无机化学中热力学研究论文

[摘要]从石油中的各种非烃组分的特征,用途,危害,以及研究意义等方面进行阐述,明确石油中非烃组分的重要性,以及在国民经济,环境保护,社会生产,日常生活等诸领域对其进行研究的重大意义。今天小编为大家推荐《无机化学中热力学研究论文 (精选3篇)》，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。

无机化学中热力学研究论文 篇1：

关于吉布斯自由能变和功等式写法的探讨

摘要：在常用的无机化学教材中，化学热力学部分讲到吉布斯自由能变(ΔG)的物理意义时，给出的ΔG和功(W)的关系式有多种写法，但可以归纳总结为三种写法。为避免发生这种问题，应强化对W的符号规定的认识。

关键词：吉布斯自由能变;功;关系式

化学热力学是无机化学的重点内容之一，在讲授化学热力学中系统的吉布斯自由能变(ΔG)的物理意义时，发现ΔG和系统(体系)对外做的有用功(W非)的关系式有多种写法，该关系式不仅在化学热力学部分重要，还与后面的氧化还原反应和氧化还原平衡内容密切相关。若不讲清楚，会给学生看书时造成困扰。因此，我们将多本教材中出现的此关系式的不同写法进行了归纳总结，分析了出现不同写法的原因，对如何讲授可以避免学生的困扰，提出了看法。

一、教材中出现的ΔG和W关系式的不同写法

在常用的授课教材中，当讲到ΔG的物理意义时，给出的ΔG和W关系式有多种写法。如(1)-ΔG=-W非[1];(2)-ΔG=W非[2];(3)ΔrG=-Wmax[3];(4)ΔrGm=Wmax[4];(5)ΔrGm=Wmax′[5];(6)ΔG=Wmax′[6]。把ΔG和摩尔反应吉布斯自由能变(ΔrGm)看成是同样的量，把W非与系统对外做的最大有用功(Wmax和W有′)看成是同样的量，ΔG和W关系式仍有三种写法：(1)-ΔG=-W;(2)ΔG=W;(3)ΔG=-W。对于ΔG和W关系式表示的物理意义，各种教材表述相似：封闭系统(体系)在恒温恒压下吉布斯函数G的变化等于系统能够做的最大非体积功Wmax。即恒温恒压下过程或反应总是自发地向着吉布斯函数减少的方向进行，直至吉布斯函数减至最小值，达到平衡为止。在(1)-ΔG=-W的公式中，ΔG减小为负值，加上前面的负号，等式左面为正值;系统对环境做功，W<0，为负值，加上前面的负号，等式右面也为正值，该关系式成立。在(2)ΔG=W的公式中，ΔG减小为负值，等式左面为负值;系统对环境做功，W<0，为负值，等式右面也为负值，该关系式成立。在(3)ΔG=-W的公式中，ΔG减小为负值，等式左面为负值;系统对环境做功，W>0，加上前面的负号，等式右面也为负值，该关系式也成立。

二、出现不同写法的原因

出现这种现象的原因是对W的符号的认识的差别引起的，虽然早有规定，也早有探讨[7]，但对W的符号的认识还不十分明确。如果对该符号的规定明确，在教材的至始至终都贯彻该符号，就可以避免这种情况的出现。由于W的符号规定不同，由热力学第一定律推导得到的关系式写法就不同。若规定系统向环境做功，W<0;环境向系统做功，W>0，由热力学第一定律推导得到的关系式为：-ΔG=-W非。有的教材则直接给出：-ΔG=-W非。若规定系统向环境做功，W>0;环境向系统做功，W<0，由热力学第一定律推导得到的关系式为：-ΔG=W非。因为有些教材不对公式进行推导，虽然教材编者清楚公式的来龙去脉，但易造成读者看书时的困惑。

三、如何避免这种情况的产生

为避免发生这种情况，首先，应强化对W的符号规定的认识;其次，应将该关系式统一写成-ΔG=-W非的形式。

(一)强化对W的符号规定的认识

热力学规定：系统向环境做功，W<0;环境向系统做功，W>0。所有的写法与讲法都与该规定一致，会使相关的内容更清晰、明确和自然，没有强加符号的感觉。

从求体积功公式的推导，就应该贯彻W的符号规定。化学反应过程中，经常发生体积变化。系统反抗外压改变体积，产生体积功。设：在一截面积为A的圆柱形筒内发生化学反应，系统反抗外压P膨胀，活塞从I位移动到II位。

高中物理中，功的定义式W=F·s·cosθ，公式中的F为恒力，s为物体的位移，θ是指F与位移s间的夹角。力与位移方向相反，即θ=180°，cos180°=-1，W=-F·s。在本文中，如图1所示，F=P·A(P为压强)，s=Δl，W=-P·A·Δl=-P·ΔV。这种W=-P·ΔV称为体积功。当体积膨胀时，ΔV>0，计算得W<0，此时是系统反抗外力对环境做功，W<0;当体积压缩时，ΔV<0，计算得W>0，此时是环境对系统做功，W>0。与对W的符号规定完全一致。

