AYT kimyasal denge ve Le Chatelier ilkesi konu anlatımı kapsamında dinamik denge, denge sabitleri, tepkime kesri, denge hesaplamaları ve dengeye etki eden faktörler işlenecektir.
AYT kimya konularının tamamına AYT konu anlatımı arşivinden ulaşabilirsiniz.
Kimyasal Dengenin Kurulması
Tersinir Tepkime, Kapalı Sistem ve Sabit Sıcaklık
Bir kimyasal tepkimede girenler ürünlere dönüşürken ürünler de aynı koşullarda yeniden girenleri oluşturabiliyorsa olay tersinir tepkimedir. Tersinirlik çift yönlü okla gösterilir: aA+bB⇌ cC+dD. Sağa doğru olay ileri, sola doğru olay geri tepkimedir.
Dengenin kurulabilmesi için tepkimeye katılan maddelerin sistemden kaçmadığı kapalı sistem gerekir. Sıcaklık da sabit tutulur; çünkü sıcaklık hem ileri ve geri hız sabitlerini hem de denge sabitini etkiler. Kap açıksa gaz ürün sistemden uzaklaşabilir ve geri tepkime için gerekli ürün birikimi sağlanamayabilir. Benzer biçimde, dengedeki bir katı faz süzme gibi fiziksel bir işlemle ortamdan uzaklaştırılırsa başlangıçtaki kapalı denge koşulları korunmaz.
Dinamik Denge ve İleri–Geri Tepkime Hızları
Tepkime yalnız girenlerle başlatıldığında ileri tepkime hızı büyük, geri tepkime hızı sıfırdır. Girenler tükendikçe ileri hız azalır; ürünler biriktikçe geri hız artar. Bu iki hız eşitlendiğinde dinamik denge kurulur.
Denge anında tepkimeler durmaz. Birim zamanda ileri yönde tüketilen tanecik sayısı, geri yönde yeniden oluşan tanecik sayısına eşittir. Bu nedenle makroskobik olarak renk, basınç ve derişim sabit görünürken mikroskobik düzeyde iki yönlü dönüşüm sürer.
I. İleri ve geri tepkime hızları eşittir.
II. A ve B’nin molar derişimleri eşittir.
III. A ve B’nin molar derişimleri zamanla değişmez.
yargılarından hangileri kesinlikle doğrudur?
B) Yalnız II
C) I ve III
D) II ve III
E) I, II ve III
Denge Derişimleri ve Denge Grafikleri
Derişim, birim hacimdeki madde miktarıdır ve [A] gibi köşeli parantezle gösterilir. Yalnız girenlerle başlatılan bir tepkimede giren derişimleri azalır, ürün derişimleri artar; denge zamanından sonra her biri yatay bir değere ulaşır. Yatay değerlerin aynı yükseklikte olması gerekmez.
Bir türün grafiği sıfıra ulaşıyorsa o tür tamamen tükenmiştir. Böyle bir grafik, o aralıkta iki yönlü dinamik dengeyi değil tam verime yakın ilerleyen bir süreci gösterir. Denge grafiğinde ise tepkime denklemindeki bütün zorunlu türlerden denge anında bulunur.
Yalnız A ile başlatılan A(g)⇌2B(g) tepkimesine ait grafikler verilmiştir. Buna göre,
I. t anında ileri ve geri hızlar eşittir.
II. t anından sonra A ve B derişimleri eşittir.
III. t anından sonra A ve B tanecikleri arasındaki dönüşüm sürer.
yargılarından hangileri doğrudur?
B) Yalnız II
C) I ve III
D) II ve III
E) I, II ve III
Fiziksel–Kimyasal, Homojen–Heterojen Denge
Hâl değişimi veya çözünme gibi yeni kimyasal tür oluşturmayan dengeler fiziksel dengedir. Kapalı kaptaki H2O(s)⇌H2O(g) dengesi buna örnektir. Bağların değiştiği N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) ise kimyasal dengedir.
Dengedeki bütün türler aynı fiziksel fazdaysa homojen denge, birden fazla faz varsa heterojen denge adı verilir. H2(g)+I2(g)⇌2HI(g) homojen; CaCO3(k)⇌CaO(k)+CO2(g) heterojendir. Burada (k) katı, (s) sıvı, (g) gaz ve (suda) sulu çözelti fazını belirtir.
