Kimyasal Denge

Kimya içerisindeki en önemli konulardan biri kimyasal denge konusudur. Kimyasal denge tepkimelerin çift yönlü statik bir hal almasında ortaya çıkar.

Kimyasal Denge ve Dengeyi Belirleyen Faktörler

Bir kimyasal denge birçok olaydan etkilenir. Dengeyi belirleyen ve etkileyen olaylar anlaşıldığında kimyasal denge konusu daha iyi anlaşılmış olur.

Bir tepkimenin denge tepkimesi olarak işlem gör­mesi için tersinir tepkime olması gerekir.

A_(g) + B_(g) ⇔ C_(g) + D_(g)

Bu yazılış şekli bir tersinir tepkimeyi ifade etmek­tedir. A ile B birleşerek C ve D maddelerini oluşturdu­ğu andan itibaren C ile D birleşerek A ve B maddele­rini oluşturur. Başlangıçta A ile B’nin birleşerek C ve D maddelerini oluşturma hızı yüksek, C ile D’nin birleşe­rek A ve B maddelerini oluşturma hızı ise düşüktür. Zamanla ileri yöndeki tepkimenin hızı azalırken, geri yöndeki tepkimenin hızı artar. Belli bir süre sonra iki yöndeki tepkime hızları eşit olur.

Bu tepkimelerde hem tepkimeye girenler hem de ürünler, ölçülecek oranda mevcut olurlar. Bu tepkime dengeye varınca, ortamda her dört maddeden belli miktarda bulunur. Sıcaklık aynı olmak koşuluyla bu dört madde hangi oranda karıştırılırsa karıştırılsın tepkime sonunda her maddeden belli oranda içeren bir sistem elde edilir.

Bir fiziksel veya kimyasal olayın dengeye ulaşa­bilmesi için:

a) Sistem kapalı olmalıdır.

Sisteme maddelerin giriş ve çıkışının olmaması gerekir. Bir sistemde giren veya çıkan gaz maddeler varsa, sistem açık olduğu takdirde tepkime tek yönlü devam eder ve tersinir olmadığı için denge oluşmaz.

X_(k) + 2H⁺_(aq) → X⁺²_(aq) + H_2(g)

tepkimesi açık bir kapta gerçekleşiyorsa oluşan H₂ gazı ortamı terk eder. Tepkime tersinir olmadığı için dengeye ulaşamaz.

b) Sistemin sıcaklığı sabit olmalıdır.

Sistemin sıcaklığının değişmesi halinde tepkime tek yönlü olarak devam eder. Tersinir olmadığı için denge oluşmaz.

Genellikle, mutlak değer olarak çok büyük ΔH de­ğerlerine sahip tepkimeler normal koşullarda, tek yön­lüdür. Tersinmez tepkimelerdir. Bu tepkimelerde den­ge oluşmaz.

Enerji alış verişi küçük olan tepkimeler ise normal koşullarda, tersinir tepkimelerdir. Bu tepkimelerde denge oluşur. Bunun için sistemin sıcaklığının sabit tutulması gerekir.

Bir olayda denge;

1. Minimum enerji ile maksimum düzensizlik ara­sındaki uzlaşmadır. Bir olayda minimum enerjili olma eğilimi olayı bir yöne çekerken, maksimum düzensiz­lik eğilimi ise olayı diğer tarafa çeker. Bu iki eğilim, sistemi kendi lehine değiştirmek ister.

Minimum enerjili olma eğilimi; sistemin daha düşük enerjili hale geçme, enerjisini cebirsel anlamda düşürme eğilimdedir. Tepkimeyi sağa (ürünler tarafı­na) çeker.

Maksimum düzensizliğe doğru eğilim ise, siste­min düzenli halden daha düzensiz hale kendiliğinden geçme eğilimi göstermesidir. Bu tepkimede maksi­mum düzensizlik eğilimi tepkimeyi sola (girenler tara­fına) çeker.