(二)统一该关系式的写法

应将该关系式统一写成-ΔG=-W非的形式，因为这种写法是由热力学第一定律推导得到的，并且在应用时再根据具体情况加以解释。

如讲到氧化还原反应和氧化还原平衡中的ΔG与电动势(E)的关系式时，各种教材给出的都相同，即ΔrG=-nFE(式中n为电池反应中所转移电子的物质的量，F为法拉第常数，E为电势差，在原电池中为原电池的电动势)。可是在引出此关系式时却有所不同。

若在化学热力学中采用(3)ΔG=-W的关系式，则因为W=W电=qE=nFE，自然得到ΔrG=-W电=-qE=-nFE。

若在化学热力学中采用(2)ΔG=W的关系式，则，因为W=W电=qE=nFE，W电得到的是正值，等式左面ΔG减小为负值，必须加上负号，使等式左面为正值，等式两边相等，即-ΔG=W，可以得到ΔG=-W=-nFE(ΔG=-nFE)。因此，必须加以说明，才能得到ΔG=-nFE。

若在化学热力学中采用(1)-ΔG=-W关系式，两边同时去掉负号，得到ΔG=W，与(2)ΔG=W的关系式情况相同，也必须加以说明，才能得到ΔG=-nFE。

四、与此类似的问题

除-ΔG=-W关系式存在正负号争议外，无机化学中还至少有两处有正负号争议。一是晶格能，二是元素的电子亲和(合)能。目前，大多数教材关于晶格能已改成与热力学规定的符号一致，但对于元素的电子亲和(合)能，大多数教材还沿用放出能量，但用正值表示。

五、结语

从以上对ΔG和W关系式多种写法的总结及产生的原因的分析，可以看出，应强化对W的符号规定的认识，一本教材要做到内容的前后照应和一致，将该关系式统一写成-ΔG=-W非的形式，且在应用时再根据具体情况加以解释，这样才能避免读者的困惑。

参考文献：

[1]吉林大学，武汉大学，南开大学.无机化学[M](第二版).北京：高等教育出版社，2009.

[2]陈虹锦.无机与分析化学[M].北京：科学出版社，2002.

[3]贾之慎，等，编.无机及分析化学[M].北京：中国农业出版社，2008.

[4]大连理工大学.无机化学[M](第五版).北京：高等教育出版社，2006.

[5]呼世斌，等.无机及分析化学[M](第二版).北京：高等教育出版社，2005.

[6]北京师范大学大学.无机化学(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[7]陈定梅.浅议毛机亿学教学中功的符号规范性及吉布斯有由能的引入问题[J].六盘水师专学报，2001，13(4)：62-63.

基金项目：东北林业大学重点课程建设基金资助。

作者简介：韩福芹(1962—)，女，副教授，博士，主要研究方向：无机复合材料。

作者：韩福芹,王丽丽

无机化学中热力学研究论文 篇2：

石油中非烃组分研究的意义

[摘要]从石油中的各种非烃组分的特征,用途,危害,以及研究意义等方面进行阐述,明确石油中非烃组分的重要性,以及在国民经济,环境保护,社会生产,日常生活等诸领域对其进行研究的重大意义。

[关键词]石油 非烃 环烷酸 脂肪酸 含硫化合物 含氮化合物

石油中的非烃化合物主要包括含硫,含氮,含氧化合物,对这些非烃组分的研究对提高石油利用率,提升石油产品经济效益,降低石油中有害物质造成的不良影响,减少石油生产中对环境的损坏等方面有重要意义。下面将从各不同非烃组分的特征,用途,研究意义等方面进行阐述。

一、环烷酸

(一)环烷酸的性质

环烷酸属于石油非烃组分中的酸性氧化物,是石油中的天然有机狡酸,含量一般为石油的万分之一,和存在于石油中的其它羧酸中性油总称为石油酸。环烷酸为弱酸性化合物,酸性强度约和高级脂肪酸相当,而弱于低分子梭酸,高于酚类。在化学上常用酸值来表示有机物质的酸性大小,酸值越大,酸性越强,则有机酸的相对分子质量也就越小。而各地生产的环烷酸酸值不尽相同,如新疆#2酸的酸值在160mgKoH/g左右,山东#2酸酸值在180mgKoH/g左右,锦州酸酸值在150mgKoH/g左右。上述酸值为粗酸值,与其粗酸组分中所含中性油(不皂化物)数量有关,为了更能说明其本质,常采用纯酸值概念,即中和19纯环烷酸所需氢氧化钾的毫克数(在化学分析上采用石油醚萃取饱和抓化钠溶液洗涤而获得纯环烷酸)。环烷酸具有饱和羧酸的化学性质,主要的化学反应是成盐反应、醋化反应和酞胺化反应,还能与503发生磺化反应生成磺基环烷酸等有机衍生物。

