oringin80软件在处理物化实验数据中的应用

Origin8.0软件在处理物理化学试验数据中的应用余训爽（长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州434023）[摘要]通过物理化学试验具体实例，对Origin8.0软件在处理物理化学试验数据中的应用加以介绍。实践证明，应用Origin8.0软件不仅大大简化试验数据处理过程，同时可获得手工绘图及用计算器计算难以获得的更大的信息量，因而该软件在物理化学试验数据处理过程中有良好的应用前景。[关键词]Origin8.0软件；物理化学试验；数据处理；线性拟合；非线性拟合[中图分类号]G642；TP391[文献标识码]A[文章编号]物理化学试验是以数据测量为主要内容，通过对试验数据进行科学处理来研究物质的物理、化学性质及其化学反应规律。常见的处理数据的方法有基本公式计算法、作图法、线性拟合法和非线性拟合法。而一般物理化学试验数据繁多，手工作图不仅费时费力，而且误差较大[1]；另外同样的数据由不同统计者进行手工处理，其结果可能不同。用origin8.0软件处理数据，其优点包括如下几方面：①消除统计者在处理数据时人为引入的各种误差，提高数据处理的精确度，从而为客观评价试验结果提供依据；②避免费时且又繁杂的数据处理过程，从而提高效率。笔者以“最大气泡法测溶液的表面张力”的试验数据处理为例，简要介绍线性与非线性拟合功能在Origin8.0软件中的实现。1试验原理与传统数据处理方法简介当液体中加入溶质时，其表面张力就会升高或降低，导致溶质在表面层的浓度与溶液内部浓度不同，这种现象被称为溶液表面的吸附作用。单位溶液表面积上溶质的过剩量称为表面吸附量Γ。在一定温度下，溶液的表面吸附量Γ与表面张力γ及溶液本体浓度c之间的关系符合吉布斯吸附等温式[2,3]：TddcRTc（1）式中：Γ为表面吸附量，mol·m-2；T为热力学温度，K；c为稀溶液浓度，mol·L-1；γ为表面张力，N·m-1；R为气体常数。由于溶液表面张力与溶液浓度之间不存在明显的数学关系，在这种情况下，一般采用手工法作γ-c关系曲线，然后镜取不同的浓度点作切线，求出所对应浓度点的表面张力对溶液浓度的导数值dγ/dc。根据式（1）计算不同浓度溶液的Γ，并计算出c/Γ值，再次手工绘制c/Γ～c线性图，由直线斜率求出Γ∞（单位：mol·m-2），并根据式（2）计算分子的截面积am（单位m2）。La1m（2）式（2）中，L为阿佛加德罗常数。用上述法处理试验数据，不仅费时费力，而且人为引入的误差较大。而Origin8.0软件在线性拟合和非线性曲线拟合时，可屏蔽个别偏差较大的数据点，以降低曲线的偏差，且能够提供迅速、准确的信息和参数以及图形，得到的结果更为准确。2应用过程以“最大气泡法测正丁醇溶液的表面张力”的试验数据处理为例，其线性与非线性拟合功能在Origin8.0软件中的实现过程如下。2.1试验数据录入与处理在工作表中输入溶液浓度c与最大气泡法测得的附加压Δp（平行测三次），分别为A、B、C、D四列，在其右侧添加两列数据，分别为E和F列，其值相应的设置分别为：“row”处填写1→9，col(E)=(col(B)+col(C)+col(D))/3，即得E列值；“row”处填写2→9，col(F)=(col(E)/598.67)×71.97，即得F列值（见表1）。由于溶液的γ与c之间没有明显的数学关系存在，首先绘制散点图，根据散点图的趋势线判断拟合方式。其步骤如下[4]：选择数据窗口菜单命令[Plot]→[Scatter]→出现[Plotsetup]对话框，分别点击“A[X]”和“F[Y]”，单击OK即表1试验数据记录与处理（25℃）编号A(X)c/mol·L-1B(Y)C(Y)D(Y)p1/Pap2/Pap3/PaE(Y)pF(Y)γ×103/N·m-1G(Y)dγ/dc×103H(Y)c/Γ×10-6/mol·m-210.00598600598598.6771.9720.02571570572571.0068.64-281.538.8030.04542539541540.6765.00-204.7312.1140.06498498497497.6759.83-158.8115.6150.08480479479479.3357.62-129.7119.1160.10459459457458.3355.10-109.6322.6170.12425425426425.3351.13-94.9326.1180.16416417415416.0050.01-74.8633.1190.24373373373373.0044.84-52.8346.92可绘制γ-c关系的散点图，如表1所示。2.2非线性函数拟合由表1可知，第6个数据点发生较大偏离，为了提高结果的准确性，先屏蔽该点，即在图形窗口单击“MaskPointToggle”按钮，选中该点即可。然后采用多项式回归与非线性函数自定义拟合对比，再根据拟合结果选择较优者为拟合模型。其步骤如下：1）多项式回归激活图形窗口1，选择菜单命令[Analysis]→[Fitting]→[FittingPolynomial...]→出现[Pol-ynomialFit]对话框，设置参数和采用试验法得出多项式合适的级数（该试验合适的级数为3）。其拟合方程如下：γ=74.36-299.61c+1293.91c2–2324.77c3（3）图1溶液的表面张力与浓度关系的散点图图2自定义模型拟合图2）非线性函数自定义拟合及初始化激活图形窗口1，采用F9快捷键或选择菜单命令[Tools]→[FittiFunctionOrganizer]→单击“NewCategory”→出现新建自定义函数对话框，输入自定义函数y=a+bexp(x+c)→单击“compile”进行公式的调试，调试成功后，单击“ReturetoDialogy”→单击“Save”保存自定义拟合函数→菜单命令[Analysis]→[Fitting]→[NonlinearCurveFit]→打开[NLFit]对话框，在“Function”中选择自定义拟合函数，其次在“Parameter”中的“Value”处输入初始值→单击“Fit”拟合，达到要求后单击“OK”即可。