Massavaikutuksen laki

Kemiallisessa reaktiossa, joka etenee tasapainoon ja on palautuva (reversiibeli), vaikuttaa massavaikutuksen laki eli tasapainolaki. Tämä laki ilmaisee reaktion tasapainoa kuvaavan tasapainovakion riipuvuuden reaktion reagoivien ainesosien (tehollisista) konsentraatioista ja reaktion stoikiometriasta.^[1]

Reaktioyhtälö

Massavaikutuksen lain, jonka toteennäyttivät 1800-luvun puolivälissä norjalaiset Cato Maximilian Guldberg ja Peter Waage, mukaan kemiallisessa reaktiossa ei atomaarista massaa tai kokonaisvarausta voi hävitä tai muodostua tyhjästä. Kemiallisessa yhtälössä tuotteissa pitää olla sama määrä erilaisia atomeja kuin niitä on lähtöaineissa, joten alkuaineet eivät voi muuntua kemiallisessa reaktiossa toisiksi alkuaineiksi. Kemiallinen yhdiste voi kuitenkin muuttua rakenteeltaan ja/tai koostumukseltaan kemiallisen reaktion seurauksena. Kemiassa massavaikutuksen laista johdettu stoikiometria, joka edellyttää sekä lähtöaineiden että tuotteiden tuntemisen, määrää missä suhteissa reaktion kemialliset yhdisteet reakoivat.

Kemiallinen reaktioyhtälö,^A jonka vasemmalla puolella ovat lähtöaineet ja oikealla puolella tuotteet, voidaan yleisesti kirjoittaa muotoon:

(1)${\displaystyle \qquad \nu _{\text{a}}{\text{A}}+\nu _{\text{b}}{\text{B}}+...{\overset {\textstyle K}{\underset {}{\rightleftharpoons }}}\,\,\nu _{\text{n}}{\text{N}}+\nu _{\text{m}}{\text{M}}+...}$

Tässä ${\displaystyle \nu _{\text{i}}}$ on ainesosan eli lähtöaineen tai tuotteen ${\displaystyle i}$ stoikiometrinen kerroin, ja se on negatiivinen edelliselle ja positiivinen jälkimmäiselle. Reaktiyhtälössä oleva ${\displaystyle K}$ on reaktion (termodynaaminen) tasapainovakio. Massavaikutuksen laki pätee vain reaktion ollessa tasapainossa (tp) ja tällöin reaktion tasapainotilaa ilmaisee tasapainovakio. Sen riippuvuus reaktion ainesosista (reaktioyhtälön kirjoitetussa muodossa yhtälössä (1)) on

(2)${\displaystyle \qquad K\,=\,{\Bigg (}{\frac {\prod ({\text{tuotteet}})}{\prod ({\text{lähtöaineet}})}}{\Bigg )}_{\text{tp}}\,=\,{\Bigg (}{\frac {[N]^{\nu _{\text{n}}}[M]^{\nu _{\text{m}}}...}{[A]^{\nu _{\text{a}}}[B]^{\nu _{\text{b}}}...}}{\Bigg )}_{\text{tp}}}$

Hakasuluissa olevat ainesosat tarkoittavat tehokkaita konsentraatioita eli aktiivisuuksia. Laimeilla liuoksilla, kun reaktioseoksen käyttäytyminen on ideaalista, voidaan aktiivisuuksien tilalla käyttää konsentraatioita. Tällöin tasapainovakio on konsentraatiotasapainovakio ${\displaystyle K_{c}}$. Jos yhtälössä (1) kemiallisen reaktion tuotteet merkitään lähtöaineiksi ja vastaavasti lähtöaineet yhtälössä (1) tuotteitteiksi, on kyseessä tasapainovakio ${\displaystyle K^{'}}$, joka on ${\displaystyle K}$:n käänteisarvo.

Kemiallinen reaktio ja stoikiometria

Kemiallisen reaktion tapahtuminen ilmaistaan yksiselitteisesti reaktiomäärän, ${\displaystyle \xi }$, avulla seuraavasti:

(3)${\displaystyle \qquad \xi \,=\,{\frac {\Delta n_{\text{i}}}{\nu _{\text{i}}}}}$

Reaktiomäärä on sidottu reaktion stoikiometriaan. Esimerkiksi ammoniakkisynteesissä, jonka kirjoitettu (brutto)reaktio on ${\displaystyle {\ce {N_2 + 3H_2 -> 2NH_3}}}$, 10 mol:a typpeä reagoi 20 mol:n vedyn kanssa tuottaen 5 mol:a ammoniakkia. Reaktion reaktiomäärä on sama kaikille sen ainesosille:

Ainesosat	N2	H2	NH3
ainemäärä alussa / mol	10,0	20,0	0
ainemäärä lopussa / mol	7,5	12,5	5,0
${\displaystyle \Delta n_{\text{i}}}$ mol	-2,5	-7,5	+5,0
${\displaystyle \nu _{\text{i}}}$	-1	-3	+2
${\displaystyle \xi }$ mol	2,5	2,5	2,5

Toisaalta, jos kirjoitettu (brutto)reaktio on ${\displaystyle {\ce {1/2 N_2 + 3/2 H_2 -> NH_3}}}$, niin ${\displaystyle \xi =5,0{\text{ mol}}}$.

Reaktiomäärän reaktioaikariippuvuudesta saadaan määritelmä reaktionopeudelle.

Lisätieto

^A Kyseessä on kemiallinen kokonaisreaktio eli bruttoreaktio, koska tämä kirjoitettu reaktio voi koostua useasta alkeisreaktiosta.

Lähteet