1、 毕业论文 文献综述 化学工程与工艺 水 +醇二元体系体积性质研究 一、前言部分 本文采用密度计法测定水 +醇的二元体系性质， 密度计是测定液体密度最迅速简便的方法，适用于精度要求一般的式样。密度计的设计原理是来自于阿基米德定律，密度计的使用方法极为简便，将试样倒入清洁干净的玻璃圆筒中，然后将密度计轻轻放入圆筒中，使用时因避免产生气泡，密度计不能碰壁，碰底。在密度计停止摆动后进行观察，视线从水平位置观察试样弯月面下缘进行读数，通过所得数据进行计算已获得实验数据 。根据密度计所得数据代入公式进行计算 )( 2211 VxVxVV E （ 1） )( 2211 MxMxV （ 2） 其中，和 V
2、分别为二元混合物的密度和摩尔体积， xi,Vi,Mi（ i=1,2）分别为纯组分 i的摩尔分数，摩尔体积和摩尔质量。我们采用如下的 Redlich-Kister 多项式关联各二元体系的超额摩尔体积与组成的关系： 51111 )12()1( iiiiE xAxxV （ 3） 用最小二乘法拟合实验数据确定方程参数。根据溶液热力学理论，可以推导得到组分的超额偏摩尔体积： pTEEExVxVV,111 )1( （ 4） pTEEExVxVV,222 )1( （ 5） 由（ 4）和（ 5）式，二元体系的超额摩尔体积 EV 在极值点处有： EEE VVV 21 (6) 即二元体系超额摩尔体积函数的极值点为
3、该函数与两个组分的超额偏摩尔体积函数的交点。 于是，根据超额摩尔体积实验数据和（ 3）式 -（ 6）式可以计算组分的超额摩尔体积，以及超额摩尔体积的极值点。 二、主题部分 通过前人的努力和所做的大量工作，溶液相平衡和溶液热力学领域的研究有了长足的发展，大量的相关数据得以汇编成册，相关数据也越来越精确，实验的方法也不断得到改进，但是随着新的产品的开 发应用，许多基本的物性数据都很缺乏，给深入的研究和工程带来不便，而醇和水是与其他物质组成二元体系测得其他物质的热力学性质和汽液平衡性质的理想溶液，因此此次实验可以为其他大量的实验提供和支持基础数据，具有理论意义和实际价值，并且能够完善和补充已有的数据
4、库。 甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇均是有机合成的重要基本原料，四者均为同系物，其中又以正丙醇和异丙醇为同分异构体，工业生产对其纯度要求很高，所以对它们的性质的研究显得尤为重要；测定二元体系体积性质的研究是化工热力学的一个重要研究领域也是化工设计的基础工作和重要课题。 该研究涉及医药、石油精炼、能源、生物学、材料学、冶金、高分子化学、染料、甚至国防科学以及武器制造，因此，二元体系体积性质的研究得到了广泛的关注。通过对水 +醇二元体系体积性质的研究可以为含醇类的体系性质的研究和分离设计提供基础数据和信息。随着体积性质研究的深入为企业和工厂带来了良好的社会效益和经济效益。有越来越多的国内外学者对这方面
5、做了深入广泛的研究，其中极具代表性与影响力的文章有陈树大教授的“醇 +N-甲基哌嗪二元体系热力学性质的研究”；方文军 ,陈树大，宗汉兴的“（乙醇，异丙醇） +N-甲基哌嗪二元体系在 101.3kPa 下的气液平衡”；顾飞燕，方文军的“ Density and Refractive Index at 298.15K and Vapor-Liquid Equilibria at 101.3kPa for Binary Mixtures of Water+NE”；高大明，范广能，丁明，陈红的“非分析方法研究水 -甲醇二元系的气液平衡”等一大批文章。随着研究的深入，对二元体系体积性质的研究已然成为了热
6、力学研究的一项重要内容，其数据是检验溶液理论正确程度的重要依据；是开发新的溶液理论的实验基础；又是化工设计 、操作和计算机仿真的重要基础数据。因此对于二元体系体积性质的研究的重要性由此可见一般。通过对二元体系的究可以引申至三元以及多远体系，例如利用乙炔法生产 1,4-丁二醇产生的废液中含有水 -正丙醇 -正丁醇三元体系，研究该体系汽液平衡数据进行测定是对其进行分离回收的前提，而目前文献中，仅在极窄的温度范围内有很少的相关数据，该三元体系的汽液平衡与水 +醇二元体系类似，研究水 +醇二元体系可以为上述实验以及其他相关的实验提供基本数据。通过建立各种方程可获得溶液组份的活度系数模型，进而得到二元体
7、系组份之间的相互作用能参数，通 过这些模型参数可推算出此次实验的二元体系的泡点以及其他相关的数据，并与文献值做比较，以判断此次实验是否成功，再用面积检验法检验得来的结果是否体现了良好的热力学一致性；不仅如此，在制药产业中氟哌酸的生产需要哌嗪系列产品作为中间物品，除此之外，哌嗪系列产品也是一些合成染料的原料，它们在制药工业和精细化学品开发中很有应用价值，特别是 N-甲基哌嗪， N-乙基哌嗪， N,N-二甲基哌嗪等烷基哌嗪具有独特的生物活性，不仅是良好的医药中间体，也可以作为生化模型份子，因此它们的合成、物性研究、和工艺开发都引起人们的重视。由于哌 嗪系列产品是一类新产品，许多的基本物性数据都很缺
