Kimyasal Tepkimelerde Denge
Kapalı kaplarda gerçekleşen bazı tepkimelerde tepkimeye girenlerin (reaktiflerin) tamamı ürünlere dönüşmez. Kimyasal tepkimelerde birim zamanda tepkimeye girenlerin ürünlere, ürünlerin de girenlere dönüşüm hızlarının eşit olduğu duruma kimyasal denge denir.
Bir kimyasal tepkimede, tepkimeye girenlerin tamamı ürünlere dönüşüyorsa bu tür tepkimeler tek yönlüdür ve denge oluşmaz. X + Y → Z + T şeklimdeki tepkimelerde tepkime tek yönlü gerçekleştiği için denge oluşmaz.
X + Y ⇔ Z şeklindeki tepkimelerde ise X ve Y maddelerinden, önce Z oluşur. Ancak daha sonra oluşan Z maddesi tekrar oluştuğu X ve Y maddelerine ayrışmaya başlar. Zamanla bu ayrışmanın hızı da artar çünkü ortamda fazla miktarda Z maddesi birikmiştir. Öyle bir an gelir ki ileri yönde olan tepkimenin hızı ile geri yönde olan tepkimenin hızı eşit olur. İşte bu an kimyasal dengenin sağlandığı andır. Artık derişimler değişmeyecektir. Çünkü tepkimeler her iki tarafa da aynı hızda gerçekleşecektir.
Denge anında sıcaklık sabittir. İleri ve geri yöndeki tepkimelerin hızları birbirine eşittir. Gözlenebilir değişimler artık durmuştur. Gözlemlenemeyecek derecede küçük değişimler çift taraflı gerçekleşir. Ürünlerin ve girenlerin derişimi sabitlenmiştir.
Denge Sabiti K
Dengeye ulaşmış bir kimyasal tepkimede ürünlerin derişimi veya kısmi basınçların çarpımı, girenlerin derişimi veya kısmi basınçlarının çarpımına oranı sabittir. Bu sabite denge sabiti denir. Denge sabiti derişimler cinsinden yazılmışsa Kd, kısmi basınçlar cinsinden yazılmışsa Kp olarak ifade edilir.
xA(g) + yB(g) ⇔ zC(g) tepkimesi için denge sabitini ifade edelim.
Kd = [C]z / [A]x.[B]y
[C] sembolü C'nin derişi demektir.
Kısmi basınçlar cinsinden denge sabiti Kp de aynı mantıkla ifade edilir. Ürünlerin kısmi basınçlarının çarpımının girenlerinkine bölünmesi şeklindedir.
Kd ile Kp arasında bir bağıntı kurabilir. Bu bağıntı sayesinde birinden ötekisine geçiş yapılabilir.
Kp = Kd.(R.T)Δn
Burada R dediğimiz 0,082 olan gaz sabiti, T kelvin cinsinden mutlak sıcaklık, Δn ise mol farkıdır. Mol farkını bulurken ürünlerin mol farkından girenlerin mol sayısı çıkarılır.
Not: Sıvı ve katıların denge derişimleri tepkime süresince değişmediğinden denge bağıntısına alınmazlar. Denge bağıntısına gazlar ve çözelti halindeki iyonlar alınır.
Dengeyi Etkileyen Faktörler
La Chatalier ilkesine göre denge halindeki bir tepkimeye dışarıdan etki yapılarak dengesi bozulacak olursa, tepkime denge tekrar dengeye girebilmek için etkiye karşı tepki gösterir. Dengeyi etkileyen faktörler derişim, hacim, basınç ve katalizördür.
Derişim
Dengedeki tepkimede, tepkimeye girenlerin derişimi arttırıldığında denge ürünlere, ürünlerin derişimi arttırıldığında denge girenlere doğru kayar. Bunu basitçe şöyle düşünebilirsiniz. Aynı sıcaklık altında belli bir Kd sabiti değerine sahip olduğumuzdan, tepkime derişimin azaldığı yöne ilerleyerek tekrar aynı sabiti elde edeceğimiz şekline gelir.
Basınç ve Hacim
Dengedeki tepkimelerde basınç artışı veya hacim azalması, dengeyi mol sayısı düşük olan tarafa kaydırır. Tersi durumda ise diğer tarafa kaydırır. Denge bağıntısına alınan maddelerin mol sayıları birbirine eşitse basınç ve hacim değişimleri dengeye ve denge sabitine etki etmez. Basıncın artışı ile hacmin azalışı aynı ilke ile çalışır.
Sıcaklık
Sıcaklık artışı endotermik tepkimelerde dengeyi ürünlere doğru, ekzotermik tepkimelerde ise dengeyi girenlere doğru kaydırır. Sıcaklığın dışındaki faktörler denge sabitine etki etmezken sıcaklık denge sabitini değiştirir. Sıcaklık artışı endotermik tepkimelerde denge sabitini arttırır. Ekzotermik tepkimelerde ise azaltır.
Katalizör
Katalizör ileri ve geri tepkimenin hızlarını eşit oranda arttırdığından dengeyi ve denge sabitini etkilemez. Ancak katalizör sayesinde tepkime daha kısa sürede dengeye ulaşır.