Νόμος της Μαζικής Δράσης Ορισμός και Εξίσωση

Στη χημεία, ο νόμος της μαζικής δράσης δηλώνει ότι ο ρυθμός μιας χημικής αντίδρασης είναι ευθέως ανάλογος με το προϊόν των συγκεντρώσεων των αντιδρώντων. Ο νόμος δίνει μια εξίσωση για τον υπολογισμό της σταθεράς ισορροπίας . Ο νόμος της δράσης της μάζας είναι επίσης γνωστός ως νόμος της ισορροπίας ή νόμος της χημικής ισορροπίας.

Εξίσωση νόμου της μαζικής δράσης

Σε κατάσταση ισορροπίας, οι ρυθμοί των μπροστινών και αντίστροφων χημικών αντιδράσεων είναι ίσοι:

aA + bB ⇌ cC + dD

Η αναλογία μεταξύ των συγκεντρώσεων των προϊόντων και των αντιδρώντων είναι μια σταθερά, γνωστή ως σταθερά ισορροπίας, K_c :

Κ_γ =[C][D]/[A][B]

Σε αυτή την εξίσωση, οι αγκύλες δείχνουν τη συγκέντρωση του χημικού είδους. Οι εκθέτες είναι οι συντελεστές από τη χημική εξίσωση.

Η σταθερά ισορροπίας για την αντίστροφη αντίδραση, K’_c , δίνεται ως εξής:

K’_c =1/K_c =[A][B]/[C][D]

Πότε χρησιμοποιείται ο νόμος της μαζικής δράσης

Θυμηθείτε, ο νόμος της μαζικής δράσης ισχύει μόνο σε περιπτώσεις δυναμικής ισορροπίας. Ανεξάρτητα από τα βέλη σε μια χημική εξίσωση, βεβαιωθείτε ότι οι ακόλουθες προτάσεις είναι αληθείς:

• Η χημική εξίσωση αντιπροσωπεύει την αντίδραση ενός κλειστού συστήματος. Δηλαδή, δεν υπάρχει θερμότητα ή μάζα που εισέρχεται ή εξέρχεται από το σύστημα.
• Η θερμοκρασία παραμένει σταθερή. Σε κατάσταση ισορροπίας, η θερμοκρασία δεν αλλάζει. Ομοίως, η σταθερά ισορροπίας για μια αντίδραση εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Η τιμή του σε μία θερμοκρασία μπορεί να διαφέρει από το K_c σε άλλη θερμοκρασία.

Εξίσωση με χρήση μοριακών κλασμάτων

Όταν εκφράζεται η συγκέντρωση χρησιμοποιώντας μοριακό κλάσμα, ο νόμος της δράσης μάζας δίνει την ακόλουθη έκφραση για τη σταθερά ισορροπίας K_x :

K_x =[X_C ][K_Δ ]/[X_A ][X_B ]

Νόμος Μαζικής Δράσης για Αέρια

Για αέρια, χρησιμοποιήστε μερικές πιέσεις αντί για τιμές συγκέντρωσης. Η σταθερά ισορροπίας χρησιμοποιώντας μερικές πιέσεις είναι Kp:

K_p =p_Γ p_Δ /P_A p_B

Παραδείγματα νόμου μαζικής δράσης

Για παράδειγμα, γράψτε την έκφραση της σταθεράς ισορροπίας για τη διάσταση του θειικού οξέος σε υδρογόνο και θειικά ιόντα:

H₂ SO₄ ⇌ 2H + SO₄

Απάντηση:Kc =[H][SO₄ ]/[Η₂ SO₄ ]

Για παράδειγμα, αν γνωρίζετε το K_c είναι 5×10 για την αντίδραση:

HCOOH + CN ⇌ HCN + HCOO

Υπολογίστε τη σταθερά ισορροπίας για την αντίδραση:

HCN + HCOO ⇌ HCOOH + CN

Απάντηση:Η δεύτερη εξίσωση είναι το αντίστροφο της πρώτης εξίσωσης.

