Origin和Excel在化学化工中的应用

Origin和Excel在化学、化工中的应用 摘要：随着计算机科学与技术的高速发展及其传统化学、化工学科的不断交叉、渗透和整合，现代计算机技术正在化学、化工专业的科研、生产、教学中起到日益重要的作用。计算机在化学、化工中的应用已不仅局限于传统的办公、图形处理等范畴。在化学品开发、反应机理研究、设备设计、过程控制、工艺优化、辅助教学等领域，计算机化学和计算机化学工程的重要作用日益凸显。而在众多的有关图形、数据处理的软件中Origin和Excel在化学、化工中的应用相当广泛。以下便是origin和excel在化学化工中的主要应用的总结。

关键词：数据分析 化学化工 换算 曲线拟合 理论教学

一 、 Origin简介及在化学、化工中的相关应用

Origin为OriginLab公司出品的较流行的专业函数绘图软件，是公认的简单易学、操作灵活、功能强大的

软件，既可以满足一般用户的制图需要，也可以满足高级用户数据分析、函数拟合的需要。 Origin自1991年问世以来，由于其操作简便，功能开放，很快就成为国际流行的分析软件之一，是公认的快速、灵活、易学的工程制图软件。它的最新的版本号是9.0，另外分为普通版和专业版（Pro）两个版本。

软件特点 当前流行的图形可视化和数据分析软件有Matlab，Mathmatica和Maple等。这些软件功能强大，可满足科技工作中的许多需要，但使用这些软件需要一定的计算机编程知识和矩阵知识，并熟悉其中大量的函数和命令。而使用Origin就像使用Excel和Word那样简单，只需点击鼠标，选择菜单命令就可以完成大部分工作，获得满意的结果。 像Excel和Word一样，Origin是个多文档界面应用程序。它将所有工作都保存在Project(*.OPJ)文件中。该文件可以包含多个子窗口，如Worksheet，Graph，Matrix，Excel等。各子窗口之间是相互关联的，可以实现数据的即时更新。子窗口可以随Project文件一起存盘，也可以单独存盘，以便其他程序调用。

软件功能 Origin具有两大主要功能：数据分析和绘图。Origin的数据分析主要包括统计、信号处理、图像处理、峰值分析和曲线拟合等各种完善的数学分析功能。准备好数据后，进行数据分析时，只需选择所要分析的数据，然后再选择相应的菜单命令即可。Origin的绘图是基于模板的，Origin本身提供了几十种二维和三维绘图模板而且允许用户自己定制模板。绘图时,只要选择所需要的模板就行。用户可以自定义数学函数、图形样式和绘图模板；可以和各种数据库软件、办公软件、图像处理软件等方便的连接。 Origin可以导入包括ASCII、Excel、pClamp在内的多种数据。另外，它可以把Origin图形输出到多种格式的图像文件，譬如JPEG、GIF、EPS、TIFF等等。 Origin里面也支持编程，以方便拓展Origin的功能和执行批处理任务。Origin里面有两种编程语言——LabTalk和Origin C。 在Origin的原有基础上，用户可以通过编写X-Function来建立自己需要的特殊工具。X-Function可以调用Origin C和NAG函数，而且可以很容易地生成交互界面。用户可以定制自己的菜单和命令按钮，把X-Function放到菜单和工具栏上，以后就可以非常方便地使用自己的定制工具。（注：X-Function是从8.0版本开始支持的。之前版本的Origin主要通过Add-On Modules来扩展Origin的功能。）Origin是美国Microcap公司出的数据分析和绘图软件,现

在的最高版本为8.0, 主要有两大类功能：数据分析和绘图。数据分析包括数据的排序、调整、计算、统计、频谱变换、曲线拟合等各种完善的数学分析功能。

1 单组实验数据的处理应用

滴定分析是分析化学中的一种重要分析方法, 当被测定物质与滴定剂之间可以定量反应时, 如有合适的指示剂, 利用滴定剂的消耗量即可计算被测物质的含量, 如果没有合适的指示剂, 或滴定突跃不明显时, 则可利用滴定过程中溶液的某些性质( 如pH 值、电极电位等) 随滴定体积变化的特点绘制出滴定曲线, 然后对滴定曲线进行导数处理, 一阶导数的极大值所对应的体积即为滴定被测物质所消耗的滴定剂的体积, 从而计算被测物质的含量。以CAgNO3=0.1 mol/L 标准溶液滴定NaCl溶液为例： 表1 AgNO3 标准溶液滴定NaCl 溶液的实验数据 滴定液体积V( ml) 5.00 15.00 20.00 22.00 23.00 23.50 23.80 24.00 24.10 24.20 24.30 24.40 24.50 24.60 24.70 25.00 25.50 26.00 电位计读数( v) 0.062 0.085 0.107 0.123 0.138 0.146 0.161 0.174 0.183 0.194 0.233 0.316 0.340 0.351 0.358 0.373 0.385 0.396

图1 Origin7.0 制作的滴定曲线及一阶导数 2 多组实验数据的处理应用

在分光光度法测定物质含量时, 经常会遇到同种物质在不同实验条件下的吸收光谱图比较或不同物质在同一实验条件下的吸收光谱图比较。使用Origin7.0 软件可以直接将多组实验数据绘制在同一图表内并进行对比分析, 如绘制2 个不同样品在同样实验条件下的吸收光谱图( 见图2) 。

