化學教育(http://www.hxjy.org2015年第2期信息技術與化學MATLAB在動力學實驗數(shù)據(jù)處理中的應用高錦紅(渭南師范學院化學與生命科學學院陜西渭南714000摘要將 MATLAB數(shù)學軟件編寫程序用于物理化學實驗“丙酮碘化反應速率方程”的數(shù)據(jù)處理與繪圖,根據(jù)孤立法設計實驗步驟以此推得反應級數(shù),所得結果準確度高,避免了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法所帶來的人為誤差,具有方便、快速與直觀等優(yōu)點,可以補充和改進物理化學實驗的教學。關鍵詞 MATLAB物理化學動力學反應級數(shù)實驗數(shù)據(jù)處理DOI:10.13884/1003-3807hxjy.2014040036物理化學實驗是化學化工類學生必修的一門基和H+濃度密切相關。礎實驗課程,該實驗中數(shù)據(jù)處理量大且計算煩瑣,假設上述反應的反應速率方程為幾乎所有的實驗都離不開大量的計算和繪圖。目前在物理化學課程的現(xiàn)行教材和教學中,對數(shù)據(jù)的處d碘=kc丙cC理大多還是停留在手工處理層面。將數(shù)值軟件用式中x,y,z分別代表丙酮、氫離子和碘的于物理化學實驗教學中進行復雜數(shù)值信息的處理成反應級數(shù),將該式取對數(shù)得為教學改革與創(chuàng)新的趨勢。 MATLAB軟件是20世紀80年代推出的一套高效工程計算語言,它集lg()=lk+xlg兩+ygc+zlg碘數(shù)值計算、圖形可視化等功能于一體,允許用戶以在上述3種物質(zhì)中,首先固定其中2種物質(zhì)的數(shù)學形式的語言編寫程序,易于學習和掌握2-7。濃度,配制出濃度不同的一系列第3種物質(zhì)溶液,丙酮碘化反應的速率方程”是化學、化工等這樣反應速率只是該物質(zhì)濃度的函數(shù)。以lg(專業(yè)物理化學中的一個必做實驗,該實驗采用孤立dc碘/dt)對該組分濃度的對數(shù)作圖,所得直線的斜法來推得速率方程,是動力學研究中常用的一種方率即為該物質(zhì)在此反應中的反應級數(shù)。同理,可以法。孤立法是設計一系列溶液,其中只有某一物質(zhì)得到其他2種物質(zhì)的反應級數(shù)。具體實驗原理參考的濃度不同,而其他物質(zhì)的濃度均相同,借此可求教材第107-108頁。得反應對該物質(zhì)的級數(shù),同樣得到各種作用物的級1.2實驗儀器和試劑數(shù),從而確立速率方程。由于本實驗數(shù)據(jù)處理量儀器:UV-2000紫外分光光度計(北京萊伯大,學生在進行數(shù)據(jù)處理時均采用坐標紙進行手工泰科有限公司);容量瓶(25mL);移液管(5作圖,手工作圖和數(shù)據(jù)計算不僅費時費工,且處理的數(shù)據(jù)不理想。采用 MATLAB軟件編寫程序進行mL);碘量瓶(100mL);燒杯(50mL)本實驗的數(shù)據(jù)處理與作圖,所得結果準確度高,具試劑:丙酮溶液(2.0mol/L);鹽酸溶液有方便、快速與直觀等優(yōu)點。(2.0mol/L)。1實驗部分實驗步驟及其注意事項1.1實驗原理2.1實驗步驟以丙酮碘化為例,說明如何用孤立法和穩(wěn)態(tài)近21.1溶液配制似條件推得速率方程。丙酮鹵化反應是一個復雜反(1)2.0mol/L丙酮溶液的配制:用25mL移應,其反應式為:液管吸取14.7mL丙酮加人100mL容量瓶中,用CH; COCH3+ X2-CH3 COCH2X+x+H+去離子水稀釋至刻度后轉移到100mL碘量瓶中式中X為鹵素。實驗表明反應速率幾乎與X備用。H中國煤化工的種類及其濃度無關,而與溶液中的CH3COCH3(2)0CNMHG制:準確稱取渭南師范學院教育教學改革研究重點項目(JG201319);渭南師范學院特色學科項目(14TSXK04)通信聯(lián)系人, E-mail: gjh@163.cm2015年第2期化學教育(http://www.hxjy.org0.7133gKIO3于250m燒杯中微熱溶解,加入(2)混合反應溶液時操作必須迅速準確分析純KI5.5g,加熱溶解;再加入0.41mol/L(3)比色皿的位置不得變化HCl50mL混合后定容于1L容量瓶中。3數(shù)據(jù)處理與實驗結果(3)鹽酸與碘混合溶液的配制:取7個25mL本實驗具體實驗步驟可參考教材第109頁容量瓶編號,按編號1~7分別加入表1中的溶液。(Ⅳ實驗步驟)。儀器操作實驗中鹽酸、碘與丙酮混合溶液配制如表1所(1)開啟紫外分光光度計進行自檢。示。表1中碘、鹽酸和丙酮的濃度依次為0.01(2)待儀器自檢完成后,進入光度測量界面,0.5、2.0mol/L進行參數(shù)設置。