成果总结材料
2016-06-01 06:53  

物理化学实验仪器装置和软件的研发与应用

仵博万  任亚莉  侯丽杰  韩彦霞  孔超  张甜甜

自行研制组装四种物理化学实验教学仪器装置:滴体积法表面张力、罗氏泡沫仪、压力微调装置和煤尘抑制剂喷洒装置;设计方案,编写程序、开发系列软件与数据处理系统,节约资金的同时解决了相关仪器缺乏影响教学质量的问题和通过计算机完成物理化学实验中理论计算、数据处理、实验演示、实验控制与数据采集等一系列问题。相关成果申请专利2项,获得2项软件著作权,发表相关教学改革论文4篇,获得陇东学院相关教学成果奖励6(其中教学成果一等奖1次,二等奖3次,精品课程和重点建设课程各1)。相关成果于应用教学中,通过“硬件不足软件补”的措施优化课程结构,提高教学质量,有利于激发学生的学习兴趣,提高实验结果的准确度和精密度,培养学生应用能力。达到同类高校先进水平,具有良好的应用价值。

1. 设计组装了滴体积法表面张力仪,申请相关专利1

    对表面活性剂的研究,最主要的是测定其溶液的表面张力,而市场上最便宜的表面张力仪也在一万元以上,好一些的表面张力仪在10万元以上。测定表面张力的方法有好几种,其中滴体积法是最简单、也是最精确的方法。我们设计的滴体积法装置,成本只有几百元。我们设计研发的滴体积法表面张力仪,测量结果精确,应用于教学过程效果良好,为学校节约了10万元以上的资金。申请发明专利1项(申请号: 201510204069, 公开号:CN105521839公开日:2016.04.27.)。

2. “滴体积法测定液体()表面张力数据处理系统”获计算机软件著作权1

    表面张力是影响多相体系的相间传质和反应的关键因素之一,表面张力是液体重要的物理性质参数之一,是影响各种化学反应和生物反应的关键因素之一,也是化学工程计算中必不可少的基础物性参数。表面活性剂被称为“工业味精”,在现代工业中占据越来越重要的作用,只要涉及到表面活性剂的工作就需要测定表面张力,对表面活性剂的表征,最主要的也是测定其溶液的表面张力。测定表面张力的方法有好几种,可分为静态法和动态法,静态法主要有毛细管上升法、最大气泡压力法、吊环/吊片法、悬滴法、滴体积法等。其中,滴体积法是操作最简单,结果最精确的方法。但是,表面张力无法直接通过热力学关系式导出,其数据处理过程比较繁琐。我们设计的这种滴体积法表面张力数据处理系统的计算结果与按照北京大学朱步瑶和赵国玺前辈的经典文献(化学通报, 1981,(6): 21-26.)的计算结果完全相符,解决了靠手工之不便;为研制滴体积法自动化表面张力仪器解决了一个瓶颈问题,具有一定的实用价值。(软著登字第0772683,中华人民共和国国家版权局2014SR103439.

 

3. “最大气泡法测定溶液表面张力数据处理系统”获计算机软件著作权1

“最大气泡法测定液体的表面张力”是一个基本的物理化学实验。它不仅提供了简便测定溶液附加压力Δp、表面张力σ的技术,也验证了表面化学基础理论(拉普拉斯方程、吉布斯等温吸附方程、朗格缪尔吸附方程),使学生学会使用简单数学的途径进行数据处理的方法,获得溶液表面吸附量Γ、吸附分子横截面积S0等信息。最大气泡压力法,实际上是将毛细管上升法反向来考虑而产生的一种测定方法,所以其原理与毛细管上升法相仿。本实验首先测定不同浓度(Wt) 正丁醇水溶液的折光率数据,做出相应的nD-Wt曲线,各溶液的浓度将由测定的折光率数据从nD-Wt曲线拟合关系准确获得。其次是由实验温度下水的表面张力和测得的附加压力Δp,计算出实验的毛细管常数K;测得同温下溶液不同浓度的压力差,根据公式σ=kΔp计算出表面张力σ。第三是以浓度c为横坐标,表面张力σ为纵坐标作图。在σ-c曲线上任取若干点,分别做出切线,求得其斜率。第四是根据吉布斯吸附方程式求算各浓度的吸附量,并画出吸附量与浓度的关系图。设溶液为单分子层吸附 ,且满足朗格缪尔吸附等温式(式中为饱和吸附量,K为经验常数),以作图,从直线斜率求得;最后可计算被测物质分子的横截面积(N0为阿伏伽德罗常数)

教材中“手工处理法”是最直观和最原始的方法,它是利用曲线板对表面张力与浓度的实验数据手工绘出σ-c曲线。然后选取不同的浓度点作切线,切线的斜率便是该浓度点所对应的表面张力对溶液浓度的导数值,由于其实验的数据处理繁杂, 常规的手工绘图计算误差较大。本实验数据处理系统用Matlab的“曲线拟合”功能对σ-c曲线进行对数拟合或多项式拟合,得拟合方程和曲线。再对拟合方程求导计算曲线斜率,使计算、拟合等数据处理与作图的全部实验数据处理过程通过计算机的直观界面来完成,不仅提高了工作效率,避免了手工计算的繁琐和带来的误差,实现了快捷完全计算机处理,而且使数据处理过程明了、简单,结果更加准确可靠,精度较高。在表面张力测定实验教学中使用,效果显著,具有很好的参考和应用价值。计算机软件著作权(软著登字第0919107,中华人民共和国国家版权局2015SR032028.

