11. Sınıf Kimya- TEPKİMELERDE HIZ

Konu: 11. Sınıf Kimya- TEPKİMELERDE HIZ Salı Kas. 04, 2008 6:54 pm

KİMYASAL TEPKİMELERDE HIZ (KİMYASAL KİNETİK)

Bir kimyasal olayda , olaya giren maddeler zaman içinde
tükenirken,olaydan çıkan ürünler artar.Bazı kimyasal olaylarda olaya
girenler(reaktifler) hızlı azalırken,bazı olaylarda yavaş azalır.Günlük
yaşamımızda gözlediğimiz birçok olayda bunu görmek mümkündür.Toz
şeker,kesme şekerden daha çabuk suda çözünür.Benzin,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 denir.Madde 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 artmaktadır.Ancak, N2 gazındaki azalma H2 gazındaki azalmadan
daha azdır.1 mol N2 aza-lırken 3 mol H2 azalmalıdır,bu sırada 2 mol NH3
oluşmaktadır.Bu nedenle bir kimyasal tepkimede maddelerin denkleşmiş
denklemdeki kat sayıları ile hızları doğru orantılıdır.Hız 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.
Harcananlar için (-), oluşanlar için (+) işareti yazılır.

T.H N2= -r[N2]\rt T.H H2= -r[H2]\rt T.H NH3= +r[NH3]\rt eşitlik-
leri elde edilir.Bu hızları birbirine eşitlersek

6 T.H N2=2 T.H H2=3 T.H 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
kullanılmalıdır.Belli 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
belirlenebilir.Renk, 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 ölçülebilir.
6.) Tepkimede Oluşan Gaz Hacminin Ölçülerek Hızının Belirlenmesi:
Özellikle gaz çıkışının olduğu tepkimelerde, sabit basınçta, çıkan
gazın hacmi ölçülerek, tepkimenin hızı saptanabilir.Örneğin;

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 teoridir.Bu 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 oluşmaz.Çarpışan 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 ( P.E. ) – Tepkime Koordinatı ( T.K ) 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 olsun.X2 ve Y2 molekülleri birbirine yeterince yaklaştığında
elektron bulutlarının etkisi ile yavaşlama görülür.Sahip oldukları
kinetik enerjileri azalarak potansiyel enerjileri artar.Aktif-
lenmiş kompleksin oluştuğu noktada potansiyel enerji en yüksek
seviyesine ulaşmıştır.b kcal aktiflenmiş kompleksin potansiyel
enerjisidir.

b kcal – a kcal farkı tepkimenin aktifleşme enerjisidir.X2Y2
kompleksinde X-Y bağları kuvvetlenirse açığa ısı salınacağından,
potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşür.Aktiflenmiş kompleksin
potansiyel enerjisi tamamen ürünlerin kinetik enerjisine dönüşür.c 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 gerekir.Geri 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
olmamalıdır.Olaya giren maddelerden ne kadar çok bağ kopuyorsa ve ne
kadar çok yeni bağ oluşuyorsa tepkime o kadar yavaştır.Reaksiyona giren
madde çeşidi arttıkça tepkime hızı azalır.

İyonik yapıdaki maddelerin tepkime hızları incelendiğinde, zıt yüklü
iyonların tepkimelerinin aynı yüklü iyonların tepkimelerinden hızlı
olduğu görülür.Bu hız artması veya azalmasının derecesi aynı zamanda
iyon yüklerinin büyüklüğü ile de orantılıdır.Örneğin +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
denir.Heterojen bir tepkimenin hızı, çarpışan taneciklerin birbirleri
ile temas etmesi kolaylaştırılırsa artar.Toz şeker kesme şekere göre
daha çabuk çözünür.

3.) Hacim ve Basınç

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

4.) Sıcaklık

Bir tepkimede sıcaklığın artması çarpışan taneciklerin kinetik
enerjisini arttırır.Eşik enerjisini aşabilen tanecik sayısı artar.Bu
nedenle tepkime hızı artar.Sıcaklığın 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 görülebilir.T1 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 vardır.Bunlara
da inhibitör maddeler denir.)

Katalizörler, homojen ve heterojen katalizörler diye ikiye ayrılır.Homojen 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
gösterilirler.Tepkime 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
belirtmiştim.Olaya giren tanecik sayısı arttıkça aynı anda çarpışma
olasılığı azalır.Tanecikler kendi aralarında çarpışarak ara ürünler
oluştururlar. Bu ara ürünler ile başka taneciklerin çarpışmaları sonucu
ürün oluşabilir.Bu şekilde çarpışmalar zinciri ile ardışık tepkimeler
sonucu ürün oluşmasına Mekanizmalı tepkimeler denir.Mekanizmalı
tepkimelerde her bir basamağa adım denir.Adımların hızları farklıdır.

En yavaş adımın hızı tepkime hızını verir.

Adımların sonunda oluşup diğer adımda harcanan maddelere ara ürün
denir.Ara ürünler ana tepkimede (toplu denklem) yer almazlar.Bir
tepkimenin mekanizması katalizör ile değişir.

7.) Derişim

Bir tepkimede derişimin artması birim hacimdeki tanecik sayısını arttırır.Tanecik-
ler arasındaki çarpışma sayısı artacağından tepkime hızı
artar.Derişimin tepkime hızına etkisi deneysel olarak
incelenebilir.Tepkimelerin 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 gerçekleşmektedir.Tepkime hızı,
H2 derişimi ve Cl2 derişimi ile doğru orantılıdır.

Hız denklemi;

T.H.= k.[H2].[Cl2] şeklinde yazılır.

N2(g) + 3H2(g) Ò 2NH3 tepkimesi tek adımda gerçekleşmektedir.Bu tepkimenin hız denklemi ise; T.H=k.[N2].[H2]3 olmalıdır.

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

Hız denklemi; T.H=k.[X]m.[Y]n şeklinde ifade edilir.

Hız Sabiti(k): Her tepkime için farklı olan bir sabittir.Tepkimenin
cinsine bağlıdır.k ne kadar büyükse tepkime o kadar hızlı olur.Sıcaklık
artışı k’nın sayısal değerini arttırır.k, katalizörlere de
bağlıdır.k’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.
T.H=k olur. ( katı ve saf sıvılarda )

Hız denklemleri, her zaman tepkime denklemine bakılarak
çıkarılamaz.Mekanizmalı tepkimelerde hız denklemi yavaş adıma göre
yazılmalıdır.Gerçekte her türlü tepkimenin hız denklemi, o tepkime ile
ilgili deneysel hız verilerinden çıkarılmalıdır.Tepkimeye giren
maddelerin derişimleri ayrı ayrı değiştirildikçe tepkime hızındaki
ölçülebilen değişme hız denklemini verecektir.