肖池池， 方 婷， 張業(yè)中， 張 旭

(長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

Origin軟件在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用探討

肖池池， 方 婷， 張業(yè)中， 張 旭

(長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

以物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中《蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定》、《溶解熱的測(cè)定》、《三液系相圖的繪制》3個(gè)實(shí)驗(yàn)為例，應(yīng)用Origin軟件在計(jì)算機(jī)上對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖、線性擬合、非線性擬合以及三角坐標(biāo)的繪制等處理，可減少繪圖偏差，使結(jié)果更加科學(xué)、準(zhǔn)確。

Origin；物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)；數(shù)據(jù)處理；線性擬合；非線性擬合；三角坐標(biāo)

Origin是美國(guó)OriginLab公司(前身為Microcal公司)開發(fā)的具有圖形可視化和數(shù)據(jù)分析功能的軟件。自1991年問(wèn)世以來(lái)，該軟件不斷升級(jí)，功能也愈加強(qiáng)大，加上界面友善，操作簡(jiǎn)便、快捷，應(yīng)用范圍更加廣泛，很快成為國(guó)際上公認(rèn)的快速、靈活、易學(xué)、易用的軟件[1]。Origin軟件是具有多個(gè)文檔界面的應(yīng)用程序，它將用戶的所有工作都保存在Project(后綴為.OPJ)文件中。該文件包含多個(gè)子窗口(Worksheet、Graph、Function Graph、Matrix、Layout、Results Log)，各窗口是相互聯(lián)系的，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時(shí)更新[2]。Origin軟件具有2大功能：數(shù)據(jù)分析和圖形繪制。數(shù)據(jù)分析可方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)排序、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、平滑、擬合、積分、微分等。圖形繪制是基于模板的，用戶可以使用軟件內(nèi)置的50多種模板或根據(jù)自己需要設(shè)計(jì)的模板方便地繪制出各種清晰、美觀的2D和3D圖形。下面，筆者以物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中《蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定》、《溶解熱的測(cè)定》、《三液系相圖的繪制》3個(gè)實(shí)驗(yàn)為例，應(yīng)用Origin軟件在計(jì)算機(jī)上對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合、非線性擬合以及三角坐標(biāo)的繪制等處理。

1 線性擬合

在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，經(jīng)常要通過(guò)線性回歸方程來(lái)求取斜率和截距[3]?，F(xiàn)以《蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定》為例，來(lái)說(shuō)明Origin對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合的方法。

在25℃、蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、HCl濃度為2mol/L的條件下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得反應(yīng)時(shí)間t時(shí)的旋光度αt的值和反應(yīng)終了時(shí)的旋光度α∞的值。由ln(αt-α∞)=-kt+ln(α0-α∞)，以ln(αt-α∞)對(duì)時(shí)間t作圖，進(jìn)行線性擬合，可求得速率常數(shù)k。

在Origin中處理過(guò)程如下：①啟動(dòng)Origin，將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的t和αt的數(shù)據(jù)輸入到Data1中的A[X]列和B[Y]列中。在空白處單擊右鍵選擇Add New Column，得到C[Y]列。②選中C[Y]列，單擊右鍵選擇Set Column Values，彈出Set Column Values對(duì)話框，輸入ln(col(B)-(-3.544))(注：-3.544為實(shí)驗(yàn)測(cè)定的α∞值)，點(diǎn)OK按鈕，得到ln(αt-α∞)的值。③先選中A[X]列的數(shù)據(jù)，按住Ctrl鍵再選中C[Y]列的數(shù)據(jù)，選擇Plot菜單下的Scatter或點(diǎn)擊2D工具條上的Scatter按鈕，得到散點(diǎn)圖。④繪出散點(diǎn)圖后，選擇Analysis菜單中的Fit Linear或Tools菜單中的Fit Linear進(jìn)行線性擬合。

在Results Log窗口中顯示了擬合直線的公式、斜率、截距、誤差和相關(guān)系數(shù)等。擬合結(jié)果如圖1所示。從圖可得直線的斜率為-0.02297，即蔗糖的反應(yīng)速率常數(shù)k=0.02297min-1。

2 非線性擬合

在處理物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，有些情況下不能進(jìn)行線性擬合，而要根據(jù)圖像的形狀和趨勢(shì)選擇合適的函數(shù)和參數(shù)進(jìn)行非線性擬合。如在《溶解熱的測(cè)定》的實(shí)驗(yàn)中，先測(cè)得I、R、t、nH2O、nKNO3的值，其中I、R分別為補(bǔ)償電流和量熱計(jì)的電阻，t為加熱時(shí)間。則有：