表1混合溶液中鹽酸、碘和丙酮的體積(3)設置好參數(shù)后,將樣品池和參比池都放入Table 1 The volume of hydrochloride, iodine參比液,儀器進行校正acetone in mixed solution2.1.3樣品測量體積v/m樣品序號在樣品池中放入樣品液,其方法如下:向1號樣中加入2.0mol/L丙酮2.5mL時開始記時,用5.0去離子水迅速定溶至刻度后裝入比色皿中,測量吸4.0光度值A,每1min記錄1次,記錄8min后結束測量5.0按上述方法依次測量2、3、4、5、6、75號樣2345675.010.05.02.2實驗注意事項5.015.01)溫度影響反應速率常數(shù),實驗時體系始終要恒溫。表2時間t和吸光度值ATable 2 Time and absorbance value實驗吸光度值A反應時間t/min1號樣2號樣樣4號樣5號樣7號樣0.3830.38130.36010.37740.35880.32520.33210.37700.37200.34210.361230.36930.35820.32050.34440.31460.26240.23690.36140.34700.30100.18340.35250.33320.27900.310626140.18990.129060.34350.31990.25700.29260.23380.15280.07430.33480.30520.23650.27370.11600.022080.32610.29050.21610.25480.17840.07920.0301根據(jù)表1設計7個系列反應,每個反應測定8第1步程序:根據(jù)表2中實驗數(shù)據(jù),以吸光度個吸光度值信息點(數(shù)據(jù)列于表2),利用MATA值對t作圖,求7條擬合曲線的斜率(P1~P7)。LAB軟件編程完成丙酮碘化反應實驗中反應級數(shù)運行程序如下:的計算%第1步程序t=[12345678];A1=[0.38310.37700.36930.36140.35250.3435A2=[0.38130.37200.35820.34700.33320.3199中國煤化工A3=[0.36010.34210.32050.30100.27900.2570CNMHGA4=[0.37740.36120.34440.32870.31060.29260.27370.2548];A5=[0.35880.34000.31460.28860.26140.23380.20610.1784];70·化學教育(http://www.hxjy.org2015年第2期A6=[0.32520.29590.26240.2680.18990.15280.11600.0792];A7=[0.33210.28710.23690.18340.12900.07430.0220-0.0501];plot (t, Al,o', t, Al, t, A2,'*',t,P3=polyfit(t, A3, 1)A2,t,A3,x,t,A3,t,A4,+,t,A4,t,P4=polyfit(t, A4, 1)A5,o,t,A5,t,A6,‘關’,t,A6,t,A7,k,P5=polyfit(t, A5, 1)t,A7)P6=polyfit(t, A6, 1)tite(以吸光度值A對時間t作圖)P7=polyfit(t, A7, 1)legend(1號樣,2號樣,3號樣,4號樣,%記錄P斜率數(shù)據(jù)%5號樣,6號樣,7號樣);第1步程序運行完畢。記錄運行結果,將擬合gtext (A), gtext (t/min)曲線斜率值(P1~P7)列于表3。同時繪制出7條Pl=polyfit(t, Al, 1擬合曲線圖(如圖1)。P2=polyfit(t, A2, 1)表3擬合曲線斜率值Table 3 The slope value of fitting curves運行值0.00830.01310.0524以吸光度值A對時間作圖表4斜率的對數(shù)值和酸與丙酮的濃度Table 4 The logarithm of slope and the concentrationof hydrochloride and acetone系列1系列2+7號樣4.79150.204.04560.104.04560.403.33540.20Fig. 1 The fitting curves of absorbance to time3.8728圖1吸光度對時間擬合曲線2.9488第2步程序:將表3中數(shù)據(jù)作為第2步程序中第3步程序:根據(jù)表4中的系列1數(shù)據(jù),以k0的輸入值,運行第2步程序計算7條擬合曲線log(-dA/d)對log兩作圖求反應級數(shù)x,根據(jù)斜率的對數(shù)值log(-dA/d),即程序中的k值。系列2的數(shù)據(jù)以log(-dA/d)對logc艘作圖求反程序代碼如下:應級數(shù),并在同一界面給出2條繪制曲線。程序代%第2步程序%碼如下ko=[Pl P2 P3 P4 P5 P6 P7];%第3步程序%k=-k0kl=[-4.7915-4.3351-4.0456-3.8728];k1=lg(k)%k1值即為7條直線的logc10=[0.20.320.40.48]dA/dt)值cl=log (c10)x=polyfit (cl, kl, 1)%記錄運行值%subplot記錄第2步運行結果k1值,列于表4。