B) I2(k)⇌I2(g)
C) N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)
D) CaCO3(k)⇌CaO(k)+CO2(g)
E) Br2(s)⇌Br2(g)
Enerji ve Düzensizlik Eğilimlerinin Birlikte Değerlendirilmesi
Kimyasal sistemler daha düşük enerjiye ve enerjinin daha geniş dağıldığı daha olası tanecik düzenlerine yönelir. Ders düzeyinde bu iki etki minimum enerji ve maksimum düzensizlik eğilimleriyle ifade edilir. Isının bulunduğu taraf daha düşük enerjili tarafı, gaz tanecik sayısının fazla olduğu taraf ise genellikle daha düzensiz tarafı gösterir.
Bu ifadeler tek başına denge bileşimini sayısal olarak vermez. Dengenin hangi tarafta baskın olduğu sıcaklığa ve tepkimenin termodinamik özelliklerine bağlıdır; sayısal karşılık denge sabitinden anlaşılır.
Denge Bağıntısı ve Denge Sabiti
Derişimler Cinsinden Denge Sabiti (Kc)
aA(g)+bB(g)⇌cC(g)+dD(g) tepkimesinde derişimler cinsinden denge sabiti Kc=[C]c[D]d/([A]a[B]b) biçimindedir. Köşeli parantez denge anındaki molar derişimi, üsler denkleştirilmiş tepkimedeki katsayıları gösterir.
Kc, belirli bir tepkime denklemi ve belirli bir sıcaklık için sabittir. Başlangıç miktarları değişse sistem farklı bir yoldan ilerleyebilir; ancak aynı sıcaklıkta kurulan her denge, aynı Kc oranını sağlar. Mekanizmalı tepkimelerde bağıntı yavaş veya hızlı basamağa göre değil net denkleme göre yazılır.
B) [SO3]2/([SO2]2[O2])
C) [SO2]2[O2]/[SO3]2
D) 2[SO3]/(2[SO2]+[O2])
E) [SO3]2/([SO2][O2]2)
Saf Katı ve Saf Sıvıların Bağıntıya Alınmaması
Saf katı ve saf sıvıların birim hacimdeki etkin miktarı sabit kabul edildiğinden denge bağıntısına yazılmaz. Kc ifadesine gazlar ve sulu çözeltideki türler alınır. CaCO3(k)⇌CaO(k)+CO2(g) için Kc=[CO2] olur.
Katının bağıntıda bulunmaması, katının gereksiz olduğu anlamına gelmez. Dengenin o denklemle sürebilmesi için ilgili saf fazın ortamda bulunması gerekir. Katı tamamen tükenirse sistem artık aynı heterojen denge koşulunda değildir.
B) 0,20
C) 0,40
D) 2,0
E) 4,0
Kısmi Basınçlar Cinsinden Denge Sabiti (Kp)
Gaz karışımında bir gazın tek başına oluşturduğu basınca kısmi basınç denir ve PA ile gösterilir. Gaz tepkimelerinde denge bağıntısı kısmi basınçlarla yazılırsa Kp elde edilir. aA(g)+bB(g)⇌cC(g)+dD(g) için Kp=PCcPDd/(PAaPBb) olur.
Kp ifadesine yalnız gaz fazındaki türler yazılır. Katı, sıvı ve sulu türlerin kısmi gaz basıncı olmadığından bu bağıntıda yer almaz.
Kc ile Kp Arasındaki İlişki
İdeal gazlar için P=[gaz]RT olduğundan iki denge sabiti arasında Kp=Kc(RT)Δn ilişkisi vardır. R gaz sabiti, T kelvin cinsinden mutlak sıcaklık, Δn ise gaz ürün katsayıları toplamı−gaz giren katsayıları toplamıdır. Katı ve sıvı katsayıları Δn hesabına katılmaz.
Δn=0 ise (RT)0=1 olduğundan Kp=Kc olur. Δn pozitifse Kc, (RT)Δn ile çarpılır; Δn negatifse Kc, (RT)|Δn| değerine bölünür.
B) Kp=Kc(RT)
C) Kp=Kc
D) Kp=Kc/(RT)2
E) Kp=Kc/(RT)4
Tepkime Denklemi Değiştiğinde Denge Sabiti
Denge sabiti yazılan denkleme bağlıdır. Tepkime ters çevrilirse yeni sabit 1/K olur. Bütün katsayılar n ile çarpılırsa yeni sabit Kn olur. Birkaç tepkime toplanırsa toplam tepkimenin sabiti, kullanılan tepkimelerin dönüştürülmüş sabitlerinin çarpımıdır.
Bu kuralların nedeni denge bağıntılarının cebiridir. Denklem ters döndüğünde pay ile payda yer değiştirir; katsayılar n katına çıktığında bütün derişim üsleri n katına çıkar.
