非平衡化学反应的热力学

化学现象是由反应速率表征的,只有在非平衡条件下化学反应过程才会呈现出非零的反应速率.因此化学现象本身是一种非平衡现象,化学热力学应属于非平衡态热力学(也称不可逆过程热力学)的范畴.但是传统的化学热力学主要限于研究平衡态和可逆过程,其主要原因是长期以来整个非平衡态热力学缺乏一个较为令人满意的理论.但在最近二、三十年间非平衡态热力学取得了巨大的进展.本文简要讨论与化学反应有关的非平衡态热力学的进展.     

芳香族化合物在十六烷基磷酸锡固定相上的热力学性质研究

以十六烷基磷酸锡做固定相，甲醇－水为流动相，考察了温度对分离参数的影响，测定了芳香类化合物在色谱过程中的热力学常数──△Ｈ°、△Ｓ°、△Ｇ°_（２９８）和ｌｎＫ_（２９８），并用热力学常数的变化说明芳香类溶质疏水性的大小以及色谱保留行为的规律，同时推导出这些热力学函数与溶质分子结构间的关系。     

离子液体捕集二氧化碳非平衡热力学研究方法学探讨

介绍了应用非平衡热力学研究离子液体捕集二氧化碳（CO2）动力学的思路，分析了其成功应用需解决三大关键科学难题，即可靠的热力学模型，界面传递速率描述以及准确的通量数据．其中，准确通量数据的获得需要可靠的实验动力学数据和离子液体捕集CO2过程传递面积的有效考察．在此基础上系统地总结了该三大关键科学问题最新的研究进展和分析后续开展的工作，并对离子液体捕集二氧化碳非平衡热力学研究提出展望．     

萃取精馏过程的非平衡态热力学分析

对萃取精馏过程进行了非平衡热力学分析,提出了分离过程得以进行的判据.推导出了熵产生的数学表达式,并可将其用于萃取精馏过程的节能分析.此项研究结果只适用于萃取精馏板式塔,且在非平衡热力学的线性区域内     

精馏节能过程非平衡热力学分析——模型方程的建立

通过对精馏过程进行热力学分析,建立了通用性较强的非平衡热力学数学模型.该模型可对精馏过程中用能情况进行非平衡热力学分析和熵均分分析,也可用于评价塔板性能.模型建立的基础只适用于线性非平衡热力学区,即近平衡区,有较大的局限性.     

高效金属有机骨架气相色谱固定相的理性设计北大核心CSCD

金属有机骨架材料(MOFs)由金属离子或金属簇与有机配体组装而成,其中多变的金属中心和有机配体使其具有高度可调性,这为调控高效气相色谱分离性能奠定了良好的结构基础。热力学作用力是描述分析物与固定相相互作用的基本指标,保留因子、麦氏常数、焓变与熵变等热力学值可以反映热力学作用力的相对大小。在微观层面上,可以通过设计MOFs孔隙内的多元作用力以开展热力学性质的研究,如设计金属亲和性、π-π相互作用、极性、手性位点等,这些热力学作用力可为分离具有微小差异的分析物提供有利环境。在动力学方面,MOFs的孔径大小与形状、颗粒尺寸、堆积模式对分析物的动力学扩散速率有着重要的影响,从改善分析物的动力学扩散角度出发,通过选择合适的孔径尺寸与形状、降低MOFs的颗粒尺寸、调控MOFs的堆积模式等手段,均可以提高气相色谱固定相的分离性能。根据色谱动力学统一方程和范蒂姆特方程计算扩散系数、理论塔板高度等动力学值,可有效评价色谱峰峰形和色谱柱柱效。在分离过程中,分析物的热力学作用力和动力学效应是协同作用的,且缺一不可。因此,本文从热力学与动力学两个角度提出了构建高效MOFs气相色谱固定相的设计思路,希望能为相关领域的研究提供一定帮助。     