Maksimum düzensizlik eğilimi olayı sola çeker. Minimum enerjili olma eğilimi ise olayı sağa çeker.

Minimum enerjili olma eğilimi tepkimeyi sola çeker. Maksimum düzensiz olma eğilimi tepkimeyi sa­ğa çeker.

Bir tepkimenin dengeye ulaşması için minimum enerjili olma eğilimi ile maksimum düzensiz olma eği­limi arasında uzlaşma olmalıdır.

2. Gözlenebilir olayların durduğu fakat mikrosko­bik olayların halen devam ettiği dinamik bir olaydır. Sıvı - buhar dengesinde bir yanda gaz fazındaki mo­leküller sıvı faza geçerken diğer yandan sıvı fazında­ki moleküller gaz faza geçer. Ancak bu değişim makro düzeyde gözlenemez. Sıvının hacmi ve gaz fazının yoğunluğu değişmez. Bundan da anlaşıldığı gibi göz­lenebilen olayların bittiği gözlenemeyen (mikro) olay­ların devam ettiği dinamik bir olaydır.

3. İleri tepkime hızının geri tepkime hızına eşit ol­masıdır. Bu madde daha sonraki bölümde açıklana­caktır.

Dengenin Sınıflandırılması

Fiziksel Denge

Maddenin fiziksel hallerinin değişimleri sırasında, maddelerin halleri arasındaki dengeye denir.

Kapalı bir kapta ve sabit sıcaklıkta bulunan bir sı­vının buhar hali ile sıvı hali arasında denge oluşur. Bu sıvının su olduğu düşünülürse, 1. ve 2. yöndeki hızlar eşit olur.

Belli bir zamanda buharlaşan sıvı molekül sayısı ile aynı zamanda yoğunlaşan gaz (buhar) molekül sa­yısı eşit olur.

Sabit sıcaklıkta kapalı bir kapta bulunan buz ile su arasında denge oluşur. Katı fazdan sıvı faza geçen molekül sayısı ile sıvı fazdan katı faza geçen molekül sayısı eşit olur.

1. ve 2. yöndeki hızları eşit olur.

Suda az çözünen bir katının doymuş ve dibinde katısı bulunan çözeltisinde katı faz ile çözelti arasın­da denge oluşur. AgCI suda az çözünen bir tuzdur.

Kimyasal Denge

Denge; maddelerin kimyasal etkileşimleri sonu­cunda oluşuyorsa bu kimyasal dengedir. Kimyasal dengenin oluşabilmesi için tepkimenin tersinir olması gerekir.

H_2(g) + I_2(g) ⇔2HI_(g) tepkimesinde oluşacak bir denge, kimyasal dengedir. Kimyasal denge ikiye ayrılır.

Homojen Denge

Bir kimyasal denge tepkimesinde tepkimeye girenlerle tepkimeden çıkanlar aynı fiziksel fazda bulunuyorsa, böyle dengelere homojen denge denir.

Heterojen Denge

İki veya daha çok fazlı dengelere, heterojen den­ge denir.

Kimyasal Denge Bağıntısı ve Denge Sabiti

aA_(g) + bB_(g) ⇔ cC_(g) + dD_(g)

tepkimesinde ilk başta 1 yönündeki tepkimenin hızı maksimum 2 yönündeki tepkimenin hızı minimumdur. Zaman içerisinde 1 yönündeki hız azalırken 2 yönün­deki hız artar ve belli bir yerde eşitlenirler.

Bu aşamada sistemin gözlenebilir özellikleri olan renk, basınç, iletkenlik, hacim vb. sabit kalır değiş­mez. Bu özelliklerin değişmemesi tepkimenin denge­de olduğunu belirtir. Bunun doğru olabilmesi için sis­temin kapalı, sıcaklığın sabit olması gerekir.

Tepkime t anında dengeye ulaşmıştır. Bu aşama­dan sonra tepkimedeki maddelerin derişimleri değiş­mez. İleri ve geri tepkime hızları eşit olur.

