Kimyasal Tepkimelerde Hiz Kimyasal Kinetik Hakkında Temel Bilgiler Ve Konu Anlatım

KİMYASAL TEPKİMELERDE HIZ (KİMYASAL KİNETİK)

Bir kimyasal olayda , olaya giren maddeler zaman içinde tükenirken,olaydan çıkan ürünler artarBazı kimyasal olaylarda olaya girenler(reaktifler) hızlı azalırken,bazı olaylarda yavaş azalırGünlük yaşamımızda gözlediğimiz birçok olayda bunu görmek mümkündürToz şeker,kesme şekerden daha çabuk suda çözünürBenzin,kömürden daha çabuk yanar

Kimyasal reaksiyonların hızlarını ölçen,mekanizmalarını inceleyen kimya dalına KİMYASAL KİNETİK denir

Bir kimyasal tepkimede birim zamanda harcanan ya da oluşan madde miktarına o tep-kimenin ortalama hızı denirMadde miktarı mol sayısı , kütle veya derişim olarak ifade edilir-ken, zaman ölçüsü olarak da tepkimenin cinsine göre saniye,dakika,saat,gün,ay gibi süreler a-

lınabilir

N2(g) + 3H2(g) Ò 2NH3(g) tepkimesini inceleyelim

Başlangıçta alınan N2(g) ve H2(g) miktarları zamanla azalırken NH3(g) miktarı artmaktadırAncak, N2 gazındaki azalma H2 gazındaki azalmadan daha azdır1 mol N2 aza-lırken 3 mol H2 azalmalıdır,bu sırada 2 mol NH3 oluşmaktadırBu nedenle bir kimyasal tepkimede maddelerin denkleşmiş denklemdeki kat sayıları ile hızları doğru orantılıdırHız bağıntıları yazılırken hangi maddeye göre yazıldığı belirtilir

N2’nin ortalama harcanma hızı = N2 miktarındaki azalma/geçen zaman Bu eşitliği kısaltmak için;

Tepkime hızı=TH, geçen zaman rt ve madde miktarındaki değişim için genellikle derişim(konsantrasyon) kullanıldığından rC yazılır Harc******r için (-), oluşanlar için (+) işareti yazılır

TH N2= -r[N2]
t TH H2= -r[H2]
t TH NH3= +r[NH3]
t eşitlik-

leri elde edilirBu hızları birbirine eşitlersek

6 TH N2=2 TH H2=3 TH NH3 eşitliği ortaya çıkar

Bir kimyasal tepkimede herhangi bir maddenin hızı bilindiğinde diğerlerinin hızları denklem yardımı ile hesaplanır

Tepkime hızı başlangıçta alınan madde miktarlarına göre belli bir değerle başlar, zaman içinde olaya giren maddeler azalacağından tepkime hızı da azalır

*** Tepkime hızları genellikle zamanla ters orantılıdır

Mg(k) + 2HCl(suda) Ò MgCl2(suda) + H2(g) tepkimesi incelendiğinde ,Mg miktarının zamanla azaldığı H2 gazının çıkışının zamanla arttığı gözlenir

Tepkimelerin hızlarından söz ederken ortalama hız ifadesi kullanılmalıdırBelli bir zaman aralığında harcanan ya da oluşan miktar, her zaman aralığı için aynı değildir

Bir tepkimenin t anındaki hızını bulmak için; harcanan miktarın zamanla değişim eğrisinde , t anında çizilen teğetin eğimi alınır

Tepkime Hızının Ölçülmesi

Bir kimyasal tepkimenin hızı, tepkimenin cinsine göre ölçülebilen, gözlenebilen makro özelliklerdeki değişim izlenerek belirlenebilirRenk, basınç, iletkenlik, ısı, pH vs

1) Renk, koku, tat, şekil değişimi gibi fiziksel görünümlerdeki değişme hızı ölçülerek tepkime hızını belirleyebiliriz

