Gesetz der Massenaktionsanwendungen, Beispiele

Die Gesetz der Massenaktion stellt die Beziehung zwischen den aktiven Massen der Reaktanten und denen der Produkte unter Gleichgewichtsbedingungen und in homogenen Systemen (Lösungen oder Gasphasen) her. Es wurde von den norwegischen Wissenschaftlern C.M. Guldberg und P. Waage, die erkannt haben, dass das Gleichgewicht dynamisch und nicht statisch ist.

Warum dynamisch? Weil die Geschwindigkeiten der direkten und umgekehrten Reaktionen gleich sind. Aktive Massen werden üblicherweise in mol / L (Molarität) ausgedrückt. Eine Reaktion dieses Typs kann wie folgt geschrieben werden: aA + bB <=> cC + dD. Für das in diesem Beispiel angegebene Gleichgewicht ist die Beziehung zwischen Reaktanten und Produkten in der Gleichung des unteren Bildes dargestellt.

K ist immer konstant, unabhängig von den Anfangskonzentrationen der Substanzen, solange sich die Temperatur nicht ändert. Hier sind A, B, C und D die Reaktanten und Produkte; während a, b, c und d ihre stöchiometrischen Koeffizienten sind.

Der Zahlenwert von K ist eine charakteristische Konstante für jede Reaktion bei einer gegebenen Temperatur. Also ist K die sogenannte Gleichgewichtskonstante.

Die Notation [] bedeutet, dass im mathematischen Ausdruck die Konzentrationen in Einheiten von Mol / L erscheinen, die auf eine dem Reaktionskoeffizienten entsprechende Potenz erhöht sind.

Index

• 1 Was ist das Gesetz der Massenaktion?
  • 1.1 Bedeutung der Gleichgewichtskonstante
• 2 chemisches Gleichgewicht
  • 2.1 Balance in heterogenen Systemen
  • 2.2 Offsets des Gleichgewichts
• 3 Prinzip von Le Chatelier
• 4 Anwendungen
• 5 Beispiele für das Gesetz der Massenwirkung
• 6 Das Gesetz der Massenwirkung in der Pharmakologie
• 7 Einschränkungen
• 8 Referenzen

Was ist das Gesetz der Massenaktion?

Wie bereits erwähnt, stellt das Massenwirkungsgesetz, daß die Geschwindigkeit einer gegebene Reaktion auf das Produkt der Konzentrationen der reagierenden Spezies direkt proportional ist, wo die Konzentration von jeder Spezies an eine Strom gleich sein Koeffizient angehoben stöchiometrisch in der chemischen Gleichung.

In diesem Sinne kann es besser erklärt werden durch eine reversible Reaktion, deren allgemeine Gleichung unten dargestellt ist:

aA + bB ↔ cC + dD

Wenn A und B die Reaktanten darstellen und die mit C und D bezeichneten Substanzen die Reaktionsprodukte darstellen. Auch die Werte von a, b, c und d stellen die stöchiometrischen Koeffizienten von A, B, C bzw. D dar.

Ausgehend von der vorhergehenden Gleichung erhalten wir die Gleichgewichtskonstante, die zuvor erwähnt wurde, was veranschaulicht wird als:

K = [C]^c[D]^d/ [A]^a[B]^b

Wo die Gleichgewichtskonstante K auf ein Verhältnis, in dem gleich ist der Zähler durch die Multiplikation von Produktkonzentrationen (steady state) erhöht zu sein Koeffizient in der Gleichung ausgeglichen und der Nenner gebildet wird, hat eine ähnliche Multiplikation aber zwischen den Reaktanten erhöht auf den Koeffizienten, der sie begleitet.

Bedeutung der Gleichgewichtskonstante

Es sollte beachtet werden, dass in der Gleichung zur Berechnung der Gleichgewichtskonstante die Konzentrationen der im Gleichgewicht befindlichen Spezies verwendet werden sollten, vorausgesetzt, es gibt keine Änderungen an diesen oder an der Temperatur des Systems.

