Tepkimelerde Hız ve Hızı Etkileyen Faktörler

Konu Anlatımı

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu derste kimyasal tepkimelerin ne kadar hızlı gerçekleştiğini ölçmeyi ve bu hızı belirleyen etkenleri değiştirerek tepkimeyi hızlandırmayı veya yavaşlatmayı öğreneceğiz. Bir yarışın hangi hızda kaldığını anlamak nasılsa, bir tepkimenin hızını bilmek de kimyada aynı şeyi ifade eder.

Dersten sonra şunları yapabiliyor olmanız gerekiyor:

• Kazanım 1: Tepkime hızını tanımlar ve birimleriyle birlikte yorumlar.
• Kazanım 2: Ortalama hız hesabını derişim değişiminden yararlanarak yapar.
• Kazanım 3: Çarpışma teorisini ve aktivasyon enerjisinin rolünü açıklar.
• Kazanım 4: Hızı etkileyen faktörlerin etkisini gerekçesiyle sıralar.
• Kazanım 5: İki deney arasındaki hız farkını sayısal olarak karşılaştırır.

Ön bilgi: bundan önce gördüğümüz

Bu konu üç başlığa dayanır. Birincisi kimyasal denklem: denklemden hangi maddenin ne kadar tüketildiğini okuruz. İkincisi madde miktarı ve derişim: bir çözeltideki maddenin hacme göre miktarı. Üçüncüsü bağ enerjileri: kuvvetli etkileşimler konusundan gelen, atomları bir arada tutan enerji bilgisi.

Ön bilginin son parçası sıcaklık ölçeğidir. Hızı etkileyen faktörlerden en güçlüsü sıcaklıktır; bu nedenle sıcaklık artışı ile hız artışı arasındaki ilişkiyi incelemek için Celsius ile Kelvin arasındaki dönüşüm hatırlanmalıdır.

• Kimyasal Denklemler ve Denkleştirme Yöntemleri — tüketilen ve oluşan madde miktarlarını bu denklemden okuruz.
• Kimyasal Türler ve Güçlü Etkileşimler — aktivasyon enerjisini kuvvetli etkileşimlerin toplamı olarak yorumlamamızı sağlar.

Tepkime Hızı Nedir?

Tepkime hızı, bir reaktifin belirli bir sürede ne kadar miktarda tüketildiğini, ya da bir ürünün belirli bir sürede ne kadar miktarda oluştuğunu gösteren bir büyüklüktür. Zaman payda, madde miktarı ise payda yer alır. Bu yüzden hız birimi miktar bölü zamandır; örneğin mol L⁻¹ s⁻¹ biçiminde yazılır.

Bir tepkimede birden fazla reaktif varsa hız için tek bir değer yeterlidir, çünkü reaktiflerin tüketim hızları ile ürünlerin oluşum hızları denklem katsayıları oranında birbirine bağlıdır. Denklemde A + B → C yazılıyorsa A'nın tüketim hızı ile C'nin oluşum hızı sayısal olarak aynıdır. Bu bağlantı, hızı ölçerken hangi maddenin ölçülebileceğini belirler.

Hız sabit bir ölçüm değildir; zamanla değişebilen bir değerdir. Reaktifler tükendikçe derişimleri düştüğü için hız da zamanla azalır. Bu nedenle hız için iki farklı tanım kullanılır: başlangıç hızı t = 0 anında ölçülen hızdır ve karşılaştırmalarda kullanılır; ortalama hız ise iki an arasındaki ortalama değerdir.

Hız Nasıl Ölçülür?

Bir tepkimenin hızı doğrudan miktar ölçülerek değil, zamanla değişen bir büyüklüğün eğiminden bulunur. En yaygın yöntem kütle, hacim veya derişim zamanına karşı grafiğinin çizilmesidir. Grafiğin eğimi hızı verir; eğim pozitifse ürün oluşumu, negatiftse reaktif tüketimi söz konusudur.

Ortalama hız hesabında önce derişim değişimi bulunur, sonra bu değişim geçen süreye bölünür. İşlem sırasında zaman diliminin uzunluğu hızı doğrudan etkiler; uzun zaman aralığında hesaplanan ortalama hız, aralığın başındaki ani hızdan küçüktür. Bu yüzden hız karşılaştırmalarında aynı zaman aralığı kullanılması gerekir.