8、乏，给深入的研究和工程设计带来不便。 N-甲基哌嗪等烷基哌嗪常温下为液体，容易与水醇类溶剂互溶，研究 N-甲基哌嗪等于水、醇类组成的相关体系的热力学性质和汽液平衡性质具有理论意义和使用价值，测量水 +醇二元体系的体积性质能够为大多数的类似实验提供数据，实验依据以及对比条件，水和醇类是我们常见并且常用的物质，因此测定水和醇的二元体系体积性质能够做为其他实验的基础，所以该实验非常重要。 三、总结部分 随着各项有关化工热力学的实验的深入，以及各种实验设施和方法的完善，实验 所得的数据将会越来越精确越来越完善。随着新的产品的开发与应用，热力学相关的数据库也会越来越庞大，很有可能出现的情景是实验得到数据
9、的度无法满足产品的开发与应用的速度，因此可以通过利用电脑软件来对未知物性的新产品进行模拟实验，以缩短实验所用的时间与周期，同时还可以降低实验成本，带来良好的社会效益与经济效益，此举还能够能够避免实验所带来的污染与危险，因此通过计算机来模拟热力学各项实验将向成为该领域的发展方向。 通过前人的努力和所做的大量工作，溶液相平衡和溶液热力学领域的研究有了长足的发展，大量的相关数据得以汇编成册 ，相关数据也越来越精确，实验的方法也不断得到改进，目前该领域较为前沿的研究是围绕 N-甲基哌嗪等哌嗪系列新产品展开的， N-甲基哌嗪等哌嗪列新产品的合成、性质、工艺应用都受到很大的重视。它是新一代广谱抗菌药物 氧
10、佛沙星和氯氮平的中间体，也用于合成燃料和杀虫剂，在聚胺酯泡沫塑料、含硫聚酯、聚环氧四氟乙烷等高分子产品的生产中也有不少应用。该物质具有独特的结构和生物活性，使它可以作为生化模型分子，它也可以通过环上的氮原子与金属表面键合，有效的抑制金属在水或醇溶液中的腐蚀。 N-甲基哌嗪容易与水、醇类等溶剂互溶，研究 N-甲基哌嗪与水、醇类组成的体系的体积性质、相平衡性质对于深入了解 N-甲基哌嗪的热力学特征以及上述相关的开发研究都有理论意义和实际价值。溶液体积性质的研究在 不断的发展中，溶液体积性质的研究在日常生产生活中起着及其重要的作用，例如在海水淡化中，可以利用密度对海水淡化过程及程进行监测，密度是溶液
11、的基本热力学性质之一，密度可以用来估算溶液的表观摩尔体积、立方膨胀系数及压缩系数等。通过测定海水淡化过程时等温蒸发过程中的密度对蒸发量蒸发速率、海水浓度、盐类的析出及饱和点的确定都有着特殊的意义。除此之外，在测定卤水体系常 温下等温蒸发过程中密度的变化与海水淡化中密度的测定有相似的地方，例如都可使用密度瓶法来测定密度，测量密度时不仅可以实际测量，还可以通过理论模型进行预测和计算，如 Pritzer体积性质离子相互作用模型已经成功地应用于多组份电解质水溶液体系的密度和体积性质的预测。溶液的体积性质除了对密度的测定以外还有对二元以及对多元体系在特定温度及压力下的气液平衡的测定，例如陈树大、方文军、
12、宗汉兴在论文“（乙醇、异丙醇） +N-甲基哌嗪二元体系在 101.3kPa 下的汽液平衡”中所描述的，利用改进的 Rose釜测定乙醇 +N-甲基哌嗪 和异丙基 +N-甲基哌嗪两个二元体系在 101.3KPa 压力下的汽液平衡数据，用折光指数法确定汽液相组成。现在对于二元或多元体系的体积性质的测定大多是围绕哌嗪系列产品或类似的新物质展开的，除去对哌嗪系列物的测定以外还有生物化学中对谷氨酸或类似的丝氨酸与丙二醇 -水的混合溶剂中的体积性质的测定，例如徐莉、王旭、林瑞森在文章“ L-丝氨酸在丙二醇 -水和丁二醇 -水混合溶剂中的体积性质”写到利用精密数字密度计测定了 L-丝氨酸分别在不同组成的 1,
13、2-丙二醇 -水和 1,2-丁二醇 -水混合溶剂中的密度，计算了丝氨酸的表观摩尔体积、 极限偏摩尔体积、迁移偏摩尔体积和理论水化数。根据结构水合作用模型讨论了迁移偏摩尔体积和理论水化数的变化规律。结果表明，丝氨酸两性离子头基和亲水侧链与醇分子中 -OH 基团间的相互作用占主导地位，导致丝氨酸在醇 -水混合溶剂中的迁移偏摩尔体积为正值；此外，这种亲水相互作用削弱了丝氨酸酸带电中心对周围水分子的电致收缩效应，造成了水化数的减小。醇类物质对蛋白质结构稳定性的影响已被大量的实验所证实，一般认为，多羟基化合物诱导的稳定作用主要是通过蛋白质分子内疏水相互作用的增强而实现的。然而，最近的研究表明，亲水相互作
14、用在蛋 白质折叠、天然蛋白质结构稳定性和分子识别等过程中也发挥相当重要的作用。虽然在有机体细胞液或细胞外液中没有发现多元醇，但是在药物和化妆品工业中多元醇有着重要的用途。当它们通过药物和化妆品的使用被引入有机活体中时，则会影响细胞体液的组成。但迄今为止人们对多羟基化合物稳定蛋白质结构机理的认识任然有分歧。又以生物大分子结构的复杂性，因此常采用模型分子的研究方法。氨基酸被认为是研究蛋白质的理想模型化合物，研究它们从水到醇水溶液的迁移热力学性质有助于揭示蛋白质的稳定机理。体积性质研究的重要性与前沿性由此可见一般。 四、 参考文献 （根据文中参阅和引用的先后次序按序编排） 1 陈树大，方文军，宗汉兴
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