Massevirkningsloven ble oppdaget i 1864 av to unge, norske forskere: Guldberg og Waage. Vi beskriver her noen forsøk som kan gjøres i skolen for å vise at alle kjemiske reaksjoner tar tid og kan komme i likevekt.
Tilknytning til læreplan (Fagfornyelsen, LK20)
Læreplan i kjemi (KJE01-02)
Kjerneelement
Praksiser og tenkemåter i kjemi (KE769)
Kjemiske reaksjoner (KE771)
Kompetansemål
Kjemi 2
planlegge og gjennomføre forsøk, drøfte metode og tiltak for å redusere risiko og vurdere usikkerhet og feilkilder i egne og andres forsøk (KM6221)
utforske likevekter og bruke massevirkningsloven til å gjøre beregninger og forklare observasjoner (KM6239)
Massevirkningsloven ble oppdaget i 1864 av to unge, norske forskere: Guldberg og Waage.
Publisert onsdag 14. mai 2014
Bjørn Pedersen
Brit Skaugrud
Skolelaboratoriet for kjemi ved UiO
Massevirkningsloven er den eneste naturloven som er oppdaget av nordmenn. Den er kjent over hele verden, og er alle norske kjemikeres stolthet. Den er med i alle lærebøkene i kjemi som brukes i Vg2 og Vg3.
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 i Christiania og bestyrer av Kjemisk laboratorium. Guldberg var lærer i anvendt matematikk ved Krigsskolen. Waage sto for kjemien og Guldberg for databehandlingen. Waage fylte 30 i 1864 og Guldberg 28, de var svogere og begge var småbarnsforeldre. Senere ble de professorer ved Universitetet i Christiania – det eneste universitetet i Norge den gang.
Bildet til venstre er av Guldberg og det høyre av Waage, tatt på den tiden de samarbeidet om massevirkningsloven.
Idéene de bygget på
Massevirkningsloven er en kvantitativ lov som gjør det mulig å regne på kjemiske likevekter. 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 også produktene C og D reagerer og gir A og B, hevdet Guldberg og Waage. At reaksjonen går begge veier, er 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 vil avta. Etter en tid vil konsentrasjonen av hvert enkelt av stoffene bli konstant. Da sier vi 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, hevdet Guldberg og Waage, selv ved likevekt reagerer A og B fortsatt og gir C og D, og C og D reagerer og gir A og B. Så likevekten er dynamisk! Det var det Guldberg og Waage påpekte i 1864. Det foregår reaksjoner mellom stoffene hele tiden, men ved likevekt er konsentrasjonen av hvert av stoffene konstant. Dette vil vi formidle til elevene:
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.
Cato Guldberg (t.v.) og Peter Waage ble godt kjent med hverandre som realfagsstudenter i 1854.
Foto: Kupferdruck H. Riffart / Wikimedia Commons
Utledning av massevirkningsloven
Massevirkningsloven slik den ble fremsatt av G&W 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 beregnede konsentrasjonene passet med de observerte konsentrasjonene, for tre kjemiske reaksjoner.
Først i 1879 utledet G&W loven fra en partikkelmodell. Slik utledet de loven: De antok at to partikler A og B først reagerer når de støter sammen. Da kan bindinger brytes, og partiklene 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.
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.
Massevirkningsloven i dag
I dag vet vi at massevirkningsloven følger fra av termodynamikkens lover. Farten på en kjemisk reaksjon er også mer komplisert enn antatt av G&W. Vi vet også at loven bare er tilnærmet riktig. Avvik fra massevirkningsloven blir større ved økende konsentrasjon, særlig i saltløsninger.
Flere opplysninger om G&W og massevirkningsloven er gitt i nettutgaven av Store norske leksikon (se snl.no ).
De to frimerkene vist i bildet til høyre ble utgitt til 100 års jubiléet i 1964. I frimerkene er det avbildet byster av G&W av Stinius Fredriksen fra 1950. Bystene står i dag ved Universitetet i Bergen (Guldberg til venstre og Waage til høyre).
Forsøket skal vise at karbondioksid i luft løses i vann og at det påvirker vannets surhetsgrad.