B) K1/K2
C) K2/K1
D) 1/(K1K2)
E) 1/(K12K2)
Denge Sabitinin Büyüklüğü
Kçok büyükse denge oranı paydaki ürünleri destekler ve denge ürünlerce zengindir. K çok küçükse girenler baskındır. K’nin 1 dolayında olması iki tarafın da önemli miktarda bulunduğunu gösterir.
K’nin büyüklüğü tepkimenin ne kadar hızlı olduğunu göstermez. Büyük K’li bir tepkime yavaş, küçük K’li bir tepkime hızlı olabilir; hız kinetik, denge bileşimi termodinamik bir özelliktir.
B) İkinci tepkime tam verimle gerçekleşir.
C) İlk dengede Y, ikinci dengede M baskındır.
D) Her iki dengede ürünler baskındır.
E) K değerleri denge bileşimi hakkında bilgi vermez.
Tepkime Kesri ve Denge Hesaplamaları
Tepkime Kesri (Qc) ve Tepkimenin İlerleyeceği Yön
Tepkime kesri Qc, Kc ile aynı cebirsel biçimde fakat sistemin herhangi bir andaki derişimleriyle hesaplanır. Qc=Kc ise sistem dengededir. Qc<Kc ise paydaki ürün oranı yetersizdir ve tepkime ileri yönde; Qc>Kc ise ürün oranı fazladır ve tepkime geri yönde ilerler.
→
→
B) Girenler yönünde
C) Sistem dengededir
D) Yalnız basınç bilinirse belirlenir
E) Yalnız katalizör eklenirse ilerler
Başlangıç–Değişim–Denge (ICE) Tablosu
Denge hesaplarında başlangıç bileşimi, tepkime boyunca değişim ve denge bileşimi ayrı satırlarda izlenir. Bu düzen uluslararası kullanımda ICE tablosu olarak adlandırılır: Initial (başlangıç), Change (değişim), Equilibrium (denge).
aA⇌bB tepkimesi ürünler yönünde x kadar ilerlerse A’daki değişim −ax, B’deki değişim +bx olur. Denge derişimleri başlangıç ile değişimin toplamıdır. Negatif derişim oluşturan kök fiziksel kabul edilemez.
| H2 | I2 | HI | |
|---|---|---|---|
| Başlangıç (M) | 0,40 | 0,40 | 0 |
| Değişim (M) | −x | −x | +2x |
B) 1
C) 2
D) 4
E) 16
Mol, Hacim ve Derişim Dönüşümleri
Kc ifadesine mol sayısı değil molar derişim yazılır. Bir türün molar derişimi [X]=nX/V bağıntısıyla bulunur; n mol sayısı, V litre cinsinden kap hacmidir. Kap 1 L değilse mol değerlerini doğrudan Kc‘ye yazmak hatalıdır.
Δn=0 olan gaz tepkimelerinde hacim çarpanları cebirsel olarak sadeleşebilir; yine de bu durum her denklem için otomatik varsayılamaz. Hesap, önce derişim dönüşümü yapılarak denetlenir.
B) [N2O4]=0,50 M; [NO2]=1,0 M
C) [N2O4]=0,50 M; [NO2]=0,50 M
D) [N2O4]=0,75 M; [NO2]=0,50 M
E) [N2O4]=1,0 M; [NO2]=2,0 M
Heterojen Denge Hesapları
Heterojen dengede yalnız bağıntıya giren gaz veya sulu türlerin derişimleri ve kısmi basınçları K’yi belirler. CaCO3(k)⇌CaO(k)+CO2(g) için Kp=PCO2‘dir. Her iki katı faz da bulunduğu sürece katı miktarını artırmak denge CO2 basıncını değiştirmez.
B) 0,20
C) 0,40
D) 0,80
E) Katı kütlesi bilinmeden bulunamaz
Le Chatelier İlkesi ve Dengeye Etki Eden Faktörler
Derişim Değişiminin Etkisi
Le Chatelier ilkesi, dengedeki sisteme bir etki uygulandığında sistemin bu etkinin sonucunu azaltan yönde net tepkime vererek yeni denge kurduğunu belirtir. Denge bağıntısında yer alan bir giren eklenirse Q küçülür ve sistem ürünler yönüne; denge bağıntısında yer alan bir ürün eklenirse Q büyür ve sistem girenler yönüne ilerler. Bu türlerden biri ortamdan uzaklaştırıldığında sistem o türü oluşturan yöne kayar. Saf katı ve saf sıvıların miktar değişimleri bu genellemenin dışındadır.