(二)环烷酸的用途

随着我国石油工业的飞速发展,为适应市场的需要,提高油品质量,生产新一代润滑油以及高质量的石油化工、精细化工产品及添加剂,对含有环烷酸的原油回收和利用显得日趋重要,特别是当前石油化工已把环烷酸作为廉价的重要精细化工原料之一。国内外非常重视它的开发和应用,有大量的文献资料表明环烷酸在大分子化学、应用化学、无机化学、物理化学等领域应用广泛。上海长风化工厂自1996年开始生产环烷酸及其金属盐类,其产量和品种逐年增加。目前环烷酸的产量已达2000t/a以上,其延伸的各种精细化工产品已达十余种,广泛销往国内外市场。

1.环烷酸属于有机羧酸,它与元素周期表中的大多数金属元素都可以形成化合物,颇有使用价值。环烷酸总量的70%用于制造金属盐,其中用量最大的是用作涂料工业催干剂、不饱和树脂促进剂、油墨印刷工业干燥剂,也可用于某些化工生产的催化剂(氧化合成),油品的添加剂。

2.环烷酸直接使用。贵重金属浮选剂和合成有机化合物的载体或缓蚀剂。

3.环烷酸的有机衍生物。环烷酸的有机衍生物种类繁多,但实用价值不及环烷酸金属盐,开展这一领域研究工作较多的国家为俄罗斯,我国还较少,但正在积极开拓中。

(1)环烷酸丁醋增塑剂:由环烷酸和丁醇在催化剂作用下合成。可在塑料工业中作增塑剂用,具有良好的高热稳定性、抗拉强度和断裂伸长率。并可部分取代邻苯二甲酸二辛醋(DOP)、邻苯二甲酸二T醋(nBP)。日本对此研究较多。

(2)环烷基经肘酸:由环烷酸酞氯经肪化精制而成。它对金属氧化物有极好的鳌合作用,而环烷酞基又有极好的表面活性,在稀土矿及其他金属的浮选中富集效果优于其他类型的浮选剂。

(3)环烷基咪哇琳:由环烷酸和烷基有机胺合成。常作为油田化学处理剂和用于炼油厂的常压、减压塔顶缓蚀剂。能有效地防止原油加工过程中蒸馏塔及系统管线被HZs、Hcl等腐蚀。

(4)捕收剂:通过环烷酸的改性,利用碱渣提纯改性获得SR药剂,具有良好的捕收性能。特别是改善了其选择性,如抓代环烷酸和磺化环烷酸钠。

(5)环烷胺和环烷基烷醇酞胺或烷醇酞胺磺酸钠可作为阳离子表面活性剂和高效合成洗涤剂(美国已把它应用于日用化工香波、化妆品)。

(三)环烷酸的腐蚀

环烷酸腐蚀是在石油蒸馏塔的高温部位及转油线经常发生的一种腐蚀形态。环烷酸的腐蚀一般为均匀腐蚀但在高流速区多表现为沟槽状局部腐蚀,它可与铁生成油溶性环烷酸铁,浓度高,腐蚀速度就加快。通常腐蚀表面无垢,呈现出光泽的金属表面。另外,环烷酸还可破坏硫化亚铁保护膜,引起设备的腐蚀。

抑制发生环烷酸腐蚀的措施主要有:1.有条件情况下,对高酸原油进行掺炼,保持加工原油TAN低于0.5mgKOH/g,从源头上减轻环烷酸腐蚀;2.关键部位选用耐腐蚀钢,如含M。的316,317不锈钢可有效抑制环烷酸腐蚀;3.控制工艺参数;4.加缓蚀剂,进行碱中和;5.加强监控,采用腐蚀监测和预测技术。

所以,加强对环烷酸的研究,在国民经济建设中充分发挥利用其用途,降低其危害有着重大的意义。

二、脂肪酸

脂肪酸也是石油非烃组分中的酸性氧化物,脂肪酸在无论社会生产,还是日常生活中都有着巨大的作用。脂肪酸是油脂化工的基础原料,以天然脂肪酸为原料衍生的下游产品,广泛用于纺织、食品、医药、日用化工、石油化工、塑料、采矿、交通运输、铸造、金属加工、油墨、涂料等各种行业。所以,加强对石油中脂肪酸的研究以及提取有着可观的经济效益。

三、石油中的含硫化合物

(一)硫在石油中的存在和性质

硫在石油中可呈元素硫,硫化氢,硫醇,硫醚,硫醚,二硫化物等形态出现。石油中的硫是有害物质,对机器,管道,油罐等金属设备造成严重腐蚀,并污染大气,所以对石油中硫的研究有着重大的环境和经济效益。

从炼油厂设备腐蚀与防护的角度考虑,一般将原油中的硫分为活性硫和非活性硫。元素硫、硫化氢和低分子硫醇都能与金属直接作用而引起设备的腐蚀,因此它们统称为活性硫。其余不能与金属直接作用的含硫化合物统称为非活性硫。非活性硫在高温、高压和催化剂的作用下,可部分分解为活性硫。有些含硫化合物在120℃温度下就开始分解。原油中的含硫化合物与氧化物、氯化物、氮化物、氰化物、环烷酸和氢气等其它腐蚀性介质相互作用,可以形成多种含硫腐蚀环境。硫在原油的不同馏分中的含量和存在的形式不尽相同,但都随沸点的升高而增加,并且富集于渣油中。

