Kimyasal Tepkimelerde Hız
Tepkime Hızı
Bir kimyasal tepkimede birim zamanda tepkimeye girenlerin derişimindeki azalma veya ürünlerin derişimindeki artmanın ölçüsüne tepkime hızı denir.
Her tepkimenin hızı değişkendir. Bazı tepkimelerin hızı saniyelerle ifade edilirken bazıları da yıllarla ifade edilebilir. Örneğin, demirin paslanması yavaş, alkolün ve odunun yanması ise hızlı bir tepkimedir. Reaksiyon hızını şimdi bir örnekle açıklayalım.
2X + Y → 2Z tepkimesinin hızı, X ve Y'nin birim zamanda derişimlerindeki azalma veya Z'nin derişimindeki artmaya bağlıdır. Reaksiyon hızı özetle, madde miktarındaki değişimin zamana bölünmesiyle elde edilir.
Maddelerin tükenme veya oluşma hızı denklemdeki katsayılarla orantılıdır. Yani Vx = 2Vy = 2Vz olur.
Tepkimeye giren ve çıkan maddeler gaz halinde iseler hızları; kısmi basınçlardaki değişmeye bağlı olarak da ifade edilebilir.
Tepkime Hızını Belirleme Yöntemleri
Tepkimelerin hızları, tepkimeye giren ve çıkan maddelerin ölçülebilir veya gözlemlenebilir özelliklerinden yararlanılarak belirlenebilir.
Buna göre; tepkime hızları tepkimeye girenlerle ürünlerin renkleri birbirinden farklı ise renk değişimi, gaz fazında kapalı kapta gerçekleşsen tepkimelerde ise mol sayılarından yararlanılarak basınç veya hacim değişimi, suda çözündüğünde iyonlarına ayrışabilen bileşiklerin çözünme hızlarını elektrik iletkenliği yardımı ile belirlenir.
Tepkimelerin Oluşum Şartı ve Çarpışma Teorisi
Bir tepkimenin oluşabilmesi için tepkimeye giren taneciklerin uygun şekilde çarpışması veya çarpışan taneciklerin tepkimenin enerji engelini aşması gerekir. Tepkimenin enerji engelini aşamayan taneciklerden ürün elde edilmez.
Aktifleşme (Eşik) Enerjisi
Bir tepkimenin oluşması sırasında asılması gereken enerji engeline denir. Aktifleşme enerjisi büyük olan tepkimelerin hızı yavaştır.
Aktifleşmiş Kompleks
Tepkimeye giren taneciklerin enerjilerinin maksimum olduğu kararsız duruma denir. Örneğin;
X2 + Y2 → 2XY tepkimesinin oluşumu şöyle açıklanabilir. X2 ve Y2 moleküllerinin çarpışmaları sonucu moleküller arasındaki bağlar kopar ve bu moleküller X ve Y şeklinde kararsız bir duruma gelirler. Bu kararsız duruma aktifleşmiş kompleks denir. Daha sonra kararsız haldeki X ve Y kendi aralarında bağ oluşturarak XY molekülünü meydana getirirler.
Aktifleşmiş kompleks durumuna geçmiş olan tanecikler şartlara göre, bazen tepkimeye girenlere bazen de ürünlere dönüşebilir. Genel olarak tepkimelerin başlaması için dışarıdan bir miktar enerji gerekir. Tepkimenin başlayabilmesi için alınması gereken enerjiye ileri aktifleşme enerji denir. Aynı tepkimenin tersine olabilmesi için gerekli olan enerjiye de geri aktifleşme enerjisi denir.
Bir tepkimenin tepkime ısısı, ileri ve geri aktifleşme enerjileri arasındaki farka eşittir. Yani ΔH = Eai - Eag
Tepkime Hızını Etkileyen Faktörler
1. Tepkimeye giren maddelerin cinsi
Bir kimyasal tepkimede kopan ve oluşan bağ sayısı ne kadar fazla ise tepkime o kadar yavaş olur. Zıt yüklü iyonlar içeren tepkimeler ise hızlı olur.
2. Tepkimeye giren maddelerin derişimi ve basıncı
Bir kimyasal tepkimede tepkimeye girenlerin sayısı arttıkça taneciklerin birbiriyle çarpışma sayısı artacağından hızı da artar. Buna göre tepkimeye girenler çözelti ise derişimlerini, gaz ise basınçlarını arttırmak veya hacimlerini azaltmak tepkime hızını arttırır.
X(g) + 2Y(g) → 2Z(g) tepkimesinin derişimler cinsinden hız bağıntısını şöyle olur: V =k.[X].[Y]2
Bu bağıntıda V tepkime hızı, k hız sabiti, [X] ve [Y] ise X ve Y'nin derişimleridir. Y'nin derişimin kareli şekliyle bağıntıya yazılmasının nedeni katsayısının 2 olmasıdır.
Hız bağıntısını derişimler cinsinden değil de kısmi basınçlar cinsinden de aynı formda yazabiliriz. Ancak bu durumda k sabiti ilk durumdaki ile aynı olmayacaktır.
3. Temas yüzeyi
Bir kimyasal tepkimeye; tepkimeye giren maddeler aynı fiziksel haldeyseler homojen, farklı iseler heterojen tepkime denir. Heterojen tepkimelerde temas yüzeyi arttıkça tepkime hızı artar.
4. Sıcaklık
Sıcaklık artışı, tepkimeye giren maddelerin kinetik enerjisini arttırdığından taneciklerin çarpışma sayısı ve tepkime hızını arttırır. Sıcaklık aynı zamanda hız sabitini de değiştir.
5. Katalizör
Tepkimeye giren ve tepkime sonunda değişmeden çıkan, ancak tepkimenin hızını etkileyen kimyasal maddelere katalizör denir. Tepkime hızını arttıran katalizörlere pozitif, azaltanlara ise negatif katalizör denir. Katalizörler toplu tepkimede ok üzerinde gösterilir ya da hiç gösterilmez.
Her tepkimenin özel bir katalizörü vardır. Katalizörler tepkimenin başlaması için gerekli değildir. Ancak başlamış bir tepkimenin hızını arttırabilirler. Katalizörle birlikte hız sabiti ve tepkime mekanizması da değişir. Katalizör ileri ve geri tepkimelerin hızlarını eşit oranda arttırdığından tepkime ısısını etkilemez.
Tepkime Mekanizması
Bir tepkimenin birden fazla basamaklar halinde gösterilmesine tepkime mekanizması denir. Mekanizmalı tepkimeler birkaç basamak içerdiğinden hız bağıntısı en yavaş basamağa göre yazılır. Çünkü diğer basamaklar tamamlansa bile en yavaş basamak beklenmek zorundadır. Dolayısıyla yavaş basamakta bulunmayan maddeler ile ilgili değişimler tepkime hızına doğrudan etki etmez.