Massevirkningsloven

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).