(二)硫腐蚀的特点

硫腐蚀贯穿于炼油全过程。原油中的总硫含量与腐蚀性之间并无精确的对应关系,主要取决于含硫化合物的种类、含量和稳定性。如果原油中的非活性硫易转化为活性硫,即使硫含量很低,也将对设备造成严重的腐蚀。这就使硫腐蚀发生在炼油装置的各个部位。因此,硫腐蚀涉及装置多,腐蚀环境也多种多样,含硫化合物的转化关系相当复杂,给硫腐蚀的动力学和热力学研究、防腐蚀措施的制定以及加工含硫原油的设备选材带来很多困难。

在原油加工过程中,硫腐蚀不是孤立存在的。硫和无机盐、环烷酸、氮化物、水、氢、氨等其它腐蚀性介质共同作用,形成多种复杂的腐蚀环境。从腐蚀环境考虑硫腐蚀可分为高温(大于240℃)化学腐蚀、低温硫化氢电化学腐蚀以及两种比较特殊的腐蚀硫酸露点腐蚀和连多硫酸腐蚀;从腐蚀形态考虑,硫腐蚀又可分为均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂(SCC)以及由湿硫化氢引起的氢鼓泡(HB)、氢致开裂(HIC)、含硫化合物应力腐蚀开裂(SSCC)和应力导向氢致开裂(SOHIC)等。

所以,加强对石油中含硫化合物的研究,明确其腐蚀方式,机理,进而研究开发防腐技术来降低其对设备的腐蚀程度在国民经济生产中有重要意义。

四、石油中的含氮化合物

(一)含氮化合物的存在和影响

石油中的含氮量一般都很低,我国多数原油的含氮量都低于0.5%。虽然石油中的氮含量较低,但氮化物的存在却会引起一系列问题。存在于石油及石油产品中的氮对油品加工过程有负面影响,如氮化物能使催化加工中的催化剂中毒;燃料中含氮使燃料的储存稳定性降低,在油品储藏过程中,导致油色变深及产生胶质和沉淀;很少量的氮会影响制造的石墨电极的质量;此外,石油产品作为燃料燃烧时,其中含有的氮化物以NOx的形式排入大气,造成环境污染。所以,同含硫化合物一样,加强对石油中含氮化合物的研究无论对国民经济还是环境保护都有重要意义。

(二)石油产品中氮化物的脱除

基于存在于石油及产品中的氮化物的负面影响,对油品中的氮含量的脱除是必不可少的。目前脱氮工艺的研究主要集中在轻质油品上,主要方法有:酸精制、加氢精制、溶剂精制、微生物脱氮等。

酸性溶液萃取精制可以脱除石油中的碱性氮化合物,迄今为止,所有汽、柴油脱色、除杂基本上都采用强酸搅拌,沉淀处理法,可脱出氮、硫和胶质,但一些不含氮的烃类油也被萃取溶于酸相中,对油品损失严重。酸精制后的轻质油品中含有部分油溶性酸,影响油品的某些性质,因此酸精制后的油品要经过碱洗以提高油品的安定性。试验证明,酸和碱液联合精制后油品的安定性优于单一碱洗或单一酸精制油品的安定性,通常酸碱常联合使用。

加氢精制是在催化剂存在下,在一定温度、压力下进行,此法可脱除氮、硫、氧的化合物和金属元素。加氢精制工艺先进,精制油收率高,但脱氮效果不好,不利于油品安定性的提高,而且加氢精制耗氢量大,制氢和加氢装置投资大,使加氢的生产成本高。

一般润滑油的精制采用溶剂精制法,脱除不理想成分,以改善组成和颜色。溶剂精制是根据相似相溶原理,不仅可以脱除含氮化合物,而且还可以脱除硫、氧、胶质和多环芳烃。一般脱氮溶剂精制采用的溶剂均为极性溶剂,如糠醛、酚等,但它的选择性较差,在脱除含氮化合物的同时,大量的烃类也被脱除,精制油收率低。

微生物脱氮是目前研究比较多的方向。细菌在自然界中普遍存在,脱氮细菌也不例外,它们的催化特征反应是释放出氮,留下碳氢化合物。采用微生物脱氮,微生物菌种的选择和培养是关键,培养抗毒能力强的微生物,成为石油生物脱氮技术开发应用的关键。但微生物脱氮的反应速度慢,还有比较多的问题没有解决,目前在工业上还没有被应用。

五、结束语

通过以上分析,对石油中的非烃组分有了较深入了解,肯定了加强对其研究的必要性和对国民经济和环境保护的重大战略意义。我们应充分利用当今世界各种前沿技术手段,充分利用其优点,防治其危害,以期对我国的经济发展,环境保护做出更大贡献。

参考文献:

[1]董吕平,浅析环烷酸及其精细化工产品的价值[J].上海涂料,2006,44(3):28～31.

