化學(xué)教育(http://www.hxjy.org2015年第2期信息技術(shù)與化學(xué)MATLAB在動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用高錦紅(渭南師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院陜西渭南714000摘要將 MATLAB數(shù)學(xué)軟件編寫程序用于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)“丙酮碘化反應(yīng)速率方程”的數(shù)據(jù)處理與繪圖,根據(jù)孤立法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟以此推得反應(yīng)級(jí)數(shù),所得結(jié)果準(zhǔn)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(diǎn),可以補(bǔ)充和改進(jìn)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。關(guān)鍵詞 MATLAB物理化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)級(jí)數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理DOI:10.13884/1003-3807hxjy.2014040036物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)化工類學(xué)生必修的一門基和H+濃度密切相關(guān)。礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程,該實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)處理量大且計(jì)算煩瑣,假設(shè)上述反應(yīng)的反應(yīng)速率方程為幾乎所有的實(shí)驗(yàn)都離不開大量的計(jì)算和繪圖。目前在物理化學(xué)課程的現(xiàn)行教材和教學(xué)中,對(duì)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(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行復(fù)雜數(shù)值信息的處理成反應(yīng)級(jí)數(shù),將該式取對(duì)數(shù)得為教學(xué)改革與創(chuàng)新的趨勢。 MATLAB軟件是20世紀(jì)80年代推出的一套高效工程計(jì)算語言,它集lg()=lk+xlg兩+ygc+zlg碘數(shù)值計(jì)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(xué)形式的語言編寫程序,易于學(xué)習(xí)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(yīng)的速率方程”是化學(xué)、化工等這樣反應(yīng)速率只是該物質(zhì)濃度的函數(shù)。以lg(專業(yè)物理化學(xué)中的一個(gè)必做實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)采用孤立dc碘/dt)對(duì)該組分濃度的對(duì)數(shù)作圖,所得直線的斜法來推得速率方程,是動(dòng)力學(xué)研究中常用的一種方率即為該物質(zhì)在此反應(yīng)中的反應(yīng)級(jí)數(shù)。同理,可以法。孤立法是設(shè)計(jì)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(yīng)級(jí)數(shù)。具體實(shí)驗(yàn)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(yīng)對(duì)該物質(zhì)的級(jí)數(shù),同樣得到各種作用物的級(jí)1.2實(shí)驗(yàn)儀器和試劑數(shù),從而確立速率方程。由于本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理量儀器:UV-2000紫外分光光度計(jì)(北京萊伯大,學(xué)生在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)均采用坐標(biāo)紙進(jìn)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(jì)算不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)工,且處理的數(shù)據(jù)不理想。采用 MATLAB軟件編寫程序進(jìn)行mL);碘量瓶(100mL);燒杯(50mL)本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理與作圖,所得結(jié)果準(zhǔn)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(diǎn)。(2.0mol/L)。1實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)步驟及其注意事項(xiàng)1.1實(shí)驗(yàn)原理2.1實(shí)驗(yàn)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(yīng)是一個(gè)復(fù)雜反(1)2.0mol/L丙酮溶液的配制:用25mL移應(yīng),其反應(yīng)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(zhuǎn)移到100mL碘量瓶中式中X為鹵素。實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)速率幾乎與X備用。H中國煤化工的種類及其濃度無關(guān),而與溶液中的CH3COCH3(2)0CNMHG制:準(zhǔn)確稱取渭南師范學(xué)院教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目(JG201319);渭南師范學(xué)院特色學(xué)科項(xiàng)目(14TSXK04)通信聯(lián)系人, E-mail: gjh@163.cm2015年第2期化學(xué)教育(http://www.hxjy.org0.7133gKIO3于250m燒杯中微熱溶解,加入(2)混合反應(yīng)溶液時(shí)操作必須迅速準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果(3)鹽酸與碘混合溶液的配制:取7個(gè)25mL本實(shí)驗(yàn)具體實(shí)驗(yàn)步驟可參考教材第109頁容量瓶編號(hào),按編號(hào)1~7分別加入表1中的溶液。(Ⅳ實(shí)驗(yàn)步驟)。儀器操作實(shí)驗(yàn)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(jì)進(jìn)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(jìn)入光度測量界面,0.5、2.0mol/L進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。表1混合溶液中鹽酸、碘和丙酮的體積(3)設(shè)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(jìn)行校正acetone in mixed solution2.1.3樣品測量體積v/m樣品序號(hào)在樣品池中放入樣品液,其方法如下:向1號(hào)樣中加入2.0mol/L丙酮2.5mL時(shí)開始記時(shí),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(chǔ),每1min記錄1次,記錄8min后結(jié)束測量5.0按上述方法依次測量2、3、4、5、6、75號(hào)樣2345675.010.05.02.2實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)5.015.01)溫度影響反應(yīng)速率常數(shù),實(shí)驗(yàn)時(shí)體系始終要恒溫。