Derişim müdahalesi K’yi değiştirmez; çünkü sıcaklık ve tepkime denklemi aynıdır. Sistem yalnız bileşimini yeniden düzenleyerek aynı K oranına ulaşır.
X(g)+Y(g)⇌2Z(g) sistemi dengedeyken t1 anında yalnız X’in derişimi ani olarak artıyor. Yeni denge kuruluncaya kadar hangi değişim beklenir?
B) X ve Y azalır, Z artar.
C) X azalır, Y ve Z de azalır.
D) X sabit kalır, Y artar, Z azalır.
E) Bütün derişimler ilk denge değerine döner.
Sıcaklık Değişiminin Etkisi ve K’nin Değişmesi
Sıcaklık etkisi incelenirken ısı tepkime denkleminin bir bileşeni gibi düşünülür. Endotermik ileri tepkimede ısı girenler tarafında, ekzotermik ileri tepkimede ürünler tarafındadır. Sıcaklık arttırılınca sistem ısıyı tüketen endotermik yöne; azaltılınca ısı oluşturan ekzotermik yöne kayar.
Sıcaklık, denge sabitini değiştiren tek fiziksel etkidir. Endotermik ileri tepkimede sıcaklık artınca K artar; ekzotermik ileri tepkimede sıcaklık artınca K azalır. Yeni sıcaklıkta kurulan denge artık farklı K değerini sağlar.
B) Denge ürünlere kayar, K değişmez.
C) Denge girenlere kayar, K azalır.
D) Denge girenlere kayar, K artar.
E) Denge değişmez, yalnız hız artar.
| Sıcaklık (K) | Kc |
|---|---|
| 400 | 0,25 |
| 600 | 4,0 |
Buna göre hangisi doğrudur?
B) Sıcaklık artınca denge girenlere kayar.
C) İleri tepkime endotermiktir.
D) K, sıcaklıktan bağımsızdır.
E) 600 K’de tepkime daha yavaştır.
Basınç ve Hacim Değişiminin Etkisi
Sıcaklık sabitken gaz karışımının hacmi azaltılırsa bütün gazların derişimi ve kısmi basıncı ilk anda artar. Sistem bu basınç artışını azaltmak için gaz katsayıları toplamı daha az olan tarafa kayar. Hacim artırılırsa basınç azalır ve denge gaz katsayısı daha fazla olan tarafa kayar.
Karşılaştırmaya yalnız gazlar katılır. Her iki tarafta gaz katsayıları toplamı eşitse hacim değişimi Q/K oranını değiştirmez ve denge kaymaz. Hacim değişimi K’yi değiştirmez.
N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) dengesi sabit sıcaklıkta V hacminden V/2 hacmine sıkıştırılıyor. Yeni denge kurulurken hangisi gerçekleşir?
B) Denge ürünlere kayar ve K değişmez.
C) Denge ürünlere kayar ve K artar.
D) Denge kaymaz, bütün kısmi basınçlar ilk değerinde kalır.
E) Yalnız ileri ve geri hızlar azalır.
B) Denge H2 ve Cl2 yönüne kayar.
C) Denge kaymaz; bütün gazların kısmi basınçları ilk anda artar.
D) Kp azalır.
E) Kp artar.
İnert Gazın Sabit Hacim ve Sabit Basınçtaki Etkisi
İnert gaz, denge tepkimesine kimyasal olarak katılmayan gazdır. Sıcaklık ve hacim sabitken inert gaz eklenmesi toplam basıncı artırır; fakat tepkime gazlarının n/V derişimlerini ve Pi=niRT/V kısmi basınçlarını değiştirmez. Bu nedenle denge kaymaz.
Sıcaklık ve toplam basınç sabit tutulurken pistonlu kaba inert gaz eklenirse kap genişler. Tepkime gazlarının kısmi basınçları azalır ve olay hacim artışı gibi değerlendirilir: denge gaz katsayısı daha fazla olan tarafa kayabilir.
X(g)⇌2Y(g) dengesi aynı sıcaklıkta I. rijit kapta sabit hacimde, II. pistonlu kapta sabit toplam basınçta bulunuyor. Her iki kaba da tepkimeye girmeyen He gazı ekleniyor. Buna göre hangisi doğrudur?
B) I. kapta denge kaymaz, II. kapta Y yönüne kayar.
C) I. kapta Y yönüne, II. kapta X yönüne kayar.
D) Her iki kapta K artar.
E) Her iki kapta tepkime gazlarının kısmi basınçları değişmez.