[2]崔新安、宁朝辉,石油加工中的硫腐蚀与防护[J].炼油设计,1999,29(8):61～67.

[3]朱燕群、刘克俭,石油加工行业中硫化氢危害性及安全对策分析[J].职业与健康,2006,22(16):1248～1250.

[4]任飞,石油中的氮化合物[J].广东化工,2006,33(8):38～40.

作者简介:

郭晨(1988-),山西省晋城市人,中国矿业大学资源与地球科学学院,地质工程06-3班,团支部书记。石油中的非烃化合物主要包括含硫,含氮,含氧化合物,对这些非烃组分的研究对提高石油利用率,提升石油产品经济效益,降低石油中有害物质造成的不良影响,减少石油生产中对环境的损坏等方面有重要意义。下面将从各不同非烃组分的特征,用途,研究意义等方面进行阐述。

一、环烷酸

(一)环烷酸的性质

环烷酸属于石油非烃组分中的酸性氧化物,是石油中的天然有机狡酸,含量一般为石油的万分之一,和存在于石油中的其它羧酸中性油总称为石油酸。环烷酸为弱酸性化合物,酸性强度约和高级脂肪酸相当,而弱于低分子梭酸,高于酚类。在化学上常用酸值来表示有机物质的酸性大小,酸值越大,酸性越强,则有机酸的相对分子质量也就越小。而各地生产的环烷酸酸值不尽相同,如新疆#2酸的酸值在160mgKoH/g左右,山东#2酸酸值在180mgKoH/g左右,锦州酸酸值在150mgKoH/g左右。上述酸值为粗酸值,与其粗酸组分中所含中性油(不皂化物)数量有关,为了更能说明其本质,常采用纯酸值概念,即中和19纯环烷酸所需氢氧化钾的毫克数(在化学分析上采用石油醚萃取饱和抓化钠溶液洗涤而获得纯环烷酸)。环烷酸具有饱和羧酸的化学性质,主要的化学反应是成盐反应、醋化反应和酞胺化反应,还能与503发生磺化反应生成磺基环烷酸等有机衍生物。

(二)环烷酸的用途

随着我国石油工业的飞速发展,为适应市场的需要,提高油品质量,生产新一代润滑油以及高质量的石油化工、精细化工产品及添加剂,对含有环烷酸的原油回收和利用显得日趋重要,特别是当前石油化工已把环烷酸作为廉价的重要精细化工原料之一。国内外非常重视它的开发和应用,有大量的文献资料表明环烷酸在大分子化学、应用化学、无机化学、物理化学等领域应用广泛。上海长风化工厂自1996年开始生产环烷酸及其金属盐类,其产量和品种逐年增加。目前环烷酸的产量已达2000t/a以上,其延伸的各种精细化工产品已达十余种,广泛销往国内外市场。

1.环烷酸属于有机羧酸,它与元素周期表中的大多数金属元素都可以形成化合物,颇有使用价值。环烷酸总量的70%用于制造金属盐,其中用量最大的是用作涂料工业催干剂、不饱和树脂促进剂、油墨印刷工业干燥剂,也可用于某些化工生产的催化剂(氧化合成),油品的添加剂。

2.环烷酸直接使用。贵重金属浮选剂和合成有机化合物的载体或缓蚀剂。

3.环烷酸的有机衍生物。环烷酸的有机衍生物种类繁多,但实用价值不及环烷酸金属盐,开展这一领域研究工作较多的国家为俄罗斯,我国还较少,但正在积极开拓中。

(1)环烷酸丁醋增塑剂:由环烷酸和丁醇在催化剂作用下合成。可在塑料工业中作增塑剂用,具有良好的高热稳定性、抗拉强度和断裂伸长率。并可部分取代邻苯二甲酸二辛醋(DOP)、邻苯二甲酸二T醋(nBP)。日本对此研究较多。

(2)环烷基经肘酸:由环烷酸酞氯经肪化精制而成。它对金属氧化物有极好的鳌合作用,而环烷酞基又有极好的表面活性,在稀土矿及其他金属的浮选中富集效果优于其他类型的浮选剂。

(3)环烷基咪哇琳:由环烷酸和烷基有机胺合成。常作为油田化学处理剂和用于炼油厂的常压、减压塔顶缓蚀剂。能有效地防止原油加工过程中蒸馏塔及系统管线被HZs、Hcl等腐蚀。

(4)捕收剂:通过环烷酸的改性,利用碱渣提纯改性获得SR药剂,具有良好的捕收性能。特别是改善了其选择性,如抓代环烷酸和磺化环烷酸钠。

(5)环烷胺和环烷基烷醇酞胺或烷醇酞胺磺酸钠可作为阳离子表面活性剂和高效合成洗涤剂(美国已把它应用于日用化工香波、化妆品)。

(三)环烷酸的腐蚀

环烷酸腐蚀是在石油蒸馏塔的高温部位及转油线经常发生的一种腐蚀形态。环烷酸的腐蚀一般为均匀腐蚀但在高流速区多表现为沟槽状局部腐蚀,它可与铁生成油溶性环烷酸铁,浓度高,腐蚀速度就加快。通常腐蚀表面无垢,呈现出光泽的金属表面。另外,环烷酸还可破坏硫化亚铁保护膜,引起设备的腐蚀。