In ähnlicher Weise wird der Wert der Gleichgewichtskonstante gibt Aufschluss über die Bedeutung, die in einer Gleichgewichtsreaktion begünstigt wird, das heißt, zeigt es, wenn die Reaktion gegenüber den Reaktanten oder Produkten günstig ist.

Wenn die Größe dieser Konstante ist viel größer als Eins (K „1) die Balance stimmt Produkte kippen und fördern, während, wenn die Größe dieser Konstante viel kleiner als Eins ist (K "1), wird das Gleichgewicht nach links geneigt und begünstigt die Reaktanten.

Auch, obwohl durch Konvention darauf hingewiesen, dass Substanzen auf der linken Seite des Pfeils sind die Reaktanden und die rechte Seite sind die Produkte, kann es ein wenig verwirrend die Tatsache sein, dass die Reaktanden aus der Reaktion kommen direkter Sinn sind die Produkte in der Reaktion in die entgegengesetzte Richtung und umgekehrt.

Chemisches Gleichgewicht

Oft erreichen die Reaktionen ein Gleichgewicht zwischen den Ausgangsstoffen und denen der Produkte, die gebildet werden. Dieses Gleichgewicht kann zusätzlich verdrängt werden, indem die Zunahme oder Abnahme einer der Substanzen, die an der Reaktion teilnehmen, begünstigt wird.

Ein analoges Ereignis tritt bei der Dissoziation einer gelösten Substanz auf: Während einer Reaktion kann das Verschwinden der Ausgangssubstanzen und die Bildung der Produkte mit einer variablen Geschwindigkeit experimentell beobachtet werden.

Die Geschwindigkeit einer Reaktion hängt weitgehend von der Temperatur und von unterschiedlichen Konzentrationen der Reaktanten ab. In der Tat werden diese Faktoren insbesondere durch chemische Kinetik untersucht.

Dieses Gleichgewicht ist jedoch nicht statisch, sondern resultiert aus der Koexistenz einer direkten und einer inversen Reaktion.

In der direkten Reaktion (->) entstehen die Produkte, in der umgekehrten Reaktion (<-) entstehen die Ausgangsstoffe.

Das Obige stellt das oben genannte dynamische Gleichgewicht dar.

Balance in heterogenen Systemen

In heterogenen Systemen - also in solchen, die durch mehrere Phasen gebildet werden - können die Konzentrationen von Festkörpern als konstant betrachtet werden, wobei der mathematische Ausdruck für K weggelassen wird.

CaCO₃(s) <=> CaO (s) + CO₂(G)

Somit können im Konzentrationsgleichgewicht von Calciumcarbonat seine Konzentration und die des resultierenden Oxids unabhängig von seiner Masse als konstant angesehen werden.

Gleichgewicht verschiebt sich

Der numerische Wert der Gleichgewichtskonstante bestimmt, ob eine Reaktion die Bildung von Produkten begünstigt oder nicht. Wenn K größer als 1 ist, wird das System im Gleichgewicht eine größere Konzentration von Produkten als von Reaktanten haben, und wenn K kleiner als 1 ist, tritt das Gegenteil auf: Im Gleichgewicht wird es eine größere Konzentration von Reaktanten als von Produkten geben.

Anfang von Le Chatelier

Der Einfluss von Variationen in Konzentration, Temperatur und Druck kann die Geschwindigkeit einer Reaktion verändern.

Wenn beispielsweise in einer Reaktion gasförmige Produkte gebildet werden, bewirkt ein Anstieg des Drucks auf das System, dass die Reaktion in die entgegengesetzte Richtung (zu den Reaktanten) fortschreitet.

Im Allgemeinen sind die anorganischen Reaktionen, die zwischen Ionen durchgeführt werden, sehr schnell, während die organischen Reaktionen viel niedrigere Geschwindigkeiten aufweisen.

Wenn eine Reaktion Wärme erzeugt, neigt eine Erhöhung der Außentemperatur dazu, sie in die entgegengesetzte Richtung zu orientieren, da die Rückreaktion endotherm ist (Wärme absorbiert).