Başlangıç hızı ise eğrinin t = 0 noktasındaki teğetinden okunur. Teğet çizmek pratikte zor olduğundan deneylerde genellikle ilk birkaç saniyede tüketilen miktar ölçülerek hız yaklaşık olarak kestirilir. Bu yöntem özellikle çok hızlı tepkimelerde tek uygulanabilir yöntemdir.

Hız Bağımlılık Denklemi ve Hız Sabiti

Deneysel ölçümler, bir tepkimenin hızının reaktiflerin derişimlerinin belirli kuvvetlerinin çarpımına bağlı olduğunu gösterir. Bu ilişki hız bağımlılık denklemi ile yazılır: v = k · [A]ᵐ · [B]ⁿ. Buradaki m ve n üslü sayılar, deneylerden bulunur; her bir reaktif için deneysel olarak belirlenir.

Üslü sayı, o reaktifi artırmanın hıza etkisini gösterir. Derişimin iki katına çıkarılması hızı iki katına çıkarıyorsa o reaktifin üslü sayısı 1'dir. Derişimin iki katına çıkarılması hızı dört katına çıkarıyorsa üslü sayı 2'dir. Bu nedenle üslü sayı deneylerden bulunur; tahmin edilmez.

Denklemdeki k değerine hız sabiti denir. Hız sabiti yalnızca sıcaklığa bağlıdır; reaktif derişimlerini değiştirmek k değerini değiştirmez. Bu ayrım sınavlarda sık sorulan bir ayrımdır: derişim artışı hızı artırır ama hız sabitini değiştirmez.

Çarpışma Teorisi ve Aktivasyon Enerjisi

Çarpışma teorisi, tepkimenin gerçekleşmesi için reaktif parçacıkların çarpışması gerektiğini ve her çarpışmanın ürün oluşturmak için yeterli olmadığını savunur. Yeterli enerjiyi taşıyan çarpışmalara etkin çarpışma, diğerlerine etkisiz çarpışma denir. Bir kıvılcımın çakı oluşturması bu mantığa benzer: her temas yeterli değildir, enerji eşiğini aşan temas işe yarar.

Tepkimenin gerçekleşmesi için aşılması gereken enerji eşiğine aktivasyon enerjisi denir. Aktivasyon enerjisi, moleküllerin yeterince hızlı ve doğru yönelmiş olmasını sağlayan enerji farkıdır. Başlangıçta enerji eşiğini aşan parçacık oranı çok azdır; bu yüzden tepkimeler başlangıçta yavaştır.

Katalizör, aktivasyon enerjisini düşürerek farklı ve daha kolay bir yol açar. Bu yol üzerinde enerji eşiğini aşabilen parçacık sayısı arttığı için tepkime hızlanır. Katalizörün üç önemli özelliği vardır: kendisi tüketilmez, toplam entalpi değişimini değiştirmez ve denge konumunu değiştirmez. Katalizör tepkimeyi yalnızca hızlandırır, yönünü değiştirmez.

Hızı Etkileyen Faktörler

Birinci faktör reaktifin derişimidir. Derişim arttıkça birim hacimde bulunan çarpışabilir parçacık sayısı artar, dolayısıyla hız artar. Bu nedenle sodyum hidroksit çözeltisini seyreltmeden kullanmak hızı artırır.

İkinci faktör sıcaklıktır ve etkisi en güçlüdür. Sıcaklık artışı, ortalama kinetik enerjiyi yükselttiği için enerji eşiğini aşan parçacık oranını hızla artırır. Deneysel gözlem şudur: her 10 °C sıcaklık artışında hız yaklaşık iki katına çıkar. Bu düzensiz artışın nedeni, aktivasyon enerjisi eşiğini aşan parçacık sayısının üstel biçimde artmasıdır.

Üçüncü faktör katı reaktifin yüzey alanıdır. Aynı kütledeki katı, parçalara ayrıldıkça toplam yüzey alanı artar ve hız artar. Bu yüzden toz demir, demir levhayla aynı kütlede olsa daha hızlı oksitlenir. Şekerin toz hâline getirilmesi de aynı amacı taşır: çözünme hızını artırır.