Bjørn Pedersen
Brit Skaugrud
Skolelaboratoriet for kjemi ved UiO
Hvor mye karbondioksid som løses og surhetsgraden på vannet, avhenger både av mengden karbondioksid i luften og av temperaturen på vannet. Forsøket skal gi en forståelse av hvorfor vi får en forsuring av havene når innholdet av karbondioksid i atmosfæren øker, og hvorfor dette problemet er størst ved polene. Likevekten vi skal studere er:
karbondioksid + vann ⇌ karbonsyre
Tøm 3 mL vann i en plastskål (skål 1) og 6 mL i en annen (skål 2). Tilsett 2 dråper BTB til skål 1 og 4 dråper til skål 2. Tilsett litt mer BTB hvis fargen ikke er tydelig, dobbelt så mye i skål 2 som i skål 1.
Skål 1 skal du la stå som kontroll.
Blås med sugerøret ned i skål 2 til du får en tydelig fargeforandring.
Du skal fjerne oppløst gass med «koking» ved lavt trykk ved hjelp av sprøyten. a) Sug opp 3 mL av løsningen i skål 2. b) Sett en finger foran åpningen og trekk stempelet ut så langt du kan uten å trekke det helt ut av sprøyten. Med fingeren foran åpningen og stempelet fremdeles uttrukket, rister du kraftig. Hold sprøyten med åpningen opp. Ta vekk fingeren fra åpningen så luft slipper inn. Skyv så all luft ut av sprøyten. c) Gjenta b) minst ti ganger.
Tøm innholdet i sprøyten i den tomme plastskålen (skål 3).
Beskriv fargene i de tre skålene og noter.
Vann med BTB og forskjellige mengder karbonsyre.
Spørsmål
a) Hvordan påvirkes likevekten: karbondioksid + vann ⇌ karbonsyre av mengden karbondioksid i luften som vannet er i kontakt med og av temperaturen på vannet? b) Hvordan påvirkes surhetsgraden i havene av mengden karbondioksid i atmosfæren? c) Hvorfor blir påvirkningen forskjellig i forskjellige havområder?
Faglig forklaring
Mengden karbondioksid (CO2) i luften øker langsomt pga forbrenning av kull, olje og naturgass (som alle inneholder karbonatomer (C)). Karbondioksid er en gass ved vanlig trykk og temperatur, og atmosfæren inneholder i dag 0,0400 %, dvs at fire av ti tusen molekyler i luften er karbondioksidmolekyler. Karbondioksid er nødvendig for alle grønne planter. Luft vi puster ut inneholder omtrent ti ganger så mye karbondioksid som atmosfæren. I alt vann som er i kontakt med luft, er det noe oppløst karbondioksid og en del av den oppløste gassen har reagert med vannet. Hvis vi blåser ned i vannet med et rør, øker vi mengden karbondioksid som er løst i vannet. Mer karbondioksid reagerer med vannet og gir karbonsyre, så likevekten forskyves til høyre. Karbonsyre gjør at vannet blir surere. Etter hvert som eleven blåser mer luft ned i vannet, vil mer karbondioksid løses i vannet, og mengden karbonsyre i vannet øker, til vi når likevekt.
Indikatoren (BTB) er tilsatt vannet for å måle surheten i vannet. Når mengden karbonsyre i vannet endres ved tilsetting av karbondioksidgass, endres fargen på løsningen, se figuren.
For alle gasser gjelder at det løses mer gass i kaldt vann enn i varmt vann. Karbondioksidgassen i løsningen kan derfor fjernes enten ved vanlig koking eller ved «koking» ved lavt trykk ved hjelp av en sprøyte. Da forskyves likevekten til venstre, fordi karbondioksidgassen drives ut av løsningen slik at konsentrasjonen av karbondioksid i løsningen blir mindre.
Kommentarer/praktiske tips
Forslag til videre undersøkelser
Gjennomfør forsøket over med forskjellige typer vann for eksempel springvann eller kjøpt mineralvann, med og uten karbondioksid.
Risikovurdering
Egenskaper ved stoffene: Ingen merkepliktige stoffer eller løsninger. Faremomenter ved gjennomføringen: Ingen Spesielle tiltak: Ingen Avfallshåndtering: Alle løsninger tømmes i vasken. Annet avfall sorteres og legges i rett avfallsbøtte eller kastes som restavfall.
