Origin软件数据提取及处理在物理化学实验中的应用

           ——以萘的燃烧热测定为例

李宇明，王雅君，姜桂元 

（中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室，北京 昌平 102249）

[摘  要]利用Origin软件对实验数据进行提取及分析，可以高效精确完成实验结果处理。本文以萘的燃烧热测定为例，对Origin软件在实验中的应用进行详细介绍。通过深入学习，提高学生在实验课程中积极性，增强解决问题、分析问题的能力。

[关键词]Origin软件，物理化学实验，燃烧热

[基金项目]中国石油大学（北京）校级本科教学工程项目

[作者简介]李宇明，1987年生，33岁，汉族，女，博士，助理研究员。

随着数据处理软件的普及与发展，理工类实验研究中可以利用各种软件对实验数据进行处理，其中Origin软件是目前应用范围较广、操作较为灵活以及人机交互性能体验良好的数据处理软件之一。物理化学实验课程是重要的化学基础实验课程之一，其内容涵盖热力学、化学动力学、电化学等多个领域。利用这一课程，通过理论联系实际，在学习实验技能的基础上，提高学生对数据采集、处理及分析的能力，培养学生严谨的科学态度与作风。加深对物理化学基本原理的理解，构建学生利用实验解决实际问题的能力。在本课程中，需要大量进行大量实验数据的加工，通过利用Origin软件，可以有效提高学生对科学方法的掌握，增强数据提取、处理及分析能力。

一、Origin软件基本介绍及其在化学化工实验中的应用

OriginLab公司，最初于1992年开发了Origin数据处理软件，用于数据2D/3D作图、拟合以及分析等。可以读取ASCII、Excel以及SPC等多种格式数据，且可以直接对图像中的数据进行提取。目前，Origin版本已经更新到Origin 2020，具有了更为丰富的功能，结合其各种类型插件，可以充分满足大部分实验、科研以及工程等领域的数据处理、分析及拟合要求。

目前，Origin软件在化学化工实验领域已经得到充分的应用。郭欣桐等[1]在化学动力学测定过程中，使用Origin对所得数据进行非线性拟合，得到各项相关动力学参数。利用Origin软件线性拟合功能，郭晓刚等[2]成功获得离心泵的性能测试参数，实现对数据复杂的化工实验进行有效分析。Origin软件可以实现构建复杂的图形网络，如吴琼等[3]实现对二组分水-盐系统相图进行绘制。此外，Origin软件还在分析化学[4]及催化化学[5]等领域具有广阔的应用。在物理化学实验课程中，部分实验软件只提供数据图，无法提供详细数据值，而利用Origin软件，可以通过自动识图功能，实现实验数据的高效提取。进一步利用软件，实现对数据微分、切线、积分等处理，其精确度远高于手动作图。本文以萘的燃烧热测定为例，对Origin在物理化学实验中的数据提取、处理以及分析过程等进行串联，便于实现教学内容形象生动化处理。

二、萘的燃烧热测定实验基本概述

本实验目的在于通过恒容摩尔燃烧热的测试，得到萘燃烧过程中恒压摩尔燃烧热，由此即得到该过程的内能变化以及焓变值。物质的摩尔燃烧热代表每摩尔物质完全燃烧时所释放出的热量。其中，当燃烧过程固定体积时，得到的为恒容燃烧热（Q_V），Q_V与该过程内能变化（Δ_rU_m）相等。而固定压力时，测定得到恒压燃烧热（Q_p），Q_p与该过程焓变Δ_rH相同。其中，Q_V与Q_p关系为：

                                 (1)

其中，T为反应温度，单位K；Δn为燃烧前后气体物质的量变化，单位mol；R为摩尔气体常数，取8.314 J/(mol·K)。

本实验使用氧弹式量热计进行测试，将待测样品放入氧弹中进行燃烧，通过测定燃烧过程中，氧弹周围环境的温度变化，可以的得到这一过程中的恒容燃烧热，具体公式如下：

            (2)