Wenn ein Überschuss in einem der Reaktanten innerhalb eines Systems im Gleichgewicht verursacht wird, werden die anderen Substanzen ebenfalls Produkte bilden, um diese Modifikation so weit wie möglich zu neutralisieren.

Infolgedessen bewegt sich das Gleichgewicht, indem es die eine oder andere Weise begünstigt, indem es die Reaktionsrate erhöht, so dass der Wert von K konstant bleibt.

All diese äußeren Einflüsse und die Balance-Antwort, um ihnen entgegenzuwirken, ist das Prinzip von Le Chatelier.

Anwendungen

Trotz seines enormen Nutzens hatte dieses Gesetz, als es vorgeschlagen wurde, nicht die gewünschte Wirkung oder Relevanz in der wissenschaftlichen Gemeinschaft.

Doch seit dem zwanzigsten Jahrhundert gewann die Bekanntheit dank der britischen Wissenschaftler William Esson und Vernon Harcourt mehrere Jahrzehnte nach ihrer Einführung.

Das Gesetz der Massenaktion hat im Laufe der Zeit viele Anwendungen gefunden, weshalb einige nachfolgend aufgeführt sind:

• Wenn sie in Form von Aktivitäten anstelle von Konzentrationen formuliert werden, ist es nützlich, die Abweichungen des idealen Verhaltens der Reaktanten in einer Lösung zu bestimmen, solange es mit der Thermodynamik konsistent ist.
• Wenn sich eine Reaktion dem Gleichgewichtszustand nähert, kann die Beziehung zwischen der Nettoreaktionsrate und der momentanen freien Gibbs-Energie einer Reaktion vorhergesagt werden.
• In Verbindung mit dem Prinzip des detaillierten Gleichgewichts sieht dieses Gesetz allgemein die resultierenden Werte der Thermodynamik der Aktivitäten und der Konstanten im Gleichgewichtszustand vor, sowie die Beziehung zwischen diesen und den resultierenden Geschwindigkeitskonstanten. die Reaktionen im direkten Sinne wie in der entgegengesetzten Richtung.
• Wenn die Reaktionen vom elementaren Typ sind, werden bei Anwendung dieses Gesetzes die Gleichgewichtsgleichung, die für eine bestimmte chemische Reaktion geeignet ist, und die Ausdrücke ihrer Geschwindigkeit erhalten.

Beispiele für das Gesetz der Massenwirkung

-Wenn man eine irreversible Reaktion zwischen Ionen untersucht, die in Lösung sind, führt der allgemeine Ausdruck dieses Gesetzes zur Formulierung von Brönsted-Bjerrum, die die bestehende Beziehung zwischen der Ionenstärke der Spezies und der konstanten Geschwindigkeit festlegt .

- Durch die Analyse der Reaktionen, die in verdünnten idealen Lösungen oder in einem Zustand der gasförmigen Aggregation durchgeführt werden, wird der allgemeine Ausdruck des ursprünglichen Gesetzes (Dekade der 80er Jahre) erhalten.

-Da der allgemeine Ausdruck dieses Gesetzes universelle Eigenschaften hat, kann er als Teil der Kinetik verwendet werden, anstatt ihn als Teil der Thermodynamik zu sehen.

-Wenn in der Elektronik verwendet, wird dieses Gesetz verwendet, um zu bestimmen, dass die Multiplikation zwischen den Dichten der Löcher und Elektronen einer gegebenen Oberfläche eine konstante Größe im stationären Zustand hat, sogar unabhängig von der Dotierung, die dem Material zugeführt wird .

- Die Verwendung dieses Gesetzes ist weithin dafür bekannt, die Dynamik zwischen Räubern und Beute zu beschreiben, unter der Annahme, dass die Prädationsbezie- hung auf der Beute einen gewissen Anteil an der Beziehung zwischen Räubern und Beute darstellt.