Saf Katı ve Saf Sıvı Miktarının Etkisi
Saf katı veya saf sıvı miktarını değiştirmek, faz ortamda kaldığı sürece onun etkinliğini değiştirmez. Bu nedenle denge bağıntısında bulunmayan saf fazı eklemek ya da bir kısmını çıkarmak dengeyi kaydırmaz. Katının yüzey alanı dengeye ulaşma hızını etkileyebilir; denge sabitini ve son denge gaz basıncını etkilemez.
I. İki kaptaki Kc değerleri eşittir.
II. İki kaptaki son denge CO derişimleri eşittir.
III. I. kap dengeye daha kısa sürede ulaşır.
Buna göre yargılarından hangileri doğrudur?
B) Yalnız II
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III
Katalizörün Dengeye Etkisi
Katalizör, daha düşük aktivasyon enerjili alternatif yol sağlar. Aynı yolun ileri ve geri tepkimeleri birlikte kolaylaştığı için iki hız da artar. Sistem dengede değilse dengeye daha kısa sürede ulaşır; sistem zaten dengedeyse bileşim değişmez.
Katalizör K’yi, denge konumunu, denge derişimlerini ve tepkime entalpisini değiştirmez. Yalnız dengeye ulaşma süresini kısaltır.
B) Yalnız geri tepkime hızı
C) İleri ve geri tepkime hızlarının ikisi
D) Denge sabiti
E) Denge ürün miktarı
Denge Bozulduğunda Grafiklerin Yorumu
Derişim–Zaman Grafiklerinde Ani ve Kademeli Değişim
Derişim–zaman grafiğinde kaba doğrudan madde eklenmesi o türün eğrisinde ani yukarı sıçrama; ortamdan madde çekilmesi ani aşağı sıçrama oluşturur. Diğer türler, tepkime gerçekleştikçe kademeli olarak değişir. Hacim aniden azaltılırsa bütün gaz derişimleri aynı anda artar; sonraki kademeli değişim denge kaymasını gösterir.
Sıcaklık değişiminde hacim sabitse derişimler müdahale anında zorunlu olarak sıçramaz; yeni K değerine doğru tepkime ilerledikçe kademeli değişir. Grafik yorumunda ani sıçramanın hangi türlerde görüldüğü, müdahalenin niteliğini ayırt eder.
2A(g)⇌B(g) sistemi dengedeyken t1 anında grafikte yalnız [B] ani olarak azalıyor; ardından [A] azalırken [B] kademeli artıyor. Uygulanan işlem hangisidir?
B) Kaptan A çekilmesi
C) Kaba B eklenmesi
D) Kaptan B çekilmesi
E) Hacmin azaltılması
Hız–Zaman Grafiklerinde Yeni Dengenin Kurulması
Dengedeki sistemde ileri ve geri hızlar eşittir. Bir giren eklendiğinde ileri hız ilk anda sıçrar; geri hız, ürün henüz değişmediği için ilk anda aynı kalabilir. Tepkime ürünlere ilerledikçe ileri hız azalır, geri hız artar ve yeni bir ortak değerde eşitlenir.
Katalizör eklenmesi iki hızı da aynı anda artırır; denge bozulmaz. Sıcaklık değişimi ise ileri ve geri hız sabitlerini genellikle farklı oranlarda değiştirir, bu nedenle sistem yeni K değerine ulaşana kadar net tepkime verir.
Birden Fazla Etkinin Birlikte Değerlendirilmesi
Birden fazla etki aynı anda uygulandığında her etkinin Q ve K üzerindeki rolü ayrı belirlenir. Denge bağıntısında yer alan türlerin derişimini değiştiren müdahaleler Q’yu değiştirir. Hacim ve basınç değişimlerinin Q üzerindeki etkisi ise gazların denklem katsayılarına bağlıdır; gaz katsayıları toplamı iki tarafta eşitse sıkıştırma denge yönünü değiştirmez. Sıcaklık değişimi K’yi de değiştirir. Etkiler aynı yönü destekliyorsa sonuç kesindir. Zıt yönleri destekliyorsa sayısal veri olmadan net denge bileşimi kesinleştirilemeyebilir.
2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g)+ısı dengesinde hacmi azaltmak ve sıcaklığı düşürmek aynı anda ürünler yönünü destekler. Hacmi azaltıp sıcaklığı artırmak ise zıt yönlü iki etki oluşturur; baskın sonuç sayısal bilgi gerektirir.
B) Hacmi azaltma ve sıcaklığı artırma
C) Hacmi artırma ve sıcaklığı azaltma
D) SO3 ekleme ve sıcaklığı artırma
E) O2 çekme ve hacmi artırma
Sonraki Konu: Asit-Baz Dengesi ve pH Hesaplamaları