Prawo działania mas
Wyprowadzenie 1:
W przypadku reakcji odwracalnej, jednoetapowej i jednofazowej (homogenicznej), w stałej temperaturze (T=const):
\( aA+bB\xrightarrow[k_{-1}]{k_{1}}cC+dD \)
Szybkość reakcji, która przebiega w prawo (przemiana substratów w produkty) jest proporcjonalna do iloczynu stężeń reagentów A i B
\( r_1 = k_1[A]^a[B]^b \)
Szybkość reakcji, która przebiega w lewo (przemiana produktów w substraty) jest proporcjonalna do iloczynu stężeń reagentów C i D
\( r_{-1} = k_{-1}[C]^c[D]^d \)
gdzie \( k_{1} \) i \( k_{-1} \)– stałe szybkośći reakcji
\( [A] \), \( [B] \), \( [C] \), \( [D] \) – stężenie molowe \( [mol/dm^3] \)
W stanie równowagi chemicznej, w stałej temperaturze:
\( r_1=r_{-1} \)
czyli:
\( k_1 [A]^a[B]^b = k_{-1} [C]^c[D]^d \)
po przekształceniu:
\( K=\frac{k_1}{k_{-1}}= \frac{[C]^c\cdot[D]^d}{[A]^a\cdot[B]^b} \)
Wielkość K będąca ilorazem stałych szybkości reakcji wyznaczających równowagę nosi nazwę stałej równowagi chemicznej.
Wyrażenie na stałą równowagi zostało wyprowadzone przez Guldberga i Waagego w 1864 r. jako tzw. prawo działania mas. W stanie równowagi chemicznej, w stałej temperaturze iloraz iloczynu stężeń molowych produktów do iloczynu stężeń molowych substratów, podniesionych do odpowiednich potęg, które odpowiadają współczynnikom stechiometrycznym reagujących substancji ma wartość stałą. Wartość stałej równowagi chemicznej jest wielkością charakterystyczną dla danej reakcji chemicznej oraz określonej temperatury.
\( K=\frac{k_1}{k_{-1}}= \frac{[C]^c\cdot[D]^d}{[A]^a\cdot[B]^b} \)
Uwaga 2:
- Wartości stałej równowagi podaje się z równaniem reakcji chemicznej i temperaturą.
- Duże wartości stałej równowagi chemicznej wskazują, że w stanie równowagi chemicznej przeważają produkty, natomiast mała wartość stałej równowagi chemicznej oznacza, że w stanie równowagi chemicznej przeważają substraty.
- Stałą równowagi można wyrażać za pomocą stężeń molowych (stała równowagi „stężeniowa”) często oznaczana jako \( K_c \), za pomocą ułamków molowych \( K_x \), ciśnień parcjalnych w przypadku układów gazowych \( K_p \).