Tepkime hızları
Demir yıllarca paslanır, barut bir anda patlar. İkisi de kimyasal tepkime; aradaki tek fark hız. Bu ünitede hızın nasıl tanımlandığını, nasıl ölçüldüğünü ve moleküler düzeyde hangi çarpışmaların işe yaradığını göreceksin.
Reaksiyon hızı: birim zamanda değişime uğrayan madde miktarıdır. (RH = r = v)
RH = Madde miktarındaki değişim / Geçen zaman
Bir reaksiyondaki tüm türler için hız bağıntısı yazılabilir. Bunun için girenler harcandığından miktarındaki azalma, ürünler oluştuğu için miktarındaki artma dikkate alınır.
N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)
RH(N₂) = −Δ[N₂]/Δt · RH(H₂) = −Δ[H₂]/Δt · RH(NH₃) = +Δ[NH₃]/Δt
Türlerin hızlarını birbirine bağlamak için denkleşmiş denklemdeki katsayılar 1’in paydası olarak alınır:
(1/1)·RH(N₂) = (1/3)·RH(H₂) = (1/2)·RH(NH₃)
Kaydırak zamanı ilerletiyor. Üç sütun N₂, H₂ ve NH₃ derişimlerini gösteriyor: H₂ üç kat hızlı azalıyor, NH₃ iki kat hızlı artıyor, N₂ en yavaş değişiyor. Altta üç hızın katsayılara bölünmüş hâli yan yana yazılıyor ve üçünün de aynı sayıyı verdiğini görüyorsun.
Bir tepkimede her türün kendi hızı farklıdır; sayısal olarak eşit değildirler. Eşit olan şey, her hızın kendi katsayısına bölünmüş hâlidir. Bir soruda “tepkimenin hızı” deniyorsa genellikle bu ortak değer kastedilir; “NH₃’ün oluşma hızı” deniyorsa doğrudan Δ[NH₃]/Δt istenir.
Tepkimeler türlerin fiziksel hâllerine göre ikiye ayrılır:
1 · Homojen tepkime: tepkimedeki tüm türler aynı fiziksel hâldeyse.
H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)
2 · Heterojen tepkime: tepkimedeki türler farklı fiziksel hâlde bulunuyorlarsa.
CaCO₃(k) → CaO(k) + CO₂(g)
Tepkimenin belirli bir zaman aralığındaki hızıdır ve değeri daima pozitiftir.
Vort = |derişim değişimi| / geçen süre
Grafikte iki noktayı birleştiren kirişin eğimidir.
Tepkimenin belirli bir andaki hızıdır; değeri derişim–zaman grafiğinden elde edilen teğetin eğimiyle hesaplanır.
Değeri derişimi azalan maddeler için negatif, artan maddeler için pozitiftir.
Eğri, bir girenin derişiminin zamanla azalışını gösteriyor. Kaydırak seçilen anı değiştiriyor: kesikli mor doğru o andaki teğet (anlık hız), düz turuncu doğru 0 ile o an arasındaki kiriş (ortalama hız). Kaydırağı sola çektikçe iki eğim birbirine yaklaşıyor — çünkü bir reaksiyonun başlangıçtaki hızı en büyüktür.
Bir girenin derişimi 4 saniyede 0,8 M’dan 0,2 M’a düşmüşse:
Vort = (0,8 − 0,2) / 4 = 0,6 / 4 = 0,15 mol/(L·s)
Ortalama hız pozitif yazılır. Aynı türün anlık hızı, derişimi azaldığı için negatif işaretlidir; büyüklük olarak t = 0’a yakın anlarda bu ortalamadan büyüktür.
Ders kitabındaki bu örnekte grafik değerleri dökümde iç içe girmiş; hesap aynı sayfanın verdiği 0,8 ve 0,2 derişimleriyle yeniden kuruldu.
Bir reaksiyonun başlangıçtaki hızı en büyüktür. Zaman ilerledikçe girenlerin derişimi azaldığı için çarpışma sayısı düşer ve hız azalır; hız–zaman grafiği bu yüzden sürekli azalan bir eğridir.
