massevirkningsloven

Kjemikere beskriver kjemiske reaksjoner med reaksjonsligninger. En tenkt reaksjon mellom moleklene A og B kan gi molekylene C og D:

\[\ce{A + B -> C + D}\]

Molekylene er enten i en gass eller i en løsning. Når A og B reagerer, sier Guldberg og Waage, så er det fordi de to molekylene støter sammen tilstrekkelig kraftig til at de kan reagere. Hvor ofte de støter sammen er avhengig av konsentrasjonen av molekylene A og B. Konsentrasjon ble av Guldberg og Waage kalt massevirkning. De kalte det massevirkning fordi de hevdet at dette var en faktor man måtte ta hensyn til ved siden av affiniteten.

Den første massevirkningslov sier at farten som A og B reagerer med (v_ab) er:

\[\ce{v_{ab} = k_1[A] \cdot [B]}\]

Her er [A] konsentrasjonen av A og k₁ en ubestemt konstant som sier at ikke alle kollisjoner fører til reaksjon. Reaksjonen må være tilstrekkelig kraftig uten at vi behøver å vite hvor kraftig.

Fartsloven gjelder bare når reaksjonen er nær likevekt. Når utgangsstoffene reagerer, dannes det som oftest først andre stoffer som har korte levetider. De reagerer videre og gir til slutt de endelige produktene. Det kan være en lang vei fra utgangsstoffene til produktene. Å bestemme detaljer i denne reaksjonsveien kalles reaksjonskinetikk.

Det kjemikere i dag er særlig opptatt av er å utvikle stoffer (katalysatorer) som kan øke reaksjonsfarten. En god katalysator skal også styre reaksjonen slik at man får det produktet man ønsker fra de billigste råvarer tilgjengelig uten at det produseres biprodukter som er miljøskadelige. Nesten alle de industriprodukter vi i dag kan kjøpe er fremstilt i en katalysatorstyrt prosess.

Guldberg og Waage hadde også en annen idé. Ikke bare reagerer A og B og gir C og D, men den omvendte reaksjonen skjer også. D og C reagerer også og gir A og B:

\[\ce{C + D -> A + B}\]

Det var en revolusjonerende tanke. Farten på den motsatte reaksjon vil være:

\[\ce{v_{cd} = k_2[C] \cdot [D]}\]

I reaksjonen avtar konsentrasjonen av A og B og konsentrasjonen av C og D øker og etter en tid er de to fartene like store:

\[\ce{v_{ab} = v_{cd}}\]

Da er reaksjonen i likevekt, og slik utledet Guldberg og Waage sin andre massevirkningslov:

\[\ce{k_1 [A] \cdot [B] = k_2 [C] \cdot [D]}\]

I dag skriver vi dette som en brøk hvor likevektskonstanten

\[K = \frac{k_1}{k_2}\]

Likevektskonstanten varierer med temperaturen.

Denne ligningen kalles likevektsloven. Alle kjemiske reaksjoner i likevekt er karakterisert ved sin likevektskonstant. Den kan bestemmes eksperimentelt ved forskjellige temperaturer. Når det er gjort, kan likevektsloven brukes til å beregne konsentrasjonen av ett stoff i en reaksjon i likevekten når konsentrasjonen av alle de andre stoffene i reaksjonen er kjent.

I dag utledes likevektsloven fra de termodynamiske lover, som er en annen og mer fundamental måte enn den Guldberg og Waage brukte. Dessuten kjenner vi begrensningene på loven: konsentrasjonene må ikke være for store; likevektsloven er en tilnærmet lov som er riktigst når konsentrasjonene er små.

Massevirkningsloven ble formulert av de to nordmennene Cato Maximilian Guldberg og Peter Waage. I flere vitenskapelige arbeider fra 1860- og 1870-tallet betraktet Guldberg og Waage kjemiske likevekter som en balanse mellom «kjemiske krefter». Disse kreftene viste seg senere å være stoffenes molare konsentrasjoner.

Guldberg og Waage foreslo to massevirkningslover i 1864. Den ene beskriver hvor fort kjemiske stoffer reagerer og den andre kjemisk likevekt. Det er likevektsloven som i dag kalles Guldberg og Waages lov.

De publiserte sine resultater i tre artikler som ble fremlagt som foredrag i Videnskabs-Selskabet i Christiania i 1864. Waage holdt de to første foredragene, mens Guldberg holdt det tredje hvor dataene ble analysert matematisk. Fellestittel for artiklene er «Studier over Affiniteten». Affinitet betyr slektskap.

I en artikkel fra 1879 ble massevirkningslovene klart og tydelig utledet fra en teori. Grunnen til at de skrev artikkelen i 1879 var å hevde sin opphavsrett, da andre i mellomtiden hadde publisert artikler hvor forfatterne ikke hadde sitert dem.

• kjemi