- En què consisteix la llei d'acció de masses?
- Significat de la constant d'equilibri
- equilibri químic
- Equilibri en sistemes heterogenis
- Desplaçaments de l'equilibri
- Principi de Le Chatelier
- aplicacions
- Exemples de la llei d'acció de masses
- La llei d'acció de masses en farmacologia
- limitacions
- referències
La llei d'acció de masses estableix la relació existent entre les masses actives dels reactius i la dels productes, en condicions d'equilibri i en els sistemes homogenis (dissolucions o fases gasoses). Va ser formulada pels científics noruecs CM Guldberg i P. Waage, que van reconèixer que l'equilibri és dinàmic i no estàtic.
Per què dinàmic? Perquè les velocitats de les reaccions directa i inversa són iguals. Les masses actives solen expressar-se mol / L (molaritat). Una reacció d'aquest tipus pot escriure així: aA + bB <=> cC + dD. Per a l'equilibri esmentat en aquest exemple, la relació entre reactius i productes es mostra a l'equació de la imatge inferior.
K és sempre constant, sense importar quines siguin les concentracions inicials de les substàncies, sempre que la temperatura no variï. Aquí A, B, C i D són les substàncies reaccionants i productes; mentre que a, b, c i d, són els seus coeficients estequiomètrics.
El valor numèric de K és una constant característica per a cada reacció a una temperatura donada. Llavors, K és el que s'anomena com a constant d'equilibri.
La notació vol dir que en l'expressió matemàtica apareixen les concentracions en unitats de mol / L, elevades a una potència igual a el coeficient de reacció.
En què consisteix la llei d'acció de masses?
Com es va esmentar prèviament, la llei d'acció de masses expressa que la velocitat d'una reacció donada guarda una proporcionalitat directa amb el producte de les concentracions de les espècies reactants, on la concentració de cada espècie es troba elevada a una potència igual al seu coeficient estequiomètric en l'equació química.
En aquest sentit, es pot explicar millor tenint una reacció reversible, l'equació general s'il·lustra a continuació:
aA + bB ↔ cC + dD
On A i B representen els reactants i les substàncies denominades C i D representen els productes de la reacció. Així mateix les valors de a, b, c i representen els coeficients estequiomètrics de A, B, C i D, respectivament.
Partint de l'equació anterior, s'obté la constant d'equilibri que es va esmentar prèviament, la qual s'il·lustra com:
K = c d / a b
On la constant d'equilibri K és igual a un quocient, en el qual el numerador està conformat per la multiplicació de les concentracions dels productes (en estat d'equilibri) elevats al seu coeficient en l'equació equilibrada i el denominador consta d'una multiplicació similar però entre els reactants elevats a el coeficient que els acompanya.
Significat de la constant d'equilibri
Cal destacar que en l'equació per calcular la constant d'equilibri s'han d'emprar les concentracions de les espècies en l'equilibri, sempre que no hi hagi modificacions a aquestes ni a la temperatura de el sistema.
De la mateixa manera, el valor de la constant d'equilibri atorga informació sobre el sentit que sigui afavorit en una reacció en equilibri, és a dir, revela si la reacció és favorable cap dels reactants o els productes.
En cas que la magnitud d'aquesta constant sigui molt més gran que la unitat (K »1), s'inclinarà l'equilibri cap a la dreta i afavorirà als productes; mentre que si la magnitud d'aquesta constant és molt més petita que la unitat (K «1), s'inclinarà l'equilibri cap a l'esquerra i afavorirà els reactants.
Així mateix, tot i que per convenció s'indica que les substàncies de la part esquerra de la fletxa són els reactants i les de la part dreta són els productes, pot arribar a ser una mica confús el fet que els reactants que procedeixen de la reacció en sentit directe passen a ser els productes en la reacció en sentit invers i viceversa.
equilibri químic
Sovint les reaccions arriben a un equilibri entre les quantitats de substàncies inicials i les dels productes que es formen. Aquest equilibri addicionalment pot desplaçar afavorint l'augment o la disminució d'una de les substàncies que participen en la reacció.
