Kimyasal Tepkimelerde Hız

Kimyasal tepkimelerin gerçekleşmesi için iki temel şart vardır: uygun geometri ve yeterli kinetik enerji. Bu iki koşul sağlandığında, ürün oluşumuyla sonuçlanan etkin çarpışmalar meydana gelir.

Çarpışma teorisinde tanecikler birbirleriyle çarpışır ancak her çarpışma ürün oluşturmazz. Ürün oluşturan çarpışmalara etkin çarpışma denir. Çarpışma sırasında oluşan aktifleşmiş kompleks çok yüksek enerjili, kararsız bir ara haldir ve ara ürün değildir.

Tepkime grafikleri, tepkimelerin enerji değişimlerini gösterir. Endotermik tepkimelerde ürünlerin enerjisi girenlerin enerjisinden yüksektir (ΔH pozitiftir). Ekzotermik tepkimelerde ise ürünlerin enerjisi girenlerin enerjisinden düşüktür (ΔH negatiftir). Her iki tepkimede de aktivasyon enerjisi (Ea) aşılmalıdır.

💡 Bir tepkime ters çevrildiğinde, ileri aktivasyon enerjisi (Eai) ile geri aktivasyon enerjisi (Eag) yer değiştirir. Bu bilgi tepkimelerin termodinamiğini anlamak için çok önemlidir!

Gazlardaki tepkime hızları sabit hacimde basınç değişimi veya sabit basınçta hacim değişimi ile ölçülebilir. Mesela, N₂ + 3H₂ → 2NH₃ tepkimesinde gaz miktarındaki değişim tepkime hızını doğrudan etkiler.

Tepkime Hızlarının Hesaplanması

Kimyasal tepkimelerde hız, madde miktarındaki değişimin zamana bölünmesiyle hesaplanır. Tepkime hızı hesaplamaları yaparken, dengede olmayan bir sistemde maddelerin derişimlerindeki değişim hızlarının katsayılarına oranlanmış değerleri eşittir.

Örneğin, P₂ + 3H₂ ⇌ 2PH₃ tepkimesinde, hız bağıntısı şöyle yazılır:

(1/1)(−d[P₂]/dt) = (1/3)(−d[H₂]/dt) = (1/2)(d[PH₃]/dt)

Tepkime hızları ölçülürken farklı yöntemler kullanılır. Renk değişimi ölçümü, tepkime sırasında renk değiştiren ürünlerin oluşması durumunda kullanılır. Örneğin, Cu + 2Ag⁺ → Cu²⁺ + 2Ag tepkimesinde, renksiz ortam mavi renge dönüşür. İletkenlik değişimi ise çözeltide iyon konsantrasyonunun değişmesiyle ölçülür.

Tepkime hızı hesaplamalarında, başlangıç ve son durumlardaki madde miktarları kullanılarak ortalama hız bulunabilir. Örneğin, C₃H₆ + 2O₂ → 3CO₂ + 3H₂O tepkimesinde 2. saniyede 0,4 mol C₃H₆ varken, 4. saniyede 0,2 mol kaldığında, C₃H₆'nin harcanma hızı (0,4 - 0,2)/2 = 0,1 mol/s olarak hesaplanır.

⚠️ Tepkime hızı hesaplarken tepkime denklemindeki katsayıları dikkate almayı unutmayın! Katsayılar, tepkimeye giren ve çıkan maddelerin mol oranlarını gösterir ve hız hesaplamalarında bu oranlar korunmalıdır.

Tepkime Hızına Etki Eden Faktörler

Tepkime hızını etkileyen faktörler derişim, sıcaklık, katalizör, basınç/hacim, tepkime cinsi ve temas yüzeyidir. Bu faktörlerin her biri tepkimenin gerçekleşme hızını önemli ölçüde değiştirebilir.

