Обработка экспериментальных данных с помощью ПК
Ткачёв Ю. Е., Растопчин М. П. – студенты 3 курса, технологического факультета
Научный руководитель - к. т.н. доц. Ножко Е. С.
Введение
В процессе изучения дисциплины «Физическая химия» студентам, кроме выполнения объёмной практической работы, необходимо проводить обработку результатов эксперимента аналитическим и графическим способами. Результат работы в целом зависит от качества исполнения второго расчетного этапа, отнимающего большое количество времени. В некоторых работах графические построения достаточно громоздки и трудно воспроизводимы. Всех этих недостатков можно избежать, применив компьютерную обработку экспериментальных данных.
Для решения задачи упрощения расчетной части в качестве исходного объекта была взята лабораторная работа по изучению процесса абсорбции поверхностно-активных веществ (ПАВ), на границе раздела раствор-воздух. При выполнении этой работы изучается зависимость изменения поверхностного натяжения (σ) от равновесной концентрации ПАВ в растворе.
Для расчета используется метод подсчета падающих капель (сталагмометрия). Опытные данные сводятся в таблицу.
- Таблица Экспериментальные данные по изучению влияния концентрации валериановой кислоты на изменение поверхностного натяжения на поверхности раствор-воздух.
|
№ опыта |
Концентрация раствора, С, моль/л |
Число капель, n |
|
1 |
0 |
45 |
|
2 |
0,0125 |
50 |
|
3 |
0,25 |
57 |
|
4 |
0,5 |
65 |
|
5 |
0,1 |
75 |
Величина поверхностного натяжения раствора рассчитывается по формуле:
, (1) где
σ (H2O)=72.75* 10-3н/м (справочные данные для стандартных условий);
n(H2O)-число капель воды, вытекающих из сталагмометра,
n(р-ра)- число капель раствора, вытекающих из сталагмометра.
Конечной целью работы является построение изотермы адсорбции
Г=f(С) (2) , где
Г – величина адсорбции изучаемого вещества, моль/м2;
С - равновесная концентрация вещества в растворе, моль/л.
Изотерма имеет вид параболы и описывается уравнением Ленгмюра:
, (3)
где 
предельная адсорбция, отвечающая полному насыщению поверхностного слоя молекулами – «частокол Ленгмюра»;
К – константа равновесия сорбционного процесса.
Зная величину 
, можно рассчитать:
Ø толщину адсорбционного слоя:
, (4) где
δ- высота гидрофобного углеводородного радикала;
М- молярная масса вещества, кг/кмоль;
ρ- плотность вещества, кг/м3;
Ø площадь, занимаемую одной молекулой в поверхностном слое
, (5) 
NA = 6.025*1026,1/кмоль - постоянная Авогадро.
Чтобы найти значение 
, необходимо преобразовать уравнение изотермы адсорбции в уравнение прямой линии в координатах 1/Г – 1/С. Отрезок, отсекаемый на оси 1/Г, дает искомую величину .
Итак, в результате обработки исходных данных в «ручном режиме» требуется построение трех графиков, что ведет к росту погрешности вычисления.
Алгоритм обработки результатов эксперимента с помощью ПК
Полученные экспериментальным путем данные в ходе выполнения лабораторной работы нужно занести в ячейки таблицы MS Excel, как показано на рисунке 1. Далее автоматически происходит вычисление необходимых величин и строится первый график, в котором показана зависимость величины поверхностного натяжения от концентрации. Следующим шагом для выполнения дальнейших расчетов служит нахождение касательных к точкам в полученной на данном этапе кривой. Одним из способов нахождения этих величин является использование САПР КОМПАС-3D. Для этого необходимо:
· открыв эту программу, создать в чертеже дополнительный слой. Это делается путем нажатия на вкладку Вставка→Слои.
· в появившемся окне «Менеджер документа» нажать кнопку «Создать слой» и отметить его галочкой как активный.
· Нажав кнопку «ОК», следует в меню «Вставка» главного окна программы САПР КОМПАС выбрать подпункт Объект→Создать из файла. Путем нажатья на кнопку «Обзор» выбрать его расположение на диске (файла MS Excel). После этой операции в дополнительном слое должна появиться диаграмма.
· В окне работы со слоями, делаем дополнительный слой неактивным.
· В основном слое, по характерным точкам, обводим кривую графика и строим касательные к нему в этих точках.
· В точках касания проводим горизонтальные отрезки.
· При помощи опции автоматического вычисления углов находим наклон касательных.
Полученные значения углов необходимо вставить в соответствующие ячейки книги, после чего программа автоматически рассчитает все необходимые величины. Из полученного графика Д3 необходимо взять выделенное число и занести его в последнюю ячейку листа «Данные». После этого автоматически рассчитываются величины толщины слоя, числа молекул и площади, занимаемой одной молекулой, что можно увидеть на листе «Результат» книги Excel.
Вывод
Предлагаемый способ обработки результатов лабораторного эксперимента имеет следующие преимущества:
Ø простота исполнения;
Ø повышение достоверности результатов;
Ø снижение затрат времени.
Литература
1. Дулицкая Р. А., Фельдман Р. И. Практикум по физической и коллоидной химии. М.: Высшая школа, 1980. С 191.
2. Методические указания по выполнению лабораторно-практических занятий и заданий для самостоятельных работ по дисциплине «Физическая и коллоидная химия» для студентов 3 курса специальности 7 091 700 – «Технология бродильных производств и виноделия» по теме: Поверхностные явления и адсорбция.
3. Справочная система MS Excel.