Номер 14, страница 143 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 4. Закономерности протекания химических реакций и физико-химических процессов. Параграф 20. Скорость химических реакций - номер 14, страница 143.

Условие.

14. Подготовьте сообщение на тему «История открытия закона действующих масс».

Решение.

Решение 2.

Ранние представления и предпосылки

Изучение химических реакций и факторов, влияющих на их протекание, началось задолго до точной формулировки закона действующих масс. Одним из первых, кто высказал идею о влиянии количества вещества на направление реакции, был французский химик Клод Луи Бертолле. В своём труде «Опыт химической статики» (1803 г.) он, основываясь на наблюдениях за образованием соды на берегах солёных озёр в Египте, пришёл к выводу, что химическое сродство не является абсолютной, неизменной силой. Бертолле утверждал, что направление реакции и состав продуктов в состоянии равновесия зависят от «химических масс» (то есть концентраций) реагентов. Эти идеи носили качественный характер и были революционными для своего времени, но долгое время не получали широкого признания.

Первый важный шаг к количественному описанию скорости реакции был сделан немецким физиком Людвигом Вильгельми в 1850 году. Изучая инверсию тростникового сахара в кислой среде, он экспериментально установил, что скорость этого процесса в каждый момент времени прямо пропорциональна концентрации ещё не прореагировавшего сахара. Это было первое в истории химии математическое выражение для скорости химической реакции, ставшее предтечей закона действующих масс.

Формулировка закона Гульдбергом и Воге

Основной вклад в открытие и строгую формулировку закона внесли норвежские учёные — математик Като Максимилиан Гульдберг и химик Петер Воге. В серии работ, опубликованных в период с 1864 по 1867 год, они представили свои выводы, основанные на многочисленных экспериментах с обратимыми реакциями.

Ключевой идеей Гульдберга и Воге было представление о химическом равновесии как о динамическом состоянии, при котором скорости прямой и обратной реакций становятся равными. Они ввели понятие «действующей массы», которую для разбавленных растворов и газов отождествляли с молярной концентрацией. Для общей обратимой реакции вида:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

они предположили, что скорость прямой реакции ($v_1$) пропорциональна произведению действующих масс исходных веществ, возведённых в степени, равные их стехиометрическим коэффициентам:

$v_1 = k_1 \cdot [A]^a \cdot [B]^b$

Аналогично, скорость обратной реакции ($v_2$) зависит от действующих масс продуктов:

$v_2 = k_2 \cdot [C]^c \cdot [D]^d$

В состоянии равновесия скорости уравниваются ($v_1 = v_2$), что приводит к соотношению:

$k_1 \cdot [A]^a \cdot [B]^b = k_2 \cdot [C]^c \cdot [D]^d$

Из этого уравнения Гульдберг и Воге вывели выражение для константы химического равновесия ($K_c$), которая является постоянной величиной для данной реакции при постоянной температуре:

$K_c = \frac{k_1}{k_2} = \frac{[C]^c \cdot [D]^d}{[A]^a \cdot [B]^b}$

Это и есть математическая формулировка закона действующих масс. К сожалению, их первые работы были опубликованы на норвежском языке, из-за чего долгое время оставались неизвестными широкому научному сообществу.

Дальнейшее развитие и признание

Всеобщее признание к закону действующих масс пришло после работ голландского химика Якоба Хендрика Вант-Гоффа. В 1877 году, не зная о работах норвежских учёных, он независимо от них пришёл к аналогичным выводам. В своей знаменитой книге «Очерки по химической динамике» (1884 г.) Вант-Гофф не только сформулировал закон для скоростей реакций, но и, что более важно, дал ему строгое термодинамическое обоснование, связав константу равновесия с изменением свободной энергии реакции. Это придало закону фундаментальный характер и способствовало его быстрому принятию в науке.

Позднее, в начале XX века, американский физико-химик Гилберт Ньютон Льюис внёс важное уточнение. Он показал, что в реальных (неидеальных) растворах и газовых смесях, где взаимодействия между частицами существенны, вместо концентраций следует использовать термодинамическую величину, названную им «активностью». Это позволило применять закон действующих масс к гораздо более широкому кругу реальных систем.

Заключение

Таким образом, история открытия закона действующих масс — это пример того, как научная идея проходит путь от качественных наблюдений (Бертолле) через первые количественные закономерности (Вильгельми) к строгой математической и теоретической формулировке (Гульдберг, Воге, Вант-Гофф) и последующему уточнению (Льюис). Сегодня закон действующих масс является одним из краеугольных камней физической химии, лежащим в основе современной химической кинетики и теории химического равновесия.

Ответ: История открытия закона действующих масс включает несколько ключевых этапов: ранние качественные идеи К. Л. Бертолле о влиянии «химических масс» на равновесие (1803 г.), первое количественное исследование скорости реакции Л. Вильгельми (1850 г.). Окончательная кинетическая формулировка была дана норвежскими учёными К. Гульдбергом и П. Воге в 1864-1867 гг., которые постулировали, что скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагентов и вывели выражение для константы равновесия. Позднее Я. Г. Вант-Гофф дал закону термодинамическое обоснование, а Г. Н. Льюис уточнил его, введя понятие активности для неидеальных систем.