抑制发生环烷酸腐蚀的措施主要有:1.有条件情况下,对高酸原油进行掺炼,保持加工原油TAN低于0.5mgKOH/g,从源头上减轻环烷酸腐蚀;2.关键部位选用耐腐蚀钢,如含M。的316,317不锈钢可有效抑制环烷酸腐蚀;3.控制工艺参数;4.加缓蚀剂,进行碱中和;5.加强监控,采用腐蚀监测和预测技术。

所以,加强对环烷酸的研究,在国民经济建设中充分发挥利用其用途,降低其危害有着重大的意义。

二、脂肪酸

脂肪酸也是石油非烃组分中的酸性氧化物,脂肪酸在无论社会生产,还是日常生活中都有着巨大的作用。脂肪酸是油脂化工的基础原料,以天然脂肪酸为原料衍生的下游产品,广泛用于纺织、食品、医药、日用化工、石油化工、塑料、采矿、交通运输、铸造、金属加工、油墨、涂料等各种行业。所以,加强对石油中脂肪酸的研究以及提取有着可观的经济效益。

三、石油中的含硫化合物

(一)硫在石油中的存在和性质

硫在石油中可呈元素硫,硫化氢,硫醇,硫醚,硫醚,二硫化物等形态出现。石油中的硫是有害物质,对机器,管道,油罐等金属设备造成严重腐蚀,并污染大气,所以对石油中硫的研究有着重大的环境和经济效益。

从炼油厂设备腐蚀与防护的角度考虑,一般将原油中的硫分为活性硫和非活性硫。元素硫、硫化氢和低分子硫醇都能与金属直接作用而引起设备的腐蚀,因此它们统称为活性硫。其余不能与金属直接作用的含硫化合物统称为非活性硫。非活性硫在高温、高压和催化剂的作用下,可部分分解为活性硫。有些含硫化合物在120℃温度下就开始分解。原油中的含硫化合物与氧化物、氯化物、氮化物、氰化物、环烷酸和氢气等其它腐蚀性介质相互作用,可以形成多种含硫腐蚀环境。硫在原油的不同馏分中的含量和存在的形式不尽相同,但都随沸点的升高而增加,并且富集于渣油中。

(二)硫腐蚀的特点

硫腐蚀贯穿于炼油全过程。原油中的总硫含量与腐蚀性之间并无精确的对应关系,主要取决于含硫化合物的种类、含量和稳定性。如果原油中的非活性硫易转化为活性硫,即使硫含量很低,也将对设备造成严重的腐蚀。这就使硫腐蚀发生在炼油装置的各个部位。因此,硫腐蚀涉及装置多,腐蚀环境也多种多样,含硫化合物的转化关系相当复杂,给硫腐蚀的动力学和热力学研究、防腐蚀措施的制定以及加工含硫原油的设备选材带来很多困难。

在原油加工过程中,硫腐蚀不是孤立存在的。硫和无机盐、环烷酸、氮化物、水、氢、氨等其它腐蚀性介质共同作用,形成多种复杂的腐蚀环境。从腐蚀环境考虑硫腐蚀可分为高温(大于240℃)化学腐蚀、低温硫化氢电化学腐蚀以及两种比较特殊的腐蚀硫酸露点腐蚀和连多硫酸腐蚀;从腐蚀形态考虑,硫腐蚀又可分为均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂(SCC)以及由湿硫化氢引起的氢鼓泡(HB)、氢致开裂(HIC)、含硫化合物应力腐蚀开裂(SSCC)和应力导向氢致开裂(SOHIC)等。

所以,加强对石油中含硫化合物的研究,明确其腐蚀方式,机理,进而研究开发防腐技术来降低其对设备的腐蚀程度在国民经济生产中有重要意义。

四、石油中的含氮化合物

(一)含氮化合物的存在和影响

石油中的含氮量一般都很低,我国多数原油的含氮量都低于0.5%。虽然石油中的氮含量较低,但氮化物的存在却会引起一系列问题。存在于石油及石油产品中的氮对油品加工过程有负面影响,如氮化物能使催化加工中的催化剂中毒;燃料中含氮使燃料的储存稳定性降低,在油品储藏过程中,导致油色变深及产生胶质和沉淀;很少量的氮会影响制造的石墨电极的质量;此外,石油产品作为燃料燃烧时,其中含有的氮化物以NOx的形式排入大气,造成环境污染。所以,同含硫化合物一样,加强对石油中含氮化合物的研究无论对国民经济还是环境保护都有重要意义。

(二)石油产品中氮化物的脱除

基于存在于石油及产品中的氮化物的负面影响,对油品中的氮含量的脱除是必不可少的。目前脱氮工艺的研究主要集中在轻质油品上,主要方法有:酸精制、加氢精制、溶剂精制、微生物脱氮等。

