ÖABT Fen Bilimleri Kimya: Kimyasal Denge ve Tepkime Hızı konu anlatımı

Tepkime hızı, bir tepkimenin ne kadar çabuk gerçekleştiğini; kimyasal denge ise tersinir bir tepkimenin hangi noktada makroskobik olarak durağanlaştığını inceler. Ortaokul fen bilimleri programında bu konular doğrudan yer almasa da yanma, paslanma, besinlerin bozulması ve enzimlerin etkisi gibi olayların açıklanmasında öğretmenin bu kavramlara hâkim olması gerekir. ÖABT Fen Bilimleri sınavında çarpışma teorisi, hıza etki eden faktörler, hız ifadesi, tepkime mekanizması, denge sabiti (Kc, Kp), tepkime oranı (Qc) ve Le Chatelier ilkesi sıklıkla sorulur.

Hız, tepkimenin kinetiğiyle (ne kadar çabuk), denge ise termodinamiğiyle (ne kadar ileri) ilgilidir. Katalizör hızı değiştirir ama denge konumunu ve denge sabitini değiştirmez.

Tepkime hızı ve çarpışma teorisi

• Tepkime hızı, birim zamanda girenlerin derişimindeki azalma ya da ürünlerin derişimindeki artmadır. aA + bB → cC için: r = −(1/a)Δ[A]/Δt = (1/c)Δ[C]/Δt.
• Çarpışma teorisi: Tepkimenin gerçekleşmesi için taneciklerin uygun doğrultuda ve yeterli enerjiyle (aktifleşme enerjisi, Ea) çarpışması gerekir. Etkin çarpışma sayısı arttıkça hız artar.
• Aktifleşmiş kompleks: Potansiyel enerji diyagramının tepesindeki kararsız, kısa ömürlü yapıdır.
• Potansiyel enerji diyagramında ΔH = Ea(ileri) − Ea(geri). Ekzotermik tepkimede Ea(geri) > Ea(ileri) olur.

Hıza etki eden faktörler

Hız ifadesi ve mekanizma

• Tek basamaklı (elementer) tepkimede hız ifadesi katsayılardan yazılır: aA + bB → ürün için r = k[A]ᵃ[B]ᵇ. Katı ve saf sıvılar hız ifadesine yazılmaz.
• Çok basamaklı tepkimelerde hızı en yavaş basamak belirler; hız ifadesi yavaş basamaktan yazılır.
• Bir basamakta oluşup sonraki basamakta harcanan tür ara üründür; başta harcanıp sonda yeniden oluşan tür katalizördür.
• Hız ifadesi mekanizma bilinmiyorsa deney verilerinden bulunur: bir girenin derişimi 2 katına çıkarılınca hız 2 katına çıkıyorsa 1. mertebe, 4 katına çıkıyorsa 2. mertebedir.
• Hız sabiti k yalnızca sıcaklık ve katalizöre bağlıdır, derişime bağlı değildir.

Kimyasal denge

• Kapalı sistemde tersinir bir tepkimede ileri ve geri tepkime hızları eşitlendiğinde denge kurulur. Denge dinamiktir: tepkimeler durmaz, derişimler sabit kalır (eşit olmak zorunda değildir).
• aA(g) + bB(g) ⇌ cC(g) + dD(g) için Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ). Katılar ve saf sıvılar denge ifadesine yazılmaz: CaCO₃(k) ⇌ CaO(k) + CO₂(g) için Kc = [CO₂].
• Kp = Kc(RT)^Δn: ; Δn gaz ürünlerin katsayıları toplamı ile gaz girenlerin katsayıları toplamı arasındaki farktır. Δn = 0 ise Kp = Kc.
• Tepkime ters çevrilirse K → 1/K; katsayılar n ile çarpılırsa K → Kⁿ; tepkimeler toplanırsa K'ler çarpılır.
• Tepkime oranı (Qc): Kc ile aynı ifade, anlık derişimlerle hesaplanır. Qc < Kc ise tepkime ileri, Qc > Kc ise geri yönde ilerler; Qc = Kc ise sistem dengededir.

Le Chatelier ilkesi

• Dengedeki bir sisteme dış etki uygulanırsa sistem bu etkiyi azaltacak yönde kayar.

Örnek 1. Tek basamakta gerçekleşen 2A(g) + B(g) → C(g) tepkimesinde A'nın derişimi 3 katına çıkarılır, B'nin derişimi yarıya indirilirse hız nasıl değişir?

Çözüm: r = k[A]²[B]. Yeni hız r' = k(3[A])²([B]/2) = (9/2) · k[A]²[B]. Hız 4,5 katına çıkar.

Örnek 2. Bir tepkimenin ileri aktifleşme enerjisi 80 kJ, geri aktifleşme enerjisi 30 kJ'dür. Tepkimenin ΔH değeri nedir ve tepkime hangi türdendir?

Çözüm: ΔH = Ea(ileri) − Ea(geri) = 80 − 30 = +50 kJ. ΔH > 0 olduğundan tepkime endotermiktir.

Örnek 3. 2 L'lik kapta N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) tepkimesi dengedeyken kapta 0,4 mol N₂, 1,2 mol H₂ ve 0,8 mol NH₃ bulunmaktadır. Kc değerini hesaplayınız.

Çözüm: Derişimler: [N₂] = 0,2 M, [H₂] = 0,6 M, [NH₃] = 0,4 M. Kc = (0,4)² / (0,2 · 0,6³) = 0,16 / (0,2 · 0,216) = 0,16 / 0,0432 ≈ 3,7.

Örnek 4. 1 L'lik kaba 2 mol CO(g) ve 2 mol H₂O(g) konuyor. CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g) tepkimesi için Kc = 9 ise dengede kaç mol CO₂ bulunur?

Çözüm: x mol CO harcanırsa dengede CO ve H₂O 2 − x, CO₂ ve H₂ x mol olur. Kc = x² / (2 − x)² = 9 → x / (2 − x) = 3 → x = 6 − 3x → x = 1,5 mol CO₂.

Örnek 5. 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g), ΔH < 0 tepkimesi dengededir. Sıcaklık artırılırsa ve sabit sıcaklıkta kap hacmi küçültülürse denge nasıl etkilenir?

Çözüm: Tepkime ileri yönde ekzotermik olduğundan sıcaklık artışında denge girenler yönüne kayar ve K küçülür. Hacim küçültülünce basınç artar; denge gaz mol sayısının az olduğu yöne, yani 3 mol gazdan 2 mol gaza giden ürünler yönüne kayar, K değişmez.