质量作用定律由G.M.古德贝格和 P.瓦格1867年提出,定义是:
化学反应速率与
反应物的有效质量成正比,其中的
有效质量实际是指浓度。
简介
质量作用定律由G.M.古德贝格和 P.瓦格1867年提出,定义是:
化学反应速率与反应物的有效质量成正比,其中的
有效质量实际是指浓度。
近代实验证明,质量作用定律只适用于基元反应,因此该定律可以更严格完整地表述为:基元反应的反应速率与各反应物的浓度的幂的乘积成正比,其中各反应物的浓度的幂的指数即为基元反应方程式中该反应物
化学计量数的绝对值。如对基元反应NO2+CO=CO2+NO,其速率方程式可根据质量作用定律写作:
r=k[NO2][CO] 式中r为
反应速率,[NO2]、[ CO]分别为反应物NO2和CO的浓度,k称为反应的
速率常数。根据质量作用定律,基元反应的级数与反应的分子数是相等的。
定律提出
1867年,挪威化学家C.M.古德贝格和P.瓦格根据
化学反应的速率与参加反应的活性质量(就是指分压强或浓度或
摩尔分数)成正比的关系提出质量作用定律。
理想气体混合物在恒温恒压下进行化学反应达到
平衡状态时,参加反应的每一种气体的分压强p0i或浓度C0i与系统的压强和温度间应满足的关系。
1799年法国化学家C.-L.贝托莱提出应重视反应中各物质的质量及其产物的性质(尤其是挥发性及溶解度)的影响,并提出化学反应可达成平衡。1861~1863年,法国化学家贝特洛和P.de圣吉尔研究了乙酸与酒精的酯化反应及其逆向的
皂化反应,发现两者都不能进行完全,最后达到平衡时各物质的比例无论在酯化、皂化时都是相同的。1862~1879年,挪威化学家C.M.古德贝格和P.瓦格以上述工作为基础,通过约300个实验,发展和确立了质量作用定律。1864年他们提出:一个化学过程有两个相反方向的力同时在起作用,一个帮助生成新物质,另一个则促使新物质再返回生成原物质,当这两个力相等时,体系便处于平衡。他们并阐述了两条规律性的认识:①这些力的大小与物质本身的质量的乘积成正比;②如果同一种起作用的物质的体积不同时,则其质量的作用与体积成正比。所以,他们被认为是真正建立起动态平衡概念的人。1867年范托夫将贝特洛和圣吉尔的结论用于速率方程计算,认定反应速率与有效质量(浓度)成比例。他和德国化学家A.F.霍斯特曼等人又分别从热力学导出了质量作用定律。1879年古德贝格和瓦格根据分子碰撞理论导出了质量作用定律;并指出分子碰撞仅仅有一部分导致反应;他们称平衡态为“可移动平衡态”。其后,化学家们利用一系列气态反应验证了质量作用定律。
适用范围
质量作用定律不仅适用于气体,也适用于稀溶液。如果除了气体和稀溶液以外,还有纯固体参加反应,则因为纯相的
化学势只依赖于温度和压强,故在前二式的左端并不包含有关纯相的因子,仍然只需写出气体(或溶质)的分压强或浓度的乘积即可,就好像固体根本不存在一样。事实上,固体的存在只影响平衡常数对温度和压强的依赖关系。
作用意义
根据质量作用定律,可以确定化学反应中各反应物和生成物的活性质量之间的联系。它在
化学平衡学说中具有重要的意义。
历史版本
当初Guldberg和Waage提出质量作用定律的时候,并没有严格的证明。
质量作用定律的速率部分 v=k∏[Ri]^νi 中νi被认为是计量系数,并且假设这个公式可以用于所有反应。这个假设不符合事实,因此这一部分是经验的。
平衡部分 K=∏ci^νi 由上式和可逆反应的关系K=k1/k-1得到。这一部分是由推导得出的。
现在已经把当初不严格的假定纠正,质量作用定律也可以证明。
速率部分 v=k∏[Ri]^νi 只对
基元反应严格成立。证明可以通过
碰撞理论、
过渡态理论、
RRKM理论等模型实现。这里通过碰撞理论作个简单证明:
对基元反应 A+B->产物
-dN(A)/dt/V=-NAd[A]/dt/V=Zexp(-Ec/RT)=σvN(A)/V·N(B)/V·exp(-Ec/RT)=π(rA+rB)^2·(8kT/μ/π)^0.5·[A][B]NA^2·exp(-Ec/RT)
因此 v=-d[A]/dt=NA(rA+rB)^2·(8πkT/μ)^0.5·exp(-Ec/RT)[A][B]=k[A][B]
对于复杂反应,v=k∏[Ri]^νi'中νi'不再是计量系数,而由机理中各基元反应速率定律导出,因而只有表观意义。
平衡部分 K=∏ci^νi 对
基元反应推导与Guldberg和Waage提出的方法一样。对
复杂反应的K由各基元反应的K直接组合得到,因而νi仍然严格等于计量
系数。