Tepkime hızını ölçmek için zamanla değişen ölçülebilir bir büyüklük gerekir. Üç yöntem vardır.
Üç düğme üç yöntemi gösteriyor. Canvas her yöntemde zamanla neyin değiştiğini canlandırıyor: renk solması, piston inmesi, iletkenlik ampulünün parlaması. Dördüncü düğme yöntemin işe yaramadığı durumu gösteriyor.
H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)
Cl₂ yeşil, HCl renksizdir. Tepkime ilerledikçe rengin açılması izlenerek hız belirlenir.
Gazlarda n(girenler) ≠ n(ürünler) ise (V ve T sabit):
N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)
4 mol gazdan 2 mol gaz oluşur; tepkime hızı basınç azalması ile gözlenir.
CO₂ + H₂O → HCO₃⁻ + H⁺
Ortamda iyon oluştuğu için tepkime hızı iletkenlik artışı ile gözlenir.
Ders kitabında bu denklem ürün tarafında “2HCO₃⁻” olarak dizilmiş; denklem atom ve yük olarak 1:1 şekliyle denk olduğu için burada düzeltilmiş hâliyle verildi.
H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)
Bu tepkimede n(girenler) = n(ürünler) olduğundan tepkime hızı basınç değişimi ile gözlenemez. Aynı tepkimenin hızı renk değişimiyle rahatlıkla izlenebilir — yani yöntem tepkimeye göre seçilir.
Çarpışma teorisi, kimyasal reaksiyonların gerçekleşme şartlarını verir.
Bu şartları sağlayan çarpışmalara “etkin çarpışma” denir. Her çarpışma etkin çarpışma ile sonuçlanmaz.
İki kaydırak: biri çarpışma geometrisini (moleküllerin çarpışma açısını), öteki kinetik enerjiyi değiştiriyor. Sağdaki iki ölçüt kutusu tek tek yeşile dönüyor; ikisi de yeşil olduğunda animasyon ürüne dönüşüyor ve ETKİN ÇARPIŞMA rozeti çıkıyor. Biri bile kırmızıysa tanecikler çarpışıp değişmeden geri sekiyor.
Yüksek enerjili kararsız ara durumda bulunan aktifleşmiş kompleks, ürünlere veya girenlere dönüşür. Yani eşik enerjisi aşılsa bile sonuç garanti değildir; kompleks geri de dönebilir.
ΔH = ΣHürünler − ΣHgirenler
ΔH = Eai − Eag
Üstteki iki düğme endotermik ve ekzotermik tepkimeyi değiştiriyor. Kaydırak aktifleşmiş kompleksin yüksekliğini değiştiriyor: Eai ve Eag okları birlikte uzayıp kısalıyor ama aradaki fark — yani ΔH — hiç değişmiyor. Sağdaki hız çubuğu tepe yükseldikçe kısalıyor.
ısı + X₂ + Y₂ → 2XY
X₂ + Y₂ → 2XY + ısı
| Ölçüt | Endotermik | Ekzotermik |
|---|---|---|
| Isının yeri | Girenler tarafında | Ürünler tarafında |
| ΔH işareti | ΔH > 0 | ΔH < 0 |
| Entalpiler | Hü > Hg | Hü < Hg |
| Aktifleşme enerjileri | Eai > Eag | Eai < Eag |
| Düşük sıcaklıkta kararlı olan | Girenler | Ürünler |
Tablodaki her satır iki grafik kutusundan birebir alındı. Ortak nokta şu: ΔH tepkimenin ısı bilançosu, Ea ise hızıdır — ikisi ayrı sorulardır.
Elma kesildikten sonra kararır; bu bir tepkimedir ve hızı ölçülebilir — çünkü zamanla rengi değişiyor. Kolorimetrik yöntem tam olarak bunu yapar.
Bozulma da bir tepkimedir. Soğukta taneciklerin kinetik enerjisi düşer, eşik enerjisini aşan çarpışma sayısı azalır, süt geç bozulur.
Paslanma çok yavaş bir tepkimedir; aktifleşme enerjisi yüksektir. Yağlamak yüzeyi oksijenden ayırır, çarpışma zeminini ortadan kaldırır.
