LEGGE DELL'AZIONE DI MASSA: APPLICAZIONI, ESEMPI - CHIMICA - 2025

La legge dell'azione di massa stabilisce la relazione tra le masse attive dei reagenti e quella dei prodotti, in condizioni di equilibrio e in sistemi omogenei (soluzioni o fasi gassose). È stato formulato dagli scienziati norvegesi CM Guldberg e P. Waage, che hanno riconosciuto che l'equilibrio è dinamico e non statico.

Perché dinamico? Perché le velocità delle reazioni dirette e inverse sono uguali. Le masse attive sono solitamente espresse mol / L (molarità). Tale reazione può essere scritta in questo modo: aA + bB <=> cC + dD. Per l'equilibrio citato in questo esempio, la relazione tra reagenti e prodotti è illustrata nell'equazione nell'immagine sottostante.

K è sempre costante, indipendentemente dalle concentrazioni iniziali delle sostanze, purché la temperatura non vari. Qui A, B, C e D sono i reagenti e i prodotti; mentre a, b, c e d sono i loro coefficienti stechiometrici.

Il valore numerico di K è una costante caratteristica per ciascuna reazione a una data temperatura. Quindi, K è ciò che viene chiamato costante di equilibrio.

La notazione significa che nell'espressione matematica le concentrazioni appaiono in unità di mol / L, elevate ad una potenza pari al coefficiente di reazione.

Qual è la legge dell'azione di massa?

Come accennato in precedenza, la legge dell'azione di massa esprime che la velocità di una data reazione è direttamente proporzionale al prodotto delle concentrazioni delle specie reagenti, dove la concentrazione di ciascuna specie è elevata ad una potenza pari al suo coefficiente stechiometrico nell'equazione chimica.

In questo senso, può essere meglio spiegato avendo una reazione reversibile, la cui equazione generale è illustrata di seguito:

aA + bB ↔ cC + dD

Dove A e B rappresentano i reagenti e le sostanze denominate C e D rappresentano i prodotti della reazione. Allo stesso modo i valori di a, b, ced rappresentano i coefficienti stechiometrici di A, B, C e D, rispettivamente.

Partendo dall'equazione precedente si ottiene la costante di equilibrio citata in precedenza, che viene illustrata come:

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

Dove la costante di equilibrio K è uguale a un quoziente, in cui il numeratore è costituito dalla moltiplicazione delle concentrazioni dei prodotti (allo stato di equilibrio) elevata al loro coefficiente nell'equazione bilanciata e il denominatore è costituito da una moltiplicazione simile ma tra i reagenti elevati al coefficiente che li accompagna.

Significato della costante di equilibrio

Va notato che le concentrazioni di equilibrio della specie devono essere utilizzate nell'equazione per calcolare la costante di equilibrio, purché non ci siano modifiche a queste o alla temperatura del sistema.

Allo stesso modo, il valore della costante di equilibrio fornisce informazioni sulla direzione che è favorita in una reazione all'equilibrio, cioè rivela se la reazione è favorevole ai reagenti o ai prodotti.

Nel caso in cui l'ampiezza di questa costante sia molto maggiore dell'unità (K »1), l'equilibrio si sposterà a destra e favorirà i prodotti; Mentre se l'ampiezza di questa costante è molto inferiore all'unità (K «1), l'equilibrio si sposterà a sinistra e favorirà i reagenti.

Allo stesso modo, sebbene per convenzione sia indicato che le sostanze a sinistra della freccia sono i reagenti e quelle a destra sono i prodotti, può creare un po 'di confusione che i reagenti che provengono dalla reazione in senso diretto diventano i prodotti della reazione al contrario e viceversa.

Equilibrio chimico

Le reazioni spesso raggiungono un equilibrio tra le quantità delle sostanze di partenza e dei prodotti che si formano. Questo equilibrio può inoltre spostarsi favorendo l'aumento o la diminuzione di una delle sostanze che partecipano alla reazione.

Un fatto analogo avviene nella dissociazione di una sostanza disciolta: durante una reazione si può osservare sperimentalmente con velocità variabile la scomparsa delle sostanze iniziali e la formazione dei prodotti.

La velocità di una reazione dipende fortemente dalla temperatura e in misura variabile dalla concentrazione dei reagenti. Questi fattori, infatti, vengono studiati soprattutto dalla cinetica chimica.

Tuttavia, questo equilibrio non è statico, ma deriva dalla coesistenza di una reazione diretta e inversa.

Nella reazione diretta (->) si formano i prodotti, mentre nella reazione inversa (<-) ri-originano le sostanze iniziali.

Ciò costituisce ciò che è noto come equilibrio dinamico, menzionato sopra.

Equilibrio in sistemi eterogenei

In sistemi eterogenei, cioè in quelli formati da più fasi, le concentrazioni dei solidi possono essere considerate costanti, omettendo dall'espressione matematica di K.

CaCO ₃ (s) <=> CaO (s) + CO ₂ (g)

Pertanto, nell'equilibrio di decomposizione del carbonato di calcio, la sua concentrazione e quella dell'ossido risultante possono essere considerate costanti indipendentemente dalla sua massa.

Cambiamenti di equilibrio

Il valore numerico della costante di equilibrio determina se una reazione favorisce o meno la formazione dei prodotti. Quando K è maggiore di 1, il sistema di equilibrio avrà una concentrazione di prodotti maggiore rispetto a quella di reagenti, e se K è minore di 1 avviene il contrario: in equilibrio ci sarà una concentrazione di reagenti maggiore rispetto ai prodotti.

Principio di Le Chatelier

L'influenza delle variazioni di concentrazione, temperatura e pressione può alterare la velocità di una reazione.

