化学では、質量作用の法則 化学反応の速度は、反応物の濃度の積に正比例すると述べています。この法則は、平衡定数を計算するための式を与えます .質量作用の法則は、平衡法則または化学平衡の法則としても知られています。
質量作用方程式の法則
平衡状態では、正方向と逆方向の化学反応の速度は等しくなります:
aA + bB ⇌ cC + dD
生成物と反応物の濃度の比率は、平衡定数 K
K
この式では、角括弧は化学種の濃度を示しています。指数は化学式の係数です。
逆反応の平衡定数、K'c 、次のように与えられます:
K'c =1/K
大衆行動の法則を使用する場合
質量作用の法則は、動的平衡の場合にのみ適用されることを覚えておいてください。化学式の矢印に関係なく、次の記述が正しいことを確認してください:
- 化学式は閉鎖系の反応を表しています。つまり、システムに出入りする熱や質量はありません。
- 温度は一定のままです。平衡状態では、温度は変化しません。同様に、反応の平衡定数は温度に依存します。ある温度での値は K
モル分数を使用した方程式
濃度をモル分率で表すと、質量作用の法則から平衡定数 K
K
ガスの質量作用の法則
ガスの場合、濃度値の代わりに分圧を使用します。分圧を使用した平衡定数は Kp:
K
大衆行動の法則の例
たとえば、硫酸が水素イオンと硫酸イオンに解離する平衡定数式を次のように記述します。
H2 SO4 ⇌ 2H + SO4
答え:Kc =[H][SO4 ]/[H2 SO4 ]
たとえば、K
HCOOH + CN ⇌ HCN + HCOO
反応の平衡定数を計算します:
HCN + HCOO ⇌ HCOOH + CN
答え:2 番目の式は最初の式の逆です。
K'c =1/K
歴史
Cato Gulberg と Peter Waage は、1864 年に、反応物質の質量や濃度ではなく、「化学的活性」または「反力」に基づく質量作用の法則を提案しました。彼らは、平衡状態では、正反作用の反力が逆反作用の反力に等しいことに気付きました。正反応と逆反応の反応速度を等しく設定すると、Guldberg と Waage は平衡定数式を見つけました。元の方程式と現在使用されている方程式の大きな違いは、濃度の代わりに「化学的活動」を使用したことです。
他の分野における大衆行動の法則
質量作用の法則は、化学以外の分野にも当てはまります。例:
- 半導体物理学では、電子密度と正孔密度の積は平衡状態で定数です。定数は、ボルツマン定数、温度、バンド ギャップ、および価電子帯と伝導帯の状態の有効密度に依存します。
- 物性物理学では、拡散プロセスは絶対反応速度に関係しています。
- 数理生態学における Lotka-Volterra 方程式は、質量作用の法則を捕食者と被食者のダイナミクスに適用します。捕食率は、捕食者と被食者の相互作用の率に比例します。獲物と捕食者の濃度は、反応物質の濃度の代わりに機能します。
- 社会物理学は、人々の社会的および政治的行動を記述する際に集団行動の法則を適用します。
- 数学的疫学では、集団行動の法則が病気の蔓延のモデルとして機能します。
参考文献
- エルディ、ピーター。 Toth, János (1989)。 化学反応の数学的モデル:決定論的および確率論的モデルの理論と応用 .マンチェスター大学出版局。 ISBN 978-0-7190-2208-1.
- E.A. グッゲンハイム（1956）。 「教科書の誤り IX:反応速度と平衡の法則についての詳細」. J.化学。教育 . 33 (11):544–545. doi:10.1021/ed033p544
- Guldberg, C.M.; Waage、P.（1879）。 「Ueber die chemische Affinität」[化学的親和性について]。 Journal für praktische Chemie .第 2 シリーズ (ドイツ語)。 19:69–114. doi:10.1002/prac.18790190111
- Lund, E.W. (1965). 「グルドバーグとワーゲと大衆行動の法則」 J.化学。教育 . 42(10):548. doi:10.1021/ed042p548
- Waage, P.;グルドバーグ、C.M. （1864）。 「Studier over Affiniteten」[親和性の研究]。 Forhandlinger I Videnskabs-selskabet I Christiania (クリスチャニア科学協会の取引) (デンマーク語):35–45.
