王　珩

(哈爾濱理工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

?

Origin軟件在物理化學(xué)相圖實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

王珩

(哈爾濱理工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

摘要：根據(jù)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)要求和特點(diǎn)，以物理化學(xué)相圖實(shí)驗(yàn)為例，提出應(yīng)用Origin軟件繪制環(huán)己烷-乙醇二元液系相圖和苯-水-乙醇三元液系相圖的方法；介紹Origin軟件的功能特點(diǎn)，闡述繪制相圖的具體方法。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)采用坐標(biāo)紙繪制相圖的方法相比，使用Origin軟件繪制相圖方便快捷，能有效地降低數(shù)據(jù)處理的隨意性，減小誤差，起到客觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的作用。Origin軟件在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，既有利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，也符合新形勢(shì)下對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的需要。

關(guān)鍵詞：Origin軟件；相圖；物理化學(xué)

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是理工科化學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)中常借助儀器設(shè)備對(duì)某一物理化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)性能進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果多為間接的。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析與處理需要通過(guò)作圖來(lái)完成[1-3]。傳統(tǒng)的手工計(jì)算繪圖方法存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、計(jì)算精度不高、作圖誤差大等問(wèn)題，已不能適應(yīng)信息化時(shí)代的要求。因此，改變傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件輔助處理數(shù)據(jù)，減少誤差，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，是新形勢(shì)下教育改革和提高學(xué)生綜合能力的需要[4-6]。相平衡是物理化學(xué)課程的重要內(nèi)容之一，主要研究多組分(或單組分)多相系統(tǒng)中相的平衡問(wèn)題，相圖是相平衡的直觀表現(xiàn)，是研究和解決相平衡問(wèn)題的重要工具[7]。

1Origin軟件概述

當(dāng)前流行的圖形可視化和數(shù)據(jù)分析軟件有著名的Matlab、Mathmatica和Maple等。這些軟件功能強(qiáng)大，應(yīng)用范圍廣，能滿(mǎn)足科技工作中的許多需要，但使用這些軟件需要一定的計(jì)算機(jī)編程知識(shí)和矩陣知識(shí)，并需要熟悉其中大量的函數(shù)和命令，入門(mén)起點(diǎn)高。而使用Origin就像使用Excel和Word那樣簡(jiǎn)單，只需輕點(diǎn)鼠標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)牟藛蚊罹涂梢酝瓿纱蟛糠止ぷ鳎玫綕M(mǎn)意的結(jié)果。對(duì)初涉統(tǒng)計(jì)和繪圖技術(shù)的大學(xué)生而言，Origin軟件不是最強(qiáng)大、最先進(jìn)的，但卻是最適合的。

Origin是由OriginLab公司開(kāi)發(fā)的一款集科學(xué)繪圖與數(shù)據(jù)分析功能為一體的多功能數(shù)據(jù)處理軟件，1991年問(wèn)世以來(lái)，由于其簡(jiǎn)單易學(xué)，操作簡(jiǎn)便，功能強(qiáng)大、開(kāi)放，很快成為國(guó)際流行的分析軟件之一。Origin易于為初學(xué)者所掌握，既能滿(mǎn)足一般的作圖要求，還具有復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析、函數(shù)擬合、圖形處理等功能[8]。進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，只需選擇要分析的數(shù)據(jù)，再選擇相應(yīng)的菜單命令即可；Origin自帶了幾十種繪圖模板，而且允許用戶(hù)自定義繪圖模板。繪圖時(shí)，選擇所需模板即可“一鍵成圖”；開(kāi)放性能好，可以和各種數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、辦公軟件、圖像處理軟件方便地連接。目前最新版本是8.6 SR1，有普通版和專(zhuān)業(yè)版(Pro)。Origin也支持編程，方便拓展，使用LabTalk和Origin C兩種編程語(yǔ)言。因此，將Origin應(yīng)用于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析與繪圖符合教學(xué)的實(shí)際，并大有可為。

2利用Origin 8.0軟件繪制環(huán)己烷-乙醇二元液系相圖

2.1標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，配制一系列的環(huán)己烷-乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液，利用阿貝折光儀測(cè)定其折光率。

表1　環(huán)己烷-乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液數(shù)據(jù)

運(yùn)行Origin 8.0軟件，在A、B兩列分別輸入表1中的x環(huán)己烷及折光率數(shù)據(jù)。同時(shí)選中A、B兩列，點(diǎn)擊Plot→Symbol→Scatter，繪制出散點(diǎn)圖。再點(diǎn)擊Analysis →Fitting →Fit Linear→Open Dialog，對(duì)所繪制的散點(diǎn)圖進(jìn)行線性擬合，得出y=1.363 05+0.065 13x，R2=0.999 5，將實(shí)驗(yàn)值與擬合值進(jìn)行對(duì)比，擬合直線的R2>0.99，直線的擬合效果較好，擬合結(jié)果可以完全滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)精度要求，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1　折光率-x環(huán)己烷標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2環(huán)己烷-乙醇二元液系相圖繪制

