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)一個多相系統(tǒng)中各相的性質(zhì)和數(shù)量均不隨時間變化時，稱此系統(tǒng)處于相平衡。此時從宏觀上看，沒有物質(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，只是兩個方向的遷移速率相同而已。一個系統(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，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)。對于不考慮外場（如重力場、電場、磁場等）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)的主要研究對象。相平衡研究對生產(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)常會遇到各種相變化過程，如蒸發(fā)、冷凝、升華、溶解、結(jié)晶和萃取等，這些過程涉及到不同相之間的物質(zhì)傳遞。研究對象：單組份多相系統(tǒng)與多組分多相系統(tǒng)。研究內(nèi)容：研究一個多相系統(tǒng)達(dá)到相平衡時，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，以獲得相對純物質(zhì)的規(guī)律及其應(yīng)用的一門學(xué)科。研究將混合物中某個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，通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)過程使其分離。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)的研究內(nèi)容中，相平衡占有著無法比擬的重要地位。從某種意義上來說，在化工熱力學(xué)的研究內(nèi)容中，對“能量”和“組成”的研究是最為重要的部分，而所謂對于“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)過程。因此，化工熱力學(xué)針對這些相平衡的研究給出的平衡基本特點(diǎn)、平衡計算、預(yù)測模型以及理論為化工原理、化工分離和化工設(shè)計課程提供了強(qiáng)有利的理論、數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)描述等支持。沒有汽液相平衡和氣液相平衡。計算精餾、吸收等主要單元操作的理論板數(shù)時必需的平衡線就無法獲得，進(jìn)而無法確定塔高與分離效果的關(guān)系；沒有固液相平衡，就無法為結(jié)