非平衡定态化学反应体系对细致平衡偏离的不可逆性之随机热力学量度

在随机描述的层次上,成功地构筑了非平衡定态化学反应体系对细致平衡偏离的不可逆性之随机热力学判据.基于Fokker-Planck方程建立了连续Markov过程系统的随机熵平衡方程,发现在随机态空间中随机熵的时间变率亦可分为源项和流项两部分贡献.对于化学反应体系,作为态空间源项的随机熵产生可作为偏离细致平衡不可逆性的合适度量,此泛函量的零值标志着细致平衡.进一步借助按系统广度量的Ω展开法,通过对随机力及共轭的随机流的分析揭示态空间中的随机熵产生仅源于状态对细致平衡的偏离,并主要来自非Poisson涨落的贡献,因而可作为随机热力学量去判别和量度化学反应体系对细致平衡的偏离.     

低压气相色谱薄涂柱的热力学特性及应用

本文研究了低压气相色谱固定相新戊二醇己二酸聚酯（NPGA）薄涂柱的热力学特性，测定了最佳色谱条件下的溶解焓（△H）、比保留体积（Vg)气化热（△Hs），并与常压色谱柱进行了比较，应用于污水样品分离，效果良好。     

β-环糊精及其衍生物手性添加剂HPLC法拆分氯噻酮对映体过程热力学研究

以Me-β-环糊精为手性流动相添加剂，于Lichrospher C18反相柱上建立了氯噻酮对映体高效液相色谱拆分方法，同时改进了β-环糊精、HP-β-环糊精为手性流动相添加剂拆分氯噻酮对映体的色谱条件，并着重研究了在25-45℃范围内Me-β-CD、β-CD和HP-β-CD为手性流动相添加剂拆分氯噻酮对映体的过程热力学并结合手性药物氯噻酮所得的热力学数据对环糊精及其衍生物拆分能力的差异进行了比较和分析。结果表明都属于焓控过程，其拆分能力的不同主要是因为手性添加剂与对映体形成氢键作用、空间位阻效应和立体构象匹配程度存在差异。     

高效液相色谱讲座Ⅱ高效液相色谱的基本参数和基础理论（上）

色谱分离是基于样品组分在两个非互溶相间的多次反复平衡分配,利用分配中的微小差异而达到分离的目的。两个非互溶相分别称为流动相和固定相。为了描述分配过程和评价色谱柱性能,从而找出最佳分离条件,需要有一系列的色谱参数。     

The Coordinate Reaction Model: An Obstacle to Interpreting the Emergence of Chemical Complexity

The way chemical transformations are described by models based on microscopic reversibility does not take into account the irreversibility of natural processes, and therefore, in complex chemical networks working in open systems, misunderstandings may arise about the origin and causes of the stability of non-equilibrium stationary states, and general constraints on evolution in systems that are far from equilibrium. In order to be correctly simulated and understood, the chemical behavior of complex systems requires time-dependent models, otherwise the irreversibility of natural phenomena is overlooked. Micro reversible models based on the reaction-coordinate model are time invariant and are therefore unable to explain the evolution of open dissipative systems. The important points necessary for improving the modeling and simulations of complex chemical systems are: a) understanding the physical potential related to the entropy production rate, which is in general an inexact differential of a state function, and b) the interpretation and application of the so-called general evolution criterion (GEC), which is the general thermodynamic constraint for the evolution of dissipative chemical systems.     

Mobile-phase-viscosity dependence on DNA separation in slalom chromatography

Slalom chromatography (SC) is an alternative chromatographic procedure for the separation of relatively large double-stranded DNA molecules and is based on a new principle. The retardation of the DNA fragments from the cleavage of the Lambda DNA by the KpnI restriction enzyme was studied using an acetonitrile-phosphate buffer as a mobile phase with various concentrations of viscosity modifier (i.e. glycerol) and a C1 column as a stationary phase. The DNA molecule retention was accurately described over the glycerol concentration range using a model previously established. It was shown that the eluent viscosity increase enhanced the slalom chromatographic capacity to separate the DNA fragments. A connection between SC and 'hydrodynamic chromatography' processes was predicted to link the two processes in a global separation mechanism based on a non-equilibrium principle.     

