Tepkime hızını etkileyen faktörler
Bir önceki ünitede hızın ne olduğunu gördün. Burada nasıl değiştirileceğini göreceksin: derişim, sıcaklık, katalizör, temas yüzeyi ve madde cinsi. Hepsinin ortak ölçütü tek: birim zamandaki etkin çarpışma sayısı.
Bir tepkimenin hızını tepkimeye giren maddelerin derişimlerine bağlayan ifadeye “hız denklemi” veya “hız bağıntısı” denir.
RH = k · [Girenler]a
N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)
RH = k[N₂][H₂]³
En yavaş basamak için RH = k · [Girenler]a şeklinde yazılır.
Yani mekanizmalı tepkimelerde hız bağıntısı yavaş adıma göre yazılır; toplam denkleme bakılarak yazılmaz.
Hız denkleminde yer alan tepken derişimlerinin üsleri toplamına “tepkime derecesi” denir.
v = k[A]a · [B]b ise tepkime derecesi “a + b”dir.
Üstteki düğmeler tepkime derecesini değiştiriyor. Kaydırak [A] derişimini değiştiriyor; solda hız–derişim grafiği çiziliyor: 0. derecede yatay doğru, 1. derecede eğik doğru, 2. derecede parabol. Sağda derişim iki katına çıkarıldığında hızın 2ᵃ katına çıktığı sayıyla gösteriliyor ve o derecenin k birimi yazılıyor.
Nadiren rastlanır.
v = k[A]⁰ → v = k
Hız sabit olup reaktiflerin derişimlerinden bağımsızdır.
2NaHCO₃(k) → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O
Cl₂(g) → 2Cl(g)
v = k[Cl₂]
Hız birimi mol/(L·s) ise k’nin birimi 1/s’dir.
2A(g) → … veya A(g) + B(g) → …
v = k[A]² veya v = k[A][B]
Hız birimi mol/(L·s) ise k’nin birimi L/(mol·s)’dir.
Mekanizmalı tepkimeler, çok sayıda taneciğin aynı anda çarpışıp reaksiyon vermesi kolay olmadığından basamaklar üzerinden gerçekleşir.
İki düğme iki mekanizma örneğini gösteriyor. Canvas basamakları alt alta çiziyor; yavaş basamak kalın çerçeveli, hızlı basamak soluk. Her türün rolü (giren, ürün, ara ürün, katalizör) ayrı renkte etiketleniyor ve toplam denklemde sadeleşenlerin üstü çiziliyor. Sağda hız bağıntısının yalnız yavaş basamaktan yazıldığı gösteriliyor.
İkisi de toplam denklemde görünmez, bu yüzden karıştırılırlar. Ayıran tek şey sıra:
Ders kitabındaki mekanizma örneği dökümde bozuk dizilmiş (yavaş basamak satırına toplam denklem düşmüş), bu yüzden burada kuralları birebir izleyen harf gösterimli iki temiz örnek kullanıldı. Tek basamaklı örnek N₂ + 3H₂ → 2NH₃ tepkimesidir.
Deneysel yöntemle hız belirlenirken iki reaktiften önce biri daha sonra diğeri sabit tutularak hızdaki değişime bakılır.
| Deney | [X] (M) | [Y] (M) | Hız (mol/(L·s)) |
|---|---|---|---|
| 1 | 0,1 | 0,1 | 0,02 |
| 2 | 0,2 | 0,1 | 0,08 |
| 3 | 0,2 | 0,2 | 0,16 |
Düğmelerle adımları sırayla aç. Canvas hangi iki deneyin karşılaştırıldığını vurgulayıp hangi derişimin sabit tutulduğunu gösteriyor; oranlar sütun olarak çiziliyor ve üs sayısı buradan okunuyor. Son adımda k hesaplanıyor.
| Yöntem | Tepkime | Hız bağıntısı |
|---|---|---|
| Tek basamaklı tepkimede | N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g) | RH = k[N₂][H₂]³ |
| Mekanizmalı tepkimede | Yavaş basamağa bakılır | RH = k · [yavaş basamağın girenleri] |
| Deneysel | Derişimler tek tek değiştirilir | Üsler deneyden okunur |
Bir tepkimenin hız bağıntısındaki üsler her zaman denklemdeki katsayılara eşit değildir; katsayıya eşit olduğu tek durum tepkimenin tek basamakta gerçekleşmesidir.
Zıt yüklü iyonların reaksiyonları en hızlı, çok sayıda bağın oluşup koptuğu reaksiyonlar en yavaştır.
