Origin軟件在物理化學實驗中的應用探討

肖池池， 方 婷， 張業(yè)中， 張 旭

(長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州 434023)

Origin軟件在物理化學實驗中的應用探討

肖池池， 方 婷， 張業(yè)中， 張 旭

(長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州 434023)

以物理化學實驗中《蔗糖水解反應速率常數(shù)的測定》、《溶解熱的測定》、《三液系相圖的繪制》3個實驗為例，應用Origin軟件在計算機上對物理化學實驗數(shù)據(jù)進行作圖、線性擬合、非線性擬合以及三角坐標的繪制等處理，可減少繪圖偏差，使結果更加科學、準確。

Origin；物理化學實驗；數(shù)據(jù)處理；線性擬合；非線性擬合；三角坐標

Origin是美國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年問世以來，該軟件不斷升級，功能也愈加強大，加上界面友善，操作簡便、快捷，應用范圍更加廣泛，很快成為國際上公認的快速、靈活、易學、易用的軟件[1]。Origin軟件是具有多個文檔界面的應用程序，它將用戶的所有工作都保存在Project(后綴為.OPJ)文件中。該文件包含多個子窗口(Worksheet、Graph、Function Graph、Matrix、Layout、Results Log)，各窗口是相互聯(lián)系的，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時更新[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)分析可方便用戶進行數(shù)據(jù)排序、計算、統(tǒng)計、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)自己需要設計的模板方便地繪制出各種清晰、美觀的2D和3D圖形。下面，筆者以物理化學實驗中《蔗糖水解反應速率常數(shù)的測定》、《溶解熱的測定》、《三液系相圖的繪制》3個實驗為例，應用Origin軟件在計算機上對物理化學實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合、非線性擬合以及三角坐標的繪制等處理。

1 線性擬合

在物理化學實驗數(shù)據(jù)處理中，經(jīng)常要通過線性回歸方程來求取斜率和截距[3]?，F(xiàn)以《蔗糖水解反應速率常數(shù)的測定》為例，來說明Origin對實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合的方法。

在25℃、蔗糖質(zhì)量分數(shù)為20%、HCl濃度為2mol/L的條件下，實驗測得反應時間t時的旋光度αt的值和反應終了時的旋光度α∞的值。由ln(αt-α∞)=-kt+ln(α0-α∞)，以ln(αt-α∞)對時間t作圖，進行線性擬合，可求得速率常數(shù)k。

在Origin中處理過程如下：①啟動Origin，將實驗測得的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對話框，輸入ln(col(B)-(-3.544))(注：-3.544為實驗測定的α∞值)，點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或點擊2D工具條上的Scatter按鈕，得到散點圖。④繪出散點圖后，選擇Analysis菜單中的Fit Linear或Tools菜單中的Fit Linear進行線性擬合。

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

2 非線性擬合

在處理物理化學實驗數(shù)據(jù)時，有些情況下不能進行線性擬合，而要根據(jù)圖像的形狀和趨勢選擇合適的函數(shù)和參數(shù)進行非線性擬合。如在《溶解熱的測定》的實驗中，先測得I、R、t、nH2O、nKNO3的值，其中I、R分別為補償電流和量熱計的電阻，t為加熱時間。則有：

用Origin對實驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合及處理的過程如下：①將n0和Qs的數(shù)據(jù)導入到Origin的Data1中，選Plot菜單下的Scatter或2D工具條上的Scatter按鈕作散點圖。由散點圖的趨勢，選擇函數(shù)為y=a-bln(x+c)進行非線性擬合。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點擊菜單欄Action下的Fit，來到Nonlinear Curve Fitting:Fitting Session對話框，再點擊該對話框下100Iter按鈕進行迭代，點擊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，以及殘差和相關系數(shù)R。擬合結果如圖2所示。運用擬合的曲線方程，對其進行微分，代入相應的n0值，可求得該點處的斜率，即得到不同n0值的微分稀釋熱。由點(n0，Qs)和該點處的斜率可求出唯一的直線方程，進而得到所求的截距，即微分溶解熱。

圖1 用Origin進行線性擬合 圖2 用Origin進行非線性擬合

3 三角坐標的繪制

下面以《三液系相圖的繪制》實驗為例，利用Origin來繪制三角坐標相圖，過程如下：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)，點擊右鍵選擇Sort Rang菜單下的Descending進行降序排列。接著在data1中數(shù)據(jù)的后面間隔一行，輸入物系點O1的數(shù)據(jù)，再間隔一行輸入物系點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菜單中點擊Ternary或點擊2D工具條上的Ternary按鈕，得到三角坐標的散點圖，點擊2D工具條上的Line+Symbol按鈕，即得到溶解度曲線。③選擇屏幕坐標點讀取工具(Tools工具欄中的Screen Reader按鈕)，根據(jù)所測得的上層溶液中醋酸含量，在溶解度曲線上找到相應點，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。在找點時可先使用工具欄上的Zoom In按鈕將圖形放大，當找完點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。回到Graph窗口，選Graph菜單下的Plot Setup，彈出Plot Setup：Configure Data Plots in Layer對話框。Plot Type：列表框中選擇Linear+Symbol，在Data1列表框中，勾選X、Y、Z下面分別對應Column的值為D、E、F的小方框，如圖4所示。點擊Add按鈕，再點擊OK按鈕，完成連接線的繪制。最終的相圖如圖5所示。

4 結 語

圖5 用Origin繪制三液系相圖

Origin軟件具有強大的數(shù)據(jù)處理和圖形繪制功能，處理實驗數(shù)據(jù)不需要編程、簡便易行，所繪制的圖形精致美觀，能夠準確反映實驗數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，幾乎可以實現(xiàn)所有的物理化學實驗數(shù)據(jù)處理。對于學生自身而言，由于Origin軟件容易掌握，自然大大提高了學生進行物理化學實驗的積極性，有利于培養(yǎng)學生獨立分析問題和解決問題的能力，更重要的是還鍛煉了學生認真、嚴謹、求實的實驗態(tài)度，顯著提高了學生的創(chuàng)新意識，綜合實踐和科研能力，為今后從事科研工作奠定了基礎，也更好促進了教與學的互動性。

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

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

[3] 彭斌，肖信，袁中直. 用Origin進行化學實驗數(shù)據(jù)處理[J] . 化學教學，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