C2H4(g) + Br2(suda) Ò C2H4Br2

renksiz kırmızı renksiz

2) Basınç değişimi: Gaz fazında gerçekleşen tepkimelerde tepkimeye giren gazların mol sayısı ile ürünlerin mol sayısı eşit değilse basınçtaki değişim ile tepkime hızını ölçebiliriz

H2(g) + Cl2(g) Ò 2HCl(g) rn=Sn ürünler - Sn girenler

olduğundan rn =2-(1+1)=0 mol sayısı değişmediğinden aynı sıcaklık ve hacimde basınç da değişmez Tepkime hızı basınç değişimi ile ölçülemez

N2(g) + 3H2(g) Ò 2NH3(g) tepkimesinde rn =-2 olduğundan basınç düşecektir Tepkime öncesi (H2 + N2 ) karışımının basıncı h ise tepkime sonrasında h/2 olmalıdır Cıva seviyesindeki düşme hızı tepkime hızını belirler

3) İletkenlik değişimi: İyon içermeyen sıvılar elektriği iletmezler Tepkimelerde iyonlar oluşuyorsa iletkenlik artarken, iyonlar azalıyorsa iletkenlik azalır

NaCl(k) + H2O(sıvı) Ò Na+(suda) + Cl-(suda) iletkenlik artar

Ag+(suda) + Cl-(suda) Ò AgCl(k) iletkenlik azalır

4) Isı değişimi: Tepkime ısısı (rH ) bilinen tepkimelerde ısı değişimi ile hız ölçülebilir

5) pH değişimi: Asit ya da baz ile gerçekleşen tepkimelerde pH metre denilen ölçü aletleri ile hız ölçülebilirKaynakwh: > Kimyasal Tepkimelerde Hız

6) Tepkimede Oluşan Gaz Hacminin Ölçülerek Hızının Belirlenmesi: Özellikle gaz çıkışının olduğu tepkimelerde, sabit basınçta, çıkan gazın hacmi ölçülerek, tepkimenin hızı saptanabilirÖrneğin;

H2O2(s) Ò H2O(s) + 1/2O2(g) tepkimesinde çıkan O2 gazının hacmi ölçülerek,

Zn(k) + 2HCl(suda) Ò ZnCl2(suda) + H2(g) tepkimesinde çıkan H2 gazının hacmi ölçülerek bulduğumuz hacim değerleri ayrı ayrı zamana karşı grafiğe geçirilerek tepkime hızı ölçülebilir

Çarpışma Teorisi

Bir kimyasal olayda olaya giren taneciklerin (atom,molekül,iyon) ürüne dönüşebilme-

leri için çarpışmaları gerektiğini ileri süren teoridirBu teoriye göre çarpışan tanecikler:

1) Aynı doğrultuda zıt yönde ve uygun geometride çarpışmalıdır

2) Yeterli kinetik enerjiye sahip olarak çarpışmalıdır

Etkin Çarpışma

Her çarpışma sonucu ürün oluşmazÇarpışan taneciklerin kinetik enerjileri yeterli

olmalı ve uygun geometride çarpışma gerçekleşmelidir Etkin çarpışma sayısı arttıkça tepkime hızı da artar

Aktifleşme Enerjisi ( Aktivasyon Enerjisi )

Çarpışan taneciklerin aktiflenmiş kompleks ( ürüne dönüşebilecek enerjiye sahip kararsız ara üründür ) oluşturabilmeleri için önceden sahip olmaları gereken minimum enerjiye aktifleşme ya da eşik enerjisi denir Birimi kcal olup Ea şeklinde ifade edilir Tepki-

menin yazıldığı yöndeki aktifleşme enerjisine ileri aktifleşme enerjisi Eai denir Geri tepkimenin aktifleşme enerjisine geri aktifleşme enerjisi Eag denir Aktifleşme enerjisi daima pozitiftir

Kimyasal tepkimelerde enerji değişimini gösteren grafiklere potansiyel enerji ( PE ) – Tepkime Koordinatı ( TK ) grafikleri denir