Dört basamak, sıralamanın kendisi. Basamağa bas: canvas o gruba ait örnek çifti yan yana koyup hangisinin hızlı hangisinin yavaş olduğunu ve gerekçesini yazıyor.
a. K⁺ + Cl⁻ → KCl (hızlı)
Mg²⁺ + 2Cl⁻ → MgCl₂ (yavaş)
b. Na⁺ + Cl⁻ → NaCl (yavaş)
Mg²⁺ + S²⁻ → MgS (hızlı)
c. H₂ + Cl₂ → 2HCl (hızlı)
CH₄ + 4Cl₂ → CCl₄ + 4HCl (yavaş)
Sıralama şöyle: zıt yüklü iyonlar arası > aynı yüklü iyonlar arası > molekül sayısı ve kopan-oluşan bağ sayısı az olanlar > çok olanlar.
C(k) + O₂(g) → CO₂(g)
RH = k[O₂] · RH = k · P(O₂)
Derişim değişimi tepkime hızını değiştirir ancak tepkimenin aktifleşme enerjisini ve hız sabitini değiştirmez.
Sıcaklık arttıkça:
Sıcaklık değişimi:
Sıcaklık artışı, endotermik veya ekzotermik olan tüm tepkimelerin hızını artırır.
Grafik, moleküllerin kinetik enerjilerine göre dağılımı. Soluk eğri T₁, koyu eğri T₂. Kaydırakla T₂’yi yükselt: tepe alçalıp sağa kayıyor ve eşik enerjisi çizgisinin sağında kalan boyalı alan büyüyor — işte hızı artıran şey bu alan. Eşik enerjisi çizgisi hiç yerinden kıpırdamıyor; sıcaklık onu değiştirmez.
Tepkimeye dışarıdan eklenen ve hiçbir değişime uğramadan tepkimeden çıkan, aktifleşme enerjisini düşürerek tepkimeyi hızlandıran maddelere “katalizör” denir.
KATALİZÖRLER…
AYRICA…
Aktifleşme enerjisi sadece katalizörle değişir. Mekanizmalı tepkimelerde katalizör yavaş adıma etki eder. Katalizör (pozitif katalizör) hızı artırır; inhibitör (negatif katalizör) hızı azaltır.
Sol tarafta katalizörsüz (a), sağ tarafta katalizörlü (b) aynı tepkime. Kutucuğu işaretle: eşik enerjisi çizgisi sola kayıyor, eşiği aşan tanecik sayısı büyüyor. Altta PE–TK grafiği açılıyor: iki tepe yan yana çiziliyor ve girenler ile ürünlerin seviyeleri hiç kıpırdamıyor — yani ΔH değişmiyor, Eai ve Eag aynı oranda düşüyor.
Tepkimeye giren taneciklerin temas yüzeyi arttıkça tanecikler arasındaki çarpışma sayısı artacağı için tepkime hızı da artar.
I. kap (şerit): Mg(k) + 2HCl(aq) (1 M) → MgCl₂(aq) + H₂(g)
II. kap (toz): Mg(k) + 2HCl(aq) (1 M) → MgCl₂(aq) + H₂(g)
II. kaptaki tepkime I. kaptaki tepkimeye göre daha hızlı gerçekleşir.
Temas yüzeyinin değişimi, heterojen tepkimelerde hız sabitinin (k) değerini değiştirir.
Kaydırak magnezyumu tek şeritten toz hâline götürüyor: kütle sabit kalıyor ama parça sayısı artıyor. Sağdaki sayaç asitle temas eden yüzeyi ve çıkan H₂ kabarcık hızını gösteriyor.
| Faktör | Tepkime hızı | Hız sabiti k | Aktifleşme enerjisi | Tepkime ısısı ΔH |
|---|---|---|---|---|
| Derişim artışı | Artar | Değişmez | Değişmez | Değişmez |
| Sıcaklık artışı | Artar | Artar | Değişmez | Değişmez |
| Katalizör | Artar | Artar | Azalır | Değişmez |
| Temas yüzeyi artışı | Artar | Artar (heterojende) | Değişmez | Değişmez |
| İnhibitör | Azalır | Değişir | Etkiler | Değişmez |
Sütunlardan biri her satırda aynı: hiçbir faktör tepkime ısısını değiştirmez. Aktifleşme enerjisini değiştiren tek şey katalizördür.
İçerideki sıcaklık yükseldiği için pişme tepkimeleri hızlanır. Sıcaklık, k’yi büyüten faktördür; eşik enerjisini değiştirmez.
Toz şeker daha çabuk çözünür; aynı mantık tepkimelerde de geçerli: temas yüzeyi artınca çarpışma sayısı artar.
Egzozdaki katalitik konvertör, zararlı gazların dönüşümünü hızlandırır ama kendisi tükenmez — tam olarak katalizör tanımı.
Bozulma tepkimelerini durdurmaz, yavaşlatır. Sıcaklık düşünce eşiği aşan tanecik sayısı azalır; yiyecek aylarca dayanır.
