MATLAB在化学仪器分析教学中的应用

田 明，杨浩亮，雷旭阳

(邢台职业技术学院，河北 邢台 054000)

化学仪器分析课程属于化工专业中的一门基础课程，其课程目标旨在让学生掌握实际化工生产中基础仪器的使用，以及相对简单的基础实验的分析方法。MATLAB软件是美国MATHWORK公司推出的一种主要用于数学计算的软件，具有强大的绘图功能，图像处理中在其二维、三维的可视化中有广泛的应用。本文中主要利用MATLAB的数据拟合功能，结合仪器分析教学课程中总磷含量的测定试验，向学生介绍MATLAB在化学专业中的应用，同时期望学生掌握MATLAB相关的初级功能[1-3]。

1 教学目标

依托高职教育过程中的应用化工专业，其中化学仪器分析为基础课程。针对水质中总磷含量的实验课程展开教学设计，其中相关的实验过程参考国标《水质总磷的测定-钼酸铵分光光度法》进行试验设计。在数据处理环节，借助MATLAB软件进行，主要向学生介绍plot函数的用法。通过MATLAB软件，学生可以快速得到数据拟合的方程，从而得到样品中总磷含量。结合MATLAB软件，相应的试验过程为“样品制备→建立标线→测试样品→数据处理→数据分析→结果输出”，其中数据处理和数据分析环节依托MATLAB软件完成。本次实验的教学目标为使学生熟练掌握溶液的移去及定容操作、分光光度计标准曲线的建立及样品的测试和MATLAB中plot函数的使用规范。

2 试验设计

2.1 试验药品及仪器

硫酸、硝酸、高氯酸、氢氧化钠、过硫酸钾、抗坏血酸、钼酸铵、磷标准液。

分光光度计，电热炉。

2.2 样品制备

采取500 mL水样后加入1 mL硫酸，调节pH值低于1后保存备用。

取25 mL样品于具塞刻度管中，取时应摇匀，得到溶解部分或悬浮部分均有代表性的试样。

2.3 样品测定

①向制备的样品中加入4 mL过硫酸钾，加热到120℃，保持30 min，取出放冷备用。

②取上述溶液25 mL于锥形瓶中，加入四粒玻璃球防止爆沸，加入2 mL硝酸，加热浓缩至10 mL，冷却再加5 mL硝酸，加热浓缩至10 mL，冷却。加入3 mL高氯酸，加热至冒白烟，直至剩下3～4 mL，冷却后加水10 mL，加1滴酚酞试剂，再滴加氢氧化钠至呈微红色，在滴加硫酸溶液使微红色刚好褪去，充分混合后加水至刻度线备用。

③显色，分别向上述溶液中加入1 mL抗坏血酸溶液，混匀30 s后加2 mL钼酸铵溶液。

④测定。室温下15 min后，将分光光度计波长调至700 nm波长，以水做为参比，测定其吸光度。测定样品吸光度值，扣除空白吸光度值后，查磷含量的标准曲线后的样品磷含量值[4]。

2.4 建立标准曲线

取6支具塞刻度管，分别取浓度为0.00，0.02，0.04，0.12，0.20，0.40 ppm的磷酸盐标准溶液。加水至刻度线后按上述样品测定方法测定其吸光度值，绘制相应的标准曲线。

2.5 空白吸光度

空白吸光度值为以水代替样品按上述方法测定的吸光度值。

3 数据处理

3.1 程序编写

标准曲线的建立，6个标准溶液的吸光度值如表1所示。根据得到的数据，利用MATLAB软件中的线性拟合功能对6个标准溶液吸光度值进行拟合。

表1 总磷含量中浓度和吸光度值

编写的MATLAB程序如下：

x=[0 0.02 0.04 0.12 0.20 0.40];

y=[0 0.01 0.02 0.061 0.106 0.218];

%将七组试验中的浓度值和吸光度值赋到变量x和y中；

p=polyfit(x,y,1);

plot(x,y,'o',x,polyval(p,x));

%将x和y值在MATLAB中输出其直线图；

yfit=p(1)*x+p(2);

R2=norm(yfit-mean(y))^2/norm(y-mean(y))^2;

%计算标准曲线的线性相关系数；

disp(R2);

disp(p);

%在MATLAB中输出直线的参数和其线性相关系数；

3.2 样品计算

在MATLAB中进行计算后输出的直线图及数据如图1、2所示。可见总磷标准曲线的线性相关系数为0.9996，其直线的方程为y=0.5458x-0.0018。

图1 标准曲线图

图2 MATLAB界面输出方程参数

将样品的吸光度值带入到标准方程，可以得到样品中总磷含量。

4 教学效果

本教学课程设计根据该课程的教学目标，选取当前较热的环境相关问题，课程设计的主要内容为水质中总磷含量的测定。结合MATLAB软件中的数据处理功能，对试验数据进行简单有效的处理。本教学课程需要学生具备简单的实验技能和计算机基础，根据学生在课程上的表现可以判断学生的学习积极性普遍提高，在学习过程中表现出明显的积极性。从实验结果可以看出，大部分学生可以自主完成本次实验的教学目标，和传统的教学模式相比，计算机软件的引入广泛提高了学生的实验兴趣，学生通过学习不仅掌握了水质中总磷含量的测定方法及分光光度计的使用方法，同时对MATLAB常用的线性拟合功能有所了解。本课程的设计在教学改革中收到了良好的效果，其设计具有独特的新颖性[5-6]。

5 结论

水质中总磷含量的测定，结合MATLAB软件中的数据处理功能，对标准曲线的浓度及吸光度值进行线性拟合，简单有效的对数据进行处理。利用计算机软件进行化学仪器分析实验课程的教学，提高了学生的学习兴趣，同时增加学生对相关数学过程编程的了解，及运用线性代数和计算机软件解决仪器分析过程中问题的能力。该教学过程结合计算机软件，相比于传统的实验分析教学课程较为新颖，具有普遍的推广意义。