X2(g) + Y2(g) Ò 2XY(g) + Isı

Ea tepkimesinin gerçekleşmesini inceleyelim:

Çarpışma teorisine göre, X-X molekülleri ile Y-Y molekülleri yeterli kinetik enerji ile aynı doğrultuda zıt yönde çarpışmalıdır Çarpışma başladıktan sonra birbirine yaklaşan moleküllerin kinetik enerjileri potansiyel enerjiye dönüşerek aktiflenmiş kompleks ( ara ürün ) oluştururlar Aktiflenmiş kompleksin oluşabilmesi için kinetik enerjisi aktifleşme enerjisine eşit ya da büyük olan moleküllerin uygun geometride çarpışmaları gerekir Düşük enerjili moleküllerin çarpışmasında, elektron bulutlarının itme kuvvetleri yenilmeyeceğinden aktiflenmiş kompleks oluşamaz Her çarpışma ürüne dönüşemez Aktiflenmiş kompleksin deneyle saptanamamış yüksek enerjili kararsız bir yapı olduğu sanılmaktadır Kısa sürede ya kendisini oluşturan reaktiflere geri döner ya da reaktifler arası bağlar uzayarak koparken yeni oluşan ürünün bağları kısalır, kararlı yapıda ürün oluşur

Aktiflenmiş kompleks oluşumunda X…X bağları ve Y…Y bağları zayıflayıp X-Y bağları kuvvetlenirse ürün oluşur

X2 ve Y2 moleküllerinin çarpışmadan önceki toplam potansiyel enerjileri a kcal olsunX2 ve Y2 molekülleri birbirine yeterince yaklaştığında elektron bulutlarının etkisi ile yavaşlama görülürSahip oldukları kinetik enerjileri azalarak potansiyel enerjileri artarAktif-

lenmiş kompleksin oluştuğu noktada potansiyel enerji en yüksek seviyesine ulaşmıştırb kcal aktiflenmiş kompleksin potansiyel enerjisidir

b kcal – a kcal farkı tepkimenin aktifleşme enerjisidirX2Y2 kompleksinde X-Y bağları kuvvetlenirse açığa ısı salınacağından, potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşürAktiflenmiş kompleksin potansiyel enerjisi tamamen ürünlerin kinetik enerjisine dönüşürc kcal ürünlerin sahip olduğu toplam potansiyel enerjisidir

Ürünlerin potansiyel enerjisi ile, girenlerin potansiyel enerjileri arasındaki fark tepkime entalpisini verir

Ürünlerin potansiyel enerjisi, girenlerin potansiyel enerjisinden düşük olduğundan

tepkime ekzotermiktir

Yukarıdaki tepkimenin tersi olan;

Isı + 2XY Ò X2 + Y2 tepkimesini incelediğimizde, XY moleküllerinin çarpışarak X2 ve Y2 moleküllerine dönüşmesi için, başlama noktasındaki potansiyel enerjinin a kcal seviyesine gelmesi gerekirGeri tepkime incelendiğinde tepkime ısısı sayısal olarak ileri tepkimenin rH’ına eşit olmasına karşın işareti ( + ) olacağından endotermik tepkimedir (rH);ileri tepkimenin aktifleşme enerjisi Eai ile geri tepkimenin aktifleşme enerjisi Eag arasındaki fark kadardır rH= Eai – Eag

Tepkime Hızına Etki Eden Faktörler

Bir tepkimenin hızını değiştiren faktörleri tartışmadan önce, ayrı ayrı tepkimelerin hızlarının niçin birbirinden farklı olduğunu açıklamaya çalışalım

Bir kimyasal tepkime genelde, tepkimeye giren madde taneciklerinin, basitçe, birbirine eklenmesi olayı değildir Tepkimeye giren madde taneciklerindeki ( moleküllerdeki )

atomlar, kendilerini bir arada tutan bağların kopması ile birbirinden ayrılacaklar ve sonra, oluşturacakları maddelere göre, yeni bağlar oluşturmak üzere yeniden düzenleneceklerdir