Ad esempio, se in una reazione si formano prodotti gassosi, un aumento della pressione sul sistema fa sì che la reazione si svolga nella direzione opposta (verso i reagenti).

In generale, le reazioni inorganiche che avvengono tra gli ioni sono molto veloci, mentre quelle organiche hanno velocità molto inferiori.

Se si produce calore in una reazione, un aumento della temperatura esterna tende ad orientarlo nella direzione opposta, poiché la reazione inversa è endotermica (assorbe calore).

Allo stesso modo, se si verifica un eccesso in uno dei reagenti all'interno di un sistema in equilibrio, le altre sostanze formeranno prodotti per neutralizzare al massimo detta modifica.

Di conseguenza, l'equilibrio si sposta in un modo o nell'altro aumentando la velocità di reazione, in modo tale che il valore di K rimanga costante.

Tutte queste influenze esterne e la risposta dell'equilibrio per contrastarle è ciò che è noto come principio di Le Chatelier.

applicazioni

Nonostante la sua enorme utilità, quando è stata proposta questa legge non ha avuto l'impatto o la rilevanza desiderati nella comunità scientifica.

Tuttavia, dal XX secolo stava guadagnando notorietà grazie al fatto che gli scienziati britannici William Esson e Vernon Harcourt lo ripresero diversi decenni dopo la sua promulgazione.

La legge dell'azione di massa ha avuto molte applicazioni nel tempo, alcune delle quali sono elencate di seguito:

• Poiché è formulato in termini di attività più che di concentrazioni, è utile per determinare deviazioni dal comportamento ideale dei reagenti in una soluzione, purché coerente con la termodinamica.
• Quando una reazione si avvicina all'equilibrio, è possibile prevedere la relazione tra la velocità netta della reazione e l'energia libera di Gibbs istantanea di una reazione.
• Quando combinato con il principio di equilibrio dettagliato, in termini generali questa legge fornisce i valori risultanti, secondo la termodinamica, delle attività e la costante nello stato di equilibrio, nonché la relazione tra queste e le costanti di velocità risultanti di reazioni nelle direzioni avanti e indietro.
• Quando le reazioni sono di tipo elementare, applicando questa legge si ottiene l'equazione di equilibrio appropriata per una data reazione chimica e le espressioni della sua velocità.

Esempi della legge dell'azione di massa

-Quando si studia una reazione irreversibile tra ioni trovati in soluzione, l'espressione generale di questa legge porta alla formulazione Brönsted-Bjerrum, che stabilisce la relazione tra la forza ionica della specie e la costante di velocità .

-Quando si analizzano le reazioni che si svolgono in soluzioni ideali diluite o in uno stato di aggregazione gassosa, si ottiene l'espressione generale della legge originaria (decennio degli anni '80).

-Poiché ha caratteristiche universali, l'espressione generale di questa legge può essere usata come parte della cinetica invece di vederla come parte della termodinamica.

-Quando viene utilizzata in elettronica, questa legge viene utilizzata per determinare che la moltiplicazione tra le densità dei buchi e gli elettroni di una data superficie ha una grandezza costante nello stato di equilibrio, anche indipendentemente dal drogaggio che viene fornito al materiale .

-L'uso di questa legge per descrivere le dinamiche tra predatori e prede è ampiamente noto, assumendo che il rapporto di predazione sulla preda presenti una certa proporzione con il rapporto tra predatori e prede.

-Nel campo degli studi sulla salute, questa legge può essere applicata anche per descrivere alcuni fattori del comportamento umano, dal punto di vista politico e sociale.

La legge dell'azione di massa in farmacologia

Assumendo che D sia il farmaco e R sia il recettore su cui agisce, entrambi reagiscono dando origine al complesso DR, responsabile dell'effetto farmacologico:

K = /

K è la costante di dissociazione. C'è una reazione diretta in cui il farmaco agisce sul recettore e un'altra in cui il complesso DR si dissocia nei composti originali. Ogni reazione ha la sua velocità, eguagliandosi solo all'equilibrio, con K. soddisfatto.

Interpretando la legge di massa alla lettera, maggiore è la concentrazione di D, maggiore è la concentrazione del complesso DR formato.

Tuttavia, i ricevitori totali Rt hanno un limite fisico, quindi non esiste una quantità illimitata di R per tutti i D. Allo stesso modo, studi sperimentali nel campo della farmacologia hanno trovato i seguenti limiti alla legge di massa in questo campo:

- Si presume che il collegamento RD sia reversibile, quando nella maggior parte dei casi non lo è davvero.

- Il legame RD può alterare strutturalmente una delle due componenti (il farmaco o il recettore), circostanza che non è considerata dalla legge di massa.

- Inoltre, la legge di massa impallidisce di fronte a reazioni in cui più intermediari intervengono nella formazione di RD.

limitazioni

La legge dell'azione di massa presume che ogni reazione chimica sia elementare; in altre parole, che la molecolarità è la stessa del rispettivo ordine di reazione per ciascuna specie coinvolta.

Qui i coefficienti stechiometrici a, b, c e d sono considerati come il numero di molecole coinvolte nel meccanismo di reazione. Tuttavia, in una reazione globale, questi non corrispondono necessariamente al tuo ordine.

Ad esempio, per la reazione aA + bB <=> cC + dD:

Le espressioni di velocità per le reazioni dirette e inverse sono:

Questo vale solo per le reazioni elementari, poiché per quelle globali, sebbene i coefficienti stechiometrici siano corretti, non sono sempre gli ordini di reazione. Nel caso della reazione diretta, quest'ultima potrebbe essere:

In questa espressione w e z sarebbero i veri ordini di reazione per le specie A e B.

Riferimenti

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