O lei de ação em massa estabelece a relação entre as massas ativas dos reagentes e dos produtos, em condições de equilíbrio e em sistemas homogêneos (soluções ou fases gasosas). Foi formulado por cientistas noruegueses C.M. Guldberg e P. Waage, que reconheceram que o equilíbrio é dinâmico e não estático.
Por que dinâmico? Porque as taxas das reações direta e reversa são iguais. As massas ativas são geralmente expressas em mol / L (molaridade). Essa reação pode ser escrita assim: aA + bB <=> cC + dD. Para o equilíbrio mencionado neste exemplo, a relação entre reagentes e produtos é ilustrada na equação da imagem abaixo.
K é sempre constante, independentemente das concentrações iniciais das substâncias, desde que a temperatura não varie. Aqui A, B, C e D são os reagentes e produtos; enquanto a, b, c e d são seus coeficientes estequiométricos.
O valor numérico de K é uma constante característica para cada reação a uma determinada temperatura. Então, K é o que é chamado de constante de equilíbrio.
A notação [] significa que na expressão matemática as concentrações aparecem em unidades de mol / L, elevadas a uma potência igual ao coeficiente de reação.
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Como mencionado anteriormente, a lei de ação da massa expressa que a velocidade de uma dada reação é diretamente proporcional ao produto das concentrações das espécies reagentes, onde a concentração de cada espécie é elevada a uma potência igual ao seu coeficiente estequiométrico no produto químico equação.
Nesse sentido, pode ser melhor explicado por ter uma reação reversível, cuja equação geral é ilustrada a seguir:
aA + bB ↔ cC + dD
Onde A e B representam os reagentes e as substâncias denominadas C e D representam os produtos da reação. Da mesma forma, os valores de a, b, c e d representam os coeficientes estequiométricos de A, B, C e D, respectivamente..
A partir da equação anterior, obtém-se a constante de equilíbrio mencionada anteriormente, que é ilustrada como:
K = [C]c[D]d/[PARA]para[B]b
Onde a constante de equilíbrio K é igual a um quociente, em que o numerador é composto pela multiplicação das concentrações dos produtos (em estado de equilíbrio) elevadas ao seu coeficiente na equação balanceada e o denominador consiste em uma multiplicação semelhante, mas entre os reagentes elevados ao coeficiente que os acompanha.
Deve-se notar que na equação de cálculo da constante de equilíbrio devem ser utilizadas as concentrações das espécies em equilíbrio, desde que não haja modificações nestas ou na temperatura do sistema..
Da mesma forma, o valor da constante de equilíbrio fornece informações sobre a direção que é favorecida em uma reação em equilíbrio, ou seja, revela se a reação é favorável aos reagentes ou aos produtos..
Se a magnitude desta constante for muito maior do que a unidade (K "1), o equilíbrio se deslocará para a direita e favorecerá os produtos; enquanto se a magnitude desta constante for muito menor do que a unidade (K" 1), o equilíbrio será será inclinado para a esquerda e irá favorecer os reagentes.
Além disso, embora por convenção seja indicado que as substâncias do lado esquerdo da seta são os reagentes e as do lado direito são os produtos, o fato de que os reagentes que vêm da reação em sentido direto tornam-se os produtos da reação ao contrário e vice-versa.
As reações freqüentemente alcançam um equilíbrio entre as quantidades das substâncias iniciais e aquelas dos produtos que são formados. Esse equilíbrio pode, adicionalmente, deslocar-se favorecendo o aumento ou diminuição de uma das substâncias que participam da reação..
Fato análogo ocorre na dissociação de uma substância dissolvida: durante uma reação, o desaparecimento das substâncias iniciais e a formação dos produtos podem ser observados experimentalmente com velocidade variável..
A taxa de uma reação é altamente dependente da temperatura e, em vários graus, da concentração dos reagentes. Na verdade, esses fatores são estudados especialmente pela cinética química.
No entanto, esse equilíbrio não é estático, mas advém da coexistência de uma reação direta e uma inversa..
Na reação direta (->) os produtos são formados, enquanto na reação inversa (<-) estos vuelven a originar las sustancias iniciales.
O exposto acima constitui o que é conhecido como equilíbrio dinâmico, mencionado acima..
Em sistemas heterogêneos -ou seja, naqueles formados por várias fases- as concentrações dos sólidos podem ser consideradas constantes, omitindo-se da expressão matemática de K.
Ladrão3(s) <=> CaO (s) + COdois(g)
Assim, no equilíbrio de decomposição do carbonato de cálcio, sua concentração e a do óxido resultante podem ser consideradas constantes independentemente de sua massa..