4.自制并组装三套罗氏泡沫仪,结实耐用

    罗氏泡沫仪(ROSS-Miles法)是通过溶液降落法测定肥皂、合成洗衣粉、洗衣皂粉、洗发水、洗发露、香波、洗洁精(餐洗精)、洗手液等洗涤剂的泡沫活动数值的仪器。溶液自一定垂直位置向下降落,在刻度管小央发生泡沫活动,测量其高度,测定其泡沫活动数值。符合GB/T7162-94;ISO696-75国家标准等标准所规定的技术要求。我们自制泡沫仪大理石台架,在淘空网订购优质厚壁高硼硅玻璃刻度管、定量漏斗、大号铁夹等组装三套2151罗氏泡沫仪,结实耐用,与恒温装置联用,性能良好,测量结果准确,节约资金的同时解决了教学仪器短缺的问题,还有利物培养学生的动手能力。

5. 研制了一种可调高压细水雾型煤尘抑制剂喷洒装置,申请实用新型专利1(已授权)

针对抑尘剂的特点,设计研制出了一种动力足,压力可调,通过回流管可实现无压启动、停机卸压、回流冲洗和防止浪费的细水雾型煤尘抑制剂喷洒装置。可用于实验室抑尘剂应用研究,也可用于煤矿生产、煤炭运输、露天煤场存放和工程建设等方面的抑尘剂喷洒。

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6.设计了3个基于Gaussian程序的理论计算实验,补充、拓宽教学内容,形成“理论-计算-实验”的化学教学与研究新模式。

6.1 Gaussian程序使用——分子结构计算的输入

                  

6.2甲烷生成热和燃烧热的理论计算

6.3 氯代环丙烷振动光谱和简振模式分析的理论研究

7. 基于VF开发了电导法测定乙酸解离常数实验数据处理系统并应用于教学中,发表学术论文1

7.1 软件设计

电导测定不仅是一个典型的物理化学实验,而且有着广泛的应用,本软件使用Visual FoxPro 6.0 开发制作。Visual FoxPro 6.0是自含型数据库管理系统,是解释型和编译型混合的系统,可以解释方式定义,操纵数据库,也可以将操作过程编写为程序进行编译,脱离系统直接运行,由他生成的软件,小巧,灵活,使用方便,占用内存小[6-8]

7.1.1 本系统主要具有以下几方面的功能

⑴“实验选项信息”的输入、修改与保存:由于实验结果会受到环境的影响,因此,我们需要客观准确的保存室温、大气压、实验时间、所用仪器编号等实验选项信息,以方便以后的数据分析。

⑵实验数据的输入、计算、保存与显示:在此实验过程中,需要测定乙酸的电导率、水的电导率等数据,由于这些数据都比较小,通常以科学计数法表示,在10-4左右,而计算的结果会更低,这就给数据的输入、计算、保存、显示都提出了很高的要求。

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图1 系统总体结构图
⑶实验数据的输出与读取:实验需要测定的数据较多,对实验数据方便的保存与读取将会让实验过程变的简单、轻松,减少不必要的重复,同时也保证了数据的准确性。

⑷实验结果的显示:通过结果的显示,有利于发现误差较大的数据,并及时的修改。

⑸实验报告单的输出:系统中可以的生成专业的实验报告单,包含实验者、实验温度、室温、实验时间、所用仪器、实验结果等与实验相关的所有信息,并对实验数据进行了统计处理。还可以方便的调用实验结果到任何需要的地方去。

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图2 实验选项表单
7.1.2体系结构

根据以上功能需求,本系统由实验选项信息输入、实验数据输入、实验结果显示、实验报告单输出四大模块组成。系统总体结果如图1所示。

7.1.3 关键程序设计说明

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图3 实验数据输入表单
由于实验中测定的数据是以科学计数法表示的,为了方便快速输入,采用文本框加微调按钮的方式输入。对于计算的显示,由于在计算机中科学计数法表示的数字将保留15位有效数字,不利于查看,因此将计算的结果四舍五入保留四位有效数字后转化成了文本类型,具体代码包括以下几个方面:输入数据验证、数据定义、指数数据、最终数据、浓度数据、数据处理、电离度计算、离解常数计算、数据格式化、结果显示、数据输出、数据保存、实验数据读取等。

7.1.4 系统界面设计与使用方法

实验选项表单输入界面如图2所示,包括实验者、室温、气压等信息,有助于后边生成详细的实验报告单。

实验数据输入界面如图3所示,在此界面中,需要输入实验温度、乙酸浓度、电导水的电导率、以及试验中测定的溶液的电导率数据,还可方便的通过“输出数据”按钮将输入的数据保存到任意文件夹中也可通过“读取数据”按钮从以前保存的实验数据文件夹中读取实验数据