其中，m、m_棉线以及m_点火线分别表示待测样品、固定用棉线以及点火线的质量，单位kg；Mr为待测样品的摩尔质量，单位kg/mol，ΔT为温度变化值，单位K；Q_V,m为待定摩尔恒容燃烧热，单位，Q_V棉线和Q_V点火线分别为所用棉线和点火线的恒容燃烧热，本实验中分别为-16736 kJ/kg和-3243 kJ/kg；K为仪器参数，本实验使用已知物质苯甲酸进行测算。

三、Origin对萘燃烧热测试实验数据的提取与处理

（一）实验数据的提取

本实验过程中，实验数据采集后，由采集软件自动生成温度-时间变化图，为了直接从数据图中提取实验数据，使用Origin软件中的图片数据提取功能，得到图1(a)所示画面。在图1(a)界面中，将图中的四条直线，分别移动到具有固定数值坐标值处，作为定位数轴使用。同时在图1(b)中，AxisValue框中，填入每条定位数轴代表的数据值。继续可以通过控制界面中，选择手动提取数据点模式或自动提取数据点模式，由于本实验中获得的数据图较为清晰，因此原则自动获取数据图。进入自动模式后，进入界面，点击曲线后，可获得图2(a)所示，实现Origin对数据的辨认。进一步使用图2(b)中的转到数据模式，可完成实验数据的提取工作。

图2 (a)自动模式对数据图的提取；(b)转到数据按钮

（二）实验数据的处理与分析

将获得的数据，利用作图工具进行图形的绘制工作，同时利用雷诺温度校正法进行温度的校正。对做出的数据图，利用作图工具中的相关组件进行细节部分的调整与修改工作，最终得到数据图如图3所示。

利用T1’与T2’得到ΔT，使用苯甲酸作为标准物质，利用公式1、公式2及表1中的基本数据，可计算能得到萘的摩尔燃烧热为5105 kJ·mol^-1。

图3 使用雷诺温度校正法进行数据处理工作

四、结论

从上述实验数据处理过程可以看到，Origin软件在数据处理过程中具有强大的优势。可实现图片中数据的提取、数据绘图以及相关数据拟合等，是包括物理化学实验课程在内的众多理工类课程实验的强有力支持。熟练掌握并运用Origin软件进行数据处理，可有效提高数据处理速度以及准确度。且其友好的人机交互界面也提高了学生的学习积极性及主动性，有效加强学生对数据处理过程的认识，提高学生分析问题的能力，完善学生对实验课程的理解。

[参考文献]

[1] 郭欣桐, 俞佳娜, 牛秀红, Origin 软件在化学反应动力学实验中的应用, 化学工程与装备, 2017, 3, 19-22.

[2] 郭晓刚, 石文兵, 袁斌芳, 徐建华, Origin 软件灵巧处理化工实验数据及其在实验教学改革中的作用, 教育教学论坛, 2018, 30, 272-273.

[3] 吴琼, Origin 软件在物理化学相平衡教学中的应用, 化工高等教育, 2017, 51, 155, 85-88.

[4] 陈淑华, 李善妮, 马昌杯, 朱飞舟, 张文, 殷渊, Origin 软件在福林-酚试剂法测定蛋白含量实验数据处理中的应用, 教育教学论坛, 2019, 51, 267-268.

[5] 李自卫, 李敏, 唐安江, 质谱联用仪数据处理实例：Origin软件关联程序升温氧化, 化学教育, 2018, 39, 69-71.

Application of Origin in data extraction and analysis in physical chemistry experiments with naphthalene heat combustion measurement

 Li Yuming, Wang Yajun, Jiang Guiyuan

 (State Key Laboratory of Heavy Oil, China University of Petroleum (Beijing), Beijing Changping 102249)

    With the assistance of Origin in physical chemistry experiments for data extraction and analysis, the data in experiments could be obtained efficiently, precisely and fast. In this paper, naphthalene heat combustion measurement was taken as the example to detailedly explain the usage of Origin. With deep learning, Origin could increase the positivity of students, and enhance their ability in solving and analyzing problems.

Origin，physical chemistry experiments，heat combustion