计算机绘制E-pH 图的系统设计方案

□刘韶华

M．Pourbaix 教授是比利时著名的腐蚀学家，1938年他根据物质在水溶液的性质以及Nernst方程首先提出了E-pH 图，又称Pourbaix 图［1］。E-pH 图是以水溶液的pH 值为横坐标，给定元素(M)的电极电位为纵坐标，将M -H2O 体系所有的热力学平衡条件集中地表示在一个平面图上，能反映质子和电子对平衡反应体系的影响关系，可利用它阐述和选择最佳生产工艺条件［2］。E-pH 图的应用十分广泛，为化学研究、湿法冶金研究、硫化矿浮选研究和金属腐蚀研究等，作出了巨大贡献［3］。

在E-pH 图的绘制过程中，涉及到许多热力学数据的查询和计算，计算量大、绘图复杂，手工绘制常会遇到很多困难。随着计算机技术在工业技术中的应用，人们越来越重视E -pH 图的研究，通过不断的研究，也开发出了许多的计算绘图软件。与此同时，热力学数据库的应用也得到了进一步的普及，E-pH 图的绘制程序也被嵌入了越来越多的大型热力学数据库，并且成为其功能模块，这不仅提高了效率，还大大方便了用户［4］。本文将讨论计算机绘制E-pH 图系统的结构设计及系统的工作方式。

一、E-pH 图绘制系统结构设计

E-pH 图绘制系统结构由主控模块和子模块构成。用户通过主控模块调用各级子模块，完成指定功能。各子模块相互独立，可通过主控模块相互调用。结构化程序设计方法被本系统的程序所应用，且本系统的程序采用“自顶向下”一步步扩大的编程方法，通过控制结构完成程序执行走向。对于程序维护员来说，这种方法编出的程序结构好，易读、易改、易维护。

(一)主控模块设计。主控模块是E-pH 图绘制系统的控制系统，它连接并控制着系统中所有的子模块。系统通过主控模块接收用户的指令，对用户指令进行初始化，并调用相应的子模块进行计算和绘图。通过主控模块还可以访问热力学数据库。

(二)平衡模块设计。经主控模块初始化后的用户指令被平衡模块处理后，可确定溶液体系中可能存在的各种物种及反应。主模块调用平衡模块中的“方程式自动配平”模块，将所确定的反应配平，因为用户给定了一些条件，为了判断这些反应方程式在这些条件下能否发生，可以再调用其中的“计算分析”模块来实现，然后去掉这些未能发生的反应，可以建立一套系统的化学模型，并且在“工作库”中将其以临时文件的方式保存下来。

(三)计算模块设计。经主模块或平衡模块处理过的数据，利用计算模块来计算绘图过程中所需要的热力学数据。然后对所得出的热力学数据进行分析、计算，从而得出E -pH 的关系式。最后将处理结果以临时文件保存到“工作库”中。

(四)优势区模块设计。该模块通过访问“工作库”中保存的单变线方程，判定构成完整E -pH 图的三相点和边界点，删除不可能存在的点和超出边界的点，合并重合的及偏差范围内的点［4］。该模块由循环判断语句构成，经过多次迭代检测完成其功能。

(五)绘图模块设计。这个模块主要是根据用户所提的要求，通过把“工作库”中保存的各子模块的数据调用出来，绘制E-pH 图，并以临时文件保存到“工作库”中，为图形的复制、存储、打印提供条件。

(六)数据表格模块设计。这个模块将“工作库”中保存的数据(重要参数和计算结果)用动态图表表现出来，并以临时文件保存到“工作库”中，为图表的复制、存储、打印提供条件。

(七)工作库设计。由于大量的临时文件会在E-pH 图计算绘制过程中产生，如果在生成临时文件的模块下将其保存下来，那么在调用临时文件的时候就一定要先访问相应子模块，或者需要访问更多的相关模块，这样就一定会拉低数据库系统的工作效率，加大工作量，这也是对数据资源的一种浪费。所以就设计了“工作库”用来保存各模块产生的临时文件，这样就可以直接访问“工作库”，大大提高了速度。另外，在操作过程中为了避免意外对源数据库造成损坏，一切需要在源数据库中进行的操作必须要先在“工作库”中进行，确认无误后才能正式转入主数据库文件中。这样就充分保护了数据库系统的稳定性和安全性［3，5］。

二、E-pH 图绘制系统工作过程

E-pH 图绘制系统工作时，用户通过主模块调用子模块，在子模块过程文件中调用各子模块命令文件。具体过程为:

(一)用户从系统主界面进入E -pH 图绘制系统。输入指令，如体系名称、温度、活度值、坐标轴范围、坐标单位长度等。

(二)主模块在“工作库”中检索。假如已有相应的图表存在于“工作库”中，那么会给用户提示，征求用户是直接调用还是通过程序绘制。若需要重新绘图，则根据输入信息确定体系中存在的组分和化学反应，配平化学方程式，建立起化学模型。

(三)检索相关热力学数据并调用计算模块。计算绘图过程所需热力学数据，并建立单变线模型(E-pH 关系式)。

(四)绘制结果输出。绘制结果可以以E -pH 图形形式输出，也可以将重要数据数据表格形式输出。

三、结语

E-pH 图绘制系统可根据用户指令计算并绘制E-pH 图。并且计算出结果后，用户可以选择以何种形式输出(数据表格形式或者图形形式)。该系统在相同坐标范围及单位长度下可实现图形间的叠加。可使复杂体系的处理变得简单，同时使图形间的比较变得直观［4］。系统工作时，主模块通过调用子模块过程文件中的命令文件实现其功能。所有操作均先在工作库中进行，处理结果均以临时文件保存到工作库中，调用时直接从工作库中调用。访问流程短，且不会因误操作影响系统的结构和数据，确保系统的安全性和稳定性。但该系统的设计是模拟人工思维方式，没有从根本上说明这类图形应该遵循的数学规律和化学规律，所以该程序在通用性和移植性方面还有较大欠缺，需要今后进一步的研究。

［1］马运柱． 硫化矿Eh - pH 图形数据库系统的开发与应用［D］．中南工业大学，2000

［2］李自强，何良惠．水溶液化学位图及其应用［M］．成都:成都科技大学出版社，1991，1

［3］尹爱君，张帆，李晶． Windos 下通用电位-pH 图绘制系统［J］．计算机与应用化学，1996，8(13):213～218

［4］刘韶华．稀土化合物物性数据库E-pH 图计算研究［D］．昆明理工大学，2009

［5］尹爱君． 冶金数据库系统及其应用研究［D］． 中南工业大学，2000