Origin软件在物理化学相图实验中的应用

王　珩

(哈尔滨理工大学 化学与环境工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040)



Origin软件在物理化学相图实验中的应用

王珩

(哈尔滨理工大学 化学与环境工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

摘要：根据物理化学实验课的教学要求和特点，以物理化学相图实验为例，提出应用Origin软件绘制环己烷-乙醇二元液系相图和苯-水-乙醇三元液系相图的方法；介绍Origin软件的功能特点，阐述绘制相图的具体方法。结果表明：与传统采用坐标纸绘制相图的方法相比，使用Origin软件绘制相图方便快捷，能有效地降低数据处理的随意性，减小误差，起到客观评价实验结果的作用。Origin软件在物理化学实验教学中的应用，既有利于学生综合能力的培养，也符合新形势下对物理化学实验教学改革的需要。

关键词：Origin软件；相图；物理化学

物理化学实验是理工科化学类专业必修的一门基础实验课，实验中常借助仪器设备对某一物理化学性质和化学反应性能进行测定，测定结果多为间接的。大多数实验的数据分析与处理需要通过作图来完成[1-3]。传统的手工计算绘图方法存在费时费力、计算精度不高、作图误差大等问题，已不能适应信息化时代的要求。因此，改变传统的数据处理方式，应用计算机软件辅助处理数据，减少误差，提高实验结果的准确性，是新形势下教育改革和提高学生综合能力的需要[4-6]。相平衡是物理化学课程的重要内容之一，主要研究多组分(或单组分)多相系统中相的平衡问题，相图是相平衡的直观表现，是研究和解决相平衡问题的重要工具[7]。

1Origin软件概述

当前流行的图形可视化和数据分析软件有著名的Matlab、Mathmatica和Maple等。这些软件功能强大，应用范围广，能满足科技工作中的许多需要，但使用这些软件需要一定的计算机编程知识和矩阵知识，并需要熟悉其中大量的函数和命令，入门起点高。而使用Origin就像使用Excel和Word那样简单，只需轻点鼠标，选择适当的菜单命令就可以完成大部分工作，得到满意的结果。对初涉统计和绘图技术的大学生而言，Origin软件不是最强大、最先进的，但却是最适合的。

Origin是由OriginLab公司开发的一款集科学绘图与数据分析功能为一体的多功能数据处理软件，1991年问世以来，由于其简单易学，操作简便，功能强大、开放，很快成为国际流行的分析软件之一。Origin易于为初学者所掌握，既能满足一般的作图要求，还具有复杂的数据分析、函数拟合、图形处理等功能[8]。进行数据分析时，只需选择要分析的数据，再选择相应的菜单命令即可；Origin自带了几十种绘图模板，而且允许用户自定义绘图模板。绘图时，选择所需模板即可“一键成图”；开放性能好，可以和各种数据库软件、办公软件、图像处理软件方便地连接。目前最新版本是8.6 SR1，有普通版和专业版(Pro)。Origin也支持编程，方便拓展，使用LabTalk和Origin C两种编程语言。因此，将Origin应用于物理化学实验的数据分析与绘图符合教学的实际，并大有可为。

2利用Origin 8.0软件绘制环己烷-乙醇二元液系相图

2.1标准曲线的绘制

根据表1的数据，配制一系列的环己烷-乙醇标准溶液，利用阿贝折光仪测定其折光率。

表1　环己烷-乙醇标准溶液数据

运行Origin 8.0软件，在A、B两列分别输入表1中的x环己烷及折光率数据。同时选中A、B两列，点击Plot→Symbol→Scatter，绘制出散点图。再点击Analysis →Fitting →Fit Linear→Open Dialog，对所绘制的散点图进行线性拟合，得出y=1.363 05+0.065 13x，R2=0.999 5，将实验值与拟合值进行对比，拟合直线的R2>0.99，直线的拟合效果较好，拟合结果可以完全满足实验精度要求，结果见图1。

图1　折光率-x环己烷标准曲线

2.2环己烷-乙醇二元液系相图绘制

通过实验，测定出不同组分的环己烷-乙醇混合溶液的沸点以及气、液平衡时两相的折光率。数据见表2。

表2　不同组分的环己烷-乙醇混合溶液的沸点以及

为了绘制环己烷-乙醇二元液系相图，需要求出不同沸点下气、液两相平衡时样品中环己烷的含量。方法如下：运行Origin 8.0软件，其窗口默认只有A、B两列，点击工具栏中的Add New Columns 快捷键即可添加列，先将沸点和气相折光率数据输入A、B两列，再选中C列点击右键，在出现的快捷框中点击Set Column Values，输入公式：(col(B)-1.363 05)/0.065 13，得到气相中环己烷的摩尔分数。选中C列并点击右键，在Set As中选X，再选中A列并点击右键，在Set As中选Y，然后选中A、C两列，点击Plot→Line+Symbol，绘制出气相线的点线图。点击工具栏中的New Workbook，窗口中即会出现Book2，采用与气相线数据处理同样的方法，得到液相中环己烷摩尔分数，并将C列设为X，将A列设为Y。在所绘制的气相线的图中，单击鼠标右键，在出现的快捷框中点击Layer Contents，然后在出现的对话框Available Data中，选择book2_a，击点→，即可将液相线添加到气相线的图中。

