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Excel绘制化学实验中的二元合金相图步冷曲线

2014-03-25李洪仁

沈阳大学学报(自然科学版) 2014年3期
关键词:物理化学起点数据处理

李 锋, 王 颖, 李洪仁

(沈阳大学 师范学院, 辽宁 沈阳 110044)

“二元合金相图”在冶金领域有着重要的应用,也是物理化学课程中的经典实验[1-2].实验原理是基于热分析法.热分析法的依据是对于单组分或多组分体系,当加热体系于熔融状态后,停止加热,开始冷却,若以温度对时间作图,即得步冷曲线.当体系冷却至某一组分发生相变(即由液态变为固态)时,体系放出的相变潜热,补偿了体系向环境散失的热量.因此,对于单组分体系,步冷曲线出现平台,对于二组分或二组分以上的体系,步冷曲线的斜率则发生改变而后出现平台.根据步冷曲线出现的拐点和平台,找出相应的转折温度.步冷曲线的绘制是实验的关键点之一.由于实验本身耗时长,记录数据多,采用人工坐标纸绘图工作量大,耗时长,而且不可避免地会引入人为误差.利用计算机采集数据,应用特定的数据处理软件自动处理步冷曲线,可以提高相图绘制的准确性和重现性,使学生能够详细、直观看到步冷曲线的绘制过程[3-5].然而,在高校化学教学领域中,相关仪器的推广和应用尚不多见.Excel、Origin应用程序在化学数据处理中的应用日趋广泛,而且效果较好[6-8].但Origin软件采用英文界面,不易初学者掌握.Excel软件能够便捷地对实验数据进行复杂计算处理,而且学生容易掌握.要求学生利用Excel方面的知识进行步冷曲线的绘制, 不但有利于学生进一步掌握Excel 数据处理相关操作在化学实验中的应用, 而且有助于学生深刻理解实验,从而更好地实现了实验要求和目的,取得了良好的实验教学效果.

1 实验数据采集

通过读数采集时间和温度数据,建立Excel表格,如表1所示.

表1 实验数据Table 1 Experimental data

在实验日期后的空格内键入函数:“=NOW( )”.在实验打印时会自动打印实验的日期和时间.实验学生和实验教师后的空格根据实验实际填写.

2 实验数据处理

2.1 单条步冷曲线绘制

打开表1数据表格,选择纯锡下的时间和温度数据,点击图表向导,选择XY框.

选择如图1所示类型,点击完成,生成图形如图2所示.

图1 图表向导Fig.1 The chart wizard

图2 绘成步冷曲线Fig.2 The plotted cooling curve

清除图2中的网格和背景,调整坐标轴数值并添加坐标名称和图名.右键点击坐标轴-刻度,改时间轴最大值为40,温度轴最小值130.添加注释“纯锡步冷曲线”,修改后曲线如图3所示.

图3 纯锡步冷曲线Fig.3 Cooling curve pure Sn

2.2 多条步冷曲线的插入

右键点击图3,选择源数据-系列-添加,出现系列2,如图4所示.

图4 数据源对话框Fig.4 Dialog box of data source

系列1名称填写纯锡;系列2名称填写20%锡,在X、Y数据选择处选择对应20%锡的时间和温度,点击确定,得到两条锡含量配比不同的步冷曲线,如图5所示.

图5 不同质量分数锡的步冷曲线Fig.5 Cooling curve with different mass fraction of Sn

同样方法添加插入其他步冷曲线如图6所示.

图6 调整前的锡铅步冷曲线Fig.6 The Sn-Pb cooling curve before adjustment

至此,步冷曲线完成绘制,但曲线堆积在一起,不易分辨.为此,要对曲线进一步调整,使其相互分离.

3 步冷曲线的调整

步冷曲线聚集在一起的原因是实测数据时间起点均为1min,时间坐标重叠.步冷曲线的时间坐标起点没有实际意义,调整时间坐标起点,时间间隔不变,不影响曲线的构型和拐点.将20%锡的时间坐标起点修改为15 min,时间间隔保持1 min不变.同理,40%、60%、80%锡时间起点分别修改为30、45、60 min,纯铅时间起点修改为75 min,时间间隔均保持原来的1 min不变,修改时间起点后曲线实现完全分离.右键点击X轴,选择刻度,将最大值修改为120,生成的步冷曲线如图7所示.