Dördüncü faktör katalizördür. Katalizör aktivasyon enerjisini düşürür, dolayısıyla hızı artırır. Endüstride katalizör kullanımının temel nedeni budur: reaksiyonun çok daha düşük sıcaklıkta ve daha kısa sürede gerçekleşmesini sağlar.

Beşinci faktör reaktifin cinsidir. Farklı maddeler farklı hızlarda tepkimeye girer; molekül yapısı ve bağ enerjileri farklı olduğu için aynı koşulda hızlar farklı olur. Bu nedenle iki deney karşılaştırılırken yalnızca hız değil, kullanılan maddelerin de aynı olup olmadığına bakılmalıdır.

Bu beş faktörü deneylerde ayırt etmek için kontrol değişkeni ilkesi kullanılır: her deneyde yalnızca bir faktör değiştirilir, diğerleri sabit tutulur. Böylece gözlenen hız farkının nedeni kesin olarak bilinir. Tüm faktörleri aynı anda değiştiren deney, hiçbir şey öğretmez.

Basit örnek

Bir tepkimede bir reaktifin derişimi 20 saniyede 0,40 mol/L değerinden 0,20 mol/L değerine düşmektedir. Ortalama tepkime hızı kaç mol L⁻¹ s⁻¹'dir? Önce derişim değişimi bulunur: 0,40 − 0,20 = 0,20 mol/L. Ardından bu değişim geçen süreye bölünür.

Bölme işlemi sonucunda 0,20 ÷ 20 = 0,010 mol L⁻¹ s⁻¹ bulunur. Burada hız için işareti eksi olan tüketim yerine değişimin mutlak değeri kullanılır; çünkü hız bir büyüklüktür ve negatif olamaz.

İleri örnek

Bir tepkimenin hızı 25 °C'de 0,020 mol L⁻¹ s⁻¹ olarak ölçülmüştür. Aynı derişimlerde tepkime 35 °C'de yapılırsa hız yaklaşık kaç olur? Uygulanan kural, her 10 °C sıcaklık artışında hızın iki katına çıkmasıdır.

25 °C'den 35 °C'ye geçişte sıcaklık 10 °C artmıştır. Bu nedenle hız bir kez iki katına çıkar: 0,020 × 2 = 0,040 mol L⁻¹ s⁻¹ bulunur. Sıcaklık artışı hızı iki katına çıkardığı için denge değişmez, yalnızca dengeye ulaşılan süre kısalır.

Adım adım çözülmüş örnek

Aynı reaktif kullanılarak yapılan iki deneyde, 40 saniye içinde A deneyinde 20 mol, B deneyinde 60 mol ürün oluşmuştur. B deneyinin hızı A deneyinin kaç katıdır ve hangi faktör değiştirilmiş olabilir?

Adım 1: Deney A'nın hızını bulun. 40 saniyede 20 mol ürün oluştuğuna göre 20 ÷ 40 = 0,50 mol/s elde edilir.

Adım 2: Deney B'nin hızını bulun. 40 saniyede 60 mol ürün oluştuğuna göre 60 ÷ 40 = 1,50 mol/s bulunur.

Adım 3: Hızları karşılaştırın. 1,50 ÷ 0,50 = 3 sonucu çıkar; yani B deneyinin hızı A deneyinin üç katıdır.

Adım 4: Değiştirilen faktörü yorumlayın. Süre ve ürün miktarı dışındaki tek fark değişken olmalıdır. Aynı reaktif kullanıldığına göre ya derişim üç katına çıkarılmıştır, ya da katalizör eklenmiştir ya da sıcaklık yükseltilmiştir. Nihai yorum deney kâğıdındaki ölçümlere bakılarak yapılır.