为了更好地区别气、液相线以及其数据点，可以双击图中曲线，选择Plot Datails中的相应选项，对曲线、数据点的颜色、样式等参数进行修改，也可以通过参数的设置，使图中线条圆滑美观；还可以双击坐标轴在Axis对话框中对坐标轴的相关参数进行设定。所绘制的环己烷-乙醇二元液系相图见图2。

图2　环己烷-乙醇二元液系相图

另外，也可以采用双Y轴作图法绘制二元液系相图。打开Origin 8.0软件，利用Add New Columns 快捷键添加4列，在A、D两列输入气、液相折光率，按上述方法分别计算出两相中环己烷的含量填入B、E列，在C、F列输入沸点，然后分别选中B、E列并点击右键，在Set As中选X，再同时选中B、C、E、F四列，点击Plot→Line+Symbol，绘制出二元液系相图。

3利用Origin 8.0软件绘制苯-水-乙醇三元液系相图

在物理化学实验中，三元液系相图的绘制是非常重要的相图实验。根据相律，对于三元体系，若保持温度不变，由于压力对系统状态影响较小，可将二者忽略，所以常用三角坐标来描述三元体系的组成[9]。下面以苯-水-乙醇三元液系相图实验为例，介绍利用Origin软件绘制三元相图的方法。

3.1实验数据的处理

在苯-水-乙醇三组分体系中，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-水体系中加入乙醇则可促使苯与水的互溶。实验中采用乙醇和水交替滴定混合液，当混合液出现清、浊转化时，视为滴定终点，同时记录乙醇和水消耗的体积[10]。为了表示苯与水不互溶，相图绘制时要从三角形的顶点开始(ρ水=1 g/mL，ρ乙醇=0.79 g/mL，ρ苯=0.88 g/mL)，实验结果见表3。

表3　水、乙醇、苯的体积、质量、质量分数

3.2苯-水-乙醇三元液系相图绘制

运行Origin 8.0软件，点击工具栏中的Add New Columns 快捷键添加列，在A、B、C三列分别输入表3中的水、乙醇、苯的体积。分别选中D、E、F列点击右键，在出现的快捷框中点击Set Column Values，分别输入计算公式：col(A)×1，col(B)×0.79，col(C)×0.88，依次求出水、乙醇、苯的质量。利用同样的方法，求出水、乙醇、苯三者的质量分数。选中w苯所在列，单击右键→Properties→在Plot Designation中将Y改为Z。选中w水所在列点击右键，在Set As中选X。选中w水，w乙醇，w苯三列，点击Plot→Specialized→Ternary，出现数据点，点击窗口下面工具栏中的Line+Symbol，即得单相区与两相区分界线。绘制的苯-水-乙醇三元液系相图见图3。

图3　苯-水-乙醇三元液系相图

4结束语

本文应用Origin软件绘制了二元液系及三元液系相图，与传统的坐标纸绘图相比，利用计算机方法绘图，其操作过程简单、快捷，有效地降低数据处理的随意性，结果准确度高，重现性好，且绘制的图形细致、美观，可准确反映出实验数据的变化规律。选择Origin作为绘图和分析软件，符合学生实际，学生运用所学到的Origin软件处理实验数据，不仅节省大量的时间，而且使实验报告更合理和更具客观性，激发了学生对物理化学实验的学习兴趣，综合素质和能力也得到了很大提高。

参考文献

[1]曾明荣.Origin在物理化学实验数据处理中的应用[J].高校实验室工作研究，2007(2):12-14.

[2]刘海峰，陈明洁，陈敏.物理化学实验教学方法改革的探索与实践[J].实验科学与技术，2013,11(4):66-68.

[3]张鹏，李凯慧.加强物理化学实验教学，提高学生综合能力[J].许昌学院学报，2013，32(2):144-146.

[4]樊玲，尚贞峰，武丽艳.Origin软件在物理化学实验中的应用[J].大学化学，2011,26 (2)：41-44.

[5]陶梅，赵慧卿.Origin软件处理化学实验数据及其在实验教学改革中的作用[J].科技信息，2013,(36)：54.

[6]赵英国.Origin软件在物理化学教学中的运用[J].安庆师范学院学报:自然科学版，2010,16(4)：116-118.

[7]王正烈，周亚平.物理化学[M].北京：高等教育出版社，2001.

[8]肖信.Origin8.0实用教程：科技作图与数据分析[M].北京：中国电力出版社，2009.

[9]龚福忠，周立亚，吴文伟，等.大学基础化学实验[M].武汉：华中科技大学出版社，2008.

[10] 罗澄源，向明礼.物理化学实验[M].北京：高等教育出版社，2004.

[责任编辑：郝丽英]

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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

中图分类号：O642.4+2

文献标识码：A

文章编号：1671-4679(2016)01-0044-04

作者简介：王珩(1971-)，女，高级实验师，研究方向：杂多配合物的合成及特性.

收稿日期：2015-01-16