双柱交替循环色谱分离甘露醇山梨醇过程

本文在非线性非平衡双柱循环色谱分离过程数学模型的基础上,进行了双柱交替循环色谱分离甘露醇山梨醇的实验,对模型进行了实验验证。结果表明：采用非线性非平衡双柱循环色谱模型计算的流出曲线与实验结果相吻合。计算机模拟的结果从理论上证明了对本实验体系采用双柱交替循环色谱分离模式比采用传统的色谱分离模式能获得更高的分离产率,产率随循环次数的增加而增加,使用双柱交替循环色谱分离操作模式获得的分离效率超过使用传统长色谱柱操作模式获得的分离效率。当轴向扩散比较严重、液固两相间的传质阻力较大,或者吸附的表观选择性系数较小时,采用双柱循环色谱模式比使用传统单柱色谱模式能获得更高的产率。     

非恒稳含时电极过程中涨落-耗散的电化学效应——恒电势滴汞电极体系的随机热力学模型

以滴汞电极体系为模型,对非恒稳恒电势动态不可逆电极过程中的耗散-涨落效应进行了系统的研究.基于滴汞电极体系的电化学特征,提出了一个简化的含时随机热力学模型,从而可能对这类重要的含时物理化学过程进行涨落和耗散的定量分析.借助该简化的模型,成功地建立了恒电势滴汞电极过程的基本随机热力学公式,由此推出耗散-涨落效应的理论极谱曲线.在滴汞电极生长缓慢及扩散步骤严重滞后情况下,含时的滴汞电极过程将趋于在有效扩散层厚度演化的慢流型上的准定态过程.在这种准定态近似下,具体分析了涨落对极谱曲线的影响.结果表明,在涨落影响可以忽略的近平衡区,从耗散-涨落导出的极谱方程与从平衡态Nernst公式导出的极谱方程完全吻合.还计算了一个涨落诱导的极谱曲线偏离的典型范例.     

在非平衡态热力学的基础上探索建立催化理的新途径

平衡态热力学一直被认作多相催化理论的基石之一。但是,它并不能概括工作中的催化剂的状态和行为,这主要是这里还发生一些非平衡过程。催化体系常常处于非平衡状态之下,而非平衡态条件下体系状态和行为,同时取决于体系的动力学和热力学。联系动力学和热力学最一般的关系式并非原来的De Donder不等式：Ar≥0,而是新的De Donde方程ln r^-/r^-=A/RT。同时发生的总反应之间的热力学耦合对总反应的作用只是形式上的,远不及催化反应链中各基元步骤之间在动力学上的耦合那么重要。通过在动力学方程中引入反应亲和力（热力学位）得到的动力学-热力学结合近似分析,可以用来分析非平衡态的催化反应和催化剂状态。非平衡态热力学在建立多相催化理论中,较之原来的平衡态热力学将能提供更能采纳的和更有意义的物理化学背景。     

厚朴酚键合硅胶液相色谱固定相的制备、表征与性能评价

通过γ-巯丙基三甲氧基硅烷(KH-590)的作用, 将具有抗菌功能的中草药厚朴的主要药用成分厚朴酚键合在硅胶表面上, 制备了厚朴酚键合硅胶液相色谱固定相. 采用红外光谱、元素分析和热重分析对该固定相进行了表征. 以苯同系物、5种吡啶、6种苯胺和8种芳香羧酸类化合物为溶质探针, 初步考察了该新型固定相的基本色谱性能, 研究了其对这些化合物的保留机理. 结果表明, 该固定相的反相色谱性能类似于十八烷基键合硅胶固定相(ODS), 分离原理与疏水性作用有关; 另外, 该固定相包含有别于疏水性作用的氢键作用、π-π电荷转移作用和偶极-偶极等作用, 多种作用力使其在分离某些可电离的碱性和酸性化合物时表现出更好的选择性和分离效果. 厚朴酚配体的多种作用位点对快速分离极性芳香化合物有重要贡献.     

