物理化学实验数据处理中Origin软件的应用

谭江成，杨　欣，刘　瞻，郑小丹，吴　峰

(1 沅陵县清水坪九校，湖南　沅陵　419618；2 怀化学院化学与材料工程学院，湖南　怀化　418000)



物理化学实验数据处理中Origin软件的应用

谭江成1，杨欣2，刘瞻2，郑小丹2，吴峰2

(1 沅陵县清水坪九校，湖南沅陵419618；2 怀化学院化学与材料工程学院，湖南怀化418000)

物理化学实验数据的主要处理方法有列表法、方程式法、作图法等。Origin软件在物理化学实验数据处理过程中的绘图与实验数据结合方面有着突出优势。本文结合怀化学院的实际情况，通过纯液体饱和蒸气压的测量及双液系的气-液平衡相图两个经典物理化学实验所得数据的分析，采用线性拟合与非线性拟合法一定程度上诠释Origin软件在物理化学实验数据处理中的优势和数据分析功能。

物理化学实验；Origin软件；数据处理

物理化学实验是普通高等院校化学及相关专业基础化学实验的重要分支，素有数据繁多且处理过程复杂、手工绘表制图误差大、费时费力且重现性差等特点。作图法是物理化学实验数据最常用的一种处理方法[1-2]。

随着计算机应用的飞速发展，计算机作图软件也越来越多。目前，用于处理物理化学实验数据的软件主要是Microsoft Excel和Origin两款。Microsoft Excel虽具有强大的数据分析功能[3]，但其图形处理、分析功能却不如Origin简便、强大[4]，Origin是美国Lab公司一款优秀的科技绘图和数据分析软件，是目前公认的化学、化工专业领域最快、最灵活、使用最容易的科技绘图软件[5]，故在物理化学实验的数据处理上首选Origin软件。

1　怀化学院《物理化学实验》课程开设内容

与大部分地方本科院校相似，怀化学院《物理化学实验》课程开设的实验教学内容与理论课程紧密联系，主要包括五大模块，十六个实验：

(1)热力学部分：①凝固点降低法测定摩尔质量；②纯液体饱和蒸汽压的测定；③燃烧热的测定；④双液系的气-液平衡相图；⑤二组分固-液相图的测绘。

(2) 电化学部分：①原电池电动势的测定及其应用；②线性电位扫描法测定镍在硫酸溶液中的钝化行为；③循环伏安法。

(3) 动力学部分：①旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数；②电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数。

(4)胶体化学和表面化学：①黏度法测定水溶性高聚物相对分子质量；②电导法测定水溶性表面活性剂的临界胶束浓度；③电渗；④电泳；⑤最大泡压法测定溶液的表面张力。

(5) 物质结构(结构化学)：①络合物磁化率的测定。

Origin软件在上述物理化学实验中的具体应用可归纳为如下两个方面。

2　线性拟合法的应用

在上述物理化学实验中数据采用线性拟合法，由直线的截距、斜率得到相关物理量的实验项目较多，如纯液体饱和蒸气压的测量、燃烧热的测定、旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数及黏度法测定水溶性高聚物相对分子质量等实验均属于此类数据处理类型。本文以纯液体饱和蒸气压的测量为例进行说明。

2.1实验基本原理(环己烷)

纯液体的饱和蒸气压随温度的变化而改变，它们之间的关系可用克劳修斯-克拉贝龙(Clausius-Clapeyron)方程式来表示：

(1)

式中p*为纯液体在温度T时的饱和蒸气压；T为热力学温度；R为摩尔气体常数；ΔvapHm为液体摩尔汽化热。在温度变化范围不大的前提下，ΔvapHm可视为常数，即可当作平均摩尔汽化热。将式(1)积分可得：

(2)

式中c为积分常数，积分常数与压力p*的单位相关。

由(2)式可知，在温度范围一定时，测定不同温度下的饱和蒸气压p*，以ln{p*/[p]}对1/T作图，得一直线。由该直线的斜率就可求得在实验温度范围内液体的平均摩尔汽化热ΔvapHm。当外压为p=101.325 kPa时，液体的蒸气压与外压相等时的温度称为该液体的正常沸点，从所得图形可求得环己烷的正常沸点[6]。

2.2图表绘制

将实验所得数据填入Origin的工作表A，B列，然后新增C，D列，选定C列，将该列数值设定为col(C)=1/col(A)；选定D列，将该列数值设定为col(D)=ln{col(B)/[p]}，测量数据计算结果如表1所示。

表1　纯液体饱和蒸气压实验的测量数据Table 1　The measurement datas of saturated vapor pressures of pure liquid

选定C，D列，点击散点图，改写X，Y轴的名称，点击Analysis菜单的Fitting项，点Linear Fit键后得ln{p*/[p]}-1/T曲线图及线性拟合结果如图1所示[7]。

