LEGEA ACȚIUNII ÎN MASĂ: APLICAȚII, EXEMPLE - CHIMIE - 2025

Legea acțiunii de masă stabilește relația dintre masele active ale reactanților și a produselor, în condiții de echilibru și în sistemele omogene (soluții sau faze de gaz). A fost formulat de oamenii de știință norvegieni CM Guldberg și P. Waage, care au recunoscut că echilibrul este dinamic și nu static.

De ce dinamic? Deoarece ratele reacțiilor înainte și invers sunt egale. Masele active sunt de obicei exprimate mol / L (molaritate). O astfel de reacție poate fi scrisă astfel: aA + bB <=> cC + dD. Pentru echilibrul citat în acest exemplu, relația dintre reactanți și produse este ilustrată în ecuația din imaginea de mai jos.

K este întotdeauna constantă, indiferent de concentrațiile inițiale ale substanțelor, atât timp cât temperatura nu variază. Aici B, C și D sunt reactanții și produsele; în timp ce a, b, c și d sunt coeficienții lor stoechiometrici.

Valoarea numerică a lui K este o constantă caracteristică pentru fiecare reacție la o temperatură dată. Deci, K este ceea ce se numește constantă de echilibru.

Notarea înseamnă că în expresia matematică concentrațiile apar în unități de mol / L, ridicate la o putere egală cu coeficientul de reacție.

Care este legea acțiunii în masă?

După cum am menționat anterior, legea acțiunii în masă exprimă faptul că viteza unei reacții date este direct proporțională cu produsul concentrațiilor speciilor reactante, unde concentrația fiecărei specii este ridicată la o putere egală cu coeficientul său stoechiometric în ecuația chimică.

În acest sens, poate fi explicat mai bine prin reacția reversibilă, a cărei ecuație generală este ilustrată mai jos:

aA + bB ↔ cC + dD

În cazul în care A și B reprezintă reactanții și substanțele numite C și D reprezintă produsele reacției. De asemenea, valorile a, b, c și d reprezintă coeficienții stoechiometrici ai A, B, C și D, respectiv.

Pornind de la ecuația anterioară, se obține constanta de echilibru menționată anterior, care este ilustrată ca:

K = ^{c d} / ^{a b}

Atunci când constanta de echilibru K este egală cu un coeficient, în care numerotatorul este format din înmulțirea concentrațiilor produselor (în starea de echilibru) ridicat la coeficientul lor în ecuația echilibrată și numitorul constă dintr-o înmulțire similară dar printre reactanții ridicați la coeficientul care îi însoțește.

Înțelesul constantei de echilibru

Trebuie menționat că concentrațiile de echilibru ale speciei trebuie utilizate în ecuație pentru a calcula constanta de echilibru, atât timp cât nu există modificări la acestea sau la temperatura sistemului.

În același mod, valoarea constantei de echilibru oferă informații despre direcția favorizată într-o reacție la echilibru, adică dezvăluie dacă reacția este favorabilă față de reactanți sau produse.

În cazul în care amploarea acestei constante este mult mai mare decât unitatea (K »1), echilibrul se va schimba spre dreapta și va favoriza produsele; În timp ce, dacă amploarea acestei constante este mult mai mică decât unitatea (K «1), echilibrul se va deplasa spre stânga și va favoriza reactanții.

De asemenea, deși prin convenție este indicat faptul că substanțele din partea stângă a săgeții sunt reactanții, iar cele din partea dreaptă sunt produsele, poate deveni un pic confuz faptul că reactanții care provin din reacția din sensul direct devin produsele din reacție în sens invers și invers.

Echilibrul chimic

Reacțiile ajung adesea la un echilibru între cantitățile de substanțe de pornire și produsele care sunt formate. Acest echilibru poate schimba în plus favorizarea creșterii sau scăderii uneia dintre substanțele care participă la reacție.

Un fapt analog are loc în disocierea unei substanțe dizolvate: în timpul unei reacții, dispariția substanțelor inițiale și formarea produselor pot fi observate experimental cu o viteză variabilă.