表2時(shí)間t和吸光度值A(chǔ)Table 2 Time and absorbance value實(shí)驗(yàn)吸光度值A(chǔ)反應(yīng)時(shí)間t/min1號(hào)樣2號(hào)樣樣4號(hào)樣5號(hào)樣7號(hào)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(shè)計(jì)7個(gè)系列反應(yīng),每個(gè)反應(yīng)測定8第1步程序:根據(jù)表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以吸光度個(gè)吸光度值信息點(diǎn)(數(shù)據(jù)列于表2),利用MATA值對(duì)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(yīng)實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)級(jí)數(shù)運(yùn)行程序如下:的計(jì)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(xué)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(guān)’,t,A6,t,A7,k,P5=polyfit(t, A5, 1)t,A7)P6=polyfit(t, A6, 1)tite(以吸光度值A(chǔ)對(duì)時(shí)間t作圖)P7=polyfit(t, A7, 1)legend(1號(hào)樣,2號(hào)樣,3號(hào)樣,4號(hào)樣,%記錄P斜率數(shù)據(jù)%5號(hào)樣,6號(hào)樣,7號(hào)樣);第1步程序運(yùn)行完畢。記錄運(yùn)行結(jié)果,將擬合gtext (A), gtext (t/min)曲線斜率值(P1~P7)列于表3。同時(shí)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(yùn)行值0.00830.01310.0524以吸光度值A(chǔ)對(duì)時(shí)間作圖表4斜率的對(duì)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(hào)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(duì)時(shí)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(yùn)行第2步程序計(jì)算7條擬合曲線log(-dA/d)對(duì)log兩作圖求反應(yīng)級(jí)數(shù)x,根據(jù)斜率的對(duì)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(duì)logc艘作圖求反程序代碼如下:應(yīng)級(jí)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(yùn)行值%subplot記錄第2步運(yùn)行結(jié)果k1值,列于表4。本實(shí)plot (cl, kl,o, cl, kl)驗(yàn)根據(jù)孤立法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,設(shè)計(jì)的前4個(gè)系列溶title(斜率和丙酮濃度的雙對(duì)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(yīng)對(duì)丙酮的級(jí)數(shù)x,設(shè)計(jì)的后4中國煤化工個(gè)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(yīng)對(duì)酸的級(jí)數(shù)ysubplot 1222015年第2期化學(xué)教育(htp://www.hxjy.org)·71title(斜率和酸濃度的雙對(duì)數(shù)圖);以上3步程序運(yùn)行結(jié)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和作gtext (log (-dA/dt)), gtext (c 4)圖問題,并得到較理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果%記錄x和y顯示結(jié)果%4討論與結(jié)果運(yùn)行結(jié)果:x=1.0607y=1.0027運(yùn)用 MATLAB軟件完成了丙酮碘化反應(yīng)的速從結(jié)果得n=x+y=2.0634,接近2,即丙酮率方程實(shí)驗(yàn)中斜率的計(jì)算及At和斜率對(duì)濃度雙對(duì)碘化反應(yīng)對(duì)時(shí)間而言級(jí)數(shù)為2,與理論反應(yīng)總級(jí)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(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,將數(shù)值軟件與實(shí)(A1-A).1.1計(jì)算,其中h=180ml.驗(yàn)教學(xué)結(jié)合起來,能拓寬學(xué)生的視野、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,也能培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)知識(shí)解決實(shí)際L-1·cm1。由于用此公式時(shí)Al和A2的選擇具問題的能力,同時(shí)也能補(bǔ)充和改進(jìn)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教有主觀性,則k值計(jì)算可用計(jì)算器完成。選取2號(hào)學(xué)。將 MATLAB語言應(yīng)用于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處樣的時(shí)間t2和t6及相對(duì)應(yīng)的吸光度值A(chǔ)2、A6代理與作圖中具有良好的教學(xué)效果,應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)教學(xué)入k計(jì)算公式,得k=3.067×10°L·mol!中加以推廣應(yīng)用。in-1。計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)參考值很接近。圖2所示為求反應(yīng)級(jí)數(shù)x、y的擬合曲線,擬合結(jié)果表明采用 MATLAB數(shù)學(xué)軟件所編寫的程序可以在同[1]賈瑛,許國根,嚴(yán)小琴.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn).西安:西北工業(yè)窗口給出2條擬合曲線,圖2證實(shí)了log(-dA/大學(xué)出版社,2009d)對(duì)濃度c作圖是線性關(guān)系。[2]楊濤.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2012,29(10):1387-1390率和丙酮濃度的雙數(shù)陽斜和酸濃度的雙對(duì)數(shù)圖[3]許國根,許萍萍,譚憲林. MATLAB在化學(xué)中的應(yīng)用西安:西安交通大學(xué)出版社,2005[4]逯洋,譚振江,閏永勝,計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2012,29(10):1194-1198[5]黃雪征,張磊.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2012,29(8):991[6]曾志勇,彭萬峰,余偉俊。計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2013,30[7]王帥,鐘宏,楊華,等.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用,2007,249(7):L.=[8]復(fù)旦大學(xué).物理化學(xué)實(shí)驗(yàn).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(duì)濃度作雙對(duì)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