酸性溶液萃取精制可以脱除石油中的碱性氮化合物,迄今为止,所有汽、柴油脱色、除杂基本上都采用强酸搅拌,沉淀处理法,可脱出氮、硫和胶质,但一些不含氮的烃类油也被萃取溶于酸相中,对油品损失严重。酸精制后的轻质油品中含有部分油溶性酸,影响油品的某些性质,因此酸精制后的油品要经过碱洗以提高油品的安定性。试验证明,酸和碱液联合精制后油品的安定性优于单一碱洗或单一酸精制油品的安定性,通常酸碱常联合使用。

加氢精制是在催化剂存在下,在一定温度、压力下进行,此法可脱除氮、硫、氧的化合物和金属元素。加氢精制工艺先进,精制油收率高,但脱氮效果不好,不利于油品安定性的提高,而且加氢精制耗氢量大,制氢和加氢装置投资大,使加氢的生产成本高。

一般润滑油的精制采用溶剂精制法,脱除不理想成分,以改善组成和颜色。溶剂精制是根据相似相溶原理,不仅可以脱除含氮化合物,而且还可以脱除硫、氧、胶质和多环芳烃。一般脱氮溶剂精制采用的溶剂均为极性溶剂,如糠醛、酚等,但它的选择性较差,在脱除含氮化合物的同时,大量的烃类也被脱除,精制油收率低。

微生物脱氮是目前研究比较多的方向。细菌在自然界中普遍存在,脱氮细菌也不例外,它们的催化特征反应是释放出氮,留下碳氢化合物。采用微生物脱氮,微生物菌种的选择和培养是关键,培养抗毒能力强的微生物,成为石油生物脱氮技术开发应用的关键。但微生物脱氮的反应速度慢,还有比较多的问题没有解决,目前在工业上还没有被应用。

五、结束语

通过以上分析,对石油中的非烃组分有了较深入了解,肯定了加强对其研究的必要性和对国民经济和环境保护的重大战略意义。我们应充分利用当今世界各种前沿技术手段,充分利用其优点,防治其危害,以期对我国的经济发展,环境保护做出更大贡献。

参考文献:

[1]董吕平,浅析环烷酸及其精细化工产品的价值[J].上海涂料,2006,44(3):28～31.

[2]崔新安、宁朝辉,石油加工中的硫腐蚀与防护[J].炼油设计,1999,29(8):61～67.

[3]朱燕群、刘克俭,石油加工行业中硫化氢危害性及安全对策分析[J].职业与健康,2006,22(16):1248～1250.

[4]任飞,石油中的氮化合物[J].广东化工,2006,33(8):38～40.

作者简介:

郭晨(1988-),山西省晋城市人,中国矿业大学资源与地球科学学院,地质工程06-3班,团支部书记。

作者：郭　晨

无机化学中热力学研究论文 篇3：

关于热力学中“可逆”概念的思考

[摘 要] 无机化学是化学的重要分支，也是分析化学、有机化学、物理化学等课程的基础。学习无机化学课程的学生通常为大一年级的新生，无机化学中有些知识点对于大一新生来讲，非常晦涩，难以理解。本文就无机化学中的“可逆”概念结合热力学第二定律进行了探讨，从“熵”的角度剖析“可逆”的概念，有助于学生深入理解“可逆”的概念。

[关键词] 无机化学;可逆;热力学第二定律

[基金项目] 内蒙古师范大学引进高层次人才科研启动项目“长程相互作用在金属内嵌富勒烯理论模拟中的影响研究”(2018YJRC009)

[作者简介] 赵瑞生(1987—)，男(蒙古族)，内蒙古呼和浩特人，工学博士，内蒙古师范大学化学与环境科学学院讲师，主要从事计算化学研究。

无机化学是化学学科的重要分支，也是化学学科的基础课程。据笔者调研结果，我国绝大多数化学、应用化学、化工、生物、环境工程、文物保护、药学等专业均开设了无机化学课程。无机化学课程内容繁杂，理论性较强，对于刚从高中升入大学的大一学生而言，无機化学的学习是一个很大的挑战，如果学生对无机化学中的某些重要知识点学习方法不当，容易对所学课程产生排斥心理，影响整个大学阶段的学习。无机化学课程大致分为两大部分，第一部分为普通化学原理，这部分内容主要包括化学热力学、化学平衡和化学动力学初步、原子、分子、晶体结构和配位化合物结构、酸碱解离平衡、沉淀溶解平衡、配位解离平衡、氧化还原反应;第二部分内容为元素化学，包括IA～VIIA族、零族、IB族，IIB族，IVB～VIIB族、VIII族、IIIB族、镧系、锕系元素的单质和化合物的物理和化学性质、制备合成方法以及元素单质及化合物的相关的应用。其中第一部分内容的特点是理论性强，学生学习的难点是理论知识的理解;而第二部分内容的特点是内容繁杂，学生学习的难点在于对众多知识点的记忆。

