質量作用の法則

質量作用の法則とは平衡状態にある化学反応における反応物の質量間の関係及び化学反応速度の出発物質濃度への依存性を規定する法則である。。質量作用の法則は、1864年から1867年にかけて、ノルウェーの化学者のカトー・グルドベリとペーター・ワーゲによって発見された。

質量作用の法則は、気体]と液体にのみ有効であり、固体が関わる反応には適用は不可能である。

化学反応速度論における質量作用の法則[編集]

質量作用の法則(化学反応速度論の基本方程式)は、反応物の濃度を反応式中の化学量論係数に等しいべき乗で乗じた値に比例することを述べている。これは、上記の2名によって定式化された。素化学反応の場合、

v_{1} A_{1} + v_{2} A_{2} + v_{3} A_{3} \to B

質量作用の法則は、次の形式の運動方程式として表せれる。

v = k C_{A_{1}}^{v_{1}} C_{A_{2}}^{v_{2}} C_{A_{3}}^{v_{3}}

$V$ =化学反応速度
$k$ =反応速度定数

複雑な化学反応では、この関係は一般的には満たされない。しかし、多くの複雑な化学反応は、不安定な中間生成物を伴う一連の連続的な素反応段階として慣例的にとらえられ、形式的には初期状態から最終状態への段階の遷移と等価である。このような反応は形式的に単純反応と呼ばれる。単純反応の場合、反応速度式は以下のようになる。

v = k C_{A_{1}}^{n_{1}} C_{A_{2}}^{n_{2}} C_{A_{3}}^{n_{3}}

$n$ =物質の反応順序

平衡定数[編集]

化学熱力学では、質量作用の法則は、平衡定数 $K_{a}$ を用いて出発物質と反応生成物の平衡活性を次の関係に結び付ける。

K_{a} = \prod_{i = 1}^{n} a_{i}^{v_{i}}

$a_{i}$ =活量
$v_{i}$ =化学量論係数 - 出発物質が負の場合、生成物は正と扱われる。

実際には、特に精度を必要としない計算においては、活量値は通常、対応する濃度または分圧の値に置き換えられる。この場合、平衡定数はそれぞれ $K_{c}$ または $K_{p}$ と表記される。質量作用の法則は、最初にグルドベリとワーゲによって運動論的観点から導出され、1885年にヤコブス・ヘンリクス・ファント・ホッフによって熱力学的に導出された。

例えば、標準反応の場合は、

a A + b B ⇌ c C + d D

平衡定数は以下の式で導出される。

K_{c} = \frac{c^{c} (C) \cdot c^{d} (D)}{c^{a} (A) \cdot c^{b} (B)}

質量作用の法則

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