余麗麗,范 濤,楊莉寧,姚 琳,楊黎燕,李 立
(西安醫(yī)學院藥學院,陜西 西安 710021)
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Origin 8.0軟件在物理化學實驗中的應用*
余麗麗,范濤,楊莉寧,姚琳,楊黎燕,李立
(西安醫(yī)學院藥學院,陜西西安710021)
以純液體飽和蒸氣壓的測定和硝酸鉀溶解熱的測定兩個物理化學實驗的數(shù)據分析為例,介紹Origin 8.0軟件在物理化學實驗教學中的應用。Origin 8.0軟件在液體飽和蒸氣壓的測定數(shù)據后處理過程中體現(xiàn)出簡便的數(shù)據計算、線性擬合和圖像處理功能;而在硝酸鉀溶解熱實驗的數(shù)據處理過程則很好地體現(xiàn)了豐富的曲線擬合功能,得到了兩個合適的擬合方程——ExpDec2和Log3P1,方便了數(shù)據的進一步演算。
物理化學實驗; Origin 8.0軟件; 數(shù)據處理
物理化學實驗是化學相關專業(yè)必修的實驗基礎課程,該門課程實驗數(shù)據量大,數(shù)據處理繁瑣,其中部分實驗需要通過數(shù)據處理、圖形繪制、數(shù)據分析得到相應數(shù)學表達式[1-2]。因此,僅通過純手工處理數(shù)據和繪制圖像不僅費時費力,且易產生誤差。將Origin 8.0引入到物理化學的實驗數(shù)據處理和圖形繪制的過程中,可很大程度地降低計算復雜性,減少由于手動計算或數(shù)據約減所產生的誤差[3-4]。此外,Origin 8.0軟件可兼顧簡單的數(shù)據處理、圖形繪制、方程擬合等各項功能,滿足了學生對數(shù)據分析的基本需求[5-6]。本文結合兩例范例,介紹Origin 8.0軟件在物理化學實驗教學中的基本應用。
1.1實驗原理
本實驗通過靜態(tài)法測定水在不同溫度(T,K)下的飽和蒸汽壓(p,Pa),并使用克勞修斯—克拉貝龍方程(式1)計算水的平均摩爾汽化焓(ΔvapHm,J·mol-1),及水的正常沸點。
(1)
其中R為氣體常數(shù)(8.314 J·mol-1·K-1)。
對式(1)求積分后得:
(2)
可見,以lnp對1/T作圖,可獲得直線關系,其中斜率為-ΔvapHm/R,由此可獲得ΔvapHm。此外,在此直線關系上可推算水的正常沸點。
1.2數(shù)據處理
啟動Origin 8.0,新建Workbook,在A列和B列分別輸入溫度和壓力差,在空白處點擊選擇Add New Column增加2個數(shù)據列——C(1/T)和D(lnp),選中C的1至8行,在Column菜單下選擇Set Column Values,并在對話框中輸入1/(col(A)+273.15)(圖1),點擊OK得1/T的數(shù)值。同理,選中D列1至8行,在Set Column Values對話框中輸入ln(1000*(col(B)+ 96.77)),得lnp。
表1 不同溫度下水的飽和蒸汽壓(大氣壓為96.77 kPa)
1.3Origin作圖及其數(shù)據擬合
圖1 應用Origin 8.0進行簡單運算
圖2 應用Origin 8.0進行線性擬合
2.1實驗原理
(3)
2.2數(shù)據處理和Origin作圖及其數(shù)據擬合
啟動Origin 8.0,新建Workbook,在A列輸入n0列數(shù)據,在B列輸入ΔsolHm列數(shù)據(表2),以A列為X軸,B列為Y軸,作散點圖。在Analysis菜單下選擇Fitting,打開Nonlinear Curve Fit對話框,并在Category選項下選擇擬合類別,在Function下選擇具體方程,通過Fit Curve 初步確定擬合曲線與散點之間的關系,在Formula獲得擬合方程表達式(圖3)。
表2 溶解熱實驗數(shù)據記錄與處理
注:溶劑為水,質量為216.26 g;電壓為4.15 V;電流為0.571 A。
圖3 應用Origin 8.0進行曲線擬合
通過上述方式對實驗數(shù)據進行分析,發(fā)現(xiàn)Exponential目錄下的Exp3P1和ExpDec2以及Logarithm目錄下的Log3P1方程較為合適。對比擬合度可見方程ExpDec2和Log3P1在本次實驗結果分析中較為適用。通過擬合得到的方程為:
Exp3P1:
ExpDec2:
(R2=0.9945)
Log3P1:
ΔsolHm=34454+10099ln(n0-47.49)(R2=0.9979)
2.3擬合曲線的使用
表3 通過擬合方程計算熱效應
表4 通過擬合方程計算積分稀釋熱
表3、表4為通過ExpDec2和Log3P1兩個擬合方程計算得的硝酸鉀溶解過程的各種熱效應??梢娪嬎愕玫奈⒎窒♂専?、積分溶解熱和微分溶解熱并無太大的差異,但是由于積分稀釋熱是兩個濃度下微分稀釋熱之間的差值,因此存在一些差異,由此可見平行實驗結果的分析需要采用同一個擬合方程。
由以上兩個實驗范例可見,Origin 8.0 軟件在物理化學實驗數(shù)據處理過程中可兼顧作圖、線性擬合、曲線擬合、簡單數(shù)據處理等功能,具有操作簡單、界面清晰、快速、準確、與Excel和word等辦公軟件兼容性良好等優(yōu)點。同時,在物理化學實驗課堂中開展Origin 8.0 軟件教學可很好地激發(fā)學生對于實驗課程的學習積極性,使學生通過5至10個物化實驗項目的數(shù)據處理掌握一種科學的數(shù)據處理軟件,為后續(xù)的其他綜合性、設計性實驗甚至是科研相關工作的開展奠定良好的數(shù)據分析基礎。
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Application of Origin 8.0 Software in Physical Chemistry Experiments*
YU Li-li,FAN Tao,YANG Li-ning,YAO Lin,YANG Li-yan,LI Li
(Department of Pharmacy,Xi’an Medical University,Shaanxi Xi’an 710021,China)
According to the examples of the typical Physical Chemistry Experiments including liquid saturation vapor pressure measurement and the dissolution heat of potassium nitrate,the applications of Origin 8.0 software in Physical Chemistry Experiments teaching were introduced.In the data processing process of liquid saturation vapor pressure measurement,Origin 8.0 software reflected the simple data calculation,linear fitting and image processing function.In the data processing process of the dissolution heat of potassium nitrate,Origin 8.0 software showed excellent function of curve fitting,and two fitting equations(ExpDec2 and Log3P1)were obtained in this process,thus it further facilitated the calculus of data.Two fitting equations,ExpDec2 and Log3P1,were obtained,such as the experimental data processing,linear fitting,curve fitting,and graphic plotting.
Physical Chemistry Experiments; Origin 8.0 software; data processing
西安醫(yī)學院校級教改項目(2014JG-17);國家自然科學基金項目(81302706,21305109);陜西省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(1757,1649);西安醫(yī)學院大學生科研訓練基金項目(2015DXS1-12);西安醫(yī)學院大學生開放科研實驗項目(2015DXS2-19);西安醫(yī)學院學科建設經緯資助。
余麗麗(1983-),女,副教授,博士,教學研究方向:物理化學教學研究。
O646.2,G642.0
A
1001-9677(2016)06-0136-03