Öyleyse, ayrı ayrı maddelerin atomlara bölünmesi ve bu atomlardan yeni bileşikler oluşması, aynı kolaylıkta olmayacağından, farklı kimyasal tepkimelerin hızları da farklı olacaktır

Denilebilir ki, tepkimeye giren maddeler atomlara ne kadar kolay ayrılırsa ( maddeler ne kadar kararsızsa ) ve yeni bileşikleri ne kadar kolay oluştururlarsa ( oluşan bileşikler ne kadar basit ise ), tepkime o kadar hızlı yürür

1) Tepkimeye Giren Maddelerin Türü

Bir kimyasal olay gerçekleşirken olaya giren maddelerden ürünlere dönüşmenin kolay olması için , az sayıda bağ kopmalı yeniden düzenlenme olmamalıdırOlaya giren maddelerden ne kadar çok bağ kopuyorsa ve ne kadar çok yeni bağ oluşuyorsa tepkime o kadar yavaştırReaksiyona giren madde çeşidi arttıkça tepkime hızı azalır

İyonik yapıdaki maddelerin tepkime hızları incelendiğinde, zıt yüklü iyonların tepkimelerinin aynı yüklü iyonların tepkimelerinden hızlı olduğu görülürBu hız artması veya azalmasının derecesi aynı zamanda iyon yüklerinin büyüklüğü ile de orantılıdırÖrneğin +1 yüklü bir iyon ile -1 yüklü bir iyonun etkileşim hızı +2 yüklü ve -1 yüklü iyonun etkileşim hızından daha yavaş olma eğilimindedir

2) Temas Yüzeyi

Bir tepkimede katı, sıvı ve gaz fazlarında maddeler bulunursa ya da tüm maddeler aynı fazda değilse bu tür tepkimelere heterojen tepkimeler denirHeterojen bir tepkimenin hızı, çarpışan taneciklerin birbirleri ile temas etmesi kolaylaştırılırsa artarToz şeker kesme şekere göre daha çabuk çözünür

3) Hacim ve Basınç

Gaz fazında gerçekleşen bir tepkimede kabın hacmi azaltılırsa her bir gazın kısmi basıncı artarBirim hacimdeki tanecik sayısı artar, çarpışma sayısı artarÇarpışma sayısının artması etkin çarpışma sayısını arttıracağından tepkime hızı artar

4) Sıcaklık

Bir tepkimede sıcaklığın artması çarpışan taneciklerin kinetik enerjisini arttırırEşik enerjisini aşabilen tanecik sayısı artarBu nedenle tepkime hızı artarSıcaklığın artışı tüm kimyasal tepkimelerin hızını arttırır

Molekül sayısı – Kinetik Enerji grafiğinde bir tepkimede sıcaklığın etkisi T1 ve T2 sıcaklıklarında eşik enerjisini aşabilen tanecik sayısı ile görülebilirT1 sıcaklığında eşik enerjisini aşabilen tanecik sayısı az, T2 sıcaklığında çok ise bu durumda T2 sıcaklığı, T1 sıcaklığından büyüktür

5) Katalizör

Bir tepkimede, tepkimeye girip tepkime sonucu aynen açığa çıkan ve tepkimenin hızını değiştiren maddelere katalizör denir( Bir tepkimenin hızını yavaşlatan, hatta pratikte durduran bazı maddeler vardırBunlara da inhibitör maddeler denir)

Katalizörler, homojen ve heterojen katalizörler diye ikiye ayrılırHomojen katalizörler

tepkiyen maddelerle aynı fazda katalizleme görevi yaparlar

ü Katalizör denildiğinde genellikle tepkime hızını arttıran anlaşılır

ü Katalizörler, tepkimenin izlediği yolu, mekanizmasını değiştirerek aktifleşme enerjisini düşürürler

ü Tepkime hız sabitinin (k) sayısal değerini değiştirirler

ü Tepkime entalpisini değiştirmezler( Eai ve Eag değerlerini aynı oranda düşürdüklerinden)