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定出不同組分的環(huán)己烷-乙醇混合溶液的沸點(diǎn)以及氣、液平衡時(shí)兩相的折光率。數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2　不同組分的環(huán)己烷-乙醇混合溶液的沸點(diǎn)以及

為了繪制環(huán)己烷-乙醇二元液系相圖，需要求出不同沸點(diǎn)下氣、液兩相平衡時(shí)樣品中環(huán)己烷的含量。方法如下：運(yùn)行Origin 8.0軟件，其窗口默認(rèn)只有A、B兩列，點(diǎn)擊工具欄中的Add New Columns 快捷鍵即可添加列，先將沸點(diǎn)和氣相折光率數(shù)據(jù)輸入A、B兩列，再選中C列點(diǎn)擊右鍵，在出現(xiàn)的快捷框中點(diǎn)擊Set Column Values，輸入公式：(col(B)-1.363 05)/0.065 13，得到氣相中環(huán)己烷的摩爾分?jǐn)?shù)。選中C列并點(diǎn)擊右鍵，在Set As中選X，再選中A列并點(diǎn)擊右鍵，在Set As中選Y，然后選中A、C兩列，點(diǎn)擊Plot→Line+Symbol，繪制出氣相線的點(diǎn)線圖。點(diǎn)擊工具欄中的New Workbook，窗口中即會(huì)出現(xiàn)Book2，采用與氣相線數(shù)據(jù)處理同樣的方法，得到液相中環(huán)己烷摩爾分?jǐn)?shù)，并將C列設(shè)為X，將A列設(shè)為Y。在所繪制的氣相線的圖中，單擊鼠標(biāo)右鍵，在出現(xiàn)的快捷框中點(diǎn)擊Layer Contents，然后在出現(xiàn)的對(duì)話框Available Data中，選擇book2_a，擊點(diǎn)→，即可將液相線添加到氣相線的圖中。

為了更好地區(qū)別氣、液相線以及其數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以雙擊圖中曲線，選擇Plot Datails中的相應(yīng)選項(xiàng)，對(duì)曲線、數(shù)據(jù)點(diǎn)的顏色、樣式等參數(shù)進(jìn)行修改，也可以通過(guò)參數(shù)的設(shè)置，使圖中線條圓滑美觀；還可以雙擊坐標(biāo)軸在Axis對(duì)話框中對(duì)坐標(biāo)軸的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。所繪制的環(huán)己烷-乙醇二元液系相圖見(jiàn)圖2。

圖2　環(huán)己烷-乙醇二元液系相圖

另外，也可以采用雙Y軸作圖法繪制二元液系相圖。打開(kāi)Origin 8.0軟件，利用Add New Columns 快捷鍵添加4列，在A、D兩列輸入氣、液相折光率，按上述方法分別計(jì)算出兩相中環(huán)己烷的含量填入B、E列，在C、F列輸入沸點(diǎn)，然后分別選中B、E列并點(diǎn)擊右鍵，在Set As中選X，再同時(shí)選中B、C、E、F四列，點(diǎn)擊Plot→Line+Symbol，繪制出二元液系相圖。

3利用Origin 8.0軟件繪制苯-水-乙醇三元液系相圖

在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，三元液系相圖的繪制是非常重要的相圖實(shí)驗(yàn)。根據(jù)相律，對(duì)于三元體系，若保持溫度不變，由于壓力對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)影響較小，可將二者忽略，所以常用三角坐標(biāo)來(lái)描述三元體系的組成[9]。下面以苯-水-乙醇三元液系相圖實(shí)驗(yàn)為例，介紹利用Origin軟件繪制三元相圖的方法。

3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

在苯-水-乙醇三組分體系中，苯和水是不互溶的，而乙醇和苯及乙醇和水都是互溶的，在苯-水體系中加入乙醇則可促使苯與水的互溶。實(shí)驗(yàn)中采用乙醇和水交替滴定混合液，當(dāng)混合液出現(xiàn)清、濁轉(zhuǎn)化時(shí)，視為滴定終點(diǎn)，同時(shí)記錄乙醇和水消耗的體積[10]。為了表示苯與水不互溶，相圖繪制時(shí)要從三角形的頂點(diǎn)開(kāi)始(ρ水=1 g/mL，ρ乙醇=0.79 g/mL，ρ苯=0.88 g/mL)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　水、乙醇、苯的體積、質(zhì)量、質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.2苯-水-乙醇三元液系相圖繪制

