Добавление вещества в двухфазную систему меняет равновесие?

[AnaK]

Здравствуйте! Подскажите, пожалуйста, если кто разбирается, понять концепцию. 
Есть двухфазная система: гексан-вода. Есть вещество X, принадлежащее к классу сахаров и нерастворимое в гексане, но растворимое в воде. Оно может либо превращаться в полезное вещество Y (которое затем переходит в органическую фазу как более подходящую и может быть извлечено оттуда), либо превращаться в продукты деградации (непредпочтительный путь). Эти два пути обычно конкурируют друг с другом. Однако, есть вещество Z, которое хорошо растворимо в гексане и может превращаться в X при переходе в водную фазу. Объясните, пожалуйста, почему введение в систему этого вещества Z приведет к смещению реакции из X в сторону полезного вещества Y? Что-то связано с лимитирующим массопереносом?

Изменено 13 Мая, 2019 в 14:33 пользователем AnaK

[yatcheh]

5 часов назад, AnaK сказал:

Здравствуйте! Подскажите, пожалуйста, если кто разбирается, понять концепцию. 
Есть двухфазная система: гексан-вода. Есть вещество X, принадлежащее к классу сахаров и нерастворимое в гексане, но растворимое в воде. Оно может либо превращаться в полезное вещество Y (которое затем переходит в органическую фазу как более подходящую и может быть извлечено оттуда), либо превращаться в продукты деградации (непредпочтительный путь). Эти два пути обычно конкурируют друг с другом. Однако, есть вещество Z, которое хорошо растворимо в гексане и может превращаться в X при переходе в водную фазу. Объясните, пожалуйста, почему введение в систему этого вещества Z приведет к смещению реакции из X в сторону полезного вещества Y? Что-то связано с лимитирующим массопереносом?

 

Тут как-то мутно получается. Переход Z-X - это равновесная реакция, или какой-то существенно необратимый процесс, ограниченный только скоростью межфазного переноса? То же касается реакции X-Y - это обратимый процесс? Непонятно так же - что такое "смещение реакции"? Можно говорить об изменении относительных скоростей, в результате чего преобладает один из продуктов, если же один из процессов - обратимый, то тут уже играет роль всё - и соотношение порядка реакций по реагенту, и его концентрация, и скорость экстракции продукта, и коэффициент экстракции, и скорость переноса реагента Z... В конечном счёте - что является показателем успешности реакции? Степень превращения исходного Y в продукт? Или степень превращения суммы Y+Z в продукт? 

В принципе, мы можем рассматривать два разных процесса, первый - это реакция Y - продукт, вторая - это реакция Z - продукт, где Y - это интермедиат.

Так что же в конечном счёте важно?

[AnaK]

 

 

 

20 часов назад, yatcheh сказал:

 

Тут как-то мутно получается. Переход Z-X - это равновесная реакция, или какой-то существенно необратимый процесс, ограниченный только скоростью межфазного переноса? То же касается реакции X-Y - это обратимый процесс? Непонятно так же - что такое "смещение реакции"? Можно говорить об изменении относительных скоростей, в результате чего преобладает один из продуктов, если же один из процессов - обратимый, то тут уже играет роль всё - и соотношение порядка реакций по реагенту, и его концентрация, и скорость экстракции продукта, и коэффициент экстракции, и скорость переноса реагента Z... В конечном счёте - что является показателем успешности реакции? Степень превращения исходного Y в продукт? Или степень превращения суммы Y+Z в продукт? 

В принципе, мы можем рассматривать два разных процесса, первый - это реакция Y - продукт, вторая - это реакция Z - продукт, где Y - это интермедиат.

Так что же в конечном счёте важно?

Вы всегда такие правильные вопросы задаете!  Да,  Z-X это равновесная реакция, но равновесие сильно смещено в сторону X, т.к. X вообще не растворим в гексане, а Z немного растворим в воде и в ней переходит в X. Касаемо реакции X-Y  - это необратимый процесс, в котором также задействован катализатор (кислота Льюиса). Превращение X в продукты деградации это тоже необратимый процесс. В целом, цель сделать так чтобы получить больший выход продукта Y и как получать как можно меньше продуктов деградации. Не совсем понятно как добавление Z может помочь это достигнуть, точнее не добавление Z, а вообще запуск реакции с Z, а не с X (т.е. X изначально отсутствует). Будет ли здесь работать принцип Ле-Шателье, что при переходе в Z в воду начнет увеличиваться концентрация X и тем самым равновесие начнет смещаться в сторону продукта. И точно также тот факт, что продукт Y "затягивается" в органическую фазу будет способстовать смещению реакции в его сторону. Опять же, если это верно, то все равно не совсем понимаю почему же путь X-degradation products будет меньше реализован в данном случае.

