刘园旭，刘欢欢，李 全，杨 永，李洋洋，张彩云

（安徽中医药大学 药学院，安徽 合肥 230012）

药用基础实验化学是安徽中医药大学药学院药学等相关专业一门独立的专业基础课程，是将传统四大化学（无机化学、有机化学、分析化学和物理化学）的实验内容按照知识体系与教学顺序整合为一体［1］。在无机化学、有机化学、分析化学实验中锻炼了学生实验规范操作能力和对实验现象的科学记录表达能力，而大部分物理化学实验项目，如蔗糖水解、皂化反应等测定反应速率的动力学实验，溶液表面张力的测定，黏度法测定高聚物的相对分子质量、三元相图的绘制等等，都会涉及到数据的处理和结果分析。对这些实验数据的计算及处理是一件复杂及繁琐的后续工作，在目前的学生实验中，大部分学生先利用计算器计算，然后在坐标纸上做图，根据图形再求相应的斜率、截距或做线性曲线拟合。用坐标纸作图是物理化学实验中重要的数据处理方法，也是学生必须掌握的数据处理能力之一，但坐标纸作图费时费力，并且在数据处理过程中往往会引入有效数字的保留、坐标轴范围选择、描点等各种误差，以致做出的图形粗糙且重复性差，导致实验结果误差较大［2］。针对以上问题，对某些物理化学实验，有必要引入方便、易掌握的数据处理软件供学生使用。

1 Origin 简介及其在物理化学实验中的应用

随着计算机技术的普及，用计算机软件作图快速且准确。目前，物理化学实验处理数据的软件主要有Microsoft Excel 和Origin 两种，Microsoft Excel 具有强大的数据处理功能，常用于各种表格的绘制，但其在数据分析及图形处理等方面不如Origin 强大，Origin 软件是美国Origin Lab 公司开发的具有深度数据分析和科技绘图功能的专业软件，简单易学、功能齐全、操作灵活的特点使其广泛应用于实验教学及科研领域［3］。

Origin 具有数据分析及绘图两大主要功能，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。Origin 可以导入包括ASCII、Excel、pClamp 等多种数据，准备好数据后，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 的绘图功能是基于各种二维或三维绘图模板，可以和各种数据库软件、办公软件、图像处理软件方便连接，绘图后可以把Origin 图形输出为JPEG、GIF、EPS、TIFF 等多种格式的图像文件［4］。

目前，结合笔者所在学院开课情况，物理化学实验中常用到Origin数据作图和线性拟合功能。涉及的实验主要包括：三元相图的绘制、表面张力的测定（数据做图）；动力学反应速率常数的测定、黏度法测定高聚物的相对分子质量（线性拟合）。本文以三元相图的绘制和蔗糖转化速率测定研究为例，对Origin 在物理化学实验中的数据处理及分析过程进行详细介绍，以充分体现该软件在数据作图上方便、快捷等特点。

2 Origin 在三元相图绘制实验的应用实践

根据相律f=k-φ+2，在三组分系统中（k=3），自由度数最大为4，四个变量分别为温度、压力和两个组分的相对含量，具有四个变量的相图不直观也不方便绘制，通常的处理方法是将温度及压力固定，剩下两个组分的相对含量为变量，处理时一般用等边三角形来表示三组分系统相图，通过开设一对液体部分互溶的三组分液-液平衡体系相图绘制实验，并根据实验绿色化原则，减少有害物质在学生实验过程中的使用，将传统的苯-乙醇-水三组分体系优化为冬绿油-异丙醇-水三组分体系［5］。

对于三组分系统中的任一物系点，常用逆时针方向在三角形的三条边上标出三个组分的质量分数［6］，而实验过程中使用的冬绿油、异丙醇、水在常温常压下都是液态，学生方便、快速得到各个组分的体积信息，结合各物质密度可计算出各组分的质量，而三角形相图中需要的是质量分数，因此需要各组分质量分数的计算，这需要学生对数据进行重复繁琐的处理，同时根据传统作图方法，需要将表1 进行计算完善，之后根据表格数据在坐标纸上进行10 个数据的描点绘图。由于三组分系统中微小的质量误差，都会带来较大实验现象的改变，因此在绘图过程中由于有效数字的保留等问题都可能会带来较大的误差。那么针对三元相图绘制类的实验，我们引入具有强大作图功能的Origin 软件，以方便、快速、准确地对数据进行后处理。

