Massevirkningsloven 150 år

Massevirkningsloven er den eneste naturlov som er oppdaget av nordmenn. Den er kjent over hele verden, og er alle norske kjemikeres stolthet.

Frimerket er fra 1964, da massevirkningsloven var 100 år.

Av professor emeritus Bjørn Pedersen (Skolelaboratoriet i kjemi, Kjemisk institutt)

Loven kalles også Guldberg og Waages lov etter Cato Maximilian Guldberg (1836-1902) og Peter Waage (1833-1900) som oppdaget loven i 1864. Da var Waage lektor i kjemi på universitetet og bestyrer av Kjemisk laboratorium. Guldberg var lærer i anvendt matematikk ved Krigsskolen. Waage sto for kjemien og Guldberg for databehandlingen. Waage fylte 31 i 1864 og Guldberg 28, de var svogere og begge var småbarnsfedre. Senere ble de professorer ved Det kongelige Frederiks universitet. Loven ble feiret 11. mars i Det Norske Vitenskaps-Akademi og i Gamle festsal i Urbygningen på dagen 150 år etter at Waage offentliggjorde loven i et foredrag i et rom rett bak Gamle festsal.

Idéene de bygget på

Massevirkningsloven er en kvantitativ lov som gjør det mulig å regne på kjemiske likevekter. Men de foreslo ikke bare matematiske formler, men også en ny måte å se på en kjemisk reaksjon. La oss se på et eksempel på en enkel kjemisk reaksjon: A+B ⇌ C + D. Her er A og B utgangsstoffene, C og D produktene. Reaksjonen foregår i en løsning eller i en gass i et kar som er lukket så ingen av stoffene slipper ut. Utgangsstoffene A og B reagerer med hverandre og gir produktene C og D. Men Guldberg og Waage hevdet at også produktene C og D reagerer. At reaksjonen går begge veier er i ettertid markert med dobbeltpilen ⇌.

Til å begynne med har vi bare utgangsstoffer og konsentrasjonen av produktene er 0. Etter hvert vil konsentrasjonen av produktene C og D øke, og konsentrasjonen av utgangsstoffene A og B vil avta.

Guldberg (øverst) og Waage fra tiden da de oppdaget loven

Etter en tid vil konsentrasjonen av hvert enkelt av stoffene bli konstant. Da sier vi med Guldberg og Waage at reaksjonen er i likevekt.I noen reaksjoner dannes lite produkter og i andre reaksjoner kan det dannes mye produkter, men likevekt blir det tilslutt i alle tilfelle om temperaturen holdes konstant og karet er lukket.

Men Guldberg og Waage hevdet at selv ved likevekt reagerer A og B fortsatt og gir C og D, men også C og D reagerer og gir A og B: Likevekten er dynamisk! Det foregår reaksjoner mellom stoffene hele tiden, men ved likevekt er konsentrasjonen av hvert av stoffene konstant. Dette er viktig:

Kjemiske reaksjoner tar tid: noen reaksjoner går fort, andre går langsomt.
Alle kjemiske reaksjoner som foregår i et lukket kar kommer til slutt i likevekt, om vi venter lenge nok. Da er konsentrasjonen av alle stoffer som deltar i reaksjonen konstant, men stoffene reagerer fortsatt.

Utledning av massevirkningsloven

Massevirkningsloven slik den ble fremsatt av Guldberg og Waage i 1864 var et selvvalgt teoretisk uttrykk med visse parametere i. De viste at det var mulig å bestemme verdier på parameterne slik at de beregnete konsentrasjonene passet med de observerte konsentrasjonene for tre kjemiske reaksjoner. Loven av 1864 var derfor hva vi kaller en naturlov som ikke var beregnet fra en teori. Slik hadde gasslovene vært helt til 1850-årene, da de fikk sin forklaring.

Først i 1879 utledet Guldberg og Waage fra en partikkelmodell. Slik utledet de loven: De antok at to molekyler A og B først reagerer når de støter sammen. Da kan bindinger brytes og molekylene C og D dannes. Farten på reaksjonen mellom utgangsstoffene A og B er derfor proporsjonalt med produktet av konsentrasjonen av A og B. Tilsvarende er farten på reaksjonen mellom produktene C og D proporsjonal med produktet av konsentrasjonen av C og D. Ved likevekt er farten på reaksjonen mellom utgangsstoffene lik farten på reaksjonene mellom produktene.

Guldberg og Waage. Foto: H. Riffarth

Konsentrasjonsloven

Skriver vi konsentrasjonen av et stoff X som [X] blir massevirkningsloven:

a[A]·[B] = b[C]·[D]

For å understreke at det bare er nødvendig med en konstant K (= b/a) skriver vi i dag massevirkningsloven som en brøk:

[C]·[D]/[A]·[B] = K

K kalles likevektskonstanten. Den bestemmes eksperimentelt, gjerne ved flere temperaturer.

Navnet massevirkningsloven er misvisende. Loven burde hete konsentrasjonsloven for det er konsentrasjonen som er viktig når stoffer reagerer.

Bare tilnærmet riktig

I dag vet vi at massevirkningsloven følger fra termodynamikkens lover. Farten på en kjemisk reaksjon er også mer komplisert enn antatt av Guldberg og Waage. Vi vet også at loven bare er tilnærmet riktig. Avvik fra massevirkningsloven blir større ved økende konsentrasjon, særlig i saltløsninger.

Kilder

Bjørn Pedersen: Guldberg og Waages lov, Store Norske Leksikon.

 

 

Av Bjørn Pedersen
Publisert 3. juni 2014 09:49 - Sist endret 22. feb. 2016 15:56