下面笔者将对无机化学中“可逆”的概念进行一些探讨，因为据笔者发现，很多学生容易对无机化学中的“可逆”概念产生误解。笔者认为，对“可逆”概念的理解和学习，不应当局限于教材中的内容，学生需要结合实例深入分析，甚至结合热力学第二定律来理解“可逆”的概念[1，2]。

一、无机化学中“可逆”概念

这是现在教材对气体恒温膨胀过程的描述。笔者认为，教材对恒温膨胀过程的描述存在两方面的不足，其一：气体恒温膨胀过程，只是以p-V图来描述，缺乏更为形象的描述，这就造成了学生对恒温膨胀过程的理解困难;其二：没有对恒温膨胀的逆过程进行描述。

所经的平衡次数越多，膨胀过程中，气体对外界所做的功越大，压缩过程中，外界对气体所做的功越小。运用数学中极限的思想，将砝码换成沙粒，气体恒温膨胀的过程中，外界压强的减小无限的小，p-V图如图1e所示，膨胀过程中，气体对外界所做的功为1600。压缩过程中的p-V图如图1e所示，因为外界压强的变化非常慢，可以看出图1e与3e是相同的，压缩过程中，外界对气体所做的功也为1600。也就是说，膨胀过程与压缩过程是互逆的。因此，只有当外界压强的变化趋于无限小时，理想气体的恒温膨胀过程才是可逆过程。笔者认为，教师在讲授理想气体恒温膨胀的过程，应结合数学中的极限思想，和积分思想，进而帮助学生从本质上理解可逆过程。此外，理想气体的恒温膨胀和恒温压缩过程可以通过多媒体制作动画辅助教学，帮助学生更形象的理解理想气体的恒温膨胀和恒温压缩过程。

“可逆”是一个普适性概念，而气体的恒温膨胀只是一个范例。那么抛开气体的恒温膨胀这一范例，什么样的过程才是“可逆”的呢?有些教材对“可逆”过程给出了定义，某一系统经过某一过程，由状态(1)变到状态(2)之后，如果能使系统和环境都完全复原(即系统回到原来的状态，同时消除了原来过程对环境所产生的一切影响，环境也复原)，则这样的过程就称为可逆过程。那么问题来了，如何判断系统由状态(1)变为状态(2)之后，系统和环境能否得到复原。这也是困扰着很多学生的一个问题。

二、热力学第二定律

笔者认为，要深入理解“可逆”过程，必须结合热力学第二定律，从热力学第二定律的角度来理解。热力学第二定律有两种表述方式(Clausius和Kelvin的说法)，Clausius的说法为，“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化”;Kelvin的说法为，“不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其他的变化”。通常，一个过程的发生，往往伴随着能量的转化，而能量存在的方式，是由优劣之分的。热力学第二定律的本质，规定了能量传递的方向，具体来说，就是能量只能从“优”的形式向“劣”的形式转变。Clausius说法中的“高温物体”就是“优”的形式，而“低温物体”就是“劣”的形式，热只能自发的从“优”的形式(即高温物体)传向“劣”的形式(即低温物体)。Kelvin的说法中，“功”就是“优”的形式，“热”就是“劣”的形式。具体到化学问题，还应考虑熵的变化情况。如果一个过程为可逆过程，伴随着这个过程的能量转换应没有“优”“劣”的变化，没有熵的改变，或者这个过程进行的速度非常的慢，即为准静态过程，“准静态”过程可以认为是“可逆”过程[4]。

三、“可逆”概念的应用

现实中的过程都是不可逆的，现实中的过程进行的速度不可能绝对的慢，即达不到准静态过程的要求。可逆过程是一种理想中的抽象，有着重要的理论意义。当正反两个方向的速率相等时的过程，可以近似认为是一个可逆过程。例如，固体在熔点时的熔化，液体在沸点时的蒸发。此外，系统在无限接近相平衡条件下的相变过程是可逆相变，在100 ℃时水的饱和蒸气压为101.325 kPa，这样在100 ℃时，101.325 kPa的水的蒸汽与同样温度、压力下的水就处于平衡。如果蒸汽压强减小到无限小，或水温降低到无限小，则两相间的平衡均将遭到破坏。前者导致水的蒸发，后者导致水的凝结。

四、结论

“可逆”是无机化学中重要的概念，但是，学生从“可逆”的定义上，往往难以理解“可逆”的概念。因此，教师讲授“可逆”，需结合数学中的极限和积分思想和热力学第二定律，帮助学生从本质上理解“可逆”的概念。此外，教师可以借助多媒体手段，帮助学生更形象的理解可逆过程。

参考文献

[1]吐尔逊尼沙·吾买尔.化学反应的可逆过程与教学研究[J].中国科技财富，2012(10)：418.

[2]臧双全，王建设，韦永丽，等.大学无机化学教学改革的探索与实践[J].大学化学，2012(27)：33-35.

[3]宋天佑，程鹏，徐家宁，等.无机化学[M].高等教育出版社，北京：2018：66-69.

[4]傅献彩.物理化学[M].北京：高等教育出版社，2005：134-146.

作者：赵瑞生