相平衡在化學(xué)分離的重要性

相平衡在化學(xué)分離的重要性周艷化學(xué)S08013081302003摘要：相平衡的概念、化學(xué)分離有哪些與相平衡有關(guān)以及相平衡在化學(xué)分離中的重要性。關(guān)鍵詞:相平衡、分離科學(xué)、化學(xué)分離、重要性相平衡（phaseequilibrium）是在一定的條件下，當(dāng)一個(gè)多相系統(tǒng)中各相的性質(zhì)和數(shù)量均不隨時(shí)間變化時(shí)，稱此系統(tǒng)處于相平衡。此時(shí)從宏觀上看，沒(méi)有物質(zhì)由一相向另一相的凈遷移，但從微觀上看，不同相間分子轉(zhuǎn)移并未停止，只是兩個(gè)方向的遷移速率相同而已。一個(gè)系統(tǒng)可以是多組分的并含有許多相。當(dāng)相與相間達(dá)到物理的和化學(xué)的平衡時(shí)，則稱系統(tǒng)達(dá)到了相平衡。相平衡的熱力學(xué)條件是各相的溫度和壓力相等，任一組分在各相的化學(xué)勢(shì)相等。系統(tǒng)中強(qiáng)度性質(zhì)完全相同的部分稱為一相。相與相之間有明顯的界面。一個(gè)相可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的（如分散的液滴或晶粒）。只有一相存在的系統(tǒng)稱為單相或均相系統(tǒng)，有兩個(gè)以上的相存在的系統(tǒng)一般稱為多相或非均相系統(tǒng)。相律：研究相平衡的熱力學(xué)基礎(chǔ)。對(duì)于不考慮外場(chǎng)（如重力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）作用及表面張力等因素影響的相平衡體系，相律的表達(dá)形式為：f=C-p+2式中f、C、p分別為系統(tǒng)的自由度數(shù)、獨(dú)立組分?jǐn)?shù)和相數(shù)。f是確定系統(tǒng)的平衡狀態(tài)所需的獨(dú)立的強(qiáng)度性質(zhì)的數(shù)目，這些獨(dú)立的強(qiáng)度性質(zhì)可在一定的范圍內(nèi)任意變化而不會(huì)引起相數(shù)的改變。系統(tǒng)的獨(dú)立組分?jǐn)?shù)C可由下式確定：C=S-R-Rf式中S為系統(tǒng)中的化學(xué)物質(zhì)數(shù)目；R為系統(tǒng)中實(shí)際存在的獨(dú)立的化學(xué)反應(yīng)數(shù)目；R為除相平衡、化學(xué)平衡和各相中EBxB=1的條件之外，存在于各物質(zhì)濃度之間的其他限制條件。相圖：表示平衡系統(tǒng)的相態(tài)及相組成與系統(tǒng)的溫度、壓力、總組成等變量之間的關(guān)系的圖形。相圖都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果而繪制的。單組分系統(tǒng)的自由度數(shù)最多為2，因此系統(tǒng)的相平衡關(guān)系可用壓力-溫度圖表示。相平衡是熱力學(xué)的重要應(yīng)用，也是化學(xué)熱力學(xué)的主要研究對(duì)象。相平衡研究對(duì)生產(chǎn)和科學(xué)研究具有重大的實(shí)際意義。例如在化學(xué)研究和化學(xué)生產(chǎn)中的分離操作中，經(jīng)常會(huì)遇到各種相變化過(guò)程，如蒸發(fā)、冷凝、升華、溶解、結(jié)晶和萃取等，這些過(guò)程涉及到不同相之間的物質(zhì)傳遞。研究對(duì)象：?jiǎn)谓M份多相系統(tǒng)與多組分多相系統(tǒng)。研究?jī)?nèi)容：研究一個(gè)多相系統(tǒng)達(dá)到相平衡時(shí)，溫度、壓力和各相組成間的關(guān)系。研究意義：化工生產(chǎn)中原料和產(chǎn)品分離提純的理論基礎(chǔ)。常見(jiàn)的分離提純方法是結(jié)晶、蒸餾、萃取、吸收等。分離科學(xué)：研究從混合物中分離、富集或提純某些組分，以獲得相對(duì)純物質(zhì)的規(guī)律及其應(yīng)用的一門(mén)學(xué)科。研究將混合物中某個(gè)或某些組分的含量提高以至獲得純化合物的分離方法、技術(shù)及規(guī)律的科學(xué)。分離的目的是分析前樣品處理：檢測(cè)靈敏度。儀器需要。結(jié)構(gòu)鑒定：紅外、核磁、質(zhì)譜。獲取有用物質(zhì)。除去有害物質(zhì)：如廢水處理。分離科學(xué)的重要性：一、認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的必經(jīng)之路：獲得純物質(zhì)、鑒定結(jié)構(gòu)、了解物質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)。二、各種分析技術(shù)的前提：去除干擾、提高檢測(cè)限（濃縮、富集）。三、其他學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)：天然產(chǎn)物提取與分離、藥物化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、食品科學(xué)等。四、獲取有用物質(zhì)的手段：純凈水、精鹽、天然色素。按被分離物質(zhì)的性質(zhì)分類：一、物理分離法。二、化學(xué)分離法。三、物理化學(xué)分離法?；瘜W(xué)分離法：是按被分離組分化學(xué)性質(zhì)差異，通過(guò)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)過(guò)程使其分離。如沉淀分離、溶劑萃取、色譜分離、選擇性溶解。按分離過(guò)程分為平衡分離、速度差分離和反應(yīng)分離。在所有化工熱力學(xué)的研究?jī)?nèi)容中，相平衡占有著無(wú)法比擬的重要地位。從某種意義上來(lái)說(shuō)，在化工熱力學(xué)的研究?jī)?nèi)容中，對(duì)“能量”和“組成”的研究是最為重要的部分，而所謂對(duì)于“組成”的研究，實(shí)質(zhì)上就是指相平衡和化學(xué)平衡，尤以相平衡占有更重要的地位。相平衡包括很多種具體的類型，僅常見(jiàn)的兩相平衡就有汽液平衡、氣液平衡、液液平衡和固液平衡，這些相平衡分別對(duì)應(yīng)描述的是化工原理中精餾、吸收、萃取和結(jié)晶這些單元操作的傳質(zhì)過(guò)程。因此，化工熱力學(xué)針對(duì)這些相平衡的研究給出的平衡基本特點(diǎn)、平衡計(jì)算、預(yù)測(cè)模型以及理論為化工原理、化工分離和化工設(shè)計(jì)課程提供了強(qiáng)有利的理論、數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)描述等支持。沒(méi)有汽液相平衡和氣液相平衡。計(jì)算精餾、吸收等主要單元操作的理論板數(shù)時(shí)必需的平衡線就無(wú)法獲得，進(jìn)而無(wú)法確定塔高與分離效果的關(guān)系；沒(méi)有固液相平衡，就無(wú)法為結(jié)