本實plot (cl, kl,o, cl, kl)驗根據(jù)孤立法設計實驗方案,設計的前4個系列溶title(斜率和丙酮濃度的雙對數(shù)圖);液中只有丙酮的濃度不同,其他物質(zhì)的濃度均相k2=[-4.0456=36420-3354-294881;同,借此可求得反應對丙酮的級數(shù)x,設計的后4中國煤化工個系列溶液中只有酸的濃度不同,其他物質(zhì)的濃度CNMHG, k2, 1)均相同,借此可求得反應對酸的級數(shù)ysubplot 1222015年第2期化學教育(htp://www.hxjy.org)·71title(斜率和酸濃度的雙對數(shù)圖);以上3步程序運行結果表明,采用 MATLABgtext(log(-dA/dt)), gtext(c丙_酮所編制的程序可以方便地處理大量的實驗數(shù)據(jù)和作gtext (log (-dA/dt)), gtext (c 4)圖問題,并得到較理想的實驗結果%記錄x和y顯示結果%4討論與結果運行結果:x=1.0607y=1.0027運用 MATLAB軟件完成了丙酮碘化反應的速從結果得n=x+y=2.0634,接近2,即丙酮率方程實驗中斜率的計算及At和斜率對濃度雙對碘化反應對時間而言級數(shù)為2,與理論反應總級數(shù)數(shù)圖形繪制。 MATLAB編程語言簡單、方便、直相吻合。速率常數(shù)k的確定根據(jù)公式k=觀。在物理化學實驗教學過程中,將數(shù)值軟件與實(A1-A).1.1計算,其中h=180ml.驗教學結合起來,能拓寬學生的視野、激發(fā)學生的學習興趣,也能培養(yǎng)學生應用計算機知識解決實際L-1·cm1。由于用此公式時Al和A2的選擇具問題的能力,同時也能補充和改進物理化學實驗教有主觀性,則k值計算可用計算器完成。選取2號學。將 MATLAB語言應用于物理化學實驗數(shù)據(jù)處樣的時間t2和t6及相對應的吸光度值A2、A6代理與作圖中具有良好的教學效果,應該在實驗教學入k計算公式,得k=3.067×10°L·mol!中加以推廣應用。in-1。計算結果與文獻實驗參考值很接近。圖2所示為求反應級數(shù)x、y的擬合曲線,擬合結果表明采用 MATLAB數(shù)學軟件所編寫的程序可以在同[1]賈瑛,許國根,嚴小琴.物理化學實驗.西安:西北工業(yè)窗口給出2條擬合曲線,圖2證實了log(-dA/大學出版社,2009d)對濃度c作圖是線性關系。[2]楊濤.計算機與應用化學,2012,29(10):1387-1390率和丙酮濃度的雙數(shù)陽斜和酸濃度的雙對數(shù)圖[3]許國根,許萍萍,譚憲林. MATLAB在化學中的應用西安:西安交通大學出版社,2005[4]逯洋,譚振江,閏永勝,計算機與應用化學,2012,29(10):1194-1198[5]黃雪征,張磊.計算機與應用化學,2012,29(8):991[6]曾志勇,彭萬峰,余偉俊。計算機與應用化學,2013,30[7]王帥,鐘宏,楊華,等.計算機與應用,2007,249(7):L.=[8]復旦大學.物理化學實驗.3版.北京:高等教育出版Fig.2 The double logarithm sketch of slope and concentration圖2以斜率對濃度作雙對數(shù)圖社,2004Application of maTLAB in Kinetics Data ProcessingGAO Jin- HongCollege of Chemistry and Life Science, Weinan Teachers College, Weinan 714000, China)Abstract Three programs written by MATLAB mathematical software were used to processdata obtained in physical chemistry experiment of "the rate equation of reaction between iodineand acetone". The reaction order could be derived by designed experimental procedure based on i-solated algorithm. Results showed that the programs written by MATLAB software couldprocess experimental data of physical chemistry accurately and conveniently. Therefore, the ap-plication of MATLAB in physical chemistry experiments could supplement teaching contents andimprove teaching effect.Keywords MATLAB; physical chemistry; kinetics;YH化否