ü Tepkimenin yönünü ve verimini değiştirmezler

ü Katalizör, bir tepkimenin denge konumunu bozmaz

ü Katalizörler, bir tepkimenin potansiyel enerji değişim grafiğini değiştirirler

ü Tepkime denklemleri yazılırken katalizörler okun üzerinde gösterilirlerTepkime birkaç adımda yürüyorsa (mekanizmalı ise) katalizör, bu basamaklardan birinde tepkimeye girer bir başka basamakta değişmeden aynen çıkar

6) Tepkime Mekanizması

Çarpışma teorisine göre, olaya giren maddelerin ürüne dönüşmesi için aynı doğrultuda zıt yönde çarpışmaları gerektiğini daha önce belirtmiştimOlaya giren tanecik sayısı arttıkça aynı anda çarpışma olasılığı azalırTanecikler kendi aralarında çarpışarak ara ürünler oluştururlar Bu ara ürünler ile başka taneciklerin çarpışmaları sonucu ürün oluşabilirBu şekilde çarpışmalar zinciri ile ardışık tepkimeler sonucu ürün oluşmasına Mekanizmalı tepkimeler denirMekanizmalı tepkimelerde her bir basamağa adım denirAdımların hızları farklıdır

En yavaş adımın hızı tepkime hızını verir

Adımların sonunda oluşup diğer adımda harcanan maddelere ara ürün denirAra ürünler ana tepkimede (toplu denklem) yer almazlarBir tepkimenin mekanizması katalizör ile değişir

7) Derişim

Bir tepkimede derişimin artması birim hacimdeki tanecik sayısını arttırırTanecik-

ler arasındaki çarpışma sayısı artacağından tepkime hızı artarDerişimin tepkime hızına etkisi deneysel olarak incelenebilirTepkimelerin hız bağıntıları derişimin etkisinden yararlanılıp çıkarılmaktadır

Tek adımda gerçekleşen bir tepkimede olaya giren taneciklerin derişimleri ile tepkime hızı doğru orantılı olduğundan,derişimlerinin çarpımı, hız sabiti adı verilen k sayısı ile çarpılarak hız denklemi elde edilir

H2(g) + Cl2(g) Ò 2HCl(g) tepkimesi tek adımda gerçekleşmektedirTepkime hızı,

H2 derişimi ve Cl2 derişimi ile doğru orantılıdır

Hız denklemi;

TH= k[H2][Cl2] şeklinde yazılırKaynakwh: > Kimyasal Tepkimelerde Hız

N2(g) + 3H2(g) Ò 2NH3 tepkimesi tek adımda gerçekleşmektedirBu tepkimenin hız denklemi ise; TH=k[N2][H2]3 olmalıdır

Genel olarak; mX(g) + nY(g) Ò XmYn tepkimesinde;

Hız denklemi; TH=k[X]m[Y]n şeklinde ifade edilir

Hız Sabiti(k): Her tepkime için farklı olan bir sabittirTepkimenin cinsine bağlıdırk ne kadar büyükse tepkime o kadar hızlı olurSıcaklık artışı k’nın sayısal değerini arttırırk, katalizörlere de bağlıdırk’nın birimi hız denklemine göre değişir

Tepkime Derecesi: Hız denkleminde yer alan maddelerin derişimlerinin üstlerinin toplamıdır(m+n) sayıları toplamı tepkimenin derecesini verir

m+n=0 ise sıfırıncı derecedir

TH=k olur ( katı ve saf sıvılarda )

Hız denklemleri, her zaman tepkime denklemine bakılarak çıkarılamazMekanizmalı tepkimelerde hız denklemi yavaş adıma göre yazılmalıdırGerçekte her türlü tepkimenin hız denklemi, o tepkime ile ilgili deneysel hız verilerinden çıkarılmalıdırTepkimeye giren maddelerin derişimleri ayrı ayrı değiştirildikçe tepkime hızındaki ölçülebilen değişme hız denklemini verecektir