图2 Origin7.0 制作的吸收光谱图 首先在数据表内输入样品A 的实验数据, 输入完成后, 在File 菜单中选择“New”再选择“New workSheet”。在新的数据表内输入样品B 的实验数据。然后选择样品A 的数据表, 在Plot菜单下选“Scatter”, 就可以得到样品A 的散点图。为了在图上增加样品B 的数据, 双击散点图左上角的“1”字, 在出现的“Layer1”对话框中将“Data2( 样品B 的数据) ”选中, 按OK 就可以同时得到2 个样品的数据图。为了更好地区别2 条曲线及其数据点, 可以改变数据点的颜色和样式。在某数据线上双击, 在出现的“Plot Details”对话框中的Symbol 页中可以设置该组数据点的样式、大小、颜色等属性。 3 分析数据统计检验中的应用 在分析化学中, 为了比较某种分析方法或几种分析方法对样品的分析数据是否可靠, 常常要对分析数据进行统计学检验, 如果某种测定方法无系统误差, 则测定平均值与真实值之间的偏离是由于随机误差所致, 在95%的置信度下, 分析结果满足要求时, 分析数据的平均值应在μ±tα , fS/n1/2 之间波动, 如果由分析数据计算出的t>tα, f, 表明测定平均值与真实值之间存在显著性差异, 原假设不成立, 分析方法存在系统误差。若2 种分析方法分析同一样品, 假设每种分析方法测定数据都不存在显著性差异, 则2 种测定方法测定数据的标准偏差的平方比值F=S12/S22( 大方差与小方差之比) 应小于测定条件下F0.05( n1 ·n2 ) 值,如果F>F0.05( n1 ·n2 ) , 原假设不成立, 即2 种分析方法的精密度之间存在显著性差异[2]。 用2 种方法分析某药品中VC 的含量, 结果见表2。 表2 VC 含量分析结果 方法 W(VC) % 新方法 23.28 23.36 23.43 23.38 23.30 标准方法 23.44 23.41 23.39 23.35 23.38

样品中VC 含量的标准值=23.38%, 采用Origin7.0 软件判断2 种方法测定的可靠性

及2 种分析方法之间有无显著性差异 ( 见图3, t0.05, 5=2.571, F0.05( 4, 4) =6.39) 。

图3 Origin7.0 对分析数据的统计检验

打开Origin7.0, 在工作表中输入数据, 选中2 组数据, 点

击工具栏上statistics/statistics on Columns, 分别计算出2 种方法测定数据的平均值及标准偏差。在数据表中点击第1 组数据的第6 行, 再点击工具栏上Columns/Set Columns Values, 在出现的计算框中输入: abs( ( mean( Y) -μ) *sd/n1/2 ) , 其中mean( Y) 和Sd为计算出的平均值和标准偏差, 点击OK 即可计算出新方法的t值为0.986, 在数据表中点击第2 组数据的第6 行, 用同样的方法计算出标准方法的t 值为0.833, 2 个t 值均小于2.571, 说明每组数据组内无显著性差异。在数据表中点击第1 组数据的第7 行, 再点击工具栏上Columns/Set Columns Values, 在出现的计算框中输入: abs( sd ( A) *sd( A) /sd( A) *sd( A) ) , 计算F 值为3.273, 小于F0.05( 4, 4) =6.39, 说明2 种方法的精密度不存在显著性差异, 新方法分析数据可靠。在化学实验中, 如果使用手工作图, 同一组实验数据, 不同的操作者处理, 得到的结果很可能不同; 即使同一操作者在不同 时间处理, 结果也不完全一致。Origin7.0 软件具有强大的数据分析计算和绘图功能, 可以快捷、准确地完成化学实验中不同类型的数据处理, 结果精确度高, 绘出的图形细致、美观, 而且使用简便, 无需编程, 整个处理过程简单、方便、直观。利用Origin7.0处理实验数据可提高工作效率, 减少数据处理时间, 提高分析的精确度, 值得推广应用。 [1]李桂馨. 分析化学[M]. 北京: 人民卫生出版社, 2001. [2]赵玛, 魏剑英. Origin6.0 软件在分析化学数据处理中的应用 [3]郑州轻工业学院学报, 2006, 21( 3) : 25~28."

4 Origin7. 0在化学动力学数据处理中的应用

注：化学动力学也称反应动力学、化学反应动力学，是物理化学的一个分支，是研究化学过程进行的速率和反应机理的物理化学分支学科。它的研究对象是性质随时间而变化的非平衡的动态体系。

4.1 反应级数的确定[ 1 ]

反应级数的确定通常有积分法、微分法、半衰期法等. 1. 1 积分法(也称尝试法) ① 将实验数据(各时间t和相应的浓度)代入各反应级数的积分公式中,以最简单的情况,既反应速率方程的表达式为: r = k A n 为例. 当n = 1时, ln( [A ]0 /[A ]) = akt 当n≠1时, 1/ [A ]n - 1 -1/ [A ]n - 10= ( n - 1) akt, (其中A 代表某一时刻t所对应的A物质的的浓度, A 0 为起始浓度, a为A物质的化学计量数)一一计算速率k,若按某公式算出的k不变,则该公式的级数就是这个反应的反应级数. 通常可以用Ex-cel就可作到,而Origin7. 0中也有Excel工作表. ②作图法:将各种动力学方程线性化: