Kimyasal Denge ve Dengenin Kayması

Konu Anlatımı

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu derste tepkimelerin neden çoğu zaman tamamen bitmediğini ve neden bir denge noktasında durduğunu öğreneceğiz. Bir tepkimenin hangi yönde ilerlediğini değil, dengeye geldiğinde tarafların hangi miktarlarda bulunduğunu hesaplamayı da öğreneceğiz.

Dersten sonra şunları yapabiliyor olmanız gerekiyor:

• Kazanım 1: Kimyasal dengeyi oluşma koşullarıyla tanımlar.
• Kazanım 2: Denge sabitini yazar ve derişimlerden hesaplar.
• Kazanım 3: Le Chatelier ilkesini gerekçesiyle açıklar.
• Kazanım 4: Derişim, basınç, sıcaklık ve katalizörün dengeyi nasıl etkilediğini ayırt eder.
• Kazanım 5: Dengede madde miktarı hesabı yaparak verimi yorumlar.

Ön bilgi: bundan önce gördüğümüz

Bu konu iki konunun üzerine kurulur. Birincisi Kimyasal Denklemler ve Denkleştirme Yöntemleri: denge tepkimesi de denkleştirilmiş bir denklemdir ve denge sabitindeki üslü sayılar bu katsayılardan gelir. İkincisi Tepkimelerde Hız ve Hızı Etkileyen Faktörler: denge, ileri ve geri tepkime hızlarının eşitlendiği noktadır.

Ayrıca madde miktarı hesabı da gereklidir. Denge hesabında mol sayısı bulunur, sonra mol kütlesiyle gramaja çevrilir. Bu iki adımın karıştırılması sık karşılaşılan bir hatadır.

• Kimyasal Denklemler ve Denkleştirme Yöntemleri — denge sabitindeki üslü sayılar buradan gelir.
• Tepkimelerde Hız ve Hızı Etkileyen Faktörler — dengeyi hızların eşitlenmesi olarak açıklar.
• Maddenin Hâlleri ve Hâl Değişimleri — gazların sıkıştırılması ve genlemesi olaylarını hatırlatır.

Kimyasal Denge Nedir?

Kimyasal denge, bir tepkimenin ileri ve geri yönlerinin aynı hızda gerçekleştiği, bu nedenle görünür olarak hiçbir değişim olmadığı hâldir. Denge dinamiktir: mikroskobik düzeyde iki yönde de tepkime sürmektedir, ancak iki hız eşit olduğu için toplam miktarlar değişmez.

Bir sistemin dengede olması için üç koşulun sağlanması gerekir. Birincisi kapalı sistem şartıdır: madde giriş çıkışı olmamalıdır. İkincisi dinamik denge şartıdır: ileri ve geri tepkimeler aynı anda ve aynı hızda sürmelidir. Üçüncüsü dengenin kararlılığıdır: denge bir kez kurulduktan sonra, dışarıdan bir etken yoksa değişmez.

Denge tepkimeleri çift yönlü okla gösterilir. Bu ok, tepkimenin iki yönde de yürüyebildiğini belirtir; aynı anda her iki yönde de tepkimenin gerçekleştiğini vurgular. Denge kurulduktan sonra reaktiflerin bir kısmı daima artık kalır; bu yüzden dengede hiçbir madde tamamen tükenmez. Kural şudur: bir madde tükendiğinde denge bozulur, ileri tepkime bir an için devam eder ve yeni denge oluşur.

Denge Sabiti (K_c)

Denge noktasında ürünler ile reaktiflerin derişimleri sabit bir oranı sağlar. Bu oran denge sabiti olarak adlandırılır ve K_c ile gösterilir. Denge sabiti, denklemde ürünlerin derişimlerinin çarpımının reaktiflerin derişimlerinin çarpımına bölümüdür; üslü sayılar denklem katsayılarıdır.

Denge sabiti yalnızca sıcaklığa bağlıdır. Reaktif derişimi, ürün derişimi, hacim ya da katalizör eklenmesi K_c değerini değiştirmez. Sıcaklık değişirse K_c değişir. Bu kural, denge sorularının en sık sorulan noktasıdır ve sınavda en çok karıştırılan ayrımdır.

Denge sabitinin sayısal değeri, dengeyi nitelemek için de kullanılır. K_c değeri büyükse denge ürünler tarafına kaymıştır, tepkime hemen hemen tamamlanmıştır denir. K_c değeri küçükse denge reaktifler tarafına kaymıştır, tepkimenin tamamlanma oranı düşüktür. K_c = 1 ise iki tarafın derişimleri eşittir.

Denge Sabitinin Hesaplanması

Denge sabiti hesaplanırken dengede bulunan derişimler kullanılır. Bunları iki yolla bulabiliriz. Birincisi doğrudan ölçüm: dengeye ulaşmış karışımın derişimleri analiz edilir. İkincisi bir denge tablosu kurmak: başlangıçtaki madde miktarları yazılır, değişen miktar x ile gösterilir ve denge satırına geçilir.

Denge tablosunda dört sütun bulunur: madde adı, başlangıç miktarı, değişim miktarı ve denge miktarı. Değişim satırında, denkleme göre bir madde azalırken diğeri artar. Azalan ve artan miktarların oranı, ilgili denklem katsayılarıyla aynı olmak zorundadır; bu, tabloyu denetlemenin en pratik yoludur.

Hesapta mol sayısı bulunduktan sonra derişime geçilir. Bu işlem hacim bölünerek yapılır. Önemli nokta şudur: denge hesabında derişimler kullanılır, ancak mol sayısı üzerinden denge tablosu kurulur. Bu iki birimi karıştırmak en sık hatalardan biridir.

Dengenin Bozulması ve Dengenin Kayması

Denge kurulduktan sonra sistem dışarıdan bir etkenle uyarılabilir; buna dengeyi bozma denir. Denge bozulduğunda sistem hemen yeni bir denge kurmaya çalışır. Le Chatelier ilkesi bu davranışı şöyle özetler: dengeyi bozan etkeni gidermeye yönelik bir kayma gerçekleşir.

Örneğin dengede bulunan bir karışıma daha fazla reaktif eklenirse sistem, eklenen reaktifi tüketmek yönünde kayar. Bir ürün çekilip alınırsa sistem, eksilen ürünü yeniden oluşturma yönünde kayar. Her iki durumda da etken azaltılmaya çalışılır. Kaymanın yönünü bulmak için iki soru sorulur: etken hangi maddeyi etkiliyor, bu etkiyi azaltmak hangi yöne tepkime yapmakla olur?

Kayma sırasında denge sabiti değişmez. Kayma yalnızca hangi tarafta ne kadar madde bulunacağını değiştirir. Kayma ile denge sabitinin değişmesi sıkça karıştırılır; aralarındaki farkı kavramak bu konunun anahtarıdır.

Etkileyen Faktörler

Birinci faktör derişimdir. Bir reaktifin derişimi artırılırsa denge, o reaktifi tüketmek yönünde kayar. Bir ürünün derişimi artırılırsa denge, o ürünü tüketmek yönünde kayar. Çözeltiden bir madne uzaklaştırılırsa denge, uzaklaştırılan maddeyi yeniden oluşturma yönünde kayar. Denge sabiti bu değişimlerde aynı kalır.

İkinci faktör basınçtır ve yalnızca gaz içeren dengelerde etkilidir. Gaz mol sayısı fazla olan taraf sıkıştırıldığında basınç artar ve denge, gaz mol sayısı az olan tarafa kayar. Bu ilkenin sonucu şudur: gaz içermeyen dengeye basınç değişimi etki etmez. Sıkıştırma işlemi tipik olarak gaz mol sayısını azaltarak verimi artırır.

Üçüncü faktör sıcaklıktır ve en etkili olanıdır. Sıcaklık artırıldığında denge endotermik yöne kayar; sıcaklık düşürüldüğünde denge eksotermik yöne kayar. Bu kural bir formülle değil, şu mantıkla anlaşılır: sistem, kendisine etki eden etkenin etkisini azaltmaya çalışır; sıcaklık artışını soğurma isteği endotermik yöne kaymayı gerektirir.

Dördüncü faktör katalizördür. Katalizör dengeyi etkilemez; yalnızca dengeye daha hızlı ulaşılmasını sağlar. Katalizör ileri ve geri tepkimeleri aynı ölçüde hızlandırdığı için denge noktası değişmez. Bu nedenle K_c değerli bir tepkime katalizör eklemek, denge hâlinde verimi artırmaz.

Denge hesabının sonucu genellikle verim olarak yorumlanır. Verim, teorik olarak elde edilebilecek ürün miktarına göre gerçekte elde edilenin oranıdır. Yüzde verim, gerçek verimin teorik verime bölünüp yüzde ile çarpılarak bulunur. Yüksek verim, denge koşullarının lehine ayarlanmasıyla artırılır.

Basit örnek

Aşağıdaki dengede verilen derişimlerden hareketle dengede kaç gram A maddesi bulunduğunu bulunuz. Tepkime: A(g) + B(g) ⇌ AB(g). Karışımın hacmi 2 L, dengede A için derişim 0,2 mol/L'dir.

Denge noktasında madde miktarı, derişim ile hacmin çarpımıdır. Bu yüzden hesap 0,2 × 2 = 0,4 mol olarak yapılır. A'nın mol kütlesi 40 g/mol olduğuna göre kütlesi 40 gramdır. Dikkat edilmesi gereken nokta, önce derişimin mi yoksa hacmin mi kullanılacağıdır; ikisi de aynı sonucu verir.

İleri örnek

Bir tepkimede A(g) + B(g) ⇌ AB(g) dengesi için 2 L'lik kapta dengede 0,4 mol A, 0,4 mol B ve 0,2 mol AB bulunmaktadır. Denge sabiti K_c kaçtır? Önce derişimler bulunur: 0,4 ÷ 2 = 0,2 mol/L; aynı işlem B için de yapılır ve 0,2 mol/L bulunur. AB için ise 0,2 ÷ 2 = 0,1 mol/L derişim elde edilir.

Denge sabiti ifadesi yazılır: K_c = [AB] ÷ ([A] × [B]). Yerine yazıldığında payda 0,04 olur. Bölme işlemi 0,1 ÷ 0,04 = 2,5 sonucunu verir. Bulunan K_c değeri 1'den büyük olduğu için denge ürün tarafına kaymıştır; yani tepkime büyük ölçüde tamamlanmıştır.

Adım adım çözülmüş örnek

Bir tepkimede N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) dengesi vardır. Kap hacmi sabit tutulmak koşuluyla kapa kapatılırsa denge nasıl değişir, gerekçesiyle açıklayınız.

Adım 1: Denkleştirilmiş denklemde gaz mol sayılarını yazın. Sol tarafta toplam gaz mol sayısı 1 + 3 = 4'tür; sağ tarafta 2 mol amonyak vardır.

Adım 2: İki tarafın gaz mol sayısını karşılaştırın. Fark 4 − 2 = 2 mol'dür; yani ürün tarafında daha az gaz molu bulunur.

Adım 3: Basınç değişimini belirleyin. Sabit sıcaklıkta kap hacmi küçültülürse gaz miktarı aynı kalır ve basınç artar.

Adım 4: Le Chatelier ilkesini uygulayın. Basınç artışı, sistemi basıncı düşürmeye çalışmaya yöneltir; basıncı düşüren yön gaz mol sayısının az olduğu yöndür.

Adım 5: Sonucu yorumlayın. Denge amonyak yönüne kayar ve amonyak verimi artar. Denge sabiti bu basınç değişiminden etkilenmez.

Kavram karşılaştırma tablosu

Sık Yapılan Hatalar

• Hata: Katalizörün dengeyi değiştirdiğini düşünmek: Katalizör yalnızca dengeye ulaşma süresini kısaltır. Doğrusu denge noktasının ve K_c değerinin değişmediğini kabul etmektir.
• Hata: Derişim değişince K_c değişir demek: K_c yalnızca sıcaklığa bağlıdır. Doğrusu derişim değişiminde denge kayar ama K_c'nin aynı kaldığını söylemektir.
• Hata: Basınç etkisini sıvılara da uygulamak: Basınç değişimi yalnızca gaz içeren dengelerde dengeyi kaydırır. Doğrusu gaz içermeyen dengelerde basıncın etkisiz olduğunu belirtmektir.
• Hata: Sıcaklık artışının her zaman endotermik yöne kaydığını unutmak: Kural endotermik yöne kayma yapar. Doğrusu endotermik yönü önce belirleyip sonra kayma yönünü söylemektir.
• Hata: Denge hesabında başlangıç derişimlerini kullanmak: Hesapta denge derişimleri kullanılır. Doğrusu önce bir denge tablosu kurup değişim miktarını x ile işaretlemektir.
• Hata: Dengede reaktiflerin tamamen tükendiğini düşünmek: Dengede her iki tarafta da madde bulunur. Doğrusu tükenen madde için dengenin geçici olarak bozulacağını kabul etmektir.
• Hata: Denge sabitini yazarken katsayıları üslü sayı olarak kullanmamak: K_c ifadesindeki üslü sayılar denklem katsayılarıdır. Doğrusu önce denklemi denkleştirip sonra ifadeyi yazmaktır.
• Hata: Verim hesabında yüzde işaretini atlamak: Oran değerini yüzde ile çarpma adımı unutulur. Doğrusu sonuç bulunduktan sonra yüzdeye çevirmeyi ayrı bir adım olarak yapmaktır.

Özet

Kimyasal denge, ileri ve geri tepkimelerin aynı hızda gerçekleştiği dinamik hâldir ve üç koşul ister: sistem kapalı olmalı, iki yön aynı hızda sürmeli ve denge kararlı olmalıdır. Denge noktasında ürün ve reaktif derişimlerinin belirli oranı denge sabiti K_c'yi verir; bu oran yalnızca sıcaklığa bağlıdır. K_c büyükse denge ürün, küçükse reaktif tarafına kaymıştır. Hesapta denge derişimleri kullanılır; bu değerler bir denge tablosu kurularak bulunur. Le Chatelier ilkesine göre dengeyi bozan etken, kendi etkisini azaltacak yöne kayma oluşturur. Derişim değişimi ve basınç değişimi dengeyi kaydırır ama K_c'yi değiştirmez; sıcaklık değişimi hem kaymayı hem K_c'yi değiştirir. Basınç etkisi yalnızca gaz içeren dengelerde görülür ve gaz mol sayısı az olan yöne kayma yaratır. Katalizör denge noktasını değiştirmez, yalnızca dengeye ulaşılma süresini kısaltır. Sonuçlar verim olarak yorumlanır; yüzde verim, gerçek verimin teorik verime bölünüp yüzde ile çarpılmasıyla bulunur.

Kendini dene

Dört çalışma sorusu hazırladık. Birincisi için verilen denge derişimlerinden K_c hesaplayın. İkincisi için gaz içeren bir dengede basınç değişiminin kayma yönünü gerekçesiyle yazın. Üçüncüsü için endotermik bir tepkimede sıcaklık artışının dengeye ve K_c'ye etkisini açıklayın. Dördüncüsü için verilen gerçek ve teorik verimden yüzde verimi hesaplayın. Puanlama şöyledir: hesabın doğru kurulması 4 puan, sayısal sonucun doğru bulunması 3 puan, yön gerekçesinin yazılması 2 puan, birimin yazılması 1 puan; her soru 10 puandır.

İlgili konular

Bu konu, denge sabitinin sayısal hesabını daha ileri taşıyan Asitler, Bazlar ve pH Hesabı konusuna temel oluşturur; asit baz dengesi de bir denge tepkimesidir. Kimyasal Enerji: Entalpi ve Isı Alışverişi konusundaki entalpi değişimi, sıcaklığın dengeyi neden yönlendirdiğini açıklar. Ayrıca Gazlar ve Plazma konusundaki basınç kavramı, sıkıştırmanın dengeye etkisinin anlaşılmasında gereklidir.