MATLAB在动力学实验数据处理中的应用

化学教育(http://www.hxjy.org2015年第2期信息技术与化学MATLAB在动力学实验数据处理中的应用高锦红(渭南师范学院化学与生命科学学院陕西渭南714000摘要将 MATLAB数学软件编写程序用于物理化学实验“丙酮碘化反应速率方程”的数据处理与绘图,根据孤立法设计实验步骤以此推得反应级数,所得结果准确度高,避免了传统数据处理方法所带来的人为误差,具有方便、快速与直观等优点,可以补充和改进物理化学实验的教学。关键词 MATLAB物理化学动力学反应级数实验数据处理DOI:10.13884/1003-3807hxjy.2014040036物理化学实验是化学化工类学生必修的一门基和H+浓度密切相关。础实验课程,该实验中数据处理量大且计算烦琐,假设上述反应的反应速率方程为几乎所有的实验都离不开大量的计算和绘图。目前在物理化学课程的现行教材和教学中,对数据的处d碘=kc丙cC理大多还是停留在手工处理层面。将数值软件用式中x,y,z分别代表丙酮、氢离子和碘的于物理化学实验教学中进行复杂数值信息的处理成反应级数,将该式取对数得为教学改革与创新的趋势。 MATLAB软件是20世纪80年代推出的一套高效工程计算语言,它集lg()=lk+xlg两+ygc+zlg碘数值计算、图形可视化等功能于一体,允许用户以在上述3种物质中,首先固定其中2种物质的数学形式的语言编写程序,易于学习和掌握2-7。浓度,配制出浓度不同的一系列第3种物质溶液,丙酮碘化反应的速率方程”是化学、化工等这样反应速率只是该物质浓度的函数。以lg(专业物理化学中的一个必做实验,该实验采用孤立dc碘/dt)对该组分浓度的对数作图,所得直线的斜法来推得速率方程,是动力学研究中常用的一种方率即为该物质在此反应中的反应级数。同理,可以法。孤立法是设计一系列溶液,其中只有某一物质得到其他2种物质的反应级数。具体实验原理参考的浓度不同,而其他物质的浓度均相同,借此可求教材第107-108页。得反应对该物质的级数,同样得到各种作用物的级1.2实验仪器和试剂数,从而确立速率方程。由于本实验数据处理量仪器:UV-2000紫外分光光度计(北京莱伯大,学生在进行数据处理时均采用坐标纸进行手工泰科有限公司);容量瓶(25mL);移液管(5作图,手工作图和数据计算不仅费时费工,且处理的数据不理想。采用 MATLAB软件编写程序进行mL);碘量瓶(100mL);烧杯(50mL)本实验的数据处理与作图,所得结果准确度高,具试剂:丙酮溶液(2.0mol/L);盐酸溶液有方便、快速与直观等优点。(2.0mol/L)。1实验部分实验步骤及其注意事项1.1实验原理2.1实验步骤以丙酮碘化为例,说明如何用孤立法和稳态近21.1溶液配制似条件推得速率方程。丙酮卤化反应是一个复杂反(1)2.0mol/L丙酮溶液的配制:用25mL移应,其反应式为:液管吸取14.7mL丙酮加人100mL容量瓶中,用CH; COCH3+ X2-CH3 COCH2X+x+H+去离子水稀释至刻度后转移到100mL碘量瓶中式中X为卤素。实验表明反应速率几乎与X备用。H中国煤化工的种类及其浓度无关,而与溶液中的CH3COCH3(2)0CNMHG制:准确称取渭南师范学院教育教学改革研究重点项目(JG201319);渭南师范学院特色学科项目(14TSXK04)通信联系人, E-mail: gjh@163.cm2015年第2期化学教育(http://www.hxjy.org0.7133gKIO3于250m烧杯中微热溶解,加入(2)混合反应溶液时操作必须迅速准确分析纯KI5.5g,加热溶解;再加入0.41mol/L(3)比色皿的位置不得变化HCl50mL混合后定容于1L容量瓶中。3数据处理与实验结果(3)盐酸与碘混合溶液的配制:取7个25mL本实验具体实验步骤可参考教材第109页容量瓶编号,按编号1~7分别加入表1中的溶液。(Ⅳ实验步骤)。仪器操作实验中盐酸、碘与丙酮混合溶液配制如表1所(1)开启紫外分光光度计进行自检。示。表1中碘、盐酸和丙酮的浓度依次为0.01(2)待仪器自检完成后,进入光度测量界面,0.5、2.0mol/L进行参数设置。表1混合溶液中盐酸、碘和丙酮的体积(3)设置好参数后,将样品池和参比池都放入Table 1 The volume of hydrochloride, iodine参比液,仪器进行校正acetone in mixed solution2.1.3样品测量体积v/m样品序号在样品池中放入样品液,其方法如下:向1号样中加入2.0mol/L丙酮2.5mL时开始记时,用5.0去离子水迅速定溶至刻度后装入比色皿中,测量吸4.0光度值A,每1min记录1次,记录8min后结束测量5.0按上述方法依次测量2、3、4、5、6、75号样2345675.010.05.02.2实验注意事项5.015.01)温度影响反应速率常数,实验时体系始终要恒温。表2时间t和吸光度值ATable 2 Time and absorbance value实验吸光度值A反应时间t/min1号样2号样样4号样5号样7号样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根据表1设计7个系列反应,每个反应测定8第1步程序:根据表2中实验数据,以吸光度个吸光度值信息点(数据列于表2),利用MATA值对t作图,求7条拟合曲线的斜率(P1~P7)。