Un fet anàleg es produeix en la dissociació d'una substància dissolta: durant una reacció pot observar experimentalment la desaparició de les substàncies inicials i la formació dels productes amb una velocitat variable.
La velocitat d'una reacció depèn en gran mesura de la temperatura i en divers grau de la concentració de les substàncies reaccionants. De fet, aquests factors són estudiats especialment per la cinètica química.
Sense embago, aquest equilibri no és estàtic, sinó que prové de la coexistència d'una reacció directa i una altra inversa.
En la reacció directa (->) es formen els productes, mentre que en la reacció inversa (<-) aquests tornen a originar les substàncies inicials.
L'anterior constitueix el que es coneix com a equilibri dinàmic, esmentat anteriorment.
Equilibri en sistemes heterogenis
En els sistemes heterogenis, és a dir, en aquells formats per diverses fases- les concentracions dels sòlids poden considerar constants, ometent de l'expressió matemàtica per K.
CaCO 3 (s) <=> CaO (s) + CO 2 (g)
Així, en l'equilibri de descomposició de l'carbonat de calci, la seva concentració i la de l'òxid resultant poden considerar constants independentment de la seva massa.
Desplaçaments de l'equilibri
El valor numèric de la constant d'equilibri determina si una reacció afavoreix o no la formació de productes. Quan K és més gran que 1, el sistema en equilibri tindrà major concentració de productes que de reactius, i si K és menor que 1, passa el contrari: en l'equilibri hi haurà més concentració de reactius que de productes.
Principi de Le Chatelier
La influència de les variacions de concentració, de temperatura i de pressió pot alterar la velocitat d'una reacció.
Per exemple, si en una reacció es formen productes gasosos, un augment de la pressió sobre el sistema provoca la marxa de la reacció en sentit contrari (cap als reactius).
En general, les reaccions inorgàniques que es realitzen entre ions són molt veloços, mentre que les orgàniques tenen velocitats molt menors.
Si en una reacció es produeix calor, un augment de la temperatura exterior tendeix a orientar-la en sentit contrari, ja que la reacció inversa és endotèrmica (absorbeix calor).
Així mateix, si es provoca un excés en una de les substàncies reaccionants dins d'un sistema en equilibri, les altres substàncies formaran productes per neutralitzar el màxim aquesta modificació.
Com a resultat, l'equilibri es desplaça afavorint en un sentit o en un altre per augment de la velocitat de reacció, de tal manera que el valor de K romangui constant.
Totes aquestes influències externes i la resposta de l'equilibri per contrarestar-és el que es coneix com el principi de Le Chatelier.
aplicacions
Malgrat la seva enorme utilitat, quan aquesta llei va ser proposada no va tenir l'impacte ni rellevància desitjat a la comunitat científica.
No obstant això, a partir de segle XX va ser adquirint notorietat gràcies a que els científics britànics William Esson i Vernon Harcourt la van reprendre diverses dècades després de la seva promulgació.
La llei d'acció de masses ha tingut moltes aplicacions al llarg de el temps, per la qual cosa s'assenyalen algunes a continuació:
- A l'ésser formulada en termes d'activitats en lloc de concentracions, és útil per a determinar les desviacions de l'comportament ideal dels reactants en una solució, sempre que sigui conseqüent amb la termodinàmica.
- Quan una reacció s'aproxima a l'estat d'equilibri, es pot preveure la relació entre la velocitat neta de la reacció i l'energia lliure de Gibbs instantània d'una reacció.
- A l'combinar-se amb el principi d'equilibri detallat, en termes generals aquesta llei preveu els valors resultants, d'acord a la termodinàmica, de les activitats i la constant en l'estat d'equilibri, així com la relació entre aquestes i les constants de velocitat resultants de les reaccions en sentit directe com en sentit invers.
- Quan les reaccions són de tipus elemental, a l'aplicar aquesta llei s'obté l'equació d'equilibri adequada per a determinada reacció química i les expressions de la seva velocitat.
Exemples de la llei d'acció de masses
-Quan s'estudia una reacció de tipus irreversible entre ions que es troben en solució, l'expressió general d'aquesta llei porta a la formulació de Brönsted-Bjerrum, la qual estableix la relació existent entre la força iònica de les espècies i la constant de velocitat.
