从上述实例可以看出，用Excel处理传统的和创新性物理化学实验数据，可有效地解决物理化学实验数据处理费时的问题，使数据处理简单易行，并且降低了误差，提高了实验数据处理的准确度。另外，由于Excel软件具有很多的下拉菜单和工具栏，对于没有计算机专业知识的学生也能很快地掌握使用，提高了学生的学习兴趣和数据处理能力，培养了学生对所学知识的综合运用能力，为我们研究物理化学实验数据处理问题提供了一种有效的解决思路，进一步提高了教学的效率。

[1] 陈玉林，留贯，张磊.Excel在大学物理实验数据处理中的应用[J].实验室研究与探索，2007，26(10)：63-65.

[2] 刘云珍，陈顺玉.用Microsoft Excel软件处理物理化学实验数据[J].福建师范大学福清分校学报，2011(2)：20-27.

[3] 朴银实，郑秋容，谢为明.用Microsoft Excel处理物理化学实验数据[J].实验技术与管理，1999，16(6)：63-65.

[4] E. Marti. Thermal analysis， calorimetry and chemical thermodynamics- a review [J]. Thermochimica Acta， 1977，20(1)：1-10.

[5] 王岩，袁悦，李三鸣.燃烧热测定实验中三条直线校正温度法的探究[J].实验室科学，2011，14(1)：82-85.

[6] 王小逸，夏定国.化学实验研究的基本技术与方法[M].北京：化学工业出版社，2011.

[7] 徐景士，黄得超，刘华卿，何国放，汪海燕.应用Excel 2000处理物理化学实验数据[J].江西师范大学学报：自然科学版，2005，29(2)：139-141.

The Application of Excel to Physical Chemistry Experimental Data

Zi Xuehong， Chen Yongbao， Liu Shuzhen， Zhang Hongguang， Lin Xingtao
Beijing University of Technology， Beijing， 100124， China

This article illustrated a method by Excel to process the data of traditional and creative physical chemistry experiment. Key words： Excel； physical chemistry experiment； data processing

2014-06-24

訾学红，博士，高级实验师。

北京工业大学教育教学研究项目(编号：ER2013C18)和北京高等学校青年英才计划入选人员项目(编号：YETP1609)。