- Im Bereich der Gesundheitsstudien kann dieses Gesetz sogar angewendet werden, um bestimmte Faktoren menschlichen Verhaltens aus politischer und sozialer Sicht zu beschreiben.

Das Gesetz der Massenwirkung in der Pharmakologie

Unter der Annahme, dass D der Wirkstoff ist und R der Rezeptor, auf den es wirkt, reagieren beide, um den DR-Komplex hervorzurufen, der für die pharmakologische Wirkung verantwortlich ist:

K = [DR] / [D] [R]

K ist die Dissoziationskonstante.Es gibt eine direkte Reaktion, bei der das Arzneimittel auf den Rezeptor wirkt, und eine andere, bei der der DR-Komplex in die ursprünglichen Verbindungen dissoziiert. Jede Reaktion hat ihre eigene Geschwindigkeit, die nur im Gleichgewicht ist und sich selbst befriedigt K.

Wenn man Massengesetze wörtlich interpretiert, gilt, je höher die Konzentration von D, desto größer ist die Konzentration des gebildeten DR-Komplexes.

Die Gesamtempfänger Rt haben jedoch eine physikalische Grenze, so dass es für alle verfügbaren D keine unbegrenzte Menge von R gibt. Auch experimentell auf dem Gebiet der Pharmakologie haben die folgenden Einschränkungen des Massengesetzes in diesem Bereich gefunden:

- Nehmen wir an, dass die R-D-Verbindung reversibel ist, in den meisten Fällen jedoch nicht.

- Die R-D-Verbindung kann eine der beiden Komponenten (das Arzneimittel oder den Rezeptor) strukturell verändern, ein Umstand, der das Massengesetz nicht berücksichtigt.

- Darüber hinaus verblasst das Massengesetz vor Reaktionen, bei denen mehrere Vermittler in die DR-Bildung eingreifen.

Einschränkungen

Das Gesetz der Massenwirkung geht davon aus, dass jede chemische Reaktion elementar ist; mit anderen Worten, die Molekularität ist die gleiche wie die jeweilige Reaktionsordnung für jede beteiligte Spezies.

Hier werden die stöchiometrischen Koeffizienten a, b, c und d als die Anzahl der Moleküle betrachtet, die in den Reaktionsmechanismus eingreifen. In einer globalen Reaktion stimmen diese jedoch nicht notwendigerweise mit ihrer Reihenfolge überein.

Zum Beispiel für die Reaktion aA + bB <=> cC + dD:

Der Ausdruck der Geschwindigkeit für direkte und inverse Reaktionen sind:

k₁= [A]^a[B]^b

k₂= [C]^c[D]^d

Dies gilt nur für Elementarreaktionen, da für globale Reaktionen, obwohl die stöchiometrischen Koeffizienten korrekt sind, sie nicht immer Reaktionsordnungen sind. Für den Fall der direkten Reaktion könnte letzteres sein:

k₁= [A]^w[B]^z

In diesem Ausdruck wären w und z die wahren Reaktionsordnungen für die Spezies A und B.

Referenzen

1. Jeffrey Aronson. (19. November 2015). Die Gesetze des Lebens: Guldberg und Waage's Gesetz der Massenaktion. Abgerufen am 10. Mai 2018 von: cebm.net
2. WissenschaftHQ. (2018). Gesetz der Massenaktion. Abgerufen am 10. Mai 2018 von: sciencehq.com
3. askiitans. (2018). Gesetz der Massenaktion und Gleichgewichtskonstante. Abgerufen am 10. Mai 2018 von: askiitians.com
4. Salvat Enzyklopädie der Wissenschaften. (1968). Chemie Band 9, Salvat S.A. von Ausgaben Pamplona, ​​Spanien. P 13-16.
5. Walter J. Moore. (1963). Physikalische Chemie in Thermodynamik und chemisches Gleichgewicht. (Vierte Ausgabe). Longmans. P 169.
6. Alex Yartsev (2018). Das Gesetz der Massenaktion in der Pharmakodynamik. Abgerufen am 10. Mai 2018 von: derangedphysiology.com