Guldberg og Waages lov

Cato Maximilian Guldberg og Peter Waage foreslo to massevirkningslover i 1864. Den ene beskriver hvor fort kjemiske stoffer reagerer og den andre kjemisk likevekt. 

Det er likevektsloven som kalles Guldberg og Waages lov i elementære lærebøker i kjemi over hele verden. Det er den eneste enkle naturlov som først er formulert av nordmenn, og det er på grunn av den at Guldbergs og Waages navn fortsatt er kjent blant verdens kjemikere selv om de ellers vet lite om dem.

En lov i naturvitenskapen er en sammenfatning av et sett av målinger, gjerne i form av en ligning med parametere i. Verdien av parameterne tilpasses slik at ligningen passer best mulig med målingene. Den første utgaven av Guldberg og Waages lov var en slik naturlov. De studerte noen utvalgte kjemiske reaksjoner i detalj, og de brukte også data de fant i litteraturen.

De publiserte sine resultater i tre artikler som ble fremlagt som foredrag i Videnskabs-Selskabet i Christiania første halvår 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.

Waage skriver i sin lærebok fra 1897: "Den kraft, der bevirker de kemiske forandringer, har man kaldt den kemiske affinitet. Affinitet virker ikke paa afstand, men kun naar stofferne kommer i umiddelbar berøring med hinanden." Et eksempel fra den gang: Når AB reagerer med C og danner AC skyldes det at A har større affinitet til C enn B. Affinitet betyr slektskap, men i dag er begrepet forlatt, og vi forklarer en slik reaksjon på en annen måte. Det var forlatt allerede da Waage skrev det som ble sitert. Derfor skrev han: "har man kaldt". Men massevirkningslovene til Guldberg og Waage kan forstås uten å bruke affinitetsbegrepet.

Guldberg og Waage skrev artikler om massevirkningslovene i 1864, 1867 og 1879. Det var først i den siste artikkelen som kom 15 år etter den første at massevirkningslovene blir utledet klart og tydelig 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. 

I 1879 utledet de massevirkningslovene fra en modell av hvordan en kjemisk reaksjon skjer. De tenkte seg at molekylene A og B støter sammen og gir molekylene C og D. Det beskriver en kjemiker i en reaksjonsligning:

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 kalte Guldberg og Waage 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:

v_ab = k₁[A] ⋅ [B]

Vi kan kalle ligningen fartsloven (opprinnelig kalt hastighetsloven). 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.

Guldberg og Waage hadde også en annen idé allerede i 1864. 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:

C + D → A + B

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

v_cd = k₂[C] ⋅ [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:

v_ab = v_cd

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

k₁[A] ⋅ [B] = k₂[C] ⋅ [D]

I dag skriver vi dette som en brøk hvor likevektskonstanten

K = k₁/k₂

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.

Guldberg og Waage målte ikke reaksjonene ved likevekt for det hadde de ikke metoder til. De bestemte eksperimentelt reaksjonsfarten for flere reaksjoner både når de startet med utgangsstoffene, og når de startet med produktene. Det var ikke enkelt på deres tid, så de måtte velge reaksjoner som de kunne måle reaksjonsfarten på med de metodene de hadde til sin rådighet. De var ganske enkle i forhold til det arsenal av utstyr og metoder som dagens kjemikere rår over, så det var ingen liten prestasjon de gjorde.

I vandrehallen på Kjemisk institutt ved UiO er vekten som noen av målingene ble utført på utstilt sammen med noe annet utstyr de brukte.

Fra de målte reaksjonshastighetene beregnet Guldberg likevektskonstanten og andre parametere som de hadde med i sin første utgave av lovene i 1864. 

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.

For fartsloven er situasjonen en annen; den gjelder bare når reaksjonen er nær likevekt. I dag vet vi at 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 og er fortsatt et meget aktivt forskningsområde. 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.