用Origin對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合及處理的過(guò)程如下：①將n0和Qs的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Origin的Data1中，選Plot菜單下的Scatter或2D工具條上的Scatter按鈕作散點(diǎn)圖。由散點(diǎn)圖的趨勢(shì)，選擇函數(shù)為y=a-bln(x+c)進(jìn)行非線性擬合。②選擇Analysis菜單下的Non-linear Curve Fit，再選擇其子菜單Advanced Fitting Tool，彈出NonLinear Curve Fitting Selection Function對(duì)話框。在Categories列表框中選擇Logarithm，在Functions列表框中選擇Log3P1函數(shù)。③點(diǎn)擊菜單欄Action下的Fit，來(lái)到Nonlinear Curve Fitting:Fitting Session對(duì)話框，再點(diǎn)擊該對(duì)話框下100Iter按鈕進(jìn)行迭代，點(diǎn)擊Done完成擬合。

在Results Log窗口中顯示函數(shù)的模型，函數(shù)的方程式，方程式中各參數(shù)的值和誤差，以及殘差和相關(guān)系數(shù)R。擬合結(jié)果如圖2所示。運(yùn)用擬合的曲線方程，對(duì)其進(jìn)行微分，代入相應(yīng)的n0值，可求得該點(diǎn)處的斜率，即得到不同n0值的微分稀釋熱。由點(diǎn)(n0，Qs)和該點(diǎn)處的斜率可求出唯一的直線方程，進(jìn)而得到所求的截距，即微分溶解熱。

圖1 用Origin進(jìn)行線性擬合 圖2 用Origin進(jìn)行非線性擬合

3 三角坐標(biāo)的繪制

下面以《三液系相圖的繪制》實(shí)驗(yàn)為例，利用Origin來(lái)繪制三角坐標(biāo)相圖，過(guò)程如下：①打開Origin，將氯仿、醋酸、水的溶解度數(shù)據(jù)分別輸入到Data1窗口的A[X]、B[Y]、C[Z]中。選中所有數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊右鍵選擇Sort Rang菜單下的Descending進(jìn)行降序排列。接著在data1中數(shù)據(jù)的后面間隔一行，輸入物系點(diǎn)O1的數(shù)據(jù)，再間隔一行輸入物系點(diǎn)O2的數(shù)據(jù)。如圖3中的A[X1]、B[Y1]和C[Z1]列所示。②選中所有數(shù)據(jù)，在Plot菜單中點(diǎn)擊Ternary或點(diǎn)擊2D工具條上的Ternary按鈕，得到三角坐標(biāo)的散點(diǎn)圖，點(diǎn)擊2D工具條上的Line+Symbol按鈕，即得到溶解度曲線。③選擇屏幕坐標(biāo)點(diǎn)讀取工具(Tools工具欄中的Screen Reader按鈕)，根據(jù)所測(cè)得的上層溶液中醋酸含量，在溶解度曲線上找到相應(yīng)點(diǎn)，記錄Data Display窗口中的數(shù)據(jù)。同樣的方法可以獲得下層溶液的組成。在找點(diǎn)時(shí)可先使用工具欄上的Zoom In按鈕將圖形放大，當(dāng)找完點(diǎn)后再使用工具欄上的Zoom Out按鈕將圖形還原。④回到Data1窗口，增加3列，分別設(shè)置為D[X2]、E[Y2]、F[Z2]，輸入讀取的共軛溶液的組成的數(shù)據(jù)，如圖3中D[X2]、E[Y2]和F[Z2]所示?；氐紾raph窗口，選Graph菜單下的Plot Setup，彈出Plot Setup：Configure Data Plots in Layer對(duì)話框。Plot Type：列表框中選擇Linear+Symbol，在Data1列表框中，勾選X、Y、Z下面分別對(duì)應(yīng)Column的值為D、E、F的小方框，如圖4所示。點(diǎn)擊Add按鈕，再點(diǎn)擊OK按鈕，完成連接線的繪制。最終的相圖如圖5所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

圖5 用Origin繪制三液系相圖

Origin軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和圖形繪制功能，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不需要編程、簡(jiǎn)便易行，所繪制的圖形精致美觀，能夠準(zhǔn)確反映實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，幾乎可以實(shí)現(xiàn)所有的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。對(duì)于學(xué)生自身而言，由于Origin軟件容易掌握，自然大大提高了學(xué)生進(jìn)行物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，更重要的是還鍛煉了學(xué)生認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的實(shí)驗(yàn)態(tài)度，顯著提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，綜合實(shí)踐和科研能力，為今后從事科研工作奠定了基礎(chǔ)，也更好促進(jìn)了教與學(xué)的互動(dòng)性。

[1]周劍平. Origin實(shí)用教程(7.5版)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

[2] 李寶惠，平梅. Origin 7.0在科技繪圖、數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用 [J] . 臨沂師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，27(3)：124-128.

[3] 彭斌，肖信，袁中直. 用Origin進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理[J] . 化學(xué)教學(xué)，2003，(6)：32-34

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.03.032

TP391

1673-1409(2011)03-0094-03