图1　ln{p*/[p]}-1/T曲线图Fig.1　Working curve of ln{p*/[p]} and 1/T

从直线斜率算出环己烷的平均摩尔气化热为30.30 kJ/mol，由直线求得环己烷的正常沸点为80.09 ℃。

3　非线性拟合法的应用

在处理物理化学实验数据时，线性拟合法并非适应所有的数据处理要求，此时我们需要进行多项式拟合、指数拟合或对数拟合得到曲线关系。在基础物理化学实验中双液系的气-液平衡相图及最大泡压法测定溶液的表面张力等实验就需要运用非线性拟合法来处理数据。相对于线性拟合而言，非线性拟合的抗干扰性能强，可以得到偏差平方和较小的结果，因此可更加接近实际测定的数值[8-9]。本文以双液系的气-液平衡相图为例进行说明。

3.1实验基本原理(乙醇-环己烷)

两种液态物质混合而成的二组分体系称为双液系。液体的蒸气压与外界压力相等时的温度即为液体的沸点。根据相律：自由度=组分数-相数+2。因此，一个气-液共存的二组分体系中的自由度为2，只要任意一个变量可被确定，就可以用二维图形来描述整个体系的存在状态。例如，在一定的温度下，可以画出体系的压力p和组分x的关系图。如体系的压力确定，则可作温度T对x的关系图。这就是相图。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(T-x图)。

3.2图表绘制

3.2.1折光率-组成标准工作曲线的绘制

表2　20 ℃时环己烷-乙醇体系的折射率-组成关系Table 2　Relationship between refractive index and composition of the cyclohexane-ethanol system at 20 ℃

曲线拟合的操作步骤如下：在Origin工作表格中导入上述表格中的数据，绘制曲线图，并通过Analysis菜单下Fitting的Linear Fit键进行线性拟合，得到图形如图2所示。由图2可得曲线拟合相关系数R=0.9994，说明数据相关性较好，精确度较高。

图2　20 ℃时折光率-X环己烷工作曲线图Fig.2　Working curve of refractive index and composition at 20 ℃

3.2.2沸点-组成气液平衡相图的绘制

将所测折光率数据代入折光率-组成标准工作曲线方程得表3各组数据。首先将表3中的三组实验数据在Origin工作表格中导入，点击散点图作图，之后在Graph菜单下点击Exchange X-Y Axes键，可将所得散点图X、Y轴坐标置换。接着双击图中曲线，在“ Plot Details”对话框中选择Line框，在“Connect”中选择B-Spline线条类型，可使图中线条圆润美观，且在此对话框中还可对曲线的符号、颜色及其样式等图形参数进行修改。之后双击坐标轴，可在弹出的“Axis”对话框中对坐标轴的相关系数进行进一步的完善和修改。最后更改X、Y轴名称，并添加坐标轴名称，保存图片，所得环己烷-乙醇体系的温度-组成相图即为图4所示的经过美化后的气-液平衡相图。

表3　环己烷-乙醇体系的温度-组成相图实验数据Table 3　Data of composition-temperature phase diagram of cyclohexane-ethanol system

图4　环己烷-乙醇体系的温度-组成相图Fig.4　Gas-liquid equilibrium phase diagram of cyclohexane-ethanol system system

4　结　语

物理化学实验是普通高等院校化学及相关专业一门重要且独立的基础实验课程。物理化学实验数据处理比较复杂，Origin软件具有强大的数据处理和绘图功能，在实验数据处理过程中不需要编程，简便易行且几乎可以实现所有物理化学实验的数据处理，是一款十分容易上手的软件，在排除了手工画图的复杂，减少了所花费的冗长时间及精力的同时可以大大提高学生学习这门课程的积极性。合理地利用Origin软件处理物理化学实验数据，采用线性拟合与非线性拟合等方法，不仅可以得到科学规范的实验数据处理结果，还可以准确反应实验数据的变化规律，而且可以很快地比较实验得出的数据并分析其原因。

[1]刘云珍, 陈顺玉. 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(10):20-27.

[2]刘建平, 马雪萍, 杨喜平, 等. Origin6.0在物理化学实验中的应用[J]. 齐齐哈尔大学学报, 2006, 22(4):16-18.

[3]周进康. EXCEL的功能在处理物理化学实验数据中的应用[J]. 贵州教育学院学报, 2003, 12(2):77-79.

[4]孙冬梅, 周益明, 陆天虹. ORIGIN在物理化学实验数据处理中的应用[J]. 南京晓庄学院学报, 2003, 19(4):96-98.

[5]叶卫平, 方安平, 于本方. Origin7.0科技绘图及数据分析[M]. 北京:机械工业出版社. 2004:1-10.

[6]复旦大学等编, 庄继华等修订. 物理化学实验 第三版[M]. 北京:高等教育出版社, 2004:28-31.

[7]吴健. 利用Microal Origin软件处理纯液体饱和蒸汽压数据[J]. 广西名族学院学报(自然科学版), 2001, 7(3):191-193.

[8]肖池池,方婷,张业中,等. Origin软件在物理化学实验中的应用探讨[J]. 长江大学学报(自然科学版), 2011, 8(3):94-96.

[9]于文肖,罗鸣,马争,等. 巧用Origin8.0软件绘制双液系平衡相图[J]. 理化检验-物理分册, 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

怀化学院应用化学重点学科培育点项目(No.201103)；怀化学院教改课题(No.201330)。

杨欣(1983-)，男，讲师，在职博士，主要从事电分析化学研究。

G642

A

1001-9677(2016)09-0177-03