Materialer og utstyr
til to elever:
3 plastskåler
10 mL sprøyte
2 sugerør
BTB-løsning
helt rent vann
NB! Til dette forsøket kan vi ikke bruke springvann eller kjøpt mineralvann da det kan være bufret. (Vannet fra Oslo vannverk skal ha pH mellom 6,5 og 9,5. Middelverdien i 2012 var 7,65.)
Hensikten med modellforsøket er å illustrere dynamisk likevekt.
Bjørn Pedersen
Brit Skaugrud
Skolelaboratoriet for kjemi ved UiO
Med de metodene som er tilgjengelige i skolen (og var tilgjengelig for Guldberg og Waage) er det ikke mulig å måle direkte at en kjemisk likevekt er dynamisk, dvs at utgangsstoffene stadig reagerer og gir produktene samtidig som produktene reagerer og gir utgangsstoffene. I stedet må vi bruke metoder som kan måle levetiden på de molekylene som deltar i reaksjonen.
Fyll den ene boksen ¾ full med (farget) vann og sett et merke på boksen, så høyt som vannet står. Sett den andre boksen, som skal være tom, ved siden av. Hold måleskjeene i hver sin hånd og øs med en måleskje fra hver boks samtidig, og tøm over i den andre. NB! Det er viktig å øse på samme måten hele tiden, selv om det ikke er noe å øse fra eller om måleskjeene ikke blir helt fulle.
Fortsett å øse til vannivået i de to boksene ikke lenger endrer seg. Uansett hvor lenge øsingen fortsetter, vil ikke vannivået i boksene endre seg. Likevekt er nådd.
Størrelsen på måleskjeene illustrerer reaksjonsfarten. Mengden vann i boksene er et bilde på konsentrasjonen av utgangsstoffer og produkter. «Forsøksbetingelsene» kan endres ved å endre mengden vann i starten og størrelsen på måleskjeene. Før øsingen starter, kan du gjette vannivåene ved likevekt i de to boksene (hypoteseformulering). Lag en plan for undersøkelsene du vil gjøre, gjennomfør planen og noter resultatene.
Materialer og utstyr
til to elever:
2 gjennomsiktige plastbokser (1 liter)
2 ulike måleskjeer, 1 ts og 1 ss (eller 1 ss og 1 dL)
Forsøket skal vise hvordan kjemiske likevekter kan påvirkes ved å tilsette mer eller fjerne noe av de stoffene som inngår i likevektsreaksjonen.
Bjørn Pedersen
Brit Skaugrud
Skolelaboratoriet for kjemi ved UiO
Ta ca. 1 mL kobbersulfatløsning i røret.
Tilsett ammoniakkløsning dråpevis til det dannes et lyseblått bunnfall.
Tilsett mer ammoniakkløsning dråpevis, til bunnfallet løses og det dannes en mørkeblå løsning.
Likevekten kan skyves tilbake ved å tilsette saltsyre (dråpevis) som nøytraliserer basen ammoniakk, og ammoniakken fjernes ved at den damper av. Først dannes det lyseblå bunnfallet, så løses bunnfallet, og løsningen blir igjen lys blå. Dette kan gjentas flere ganger.
Røret til venstre inneholder lyseblå løsning av kobber(II)ioner. Røret i midten inneholder lyseblått bunnfall av kobber(II)hydroksid. Røret til høyre inneholder mørkeblå løsning av kobber(II)tetraaminkompleks.
Spørsmål
a) Hvilke ioner finnes i ammoniakkløsningen? b) Hvilke ioner finnes i kobbersulfatløsning? c) Hvilke ioner finnes i saltsyren? d) Forklar hvordan du ved å forskyve likevektene kan få rør med innhold som er vist i figur 2 og hvordan du kan «gå fram og tilbake».
Faglig forklaring
De tre likevektene vi ser på i forsøket er (se bildet): 1. NH3(aq) + H2O(l) ⇌ NH4+(aq) + OH–(aq) løsningen er fargeløs
Egenskaper ved stoffene: Ammoniakkløsning og saltsyre: Ingen faremerking. Løsninger med kobberioner: Giftig med langtidsvirkning for liv i vann. Unngå utslipp til miljøet. Faremomenter ved gjennomføringen: Ingen. Spesielle tiltak: Ingen Avfallshåndtering: Løsninger med kobberioner samles inn (kan brukes i andre forsøk). Andre løsninger tømmes i vasken. Annet avfall skylles og kastes som plastavfall eller håndteres som restavfall.