Viteza unei reacții depinde foarte mult de temperatură și de diferite grade de concentrația reactanților. De fapt, acești factori sunt studiați în special de cinetica chimică.

Cu toate acestea, acest echilibru nu este static, ci provine din coexistența unei reacții directe și invers.

În reacția directă (->) se formează produsele, în timp ce în reacția inversă (<-) re-provin substanțele inițiale.

Aceasta constituie ceea ce este cunoscut ca echilibru dinamic, menționat mai sus.

Echilibrul în sisteme eterogene

În sistemele eterogene - adică în cele formate din mai multe faze - concentrațiile solidelor pot fi considerate constante, omitând expresia matematică pentru K.

CaCO ₃ (s) <=> CaO (s) + CO ₂ (g)

Astfel, în echilibrul de descompunere a carbonatului de calciu, concentrația sa și cea a oxidului rezultat pot fi considerate constante indiferent de masa sa.

Schimbări de echilibru

Valoarea numerică a constantei de echilibru determină dacă o reacție favorizează sau nu formarea de produse. Atunci când K este mai mare de 1, sistemul de echilibru va avea o concentrație mai mare de produse decât a reactanților, iar dacă K este mai mică de 1, apare opusul: în echilibru va exista o concentrație mai mare de reactanți decât produsele.

Principiul Le Chatelier

Influența variațiilor în concentrație, temperatură și presiune poate modifica viteza unei reacții.

De exemplu, dacă se formează produse gazoase într-o reacție, o creștere a presiunii asupra sistemului face ca reacția să se desfășoare în direcția opusă (spre reactanți).

În general, reacțiile anorganice care au loc între ioni sunt foarte rapide, în timp ce cele organice au viteze mult mai mici.

Dacă se produce căldură într-o reacție, o creștere a temperaturii exterioare tinde să o orienteze în sens invers, deoarece reacția inversă este endotermică (absoarbe căldura).

De asemenea, dacă se produce un exces în unul dintre reactanții dintr-un sistem în echilibru, celelalte substanțe vor forma produse pentru a neutraliza respectiva modificare la maximum.

Drept urmare, echilibrul se schimbă favorizând într-un fel sau altul prin creșterea vitezei de reacție, astfel încât valoarea lui K să rămână constantă.

Toate aceste influențe externe și răspunsul la echilibru pentru a le contracara este ceea ce este cunoscut sub numele de principiul Le Chatelier.

Aplicații

În ciuda utilității sale enorme, atunci când a fost propusă această lege, aceasta nu a avut impactul sau relevanța dorită în comunitatea științifică.

Cu toate acestea, începând cu secolul XX, a dobândit notorietate datorită faptului că oamenii de știință britanici William Esson și Vernon Harcourt au preluat-o din nou la câteva decenii după promulgarea sa.

Legea acțiunii în masă a avut multe aplicații de-a lungul timpului, unele dintre acestea fiind enumerate mai jos:

• Întrucât este formulat în termeni de activități și nu în concentrații, este util să se determine abaterile de la comportamentul ideal al reactanților într-o soluție, atât timp cât este în concordanță cu termodinamica.
• Pe măsură ce o reacție se apropie de echilibru, se poate prevedea relația dintre rata netă a reacției și energia liberă instantanee Gibbs a unei reacții.
• Când este combinată cu principiul de echilibru detaliat, în termeni generali, această lege prevede valorile rezultate, conform termodinamicii, a activităților și constantei în starea de echilibru, precum și a relației dintre acestea și constanțele de viteză rezultate ale reacții în direcția înainte și invers.
• Când reacțiile sunt de tip elementar, aplicând această lege se obține ecuația de echilibru corespunzătoare pentru o reacție chimică dată și expresiile vitezei sale.

Exemple de legea acțiunii în masă

-Când studiați o reacție ireversibilă între ionii găsiți în soluție, expresia generală a acestei legi conduce la formularea Brönsted-Bjerrum, care stabilește relația dintre puterea ionică a speciei și constanta de viteză. .

