Jak to jest z powolnym dozowaniem reagentów?

Oto z dawna oczekiwany wpis chemiczny. Od dłuższego czasu jestem zmuszony przeprowadzać reakcje, w których mój pożądany produkt (nazwijmy go C) może reagować ponownie z jednym z substratów (B):

kinetics_eqations.001Produktem tej niechcianej reakcji jest związek D, który nie dość, że konsumuje produkt C, to jeszcze zużywa reagent B. Im wolniej zachodzi przemiana C w D, tym lepiej dla nas, ale nie zawsze da się tak dobrać warunki reakcji, żeby zminimalizować efekt reakcji następczej. Metod obejścia tej niedogodności jest kilka, ale chciałbym zwrócić uwagę na jedną – moim zdaniem niedziałającą.

kinetics_scheme1Często przy tego typu reakcjach stosuje się powolne dodawanie reagenta B – na przykład przy pomocy strzykawki albo wkraplacza. Przede wszystkim jest to związane z zapewnieniem dobrego wymieszania składników – jeżeli dodamy całość B na raz, to lokalnie jego stężenie będzie przez jakiś czas bardzo wysokie, co promuje reakcję uboczną (C + B…). Poza tym, jeżeli podczas reakcji uwalnia się dużo energii, to dodawanie jednego z reagentów jest wskazane z uwagi na niebezpieczeństwo wzrostu temperatury itp. Jednak spotkałem się z dość powszechnym przekonaniem, że im wolniej dodajemy B, tym wyższa końcowa wydajność otrzymywania produktu C.

Wywiązała się na ten temat całkiem dynamiczna dyskusja z kolegą, stwierdziłem więc, że policzę czy jest tak w rzeczywistości i pokażę jako bonus na prezentacji kończącej semestr. Rozpisałem równania kinetyczne i wyszło na to, że albo przypominam sobie sposoby rozwiązywania równań różniczkowych (co w mojej osobistej hierarchii rozsądnych możliwości plasowało się na najniższej pozycji), albo zrobię to mniej dokładnie i elegancko, ale łatwiej.

kinetics_eqations.003

Wybór padł na rozwiązanie numeryczne przy pomocy wszechmocnego Excela. Poupraszczałem więc równania:

kinetics_eqations.002kinetics_eqations.005Dołożyłem proste założenia dla szybkiego liczenia:

kinetics_eqations.004Przy okazji, często stosuje się namiar związku A nad związkiem B w celu otrzymania mniejszej ilości produktu D, ale także kosztem produktu C. Do obliczeń założyłem jednak, że używamy A i B w stosunku 1:1. Pozostawiłem sobie możliwość zmiany stężeń, stałych reakcji itp. więc mogę też rozważać inne sytuacje.

Jako pierwszy policzyłem przypadek, w którym A i B dodane są jednocześnie, na początku reakcji. Tak wygląda wykres funkcji stężeń wszystkich czterech składników mieszaniny od czasu:

quick_addWidać, że ilość związku B spada szybciej, niż związku A (niebieska krzywa), a końcowa ilość, czyli wydajność, pożądanego związku C (żółta krzywa [edit: Paulina twierdzi, że nie żółta, tylko zielona, ale czyż prawda nie leży pośrodku?]) wynosi około 37% teoretycznej. Nie za dużo. Co jeśli będziemy dodawać związek B powoli, powiedzmy do czasu t = 2:

b_slowDzięki powolnemu dodawaniu stężenie B (czerwona krzywa) jest utrzymywane na niskim poziomie, widać też wyraźnie punkt, w którym przestaliśmy dozować B. Jaki jest efekt tego zabiegu? Niespecjalnie powalający – reakcja biegnie wolniej, ale wydajność otrzymywania produktu C się nie zmieniła i nadal wynosi ok. 37%

Zasymulowałem też przypadki, w których jedna z reakcji jest szybsza, tj. ma większą stałą reakcji, sprawdziłem też różne stosunki ilości początkowych, różne czasy dodawania – i nic. Sposób dodawania związku B, oprócz korzyści związanych z wymieszaniem, nie daje żadnego dodatkowego zysku i nie zwiększa ilości C na końcu reakcji.

Mam cichą nadzieję, że ktoś myślał odwrotnie i ten wpis zadziała oświecająco.

Reklamy

5 thoughts on “Jak to jest z powolnym dozowaniem reagentów?

    • Zastanawiałem się, co powoduje taką mylącą interpretację zjawiska. Przede wszystkich chyba w pierwszej chwili myślimy, że reakcją uboczną jest A + 2B -> D (i wtedy reakcja jest II rzędu względem B). W prawidłowych równaniach kinetycznych stężenie B jest w obu przypadkach w pierwszej potędze, skutkiem czego po podzieleniu stronami wychodzi, że stosunek szybkości tworzenia C i D nie zależy od stężenia B.
      Nie ukrywam, że mnóstwo frajdy sprawiło mi rozwiązanie tej zagadki.

      • Adamie, ale przecież równanie sumaryczne nie musi przedstawiać mechanizmu reakcji. Milcząco założyłeś, że są one identyczne.

  1. Znów wszedłem na Twojego bloga i znów czytam z przyjemnością. Nadrabiam wpisy z kilku miesięcy. Pozdrawiam serdecznie z ciepłej i z wolna jesiennej Polski (choć chyba niedawno sam tu byłeś – w końcu były wakacje). A komentarz robię pod tym wpisem, bo aż mi się ciepło w brzuchu zrobiło – od skończenia uczelni nie mam do czynienia z chemią a sentyment jest 🙂

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s