The mathematical theory of molecular motor movement and chemomechanical energy transduction

The mathematical formulation of the model for molecular movement of single motor proteins driven by cyclic biochemical reactions in an aqueous environment leads to a drifted Brownian motion characterized by coupled diffusion equations. In this article, we introduce the basic notion for the continuous model and review some asymptotic solutions for the problem. (For the lattice model see [17,47].) Stochastic, non-equilibrium thermodynamic interpretations of the mathematical equations and their solutions are presented. Some relevant mathematics, mainly in the field of stochastic processes, are discussed.     

Affinity and its derivatives in the glass transition process

The thermodynamic treatment of the glass transition remains an issue of intense debate. When associated with the formalism of non-equilibrium thermodynamics, the lattice-hole theory of liquids can provide new insight in this direction, as has been shown by Schmelzer and Gutzow [J. Chem. Phys. 125, 184511 (2006)], by Mo?ller et al. [J. Chem. Phys. 125, 094505 (2006)], and more recently by Tropin et al. [J. Non-Cryst. Solids 357, 1291 (2011); ibid. 357, 1303 (2011)]. Here, we employ a similar approach. We include pressure as an additional variable, in order to account for the freezing-in of structural degrees of freedom upon pressure increase. Second, we demonstrate that important terms concerning first order derivatives of the affinity-driving-force with respect to temperature and pressure have been previously neglected. We show that these are of crucial importance in the approach. Macroscopic non-equilibrium thermodynamics is used to enlighten these contributions in the derivation of C(p),κ(T), and α(p). The coefficients are calculated as a function of pressure and temperature following different theoretical protocols, revealing classical aspects of vitrification and structural recovery processes. Finally, we demonstrate that a simple minimalist model such as the lattice-hole theory of liquids, when being associated with rigorous use of macroscopic non-equilibrium thermodynamics, is able to account for the primary features of the glass transition phenomenology. Notwithstanding its simplicity and its limits, this approach can be used as a very pedagogical tool to provide a physical understanding on the underlying thermodynamics which governs the glass transition process.     

A thermodynamic approach to understanding liquid crystal selectivity in gas chromatography

Summary The thermodynamics of four new liquid crystals were investigated in order to understand their selectivity as stationary phases in gas chromatography. In this case study, liquid crystals with a benzoyloxy azobenzene mesogenic core substituted with heptyloxy (C7) and/or dioxyethylene ether (DOE) groups, were used. The chromatographic separations of linalool and citronellal, and of xylene, tetraethylbenzene and cresol isomers, which were achieved with the liquid crystal stationary phases, have been related to the dissolution thermodynamics of the solutes. The results gave us an insight into the mechanism of the molecular recognition involved in the separation processes.     

利用氧化和希夫碱反应制备具有手性分离功能的滤纸

纸色谱具有微量、快速、高效和灵活程度高等特点。以滤纸为原料用高碘酸钠氧化法合成了二醛基滤纸,通过希夫碱反应接枝手性氨基酸,合成了一种具有手性分离功能的新型纸色谱材料。通过单因素试验和正交试验确定滤纸氧化的最佳合成条件为：高碘酸钠的质量分数为4%, pH值为2,反应温度45℃和反应时间4 h,该条件下氧化滤纸醛基含量为57.93%（物质的量分数）。氧化滤纸与L-谷氨酸通过微波合成得到具有手性分离功能的色谱用纸。利用该种手性滤纸分离外消旋酒石酸,展开剂配方为100 mL 50%正丁醇,50 mL乙酸和0.1000 g溴酚绿。结果显示,L-酒石酸比移值（R_f）为0.52, D-酒石酸R_f为0.40。该方法不需要使用大型设备,适合一般的教学、研究及工业应用。