Bayram gösterisindeki patlama, aktifleşme enerjisi bir kibritle aşıldıktan sonra saniyeler içinde biten bir tepkimedir. Aynı madde çekmecede yıllarca durur.
Kabartma tozu suyla karışınca gaz çıkar; kapalı bir poşette bunun hızını poşetin şişme hızıyla, yani basınç değişimiyle ölçebilirsin.
Potaya doğru açıyla gelen top girer, yanlış açıyla gelen çıkar. Çarpışma teorisindeki “uygun geometri” şartı tam olarak budur.
Şekerin çözünmesi hızlıdır ama çayın demlenmesi dakikalar alır. Aynı bardakta iki farklı hızda olay yürüyor.
Fen kulübünde suya tuz eklendikçe ampul daha parlak yanar. Tepkime sırasında iyon oluşuyorsa hız iletkenlik artışıyla izlenir.
Vitamin tabletini suya attığında en çok kabarcık ilk saniyelerde çıkar. Bir reaksiyonun başlangıçtaki hızı en büyüktür.
45 soruluk test · reaksiyon hızının tanımı, türler arası hız bağıntısı, ortalama ve anlık hız, kolorimetrik-basınç-iletkenlik yöntemleri, çarpışma teorisi, etkin çarpışma ve aktifleşme enerjisi
Birim zamanda değişime uğrayan madde miktarıdır (RH = r = v). RH = madde miktarındaki değişim / geçen zaman. Madde miktarı mol, hacim, molar derişim ya da kütle; zaman yıl, gün, saat, dakika, saniye olabilir.
Girenler harcandığı için azalma, ürünler oluştuğu için artma dikkate alınır: RH(N₂) = −Δ[N₂]/Δt, RH(NH₃) = +Δ[NH₃]/Δt. Hızları bağlamak için katsayılar 1’in paydası olarak alınır: (1/1)RH(N₂) = (1/3)RH(H₂) = (1/2)RH(NH₃).
Tepkimenin belirli bir zaman aralığındaki hızıdır, değeri daima pozitiftir. Örnek: derişim 4 s’de 0,8 M’dan 0,2 M’a düşerse Vort = 0,6/4 = 0,15 mol/(L·s).
Tepkimenin belirli bir andaki hızıdır; derişim–zaman grafiğinin teğetinin eğimiyle hesaplanır. Derişimi azalan maddeler için negatif, artan maddeler için pozitiftir. Bir reaksiyonun başlangıçtaki hızı en büyüktür.
Renk değişimiyle ölçüm: H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g); Cl₂ yeşil, HCl renksizdir.
Gazlarda n(girenler) ≠ n(ürünler) ise (V, T sabit) kullanılır: N₂ + 3H₂ → 2NH₃’te basınç azalması ile gözlenir. H₂ + Cl₂ → 2HCl’de mol sayıları eşit olduğundan gözlenemez.
Tepkimede iyon oluşuyorsa hız iletkenlik artışıyla izlenir: CO₂ + H₂O → HCO₃⁻ + H⁺.
Üç şart: tanecikler çarpışmalı, uygun geometri ile çarpışmalı, eşik enerjisini aşmalıdır. Bu şartları sağlayanlara etkin çarpışma denir; her çarpışma etkin çarpışma ile sonuçlanmaz.
Yüksek enerjili kararsız ara durumdur; ürünlere veya girenlere dönüşür. Eşik aşılsa bile sonuç garanti değildir.
ΔH = Eai − Eag. ΔH “+” veya “−” olabilir ama ileri ve geri aktifleşme enerjisi negatif olamaz. Ea büyükse tepkime yavaştır (RH, 1/Ea ile orantılı).
Endotermik: Eai > Eag, Hü > Hg, ΔH > 0, düşük sıcaklıkta girenler kararlıdır. Ekzotermik: Eai < Eag, Hü < Hg, ΔH < 0, düşük sıcaklıkta ürünler kararlıdır.
Tüm türler aynı fiziksel hâlde ise homojen (H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)), farklı hâlde ise heterojen tepkimedir (CaCO₃(k) → CaO(k) + CO₂(g)).