-Al analitzar les reaccions que es duen a terme en solucions ideals diluïdes o en estat d'agregació gasós, s'obté l'expressió general de la llei original (dècada dels 80 's).
-Com posseeix característiques universals, l'expressió general d'aquesta llei pot ser emprada com a part de la cinètica en lloc de veure-la com a part de la termodinàmica.
-Al utilitzar en electrònica, aquesta llei es fa servir per determinar que la multiplicació entre les densitats dels buits i els electrons d'una superfície determinada té una magnitud constant en l'estat d'equilibri, encara de manera independent de l'dopatge que se'ls subministri a l'material.
-És àmpliament coneguda la utilització d'aquesta llei per a descriure la dinàmica existent entre els depredadors i les preses, suposant que la relació de depredació sobre la presa presenta determinada proporció amb la relació entre els depredadors i les preses.
-En el camp dels estudis de salut, aquesta llei pot fins i tot aplicar-se per descriure certs factors de el comportament humà, des dels punts de vista polític i social.
La llei d'acció de masses en farmacologia
Suposant que D és la droga i R el receptor sobre el qual actua, tots dos reaccionen per originar el complex DR, el responsable de l'efecte farmacològic:
K = /
K és la constant de dissociació. Hi ha una reacció directa en la qual la droga actua sobre el receptor, i una altra on el complex DR es dissocia en els compostos originals. Cada reacció té la seva pròpia velocitat, igualant-se únicament en l'equilibri, satisfent-K.
Interpretant la llei de masses a peu de la lletra, a major concentració de D, major serà la concentració de l'complex DR format.
No obstant això, els receptors totals Rt tenen un límit físic, de manera que no hi ha una quantitat il limitada de R per a tot el D disponible. Així mateix, experimentalment estudis en l'àrea de farmacologia han trobat les següents limitacions a la llei de masses en aquest camp:
- Assumeix que l'enllaç RD és reversible, quan en la majoria dels casos realment no ho és.
- L'enllaç RD pot alterar estructuralment algun dels dos components (la droga o el receptor), circumstància que no considera la llei de masses.
- A més, la llei de masses empal·lideix davant reaccions on en la formació de DR intervenen múltiples intermediaris.
limitacions
La llei d'acció de masses assumeix que tota reacció química és de tipus elemental; en altres paraules, que la molecularidad és igual que l'ordre de reacció respectiu per a cada espècie involucrada.
Aquí els coeficients estequiomètrics a, b, c, id es consideren com el nombre de molècules que intervenen en el mecanisme de reacció. No obstant això, en una reacció global aquests no coincideixen necessàriament amb el seu ordre.
Per exemple, per a la reacció aA + bB <=> cC + dD:
L'expressió de velocitat per a les reaccions directes i inverses són:
Això només s'aplica per a reaccions elementals, ja que per a les globals, encara que els coeficients estequiomètrics siguin correctes, no sempre són els ordres de reacció. Per al cas de la reacció directa, aquests últims podrien ser,:
En aquesta expressió wyz serien els veritables ordres de reacció per a les espècies A i B.
referències
- Jeffrey Aronson. (19 de novembre de 2015). The Laws of Life: Guldberg and Waage 's Law of Mass Action. Recuperat el 10 de maig de 2018, de: cebm.net
- ScienceHQ. (2018). Law of mass action. Recuperat el 10 de maig de 2018, de: sciencehq.com
- askiitans. (2018). Law of Mass Action and Equilibrium Constant. Recuperat el 10 de maig de 2018, de: askiitians.com
- Enciclopèdia Salvat de les Ciències. (1968). Química. Tom 9, Salvat SA d'edicions Pamplona, Espanya. P 13-16.
- Walter J. Moore. (1963). Physical Chemistry. In Thermodynamics and chemical equilibrium. (Fourth ed.). Longmans. P 169.
- Alex Yartsev. (2018). The Law of Mass Action in Pharmacodynamics. Recuperat el 10 de maig de 2018, de: derangedphysiology.com