ϑ₁ = TH₁ = k₁[A]^a[B]^b

ϑ₂ = TH₂ = k₂[C]^c[D]^d

Tepkimelerin denge anınad hızları eşit olur. Yani TH₁ = TH₂ olur.

k₁[A]^a[B]^b = k₂[C]^c[D]^d

Bu denklikten yeni bir denge bağıntısı elde edilebilir. Derişimlere bağlı denge sabitine K_c dersek.

Kc = k₁/k₂ = [C]^c[D] ^d/ [A]^a[B]^b

Yukarıda yazılan bağıntı, tepkimenin denge sabi­ti bağıntısı ve K_c ise tepkimenin denge sabitidir.

Denge bağıntısı yazılırken saf katı ve sıvıla­rın derişimleri sabit olduğundan denge bağıntısında gösterilmezler. Denge bağıntısına gazlar ve çözeltiler yazılır.

Her tepkimenin sıcaklığa bağlı bir denge sa­biti vardır.

Deneyler, her tepkimenin denge derişimleri ara­sında o tepkimeye özgü bir bağıntı olduğunu göster­miştir. Her tepkime için tipik olan denge sabiti ise sı­caklık değiştikçe değişen bir orandır.

K_c = [Ürünler] / [Girenler]

Denge sabiti; ürünlerin derişimleri çarpımı­nın (katsayılar üs olarak kullanılacak) girenlerin deri­şimleri çarpımına (katsayılar üs olarak kullanılacak) bölümü ile bulunur.

Gaz tepkimeleri için denge sabitleri hem molar derişimler hem de kısmi basınçlar kullanılarak ya­zılabilir.

İdeal gaz denklemi (P.v = n.R.T) kullanıldığında kısmi basınçlar cinsinden denge sabiti ile derişimler cinsinden denge sabiti arasındaki bağıntı buluanbilir.

K_p = K_c.(RT)^Δn şeklinde olur.

Burada Δn ürünler ile girenlerin mol sayısı farkıdır. Ürünler ve girenlerin mol sayısı eşitse Δn 0 olur. Bu durumda formülden de anlaşıldığı gibi K_p = K_c olur.

Mekanizmalı tepkimelerde denge bağıntısı toplam tepkimeye göre yazılır. Buna göre;

K_c büyük ise ileri tepkimenin hız sabiti, geri tepkimenin hız sabitinden büyüktür. Denge ürünler le­hinedir.

Endotermik tepkimelerde sıcaklık arttığında den­ge sabitinin sayısal değeri büyür.

Ekzotermik tepkimelerde sıcaklık artırıldığında denge sabitinin sayısal değeri küçülür.

Derişim değiştirme, basınç değiştirme ve ka­talizör kullanma denge sabitlerini değiştirmez. Denge sabitleri sadece sıcaklıkla değişir.

1. Derişim Türünden Denge Sabiti

Bir tepkimede ürünlerin ve girenlerin derişimleri verilirse, denge bağıntısından denge sabiti hesapla­nabilir. Denge sabitinin belli bir birimi yoktur. Denge­deki maddelerin katsayılarının durumuna göre deği­şik birimlerde gerçekleşebilir.

Azalma ve artma; tek basamak olarak “değişim” adı altında kullanılabilir.

2. Basınç Türünden Denge

Gazlar arasında yürüyen tepkimelerde, gazların dengedeki kısmi basınçları verilirse denge bağıntısın­dan K_p hesaplanabilir. Dengedeki maddelerin mol sa­yıları ve toplam basıncın bilinmesi halinde kısmi ba­sınç bağıntısı kullanılarak maddelerin kısmi basınçları da hesaplanabilir.

3. Bir Tepkimenin Denge Durumu

Herhangi bir anda, kapalı bir sistemde bir tepki­menin dengede olup olmadığını veya hangi yönde ilerlediğini denge kesri kavramı ile açıklayabiliriz.