Kimyasal Tepkimelerin Gerçekleşme Şartları: Enerji, Entalpi, Hız ve Hız Denklemi

Konu Özeti

Kimyasal tepkimeler her zaman kendiliğinden gerçekleşmez; bir tepkimenin olabilmesi için hem enerji alışverişi hem de taneciklerin uygun çarpışması gerekir. Bu konuda önce enerji değişimini (ekzotermik ve endotermik olayları) öğreneceksin. Ardından entalpi hesaplamalarını ve tepkime hızını inceleyeceksin. Amaç, bir tepkimenin neden ve ne hızda gerçekleştiğini açıklayabilmektir.

Temel Kavramlar

Enerji değişimi: Olay sırasında ortama ısı veriliyorsa olay ekzotermiktir, ortamdan ısı alınıyorsa endotermiktir. Erime ve buharlaşma gibi fiziksel olaylar da, yanma gibi kimyasal olaylar da enerji değişimiyle gerçekleşir. Deneyde sıcaklık artıyorsa ekzotermik, azalıyorsa endotermik olay vardır.

Yakıt olma potansiyeli: Bir maddenin yakıt olarak kullanılabilmesi, mol veya kütle başına açığa çıkan ısıyla (yanma entalpisi) ilgilidir. Hipotez kurarken yanma ısısıyla birlikte bulunabilirlik, depolanabilirlik ve çevresel etki de değerlendirilir.

• Fosil yakıtlar (kömür, doğal gaz, petrol): yüksek enerji verir, ancak CO2 salar ve tükenebilir.
• Hidrojen: birim kütlede yüksek enerji verir, yanma ürünü sudur; depolanması zordur.
• Biyoyakıtlar (biyodizel, biyoetanol): yenilenebilir kaynaklardan elde edilir.

Bağ enerjileri ve entalpi: Bağ kırılması enerji gerektirir (endotermik), bağ oluşumu enerji açığa çıkarır (ekzotermik). Tepkime entalpisi, kırılan bağların enerjisi toplamı ile oluşan bağların enerjisi toplamı arasındaki farktır. Bu yöntem genellikle gaz halindeki tepkimelerde kullanılır.

ΔH = Σ(kırılan bağ enerjileri) − Σ(oluşan bağ enerjileri)

Çarpışma teorisi ve aktifleşme enerjisi: Tepkimenin olabilmesi için taneciklerin çarpışması gerekir; ancak her çarpışma tepkimeyle sonuçlanmaz. Etkin çarpışma için taneciklerin yeterli enerjiye (eşik enerjisi) ve uygun doğrultuya sahip olması gerekir. Tepkimenin başlaması için gereken minimum enerjiye aktifleşme enerjisi (Ea) denir.

Aktifleşme enerjisi ile entalpi arasındaki ilişki: İleri tepkime için Ea(ileri) = aktifleşmiş kompleks enerjisi − girenlerin enerjisidir. Ekzotermik tepkimede Ea(geri) > Ea(ileri) olur; endotermik tepkimede ise Ea(ileri) > Ea(geri) olur.

ΔH = Ea(ileri) − Ea(geri)

Standart oluşum entalpisi (ΔHf°): 25 °C ve 1 atm basınçta bir bileşiğin 1 molünün elementlerinden oluşması sırasındaki entalpi değişimidir. Standart haldeki elementlerin (O2, H2, C(grafit) gibi) ΔHf° değeri sıfırdır.

ΔH° tepkime = Σ n·ΔHf°(ürünler) − Σ m·ΔHf°(girenler)

• Tepkime ters çevrilirse ΔH'ın işareti değişir.
• Tepkime n ile çarpılırsa ΔH de n ile çarpılır.
• Hess yasası: Tepkime birkaç basamakta gerçekleşse de toplam entalpi değişimi aynıdır; basamak entalpileri toplanır.

Tepkime hızı: Birim zamanda giren madde derişiminin azalması ya da ürün derişiminin artması tepkime hızını verir. Girenlerin derişimi azaldıkça çarpışma sayısı ve hız zamanla küçülür. Derişim-zaman grafiğinde eğimin mutlak değeri hızı verir.

Ortalama hız = Δ[ürün]/Δt = −Δ[giren]/Δt (birim: mol/L·s)

aA + bB → cC + dD tepkimesinde madde hızları katsayılara oranlanarak eşitlenir: tepkime hızı = −(1/a)·Δ[A]/Δt = −(1/b)·Δ[B]/Δt = (1/c)·Δ[C]/Δt.

Hız denklemi: aA + bB → ürün için hız denklemi deneysel verilerle belirlenir; mertebeler katsayılardan değil deneyden bulunur. Çok basamaklı tepkimelerde hızı en yavaş basamak belirler. Katılar ve saf sıvılar hız denklemine yazılmaz.

Hız = k·[A]^x·[B]^y (toplam mertebe = x + y)