-Când analizăm reacțiile care se desfășoară în soluții ideale diluate sau într-o stare de agregare gazoasă, se obține expresia generală a legii inițiale (deceniul anilor 80).

-Cum are caracteristici universale, expresia generală a acestei legi poate fi folosită ca parte a cineticii în loc să o vadă ca făcând parte din termodinamică.

-Când folosită în electronică, această lege este utilizată pentru a determina că înmulțirea dintre densitățile găurilor și electronii unei suprafețe date are o magnitudine constantă în starea de echilibru, chiar și independent de dopajul care este furnizat materialului .

-Utilizarea acestei legi pentru a descrie dinamica dintre prădători și pradă este larg cunoscută, presupunând că relația de pradă asupra pradei prezintă o anumită proporție cu relația dintre prădători și pradă.

-În domeniul studiilor de sănătate, această lege poate fi chiar aplicată pentru a descrie anumiți factori ai comportamentului uman, din punct de vedere politic și social.

Legea acțiunii în masă în farmacologie

Presupunând că D este medicamentul și R este receptorul asupra căruia acționează, ambii reacționează la originea complexului DR, responsabil pentru efectul farmacologic:

K = /

K este constanta de disociere. Există o reacție directă în care medicamentul acționează asupra receptorului și o alta în care complexul DR se disociază în compușii originali. Fiecare reacție are propria viteză, egalându-se doar la echilibru, K. fiind satisfăcut.

Interpretarea legii de masă la literă, cu cât este mai mare concentrația de D, cu atât concentrația complexului DR este mai mare.

Totuși, receptoarele totale Rt au o limită fizică, deci nu există o cantitate nelimitată de R pentru toți D. disponibilii. De asemenea, studiile experimentale în domeniul farmacologiei au descoperit următoarele limitări ale legii masei în acest domeniu:

- Presupune că legătura RD este reversibilă, atunci când, în majoritatea cazurilor, nu este adevărat.

- Legatura RD poate modifica structural una dintre cele doua componente (medicamentul sau receptorul), circumstanta care nu este luata in considerare de legea masei.

- Mai mult, legea masei este în fața reacțiilor în care intervine mai mulți intermediari în formarea RD.

limitări

Legea acțiunii în masă presupune că fiecare reacție chimică este elementară; cu alte cuvinte, faptul că molecularitatea este aceeași cu ordinea de reacție respectivă pentru fiecare specie implicată.

Aici, coeficienții stoechiometrici a, b, c și d sunt considerați ca număr de molecule implicate în mecanismul de reacție. Cu toate acestea, într-o reacție globală, acestea nu corespund neapărat cu comanda dvs.

De exemplu, pentru reacția aA + bB <=> cC + dD:

Expresia vitezei pentru reacțiile directe și invers sunt:

Acest lucru se aplică numai reacțiilor elementare, deoarece pentru cele globale, deși coeficienții stoechiometrici sunt corecți, nu sunt întotdeauna ordinele de reacție. În cazul reacției directe, ultima poate fi:

În această expresie w și z ar fi adevăratele ordine de reacție pentru speciile A și B.

Referințe

1. Jeffrey Aronson. (2015, 19 noiembrie). Legile vieții: Legea acțiunii în masă a lui Guldberg și Waage. Preluat pe 10 mai 2018, de pe: cebm.net
2. ScienceHQ. (2018). Legea acțiunii în masă. Preluat pe 10 mai 2018, de pe: sciencehq.com
3. askiitans. (2018). Legea acțiunii în masă și echilibrul constant. Preluat pe 10 mai 2018, de pe: askiitians.com
4. Enciclopedia Salvat a Științelor. (1968). Chimie. Volumul 9, Salvat SA din ediciones Pamplona, ​​Spania. P 13-16
5. Walter J. Moore. (1963). Chimie Fizica. În termodinamică și echilibru chimic. (Ediția a patra). Longmans. P 169.
6. Alex Yartsev. (2018). Legea acțiunii în masă în farmacodinamică. Preluat pe 10 mai 2018, de pe: derangedphysiology.com