運(yùn)行Origin 8.0軟件，點(diǎn)擊工具欄中的Add New Columns 快捷鍵添加列，在A、B、C三列分別輸入表3中的水、乙醇、苯的體積。分別選中D、E、F列點(diǎn)擊右鍵，在出現(xiàn)的快捷框中點(diǎn)擊Set Column Values，分別輸入計(jì)算公式：col(A)×1，col(B)×0.79，col(C)×0.88，依次求出水、乙醇、苯的質(zhì)量。利用同樣的方法，求出水、乙醇、苯三者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。選中w苯所在列，單擊右鍵→Properties→在Plot Designation中將Y改為Z。選中w水所在列點(diǎn)擊右鍵，在Set As中選X。選中w水，w乙醇，w苯三列，點(diǎn)擊Plot→Specialized→Ternary，出現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，點(diǎn)擊窗口下面工具欄中的Line+Symbol，即得單相區(qū)與兩相區(qū)分界線。繪制的苯-水-乙醇三元液系相圖見(jiàn)圖3。

圖3　苯-水-乙醇三元液系相圖

4結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用Origin軟件繪制了二元液系及三元液系相圖，與傳統(tǒng)的坐標(biāo)紙繪圖相比，利用計(jì)算機(jī)方法繪圖，其操作過(guò)程簡(jiǎn)單、快捷，有效地降低數(shù)據(jù)處理的隨意性，結(jié)果準(zhǔn)確度高，重現(xiàn)性好，且繪制的圖形細(xì)致、美觀，可準(zhǔn)確反映出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。選擇Origin作為繪圖和分析軟件，符合學(xué)生實(shí)際，學(xué)生運(yùn)用所學(xué)到的Origin軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不僅節(jié)省大量的時(shí)間，而且使實(shí)驗(yàn)報(bào)告更合理和更具客觀性，激發(fā)了學(xué)生對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣，綜合素質(zhì)和能力也得到了很大提高。

參考文獻(xiàn)

[1]曾明榮.Origin在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2007(2):12-14.

[2]劉海峰，陳明潔，陳敏.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013,11(4):66-68.

[3]張鵬，李凱慧.加強(qiáng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生綜合能力[J].許昌學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，32(2):144-146.

[4]樊玲，尚貞峰，武麗艷.Origin軟件在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].大學(xué)化學(xué)，2011,26 (2)：41-44.

[5]陶梅，趙慧卿.Origin軟件處理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的作用[J].科技信息，2013,(36)：54.

[6]趙英國(guó).Origin軟件在物理化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010,16(4)：116-118.

[7]王正烈，周亞平.物理化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[8]肖信.Origin8.0實(shí)用教程：科技作圖與數(shù)據(jù)分析[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[9]龔福忠，周立亞，吳文偉，等.大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2008.

[10] 羅澄源，向明禮.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[責(zé)任編輯：郝麗英]

本 刊 聲 明

為適應(yīng)我國(guó)信息化建設(shè)，擴(kuò)大本刊及作者知識(shí)信息交流渠道，本刊已成為北京萬(wàn)方數(shù)據(jù)股份有限公司、萬(wàn)方數(shù)據(jù)電子出版社、中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤(pán)版)電子雜志社、重慶維普資訊有限公司中文科技期刊等數(shù)據(jù)庫(kù)全文收錄期刊。來(lái)稿一經(jīng)錄用，均視為作者已將該作品全文的數(shù)字化方式復(fù)制權(quán)、發(fā)行權(quán)、匯編權(quán)、翻譯權(quán)以及信息網(wǎng)絡(luò)傳播權(quán)授予本刊編輯部。編輯部已將作者著作權(quán)使用費(fèi)與本刊稿酬一次性結(jié)清。作者向本刊提交文章發(fā)表的行為即視為接受我刊上述聲明的條款。如作者不同意將文章編入該數(shù)據(jù)庫(kù)，請(qǐng)?jiān)趤?lái)函中聲明，本刊將做適當(dāng)處理。

Application of Origin software to physical chemical phase diagram experiment

WANG Heng

(School of Chemistry and Environmental Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China)

Abstract：Origin software is utilized to draw the liquid-phase figure of cyclohexane-ethanol binary and benzene-water-ethanol ternary in physical chemistry experiment.The specific method of drawing the phase diagram is described，using physics-chemistry-phase experiment as an example.The results indicate that the use of this program not only effectively reduces the randomness of data processing which leads to the error but also is convenient to operate compared with the conventional method of drawing phase diagram on coordinate paper，for the purpose of evaluating the experimental results objectively.The use of Origin software facilitates the cultivation of comprehensive abilities of students and meets the needs of physical chemistry experiment teaching reform under new situation.

Key words：Origin software；phase diagram；physical chemistry

中圖分類(lèi)號(hào)：O642.4+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-4679(2016)01-0044-04

作者簡(jiǎn)介：王珩(1971-)，女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：雜多配合物的合成及特性.

收稿日期：2015-01-16