[yatcheh]

18 минут назад, AnaK сказал:

Вы всегда такие правильные вопросы задаете!  Да,  Z-X это равновесная реакция, но равновесие сильно смещено в сторону X, т.к. X вообще не растворим в гексане, а Z немного растворим в воде и в ней переходит в X. Касаемо реакции X-Y  - это необратимый процесс, в котором также задействован катализатор (кислота Льюиса). Превращение X в продукты деградации это тоже необратимый процесс. В целом, цель сделать так чтобы получить больший выход продукта Y и как получать как можно меньше продуктов деградации. Не совсем понятно как добавление Z может помочь это достигнуть, точнее не добавление Z, а вообще запуск реакции с Z, а не с X (т.е. X изначально отсутствует). Будет ли здесь работать принцип Ле-Шателье, что при переходе в Z в воду начнет увеличиваться концентрация X и тем самым равновесие начнет смещаться в сторону продукта. И точно также тот факт, что продукт Y "затягивается" в органическую фазу будет способстовать смещению реакции в его сторону. Опять же, если это верно, то все равно не совсем понимаю почему же путь X-degradation products будет меньше реализован в данном случае.

 

Если X - Y и X - deg (пр-ты деградации) - необратимы, то тут интересно уже кинетическое уравнение. Если процесс деградации, скажем, имеет первый порядок по X, а скорость X - Y при некотором избытке X зависит только от концентрации катализатора, то минимальная относительная деградация будет иметь место при некотором минимальном значении концентрации X.

Тут могут быть и другие варианты, но принцип останется тот же - при некотором значении концентрации X относительная скорость деградации при её увеличении возрастает быстрее, чем скорость перехода в Y. 

 

Поскольку переход X - Y необратим, то концентрация Y в системе вообще ни на что не влияет, но! При том условии, что Y инертен в условиях реакции, и не вносит свой вклад в образование продуктов деградации. То есть, реакция Y - deg отсутствует. В таком случае его судьба нам вообще не интересна. В противном случае возникает ещё одно кинетическое ответвление, где играют роль скорость деградации Y и скорость его межфазного переноса.

 

При данных допущениях увеличение начальной концентрации X в реакции X - Y приведёт к увеличению относительной деградации. В процессе Z - [X] - Y при определённых условиях возникает ситуация, когда концентрация X становится квазистационарной, то есть, пока не исчерпается резервуар Z, его поступление в реакционную зону будет ограничиваться скоростью межфазного переноса и условиями равновесия Z <-> X. Если эта квазистационарная концентрация достаточно мала, то и относительная скорость деградации будет малой.

 

Это в самых общих чертах. А в других чертах тут ничего и не придумаешь... 

 

Можно, конечно, развернуть эту модель в аналитическом виде (тут понадобятся все кинетические уравнения), но для этого надо иметь каменный зад

 

 

[AnaK]

 

 

 

43 минуты назад, yatcheh сказал:

 

Если X - Y и X - deg (пр-ты деградации) - необратимы, то тут интересно уже кинетическое уравнение. Если процесс деградации, скажем, имеет первый порядок по X, а скорость X - Y при некотором избытке X зависит только от концентрации катализатора, то минимальная относительная деградация будет иметь место при некотором минимальном значении концентрации X.

Тут могут быть и другие варианты, но принцип останется тот же - при некотором значении концентрации X относительная скорость деградации при её увеличении возрастает быстрее, чем скорость перехода в Y. 

 

Поскольку переход X - Y необратим, то концентрация Y в системе вообще ни на что не влияет, но! При том условии, что Y инертен в условиях реакции, и не вносит свой вклад в образование продуктов деградации. То есть, реакция Y - deg отсутствует. В таком случае его судьба нам вообще не интересна. В противном случае возникает ещё одно кинетическое ответвление, где играют роль скорость деградации Y и скорость его межфазного переноса.

 

При данных допущениях увеличение начальной концентрации X в реакции X - Y приведёт к увеличению относительной деградации. В процессе Z - [X] - Y при определённых условиях возникает ситуация, когда концентрация X становится квазистационарной, то есть, пока не исчерпается резервуар Z, его поступление в реакционную зону будет ограничиваться скоростью межфазного переноса и условиями равновесия Z <-> X. Если эта квазистационарная концентрация достаточно мала, то и относительная скорость деградации будет малой.

 

Это в самых общих чертах. А в других чертах тут ничего и не придумаешь... 

 

Можно, конечно, развернуть эту модель в аналитическом виде (тут понадобятся все кинетические уравнения), но для этого надо иметь каменный зад

 

 

Да, Y также вносит вклад в образование продуктов деградации. Имею в виду, что реакция Y - deg также имеет место быть. Т.е. Y будет все-же влиять?

В данной системе кинетика это как своего рода "черный ящик". Не изучалась для этих реакций. 

[yatcheh]

14 часа назад, AnaK сказал:

Да, Y также вносит вклад в образование продуктов деградации. Имею в виду, что реакция Y - deg также имеет место быть. Т.е. Y будет все-же влиять?

В данной системе кинетика это как своего рода "черный ящик". Не изучалась для этих реакций. 

 

Это несколько усложняет картину, но принципиально не меняет. Процессы Z -> X с одной стороны, и экстракция Y с другой создают условия для реакции Z -> [X] -> [Y] -> Y' , где поддерживается некоторая оптимальная концентрация [X] и минимальная - [Y], что и уменьшает относительную деградацию.

Может быть, тут и иное объяснение можно выкружить, но у меня такое ИМХО складывается

 

Изменено 15 Мая, 2019 в 10:11 пользователем yatcheh