LAB软件编程完成丙酮碘化反应实验中反应级数运行程序如下:的计算%第1步程序t=[12345678];A1=[0.38310.37700.36930.36140.35250.3435A2=[0.38130.37200.35820.34700.33320.3199中国煤化工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·化学教育(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,‘关’,t,A6,t,A7,k,P5=polyfit(t, A5, 1)t,A7)P6=polyfit(t, A6, 1)tite(以吸光度值A对时间t作图)P7=polyfit(t, A7, 1)legend(1号样,2号样,3号样,4号样,%记录P斜率数据%5号样,6号样,7号样);第1步程序运行完毕。记录运行结果,将拟合gtext (A), gtext (t/min)曲线斜率值(P1~P7)列于表3。同时绘制出7条Pl=polyfit(t, Al, 1拟合曲线图(如图1)。P2=polyfit(t, A2, 1)表3拟合曲线斜率值Table 3 The slope value of fitting curves运行值0.00830.01310.0524以吸光度值A对时间作图表4斜率的对数值和酸与丙酮的浓度Table 4 The logarithm of slope and the concentrationof hydrochloride and acetone系列1系列2+7号样4.79150.204.04560.104.04560.403.33540.20Fig. 1 The fitting curves of absorbance to time3.8728图1吸光度对时间拟合曲线2.9488第2步程序:将表3中数据作为第2步程序中第3步程序:根据表4中的系列1数据,以k0的输入值,运行第2步程序计算7条拟合曲线log(-dA/d)对log两作图求反应级数x,根据斜率的对数值log(-dA/d),即程序中的k值。系列2的数据以log(-dA/d)对logc艘作图求反程序代码如下:应级数,并在同一界面给出2条绘制曲线。程序代%第2步程序%码如下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值即为7条直线的logc10=[0.20.320.40.48]dA/dt)值cl=log (c10)x=polyfit (cl, kl, 1)%记录运行值%subplot记录第2步运行结果k1值,列于表4。本实plot (cl, kl,o, cl, kl)验根据孤立法设计实验方案,设计的前4个系列溶title(斜率和丙酮浓度的双对数图);液中只有丙酮的浓度不同,其他物质的浓度均相k2=[-4.0456=36420-3354-294881;同,借此可求得反应对丙酮的级数x,设计的后4中国煤化工个系列溶液中只有酸的浓度不同,其他物质的浓度CNMHG, k2, 1)均相同,借此可求得反应对酸的级数ysubplot 1222015年第2期化学教育(htp://www.hxjy.org)·71title(斜率和酸浓度的双对数图);以上3步程序运行结果表明,采用 MATLABgtext(log(-dA/dt)), gtext(c丙_酮所编制的程序可以方便地处理大量的实验数据和作gtext (log (-dA/dt)), gtext (c 4)图问题,并得到较理想的实验结果%记录x和y显示结果%4讨论与结果运行结果:x=1.0607y=1.0027运用 MATLAB软件完成了丙酮碘化反应的速从结果得n=x+y=2.0634,接近2,即丙酮率方程实验中斜率的计算及At和斜率对浓度双对碘化反应对时间而言级数为2,与理论反应总级数数图形绘制。 MATLAB编程语言简单、方便、直相吻合。速率常数k的确定根据公式k=观。在物理化学实验教学过程中,将数值软件与实(A1-A).1.1计算,其中h=180ml.验教学结合起来,能拓宽学生的视野、激发学生的学习兴趣,也能培养学生应用计算机知识解决实际L-1·cm1。由于用此公式时Al和A2的选择具问题的能力,同时也能补充和改进物理化学实验教有主观性,则k值计算可用计算器完成。选取2号学。将 MATLAB语言应用于物理化学实验数据处样的时间t2和t6及相对应的吸光度值A2、A6代理与作图中具有良好的教学效果,应该在实验教学入k计算公式,得k=3.067×10°L·mol!中加以推广应用。in-1。计算结果与文献实验参考值很接近。图2所示为求反应级数x、y的拟合曲线,拟合结果表明采用 MATLAB数学软件所编写的程序可以在同[1]贾瑛,许国根,严小琴.物理化学实验.西安:西北工业窗口给出2条拟合曲线,图2证实了log(-dA/大学出版社,2009d)对浓度c作图是线性关系。[2]杨涛.计算机与应用化学,2012,29(10):1387-1390率和丙酮浓度的双数阳斜和酸浓度的双对数图[3]许国根,许萍萍,谭宪林. MATLAB在化学中的应用西安:西安交通大学出版社,2005[4]逯洋,谭振江,闰永胜,计算机与应用化学,2012,29(10):1194-1198[5]黄雪征,张磊.计算机与应用化学,2012,29(8):991[6]曾志勇,彭万峰,余伟俊。计算机与应用化学,2013,30[7]王帅,钟宏,杨华,等.计算机与应用,2007,249(7):L.=[8]复旦大学.物理化学实验.3版.北京:高等教育出版Fig.2 The double logarithm sketch of slope and concentration图2以斜率对浓度作双对数图社,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