表1 冬绿油-异丙醇-水的体积、质量及质量分数数据

应用Origin8.5 软件，仅需3 步就可快速作出三组分系统的相图，步骤如下：首先在打开的workbook 中，使用快捷键添加新的一列并设置为z 轴（软件默认打开只有x、y 两列），将冬绿油、异丙醇以及根据实验现象滴定得到的水的体积分别输入在x、y、z 列中，并对每一列进行相应的命名（图1 第一步）。针对每一列，右击快捷键对数值进行设置（set column values），结合密度数据就可得到质量数据（图1 第二步），数据处理好后，即可作图。由于origin 自带包括三元相图在内的多种作图模板，选中数据点击plot-specializedternary 即可快速作图（图1 第三步），软件自动进行质量百分数的转换，最后将顶点及帽型区连线补充完整即可得到完整的三元相图（图2）。

图1 冬绿油-异丙醇-水三组分系统相图的做图过程

图2 冬绿油-异丙醇-水三组分系统的相图

3 Origin 在蔗糖转化速率测定实验中的应用实践

化学动力学是物理化学课程的重要部分，其中不同级数反应速率常数的测定又是化学动力学部分的核心内容。由于药物在体内的吸收、代谢等符合一级反应动力学特征，因此一级反应的反应速率常数的测定及有效期的预测是物理化学理论课及实验课经典且重要的内容。

蔗糖在酸性条件下的水解反应可以近似地看作一级反应，其反应动力学方程式为积分式为lnc=-k1c +lnc0，由于蔗糖在水解过程中，旋光度α 发生变化，而当溶剂性质、样品管长度、温度等其他条件固定时，旋光度α 与反应物浓度c 呈线性关系，因此在蔗糖水解反应过程中可以用旋光度α 的变化表示浓度c 的变化。将积分式改为旋光度α 的关系式为，在实验过程中需要测定随着时间t 旋光度α 的变化，结果记录如表2 所示。根据绘图，求出斜率，进而得到该一级反应的反应速率常数k1和半衰期t1/2。

表2 不同时间条件下的旋光度

根据实验结果可知，不同t 时刻条件下，用lg（αt-α∞）表示的浓度变化很小，因此有效数字的保留及描点误差会对实验的线性关系带来较大影响，另外该实验的数据量较大，用坐标纸作图会带来较大误差。而利用Origin 软件，通过简单的2 步即可求出反应速率常数，具体的绘图过程如下：首先在打开的workbook 中，x、y 两列分别输入不同时间t 及lg（αt-α∞）数值，选中数据点击plot-line+symbol，或者利用左下角快捷键直接作图（图3 第一步），依据图形点击Analysis-Fitting-Linear Fit 进行线性拟合（图3 第二步），并且可得各相关拟合参数及标准误差（图4）。

图3 蔗糖水解做图及线性拟合过程

图4 蔗糖水解的线性拟合图及相关参数

根据线性拟合，可得该一级反应的斜率为-0.0047，而在一级反应的动力学积分方程式中斜率为，因此可得25℃条件下，该一级反应的反应速率常数k1为0.0108 min-1，半衰期t1/2==64 min。

4 讨论

Origin 软件在以上两个实验数据处理过程中直观表现出强大的数据处理及绘图功能［7］，但目前物理化学实验关于Origin 的教学不完善，学生在做物理化学实验之前基本上没有接触过这个软件，这不利于培养学生数据处理、分析及将来科研能力，因此在物理化学实验过程中需要对Origin软件的使用内容及操作方法进行系统地讲解，由于该软件是药学及化学等相关专业研究生必须熟练掌握的软件之一，因此讲解内容不局限在物理化学实验课内容，还要介绍在使用软件过程中常用的其他作图功能，并借助本校物理化学为安徽省高等学校省级大规模在线开放课程（MOOC）示范项目的支持，把讲课内容录制成视频上传到慕课平台，供学生们随时观看。通过对Origin 软件的讲解和学习，相信很多学生都可以熟练使用Origin 软件，这有利于培养学生数据处理及分析的科研能力，也为以后的毕业实习及研究生学习打下坚实的基础。

5 结语

物理化学实验是药学院各专业学生重要的基础实验课程，但物理化学实验数据处理复杂使得学生对这门课程有畏惧心理。Origin 软件简单易学、操作灵活可以实现所有物理化学实验的数据处理，合理地应用Origin 软件处理物理化学实验数据，大大减少了数据的后处理时间，有效提高数据处理的速度和准确度，可以得到科学规范的数据结果，准确反应实验变化规律，从而提高学生学习该门课程的积极性，并且该软件的应用和普及对学生科学思维及科研能力的锻炼和提升也具有重要作用。