Derişim etkisinde önemli nokta, saf katı ve sıvıların derişimlerinin tepkime hızını etkilememesidir. Sadece gazlar ve sıvı çözeltilerin derişimleri tepkime hızını etkiler. Tepkime hız bağıntısı şöyle yazılır: v = k.$A$ᵃ$B$ᵇ$C$ᶜ. Burada a, b, c değerleri tepkime derecesini belirler.

Tepkime dereceleri farklı şekillerde olabilir:

• 0. dereceden tepkimelerde $v = k$, ortama madde eklemek hızı değiştirmez
• 1. dereceden tepkimelerde $v = k.[A]$, giren maddenin derişimi 2 katına çıkarsa hız da 2 kat artar
• 2. dereceden tepkimelerde $v = k.[A]²$, giren maddenin derişimi 2 katına çıkarsa hız 4 kat artar

Mekanizmalı tepkimelerde hızı yavaş adım belirler ve hız bağıntısı yavaş adıma göre yazılır. Bu nedenle, tepkimenin tek basamaklı mı yoksa mekanizmalı mı olduğunu bilmek çok önemlidir.

💡 Hız bağıntısı deneysel olarak belirlenebilir! Farklı koşullarda hız ölçümleri yaparak tepkimenin derecesini ve hız bağıntısını bulabilirsiniz. Bu yöntem, tepkime mekanizmasını anlamamıza da yardımcı olur.

Örneğin N₂ + 3H₂ → 2NH₃ tepkimesi tek basamakta gerçekleşirse, H₂'nin derişimi sabitken N₂'nin derişiminin yarıya düşürülmesi tepkime hızını da yarıya düşürür, çünkü hız bağıntısı v = k.$N₂$$H₂$³ şeklindedir.

Tepkime Hızı Faktörleri: Sıcaklık, Katalizör ve Diğerleri

Basınç ve hacim etkisi özellikle gaz tepkimelerinde önemlidir. Hacim azaldığında veya basınç arttığında derişim artacağından tepkime hızı da artar. Örneğin 2A₂ + 3B₂ → 2A₂B₃ tepkimesinde hacim yarıya düşürülürse, her bir maddenin derişimi iki katına çıkar ve tepkime hızı 2²+³ = 2⁵ = 32 kat artar.

Sıcaklık, taneciklerin kinetik enerjisini arttırarak tepkime hızını önemli ölçüde etkiler. Sıcaklık arttığında, aktivasyon enerjisini aşabilen tanecik sayısı artar ve hız sabiti k büyür. Sıcaklık, aktivasyon enerjisinin değerini değiştirmez, sadece bu enerji bariyerini aşabilen tanecik sayısını arttırır.

Katalizör, tepkimeye girip çıkarak tepkimeyi hızlandıran veya yavaşlatan maddelerdir. Pozitif katalizör tepkimeyi hızlandırır, negatif katalizör (inhibitör) ise yavaşlatır. Katalizörler, tepkimenin aktivasyon enerjisini düşürerek tepkimeyi daha hızlı gerçekleştirir. Katalizörler:

• Tepkime dengesini değiştirmez
• Aktivasyon enerjisini değiştirir
• İleri ve geri tepkimeleri aynı oranda etkiler
• Mümkün olmayan bir tepkimeyi gerçekleştirmez

Tepkime cinsi de hızı etkiler:

• Tek atomlu zıt yüklü iyonlar arasındaki tepkimeler $K⁺ + Cl⁻ → KCl$ çok hızlıdır
• Tek atomlu aynı yüklü iyonlar arasındaki elektron transferi tepkimeleri $Mn⁴⁺ + Fe²⁺ → Mn²⁺ + Fe³⁺$ oldukça hızlıdır
• Bağ oluşumu ve kırılması içeren tepkimeler $CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O$ en yavaş tepkimelerdir

🔬 Temas yüzeyi artışı katı-sıvı veya katı-gaz tepkimelerinde hızı önemli ölçüde arttırır! Katı maddenin toz haline getirilmesi tepkime hızını ciddi şekilde artırabilir çünkü yüzey alanı artışı çarpışma olasılığını artırır.