其拟合方程如下：γ=22.26+14.16ln（c+0.029）（4）3）拟合模型对比选择菜单命令[Analysis]→[Fitting]→[CopareDatesets...]→出现[Fitting：fitcmpdate]对话框→选择“FitResult1”和“FitResult2”→单击“OK”即可完成数据集对比并输出数据比较报表，并自动生成拟合参数分析表（见表2）。由表2可知模型（4）优于内置模型（3）。表2拟合参数分析表R2FEPAICModel（3）0.9947378.641.032.29×10-456.87Model（4）0.994822378.191.187.99×10-916.70注：R2、F、S和P分别为拟合方程的判定系数、Fischer检验值、标准偏差、显著性水平；AIC：Akaike’sInformationofCriterionTest(赤池信息量准则：AIC值越小拟合模型越优)2.3曲线数值微分单击激活拟合图Graph2（见图2），选择菜单[Analysis]→[Mathematics]→[Differentiate]→打开[OpenDialog…]对话框：微分窗口处填1级并选择输出图形→单击“OK”，即输出图形（见图3），激活Graph3，在窗口工具栏选取“ReadDate”，在Graph3上直接读取一定c对应的dγ/dc值[见表1的G（Y）列]，用上述方法增加H（Y）列，即c/Γ的值。2.4直线拟合选择A（X）列和H（Y）列，绘出散点图后，选择菜单命[Analysis]→[Fitting]→[FitLinear]，即可对图形进行线性拟合（见图4）。直线拟合结果如下：23.583.173ccR2=0.9997F=259579.18S=0.16P=3.88×10-15（5）从回归结果来看，判定系数R2=0.9997（99.97%），说明模型中的样本只有约0.03%的未知因素不能揭示，即属优秀级则该模型是有效的且预测能力强；其次拟合模型的F值在远远大于10，P=0.05水平上的显著性检验小于0.0005（文中为P=3.88×10-15），而且自变量都大于因变量的5倍，因此以上方程从统计学的意义上讲也是成立的，模型真实可靠。图3溶液的γ与c的一级微分关系图图4溶液的c/Γ与c的关系图根据式（2）和式（5）的斜率即可求得正丁醇分子的截面积为：αm=173.83×103÷6.02×1023=2.88×-19m2（文献正丁醇分子横截面积为[5]2.4×10-19～3.2×10-19m2），计算结果与理论值基本一致。因此用上述方法处理数据测定正丁醇分子横截面积是可取的。3结语由于物理化学试验数据较多，不利于试验后手工作图与分析。Origin软件在数据处理相对较难的“最大气泡法测溶液的表面张力”试验中的应用表明，使用Origin8.0软件处理试验数据，可大大简化数据处理过程并能获得更多的信息量，充分发挥软件处理数据客观、直观、快捷、高效、精度高等特点。因此，以计算机软件处理数据和绘制图形，将是物理化学试验的必然趋势。[参考文献][1]陈旭红.用Origin软件的线性拟合和非线性曲线拟合功能处理试验数据[J].江苏技术师范学院学报,2006,12（6）:85～89.[2]付献彩,沈文霞,姚天扬,等.物理化学（下册/第五版）[M].北京:高等教育出版社,2005.[3]北京大学化学学院物理化学试验组.物理化学试验(第四版)[M].北京:北京大学出版社,2002.[4]方安平,叶卫平.Origin8.0实用指南[M].北京:机械工业出版社,2009.[5]邝生鲁,刘常坤,向建敏,等编.物理化学实验[M].武汉:武汉工业大学出版社，1996.附：联系方式Tel：0716-8066667或15090704162E-mail：[e-mail]地址：湖北省荆州市长江大学化学与环境工程学院邮编：434023作者简介：余训爽（1972-），男，1995年大学毕业，硕士，副教授，主要从事环境化学生物学及分子构效关系的研究和基础化学试验教学。ApplicationofOrigin8.0inDataProcessinginPhysical-ChemistryExperimentYuXunshuangCollegeofChemistryandEnvironmentEngineering,ChangjiangUniversity,Jingzhou,434023,ChinaAbstract:Origin8.0haspowerfulfunctionsintheprocessingofdataanddrawinggraphs.ItcansignificantlysimplifythedataprocessinginPhysical-Chemistryexperiment,andobtainmuchmoreinformationwhichcannotbeobtainedbymeansoftraditionalmanualdrawing.Thisthesisgivesusanexample,whichintroduceshowtouseOrigin8.0toprocessthePhysical-ChemistryExperimentdataandmapping.IthassignificantimportanceindataprocessingofPhysical-Chemistryexperimentandgreatfuture..Keywords:Origin8.0Soft;DataProcessing;Physical-ChemistryExperiment;FitLinear;NonlinearCurveFit