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图4 实验数据处理表单
当所有的数据正确输入后,可通过“数据处理”按钮对实验数据进行处理,查看实验结果,如图4所示为了方便操作,系统还制作了快捷菜单,可通过单击鼠标右键随时打开快捷菜单方便的进行以上的操作。当以上工作都完成后,可通过“打印结果”按钮打印实验报告单。

7.2  软件的主要特点

7.2.1 安装运行简单

该软件为可在Windows 9X及更高版本操作系统下脱离Visual FoxPro 6.0运行的绿色软件,运行“乙酸电离度测定.exe”文件即可将应用程序安装到计算机上,单击“开始”-“程序”菜单中的“乙酸解离度测定”快捷方式即可进入系统,界面友好,交互性强,操作方便。

7.2.2 功能完备,数据输入与处理方便、快捷,可打印输出结果

此系统为物化实验“电导法测定乙酸解离度”量身制做,实验过程中所得数据大多为科学计数法表示的数字,本系统中采用底数、指数分别输入的方式使得数据的输入变的简单有趣。在整个实验过程中,只需要输入实验中测定的电导率数据,就可以得到最终的实验结果并生成实验报告单,处理过程简单快捷。实验完成后,可快速得到专业化的详细实验报告单,包含实验时间,气压,所用仪器编号,实验人员等信息,省却对实验数据的处理。

 

8. 基于VB设计开发了一系列数据处理软件

本部分解决实验数据处理过程中存在的计算复杂,由于作图时不可避免的误差而影响最终实验结果等问题[1]。同时还对该实验进行了物理模拟,让学生在没有预习的情况下也可以尽快的了解实验的目的、原理、注意事项和所用药品、仪器等。以Visual Basic 6. 0[2]为开发工具,采用最小二乘法等数学方法进行数据处理,但也常会遇到许多不易化为线性模型,或者化为线性模型之后求解引起较大误差的情况,此时就必须用逐次逼近的拟合方法处理[4]; 涉及数值积分的部分则用梯形法处理。设计开发的软件有:一级反应实验的模拟系统、弱电解质电离常数测定实验数据处理软件、磁化率测定实验数据处理软件、摩尔折射度的测定实验数据处理软件、电池电动势的测定实验数据处理软件。

8.1 软件组成设计

组织结构图

8.2 界面设计

界面设计应做到美观、友好、简明、实用,使用户迅速上手,操作自如。

具体做法如下:打开“一级反应实验的模拟系统”的程序就会出现“一级反应实验的计算机模拟——蔗糖水解速率常数的测定”的程序窗口,其上有开始退出两个操作按钮,其界面如图1.1

1.1开始界面

当点击【退出】操作按钮就会弹出“ Information ”对话框,问你“是否真的要退出”,如果是就点击【确定】操作按钮,否的话就点击【取消】操作按钮。界面如图1.2所示

1.2 “ Information ”对话框

点击【开始】操作按钮就会打开主程序窗口,在主程序窗口有【实验目的】、【实验原理】、【仪器药品】、【实验步骤】、【注意事项】、【仪器使用】、【数据处理】等操作按钮,点击【实验目的】、【仪器药品】、【实验步骤】、【注意事项】、【仪器使用】几个操作按钮就会在图1.3所示窗口右方的图片框以“Picture.Print”的格式输出,并在图片框内显示出来,以供学生阅读。其界面如下:

(图1.3 蔗糖水解速率常数测定的主程序窗口

击【实验原理】操作按钮就可以打开【实验原理】窗口,它是在V.B程序上插入Word文档进行编辑的,并以Word文档的形式显示在窗口上,以方便学生对实验原理进一步的加深了解,其上有【返回】菜单项,点击【返回】菜单项就会返回上一级界面,即图1.3所示的界面。

点击数据处理操作按钮,就会打开数据处理界面,在数据处理窗口上包含实验的信息情况和数据的处理两大版块,实验的信息情况如:实验日期,组别,实验者,实验前后的温度、大气压,以及实验开始和结束的时间等信息,以方便学生记录实验的真实情况。数据处理版块就是用学生测得的实验数据进行处理,当学生填入测得的实验数据,点击数据处理操作按钮就会计算出结果,并绘制出相关图形,极大的减小了学生处理数据的误差,避免在直角坐标纸上作图的诸多麻烦,并由作图带来的误差。此外还提供了打印返回等菜单项,方便了操作。示意图如下:

(图1.4数据处理界面)

8.3软件应用举例

 

9. Flash制作动画,直观、方便的讲解演示实验

内容包括:⑴最大气泡法演示系统,⑵超级恒温槽性能实验的计算机模拟演示系统,⑶凝固点降低法测摩尔质量实验数据采集系统及其演示系统,⑷液体饱和蒸气压测定研究与仿真,⑸双液相系实验的仿真模拟,⑹胶体的制备及电泳速度的测定与计算机模拟等。

    

    

    

     

  

10. 相关资料构建的网站,形成网络化、立体化教学资源与《物理化学实验电子支持系统》,促进教学质量提高。

《物理化学实验电子支持系统》功能简介如下

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