Kavram karşılaştırma tablosu

Sık Yapılan Hatalar

• Hata: Sıcaklığın iki katına çıkmasıyla hızın iki katına çıkacağını sanmak: Hız sıcaklığa doğrusal değil, üstel bağlıdır; doğrusu sıcaklıktaki her 10 °C artış için hızın yaklaşık iki katına çıktığını kullanmaktır.
• Hata: Derişim artışının hız sabitini değiştirdiğini düşünmek: Hız artar ama k sabit kalır; doğrusu k değerinin yalnızca sıcaklığa bağlı olduğunu kabul etmektir.
• Hata: Ortalama hızı reaktif için negatif yazmak: Tüketimde derişim azalır ama hız bir büyüklüktür; doğrusu değişimin mutlak değerini kullanmaktır.
• Hata: Katalizörün dengeyi değiştirdiğini düşünmek: Katalizör yalnızca hızı artırır, denge konumuna dokunmaz; doğrusu ileri ve geri tepkimeleri aynı ölçüde hızlandırdığını söylemektir.
• Hata: Ortalama hızı anlık hız sanmak: Uzun zaman aralığı seçildiğinde ortalama hız başlangıç hızından küçüktür; doğrusu aralığı kısaltarak yaklaşık değere yaklaşmaktır.
• Hata: Yüzey alanını değiştirmek yerine kütleyi değiştirmek: Aynı kütlede parçalama yapılması gerekir; doğrusu parça sayısını değiştirirken kütleyi sabit tutmaktır.
• Hata: Deneyde birden fazla faktörü aynı anda değiştirmek: Hız farkının nedeni bilinemez; doğrusu her deneyde yalnızca bir faktörü değiştirip diğerlerini sabit tutmaktır.
• Hata: Aktivasyon enerjisini tepkimenin gerektirdiği toplam enerjiyle karıştırmak: Aktivasyon enerjisi bir engeldir, toplam enerji değişimi değildir; doğrusu engeli aşan parçacık oranını düşünmektir.

Özet

Tepkime hızı, bir reaktifin belirli sürede tüketilen ya da bir ürünün belirli sürede oluşan miktarıdır ve birimi miktar bölü zamandır. Ortalama hız, derişim değişiminin geçen süreye bölünmesiyle bulunur; başlangıç hızı ise t = 0 anındaki değerdir. Hız bağımlılık denklemi, hızın reaktif derişimlerinin belirli kuvvetleriyle çarpımına bağlı olduğunu gösterir; denklemdeki hız sabiti yalnızca sıcaklığa bağlıdır. Çarpışma teorisine göre ürün yalnızca enerji eşiğini aşan etkin çarpışmalarda oluşur ve bu eşiğin adı aktivasyon enerjisidir. Katalizör bu eşiği düşürür, kendisi tüketilmez ve denge konumunu değiştirmez. Hızı belirleyen beş temel faktör derişim, sıcaklık, yüzey alanı, katalizör ve reaktifin cinsidir. Bu faktörleri ayırt etmek için her deneyde yalnızca bir faktörün değiştirildiği kontrol değişkeni ilkesi uygulanır.

Kendini dene

Dört çalışma sorusu hazırladık. Birincisi için bir tepkimenin ortalama hızını verilen derişim değişiminden hesaplayın. İkincisi için iki sıcaklık arasındaki hız farkını hesaplayın. Üçüncüsü için iki deney arasındaki hız oranını bulun ve değiştirilen faktörü gerekçesiyle yazın. Dördüncüsü için bir katalizörün hızı ve dengeyi nasıl etkilediğini açıklayın. Puanlama şöyledir: hesabın doğru kurulması 4 puan, sayısal sonucun doğru bulunması 3 puan, birimin yazılması 1 puan, gerekçeli yorum 2 puan; her soru 10 puandır.

İlgili konular

Bu konu, denge konusuna hazırlık niteliğindedir. Kimyasal Denge ve Dengenin Kayması konusunda bir tepkimenin hızının iki yönde dengelendiği ve dengeye ulaşma süresinin bu hızlara bağlı olduğu görülecektir. Kimyasal Enerji: Entalpi ve Isı Alışverişi konusundaki aktivasyon enerjisi ile entalpi kavramları birbirine karıştırılmamalıdır. Ayrıca Asitler, Bazlar ve pH Hesabı konusundaki nötrleşme tepkimeleri de hız açısından incelenebilir.