Tek Basamaklı Tepkimelerde Hız Denklemi ve Enerji Değişimi

Konu Özeti

Kimyasal tepkimeler enerji alışverişiyle gerçekleşir ve hızları çeşitli faktörlere bağlıdır. Bu konuda entalpi değişimi, bağ enerjileri ve standart oluşum entalpileriyle ΔH hesaplanır. Tepkime hızı ise deneysel verilerle hız denklemine dönüştürülerek incelenir. Konu, enerji ve hız kavramlarının birlikte kullanıldığı bir köprüdür.

Temel Kavramlar

Fiziksel ve kimyasal olaylarda enerji alınır ya da verilir. Sabit basınçta ısı alışverişi entalpi değişimi (ΔH) ile gösterilir. ΔH < 0 ise tepkime ekzotermik, ΔH > 0 ise endotermiktir.

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

ΔH° = ΣΔHf°(ürünler) − ΣΔHf°(girenler)

Standart haldeki elementlerin (H₂(g), O₂(g), C(grafit) gibi) standart oluşum entalpisi sıfırdır. Toplamları alırken her maddeyi denklemdeki katsayısıyla çarpmayı unutma.

• Deney (KİM.11.1.1): Kalorimetre kabında NH₄NO₃ suda çözünürken sıcaklık düşer (endotermik), NaOH çözünürken sıcaklık artar (ekzotermik).
• Kalorimetrede ortama aktarılan ısı q = m · c · ΔT ile hesaplanır.
• Hipotez (KİM.11.1.2): Yakıtların enerji kaynağı olma potansiyeli, birim kütle başına verdikleri enerjiyle karşılaştırılır. Örneğin 'Aynı kütlede H₂, CH₄'ten daha çok enerji verir' hipotezi test edilebilir.

• Çarpışma teorisi: Tepkime için taneciklerin çarpışması gerekir, ancak her çarpışma tepkime vermez.
• Etkin çarpışma için taneciklerin enerjisi aktivasyon enerjisine (Ea) eşit ya da büyük olmalı ve doğru geometriyle çarpışmalıdır.
• Aktivasyon enerjisi küçük olan tepkime daha hızlı gerçekleşir.
• Tepkime hızı, birim zamanda girenlerin derişiminin azalması ya da ürünlerin derişiminin artmasıdır. Birimi mol/(L·s) = M/s'dir.

aA + bB → cC için hız = −(1/a)·Δ[A]/Δt = −(1/b)·Δ[B]/Δt = (1/c)·Δ[C]/Δt

Zamanla değişim (KİM.11.1.6): Girenlerin derişimi tepkime ilerledikçe azalır, bu yüzden hız genellikle zamanla azalır. Ürün derişimi artar, ancak artış hızı giderek yavaşlar. Girenlerden biri tükendiğinde hız sıfıra yaklaşır.

Sık yapılan hata: Katalizör ΔH'yi ve ürün miktarını değiştirmez, yalnızca Ea'yı düşürür. Sıcaklık artışı hız sabiti k'yı değiştirir, derişim artışı ise k'yı değiştirmez.

Hız denklemi (hız bağıntısı), tepkime hızı ile girenlerin derişimleri arasındaki ilişkiyi gösterir. Tek basamaklı tepkimede hız denklemi doğrudan denklemdeki katsayılardan yazılır (KİM.11.1.8).

aA + bB → ürün (tek basamak) için hız = k·[A]^a·[B]^b

• k: hız sabiti. Sıcaklığa ve katalizöre bağlıdır, derişime bağlı değildir.
• Üsler, o maddeye göre tepkime mertebesidir. Toplam mertebe üslerin toplamıdır.
• Katı ve saf sıvılar hız denkleminde yer almaz.
• Deneysel veriden mertebe: Diğer maddenin derişimi sabit tutulan iki deneyde hızların oranı, derişimlerin oranının kaçıncı kuvvetiyse mertebe odur. Derişim 2 katına çıkınca hız değişmezse mertebe 0, 2 katına çıkarsa 1, 4 katına çıkarsa 2'dir.
• k, bulunan hız denkleminde herhangi bir deneyin verileri yerine konarak hesaplanır.