O valor numérico da constante de equilíbrio determina se uma reação favorece ou não a formação de produtos. Quando K for maior que 1, o sistema de equilíbrio terá uma concentração maior de produtos do que de reagentes, e se K for menor que 1 ocorre o contrário: em equilíbrio haverá uma concentração maior de reagentes do que de produtos..
A influência das variações na concentração, temperatura e pressão pode alterar a taxa de uma reação.
Por exemplo, se produtos gasosos são formados em uma reação, um aumento na pressão sobre o sistema faz com que a reação seja executada na direção oposta (em direção aos reagentes).
Em geral, as reações inorgânicas que ocorrem entre os íons são muito rápidas, enquanto as orgânicas têm velocidades muito menores..
Se o calor é produzido em uma reação, um aumento na temperatura externa tende a orientá-lo na direção oposta, uma vez que a reação reversa é endotérmica (absorve calor).
Da mesma forma, se um excesso for causado em uma das substâncias reagentes dentro de um sistema em equilíbrio, as outras substâncias formarão produtos para neutralizar tal modificação tanto quanto possível..
Como resultado, o equilíbrio se desloca favorecendo em uma direção ou outra, aumentando a velocidade de reação, de forma que o valor de K permaneça constante..
Todas essas influências externas e a resposta de equilíbrio para neutralizá-las é o que se conhece como princípio de Le Chatelier..
Apesar de sua enorme utilidade, quando esta lei foi proposta ela não teve o impacto ou relevância desejados na comunidade científica..
No entanto, a partir do século XX, ela foi ganhando notoriedade graças ao fato de os cientistas britânicos William Esson e Vernon Harcourt retomá-la várias décadas após sua promulgação..
A lei da ação em massa teve muitas aplicações ao longo do tempo, algumas das quais estão listadas abaixo:
-Ao estudar uma reação irreversível entre íons encontrados em solução, a expressão geral desta lei leva à formulação de Brönsted-Bjerrum, que estabelece a relação entre a força iônica das espécies e a constante de velocidade..
-Ao analisar as reações que se realizam em soluções ideais diluídas ou em estado de agregação gasosa, obtém-se a expressão geral da lei original (década de 80)..
-Por ter características universais, a expressão geral desta lei pode ser usada como parte da cinética em vez de vê-la como parte da termodinâmica.
-Quando usada em eletrônica, essa lei é usada para determinar que a multiplicação entre as densidades dos buracos e dos elétrons de uma determinada superfície tem magnitude constante no estado de equilíbrio, mesmo independentemente do doping que é fornecido ao material..
-O uso desta lei para descrever a dinâmica entre predadores e presas é amplamente conhecido, assumindo que a relação de predação na presa apresenta uma certa proporção com a relação entre predadores e presas..
-No campo dos estudos da saúde, esta lei pode até ser aplicada para descrever certos fatores do comportamento humano, do ponto de vista político e social..
Assumindo que D é a droga e R o receptor sobre o qual atua, ambos reagem para originar o complexo DR, que é responsável pelo efeito farmacológico:
K = [DR] / [D] [R]
K é a constante de dissociação. Há uma reação direta em que a droga atua no receptor e outra em que o complexo DR se dissocia nos compostos originais. Cada reação tem sua própria velocidade, igualando-se apenas no equilíbrio, satisfazendo K.
Interpretando a lei da massa ao pé da letra, quanto maior a concentração de D, maior a concentração do complexo DR formado..
No entanto, os receptores Rt totais têm um limite físico, portanto, não há uma quantidade ilimitada de R para todos os D. disponíveis. Da mesma forma, estudos experimentalmente na área de farmacologia encontraram as seguintes limitações para a lei de massa neste campo:
- Ele assume que a ligação R-D é reversível, quando na maioria dos casos realmente não é..
- A ligação R-D pode alterar estruturalmente qualquer um dos dois componentes (a droga ou o receptor), uma circunstância que não considera a lei de massa.
- Além disso, a lei da massa empalidece diante de reações em que múltiplos intermediários intervêm na formação do RD..
A lei da ação de massa pressupõe que toda reação química é de um tipo elementar; em outras palavras, que a molecularidade é a mesma que a respectiva ordem de reação para cada espécie envolvida.
Aqui, os coeficientes estequiométricos a, b, c e d são considerados como o número de moléculas envolvidas no mecanismo de reação. No entanto, em uma reação global, eles não coincidem necessariamente com sua ordem..
Por exemplo, para a reação aA + bB <=> cC + dD:
A expressão de velocidade para as reações diretas e inversas são:
k1= [A]para[B]b
kdois= [C]c[D]d
Isso só se aplica a reações elementares, pois para as globais, embora os coeficientes estequiométricos estejam corretos, nem sempre são as ordens de reação. No caso da reação direta, a última poderia ser:
k1= [A]C[B]z
Nesta expressão w e z seriam as verdadeiras ordens de reação para as espécies A e B.
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