K’_c =1/K_c =1/(5 x 10) =2 x 10

Ιστορικό

Ο Cato Gulberg και ο Peter Waage πρότειναν το νόμο της μαζικής δράσης το 1864 με βάση τη «χημική δραστηριότητα» ή τη «δύναμη αντίδρασης» αντί για τη μάζα ή τη συγκέντρωση αντιδραστηρίων. Συνειδητοποίησαν ότι, σε κατάσταση ισορροπίας, η δύναμη αντίδρασης για την προς τα εμπρός αντίδραση ισοδυναμούσε με τη δύναμη αντίδρασης της αντίστροφης αντίδρασης. Καθορίζοντας τους ρυθμούς αντίδρασης της μπροστινής και της αντίστροφης αντίδρασης ίσους, οι Guldberg και Waage βρήκαν τον τύπο σταθεράς ισορροπίας. Η μεγάλη διαφορά μεταξύ της αρχικής τους εξίσωσης και αυτής που χρησιμοποιείται σήμερα είναι ότι χρησιμοποιούσαν τη "χημική δραστηριότητα" αντί της συγκέντρωσης.

Δίκαιο της μαζικής δράσης σε άλλους κλάδους

Ο νόμος της μαζικής δράσης ισχύει και για άλλους κλάδους εκτός από τη χημεία. Για παράδειγμα:

• Στη φυσική ημιαγωγών, το γινόμενο των πυκνοτήτων ηλεκτρονίων και οπών είναι μια σταθερά στην ισορροπία. Η σταθερά εξαρτάται από τη σταθερά Boltzmann, τη θερμοκρασία, το χάσμα ζώνης και την αποτελεσματική πυκνότητα των καταστάσεων της ζώνης σθένους και αγωγιμότητας.
• Στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, η διαδικασία διάχυσης σχετίζεται με απόλυτους ρυθμούς αντίδρασης.
• Οι εξισώσεις Lotka-Volterra στη μαθηματική οικολογία εφαρμόζουν το νόμο της μαζικής δράσης στη δυναμική των αρπακτικών-θηραμάτων. Ο ρυθμός θήρευσης είναι ανάλογος με τον ρυθμό αλληλεπιδράσεων αρπακτικών-θηραμάτων. Η συγκέντρωση του θηράματος και των θηρευτών λειτουργεί αντί της συγκέντρωσης των αντιδρώντων.
• Η κοινωνιοφυσική εφαρμόζει τον νόμο της μαζικής δράσης στην περιγραφή της κοινωνικής και πολιτικής συμπεριφοράς των ανθρώπων.
• Στη μαθηματική επιδημιολογία, ο νόμος της μαζικής δράσης λειτουργεί ως μοντέλο για την εξάπλωση της νόσου.

Αναφορές

• Érdi, Péter; Tóth, János (1989). Μαθηματικά μοντέλα χημικών αντιδράσεων:Θεωρία και εφαρμογές ντετερμινιστικών και στοχαστικών μοντέλων . Manchester University Press. ISBN 978-0-7190-2208-1.
• Guggenheim, E.A. (1956). «Σφάλματα σχολικού βιβλίου IX:Περισσότερα για τους νόμους των ρυθμών αντίδρασης και της ισορροπίας». J. Chem. Εκπαιδεύω . 33 (11):544–545. doi:10.1021/ed033p544
• Guldberg, C.M.; Waage, P. (1879). «Ueber die chemische Affinität» [Σχετικά με τη χημική συγγένεια]. Journal für praktische Chemie . 2η σειρά (στα γερμανικά). 19:69–114. doi:10.1002/prac.18790190111
• Lund, E.W. (1965). «Guldberg και Waage και ο νόμος της μαζικής δράσης». J. Chem. Εκπαιδεύω . 42(10):548. doi:10.1021/ed042p548
• Μισθός, P.; Guldberg, C.M. (1864). «Studier over Affiniteten» [Μελέτες συγγένειων]. Forhandlinger I Videnskabs-selskabet I Christiania (Transactions of the Scientific Society in Christiania) (στα δανικά):35–45.