图7 调整后的锡铅步冷曲线Fig.7 The Sn-Pb cooling curve after adjustment

4 教学应用及效果分析

基于Excel平台,可以实现二元金属相图的自动化绘制,操作简便、效果理想,实际教学过程中深受学生认可.其在如下方面取得了良好的教学效果.

4.1 提高了数据处理精度

利用坐标纸手工描点绘制步冷曲线,人为误差较大,基于Excel绘制曲线,可以减少数据描点误差,一定程度上提高了实验精度.

4.2 提高了课时利用率

由于手工绘制步冷曲线描点较多,误差较大,绘图过程中时常出现返工现象,在常规的实验教学时数内一般做5个样品的步冷曲线,学生无法在规定的教学时间内完成曲线的绘制,大量的数据处理需要利用课余时间完成.基于Excel绘制步冷曲线,学生在采集完实验数据后可以很快的完成曲线绘制,及时发现所采集的数据存在的问题.利用Excel绘制步冷曲线使得所有的实验工作都可以课堂完成,实验效果得到加强, 绘制的相图质量也得到极大提高.

4.3 增强了学生学习兴趣

基于Excel绘制步冷曲线最大的特色在于学生可快速完成步冷曲线的绘制,获得样品发生相变的相关信息.这样学生做实验的重心发生了改变,由原来的繁重的实验数据处理为主变为观察实验现象和思考问题为主,迎合了当代大学生的学习心理,大大激发学生的学习热情.

5 结 论

基于Excel绘制二元金属相图步冷曲线,方便直观、速度快.计算机不需要安装额外的软件即可完成对实验数据的处理,所绘制的步冷曲线清晰、注释明了、曲线美观,更好的反映了实验原理,只要稍加辅导学生即可掌握,有利于提高学生的应用能力,激发学生的学习兴趣.

参考文献:

[1]夏海涛. 物理化学实验[M]. 南京: 南京大学出版社, 2006:25.

(Xia Haitao. Physical Chemistry Experiment[M]. Nanjing: Nanjing University Press, 2006:25.)

[2]复旦大学. 物理化学实验[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004:1-32.

(Fudan University. Physical Chemistry Experiment[M]. Beijing: Higher Education Press, 2004:1-32.)

[3]刘青,王永宁,石玉平,等. 微机金属相图绘制的实验程序设计[J]. 青海师范大学学报:自然科学版, 2007(2):56-59.

(Liu Qing, Wang Yonning, Shi Yuping, et al. Program Design of Drawing Metal Phase Diagram with Computer[J]. Journal of Qinghai Normal University: Natural Science Edition, 2007(2):56-59.)

[4]黄文耀,许杰. VB 6.0编写Bi-Cd 体系步冷曲线演示程序[J]. 计算机与应用化学, 2009,26(11):1519-1522.

(Huang Wenyao, Xu Jie. A Program Compiled by VB 6.0 for Demonstrating Cooling Curve of Bi-Cd System[J]. Computers and Applied Chemistry, 2009,26(11):1519-1522.)

[5]王虹,黄晓敏. 二组分金属相图的计算机绘制[J]. 实验科学与技术, 2008,6(6):53-54.

(Wang Hong, Huang Xiaomin. Study of Drawing Two-Component Phase Diagram with Computer[J]. Experiment Science and Technology, 2008,6(6):53-54.)

[6]李洪仁,胡天慧. 物理化学实验数据的计算机处理:一级反应蔗糖转化数据处理[J]. 沈阳大学学报:自然科学版, 2012,24(3):35-37.

(Li Hongren, Hu Tianhui. Processing of Physical Chemistry Experimental Data: Process of First Order Reaction of Sugar Conversion Experiment[J]. Journal of Shenyang University: Natural Science, 2012,24(3):35-37.)

[7]孙冬梅,周益明,陆天虹. Origin在物理化学实验数据处理中的应用[J]. 南京晓庄学院学报, 2003,19(4):96-98.

(Sun Dongmei, Zhou Yiming, Lu Tianhong. The Application of Software Origin in Processing Data in Physical Chemisty Experiments[J]. Journal of Nanjing Xiaozhuang College, 2003,19(4):96-98.

[8]刘云珍,陈顺玉. 用Microsoft Excel软件处理物理化学实验数据[J]. 福建师大福清分校学报, 2011(2):20-27.

(Liu Yuanzhen, Chen Shunyu. Application of Microsoft Excel Software in Physical Chemistry Experimental Data Processing[J]. Journal of Fuqing Branch of Fujian Normal University, 2011(2):20-27.)

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