Üflemek ortamdaki O₂ derişimini artırır; RH = k[O₂] olduğu için yanma hızlanır. Kömürün miktarını artırmak aynı etkiyi yapmaz.
Maya bir biyolojik katalizördür; hamurun kabarmasını hızlandırır, kendisi tepkimenin sonunda hâlâ oradadır.
Koruyucu maddeler bozulmayı yavaşlatır; bunlar inhibitör (negatif katalizör) gibi çalışır — hızı azaltırlar.
Derişik çamaşır suyu lekeyi hızlı çıkarır, seyreltiği yavaş. Derişim hızı değiştirir ama sonucu (leke çıkar) değiştirmez.
Aynı kütlede magnezyum şeridi ve tozu aynı derişimdeki asitte denenirse toz olan çok daha hızlı hidrojen çıkarır. Deneyin tek değişkeni temas yüzeyidir.
52 soruluk test · hız denklemi ve tepkime derecesi, hız sabiti k, mekanizmalı tepkimelerde ara ürün ve katalizör, deneysel hız bağıntısı, madde cinsi, derişim, sıcaklık, katalizör ve temas yüzeyinin etkisi
Tepkime hızını girenlerin derişimlerine bağlayan ifadedir. Tek basamaklı tepkimede RH = k · [Girenler]ᵃ; mol sayısı üs olarak yazılır. Hız denklemine katı ve sıvılar ile ürünler alınmaz.
Hız denklemindeki tepken derişimlerinin üsleri toplamıdır. v = k[A]ᵃ[B]ᵇ ise derece a + b’dir.
0. derece (nadir): v = k, hız derişimden bağımsızdır — 2NaHCO₃(k) → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O. 1. derece: Cl₂ → 2Cl, v = k[Cl₂], k birimi 1/s. 2. derece: v = k[A]² veya k[A][B], k birimi L/(mol·s).
Birimi sabit değildir. Endotermik veya ekzotermik tüm tepkimelerde sıcaklık arttıkça artar. Eşik enerjisi azalırsa (katalizör) artar. Katı yüzeyine bağlıdır.
Çok sayıda taneciğin aynı anda çarpışması kolay olmadığından basamaklar üzerinden gerçekleşir. Hızı belirleyen basamak en yavaş basamaktır ve hız bağıntısı ona göre yazılır.
Bir tür bir basamakta oluşup diğerinde harcanmışsa ara üründür. Yavaş basamağa girip başka basamakta çıkmışsa katalizördür. İkisi de toplam denklemde yer almaz. Toplam tepkimede giren molekül sayısına molekülerite denir.
İki reaktiften önce biri, sonra diğeri sabit tutularak hızdaki değişime bakılır. Tabloda [X] iki katına çıkınca hız dört katına, [Y] iki katına çıkınca hız iki katına çıkar → RH = k[X]²[Y].
Zıt yüklü iyonların reaksiyonları en hızlı, çok sayıda bağın oluşup koptuğu reaksiyonlar en yavaştır. Sıra: zıt yüklü iyonlar arası > aynı yüklü iyonlar arası > bağ sayısı az moleküller > bağ sayısı çok moleküller.
C(k) + O₂(g) → CO₂(g) için RH = k[O₂] = k·P(O₂). O₂ iki katına çıkarsa hız iki katına çıkar; C(k) miktarı hızı etkilemez. Derişim değişimi aktifleşme enerjisini ve hız sabitini değiştirmez. Mekanizmada hızlı basamaktaki reaktifin miktarı hızı etkilemez.
Sıcaklık artınca taneciklerin kinetik enerjisi ve aktifleşmiş kompleks oluşturabilecek tanecik sayısı artar. Eşik enerjisini, izlenen yolu ve mekanizmayı değiştirmez; k’yi değiştirir. Endotermik ya da ekzotermik tüm tepkimelerin hızını artırır.
Hiçbir değişime uğramadan tepkimeden çıkar, aktifleşme enerjisini düşürerek hızlandırır. Tepkimeyi başlatmaz/durdurmaz, yönünü ve verimini değiştirmez, ısısını etkilemez, net tepkimede yer almaz; k’yi ve mekanizmayı değiştirebilir, ileri ve geri aktifleşme enerjisini aynı oranda değiştirir. Aktifleşme enerjisi sadece katalizörle değişir; mekanizmada yavaş adıma etki eder. İnhibitör (negatif katalizör) hızı azaltır.
Temas yüzeyi arttıkça çarpışma sayısı artar, hız artar. Aynı kütlede Mg şeridi yerine Mg tozu kullanılırsa tepkime daha hızlı olur. Heterojen tepkimelerde hız sabitinin (k) değerini değiştirir.