AYT kimyasal tepkimelerde hız konu anlatımı kapsamında çarpışma teorisi, tepkime hızının ölçülmesi, hız bağıntısı, tepkime mekanizmaları ve hıza etki eden faktörler işlenecektir.
AYT kimya konularının tamamına AYT konu anlatımı arşivinden ulaşabilirsiniz.
Tepkimenin Gerçekleşmesi ve Çarpışma Teorisi
Taneciklerin Çarpışması
Bir kimyasal tepkimede giren maddelerin atomları yok olmaz; eski bağlar kırılır, tanecikler yeniden düzenlenir ve yeni bağlar oluşur. Bu değişimin başlayabilmesi için giren taneciklerin birbirine yaklaşarak çarpışması gerekir. Ancak her çarpışma ürün oluşturmaz. Tanecikler uygun olmayan yüzleriyle karşılaşabilir veya bağları değiştirecek kadar enerji taşıyamayabilir.
Birim zamanda gerçekleşen toplam çarpışma sayısı arttığında ürün oluşturma ihtimali de artar. Yine de hızı asıl belirleyen, toplam çarpışma değil etkin çarpışma sayısıdır. Derişim, gaz basıncı ve temas yüzeyi çoğunlukla taneciklerin karşılaşma sıklığını; sıcaklık ise hem karşılaşma sıklığını hem de yeterli enerjiye sahip tanecik oranını etkiler.
Etkin Çarpışma ve Uygun Yönelim
Ürün oluşturan çarpışmaya etkin çarpışma denir. Bir çarpışmanın etkin olabilmesi için iki koşul birlikte sağlanır: tanecikler gerekli bağ değişimine uygun bir yönelimle karşılaşmalı ve çarpışma enerjileri belirli bir eşik değere ulaşmalıdır. Koşullardan yalnız birinin sağlanması yeterli değildir.
Yönelim özellikle çok atomlu taneciklerde önemlidir. Örneğin A–B ile C taneciğinin A–B+C→A+B–C tepkimesini vermesi için C’nin çoğunlukla B ucuna yaklaşması gerekir. C, A ucuna çarparsa enerjisi yüksek olsa bile bağ değişimi gerçekleşmeyebilir. Bu nedenle aynı sıcaklıkta yapılan çarpışmaların yalnız bir bölümü ürüne dönüşür.
I. Çarpışmaların büyük bölümü uygun yönelim taşımıyor olabilir.
II. Çarpışan taneciklerin büyük bölümü eşik enerjinin altında olabilir.
III. Her çarpışmanın ürün vermesi gerekmez.
yargılarından hangileri doğrudur?
B) Yalnız II
C) I ve III
D) II ve III
E) I, II ve III
A–B+C→A+B–C tepkimesinde üç çarpışmanın enerjileri sırasıyla E1>Ea, E2>Ea ve E3<Ea‘dır. Görselde yalnız II. çarpışmada C taneciği B ucuna yönelmiştir. Buna göre yalnız hangi çarpışma etkin olabilir?
B) II
C) III
D) I ve II
E) II ve III
Aktivasyon Enerjisi ve Aktifleşmiş Kompleks
Girenlerin ürüne dönüşebilmesi için aşması gereken en küçük enerji engeline aktivasyon enerjisi (Ea) denir. Çarpışan taneciklerin kinetik enerjisi bu değerin altında kalırsa uygun yönelim bulunsa bile tepkime gerçekleşmez. Ea büyüdükçe aynı sıcaklıkta engeli aşabilen tanecik oranı azalır ve tepkime genellikle yavaşlar.
Eski bağların kısmen zayıfladığı, yeni bağların ise kısmen oluştuğu çok kısa ömürlü en yüksek enerjili düzene aktifleşmiş kompleks ya da geçiş hâli denir. Bu düzen kararlı bir madde gibi kapta biriktirilemez; girenlere geri dönebilir veya ürünlere ilerleyebilir. Aktivasyon enerjisi, girenlerin enerji düzeyi ile aktifleşmiş kompleksin enerji düzeyi arasındaki farktır.
Potansiyel Enerji–Tepkime Koordinatı Grafikleri
Potansiyel enerji–tepkime koordinatı grafiğinde düşey eksen enerji düzeyini, yatay eksen tepkimenin girenlerden ürünlere ilerleyişini gösterir; yatay eksen zaman değildir. Eğrinin tepe noktası aktifleşmiş komplekstir. İleri aktivasyon enerjisi tepe ile girenler, geri aktivasyon enerjisi tepe ile ürünler arasındaki farktır.
Tepkime entalpisi ΔH=Hürünler−Hgirenler olduğundan ΔH=Ea,ileri−Ea,geri bağıntısı da yazılabilir. Ürünler daha aşağıdaysa tepkime ekzotermik (ΔH<0), daha yukarıdaysa endotermiktir (ΔH>0). Aktivasyon enerjisi negatif olamaz; ΔH ise pozitif, negatif veya sıfır olabilir.
Grafikteki tepkime için Ea,ileri, Ea,geri ve ΔH değerleri sırasıyla kaç kJ’dür?
B) 110, 60, −50
C) 150, 90, +60
D) 60, 110, +50
E) 190, 240, −50
Tepkime Hızı ve Ölçülmesi
Tepkime Hızının Tanımı ve Birimleri
Tepkime hızı, bir tepkime sırasında ölçülebilen bir niceliğin birim zamandaki değişimidir. Bu nicelik mol sayısı (n), molar derişim ([X]), kütle (m), gaz hacmi (V), basınç (P), renk şiddeti, pH veya iletkenlik olabilir. Örneğin derişim üzerinden hız için mol·L−1·s−1, gaz hacmi üzerinden hız için mL/s kullanılabilir.
Birimin seçimi deneyde izlenen büyüklüğe bağlıdır. Tepkime hızı ile tepkimenin sonunda oluşan ürün miktarı aynı kavram değildir: hız, belirli bir miktara ne kadar sürede ulaşıldığını; son miktar ise başlangıç miktarları ve sınırlayıcı maddeyi anlatır.
B) 15 mL/s
C) 30 mL/s
D) 450 mL/s
E) 13 500 mL/s
Girenlerin Tükenme, Ürünlerin Oluşma Hızı
Tepkime ilerlerken girenlerin miktarı azaldığı için Δ[giren] negatiftir; ürünlerin miktarı arttığı için Δ[ürün] pozitiftir. Hızın pozitif bir büyüklük olarak yazılması amacıyla giren türün değişiminin önüne eksi işareti konur: −Δ[A]/Δt. Ürün için +Δ[B]/Δt yazılır.
Türlerin ham değişim hızları denklemin katsayılarına göre farklı olabilir. 2 mol ürün oluşurken 1 mol giren harcanıyorsa ürünün oluşma hızı, girenin tükenme hızının iki katıdır. Bu fark tepkimenin birden fazla hızı olduğu anlamına gelmez; ortak hız için değişimler stokiyometrik katsayılara bölünür.
Stokiyometrik Katsayılarla Ortak Hız
aA+bB→cC+dD tepkimesinin ortak hızı r=−(1/a)Δ[A]/Δt=−(1/b)Δ[B]/Δt=(1/c)Δ[C]/Δt=(1/d)Δ[D]/Δt biçimindedir. a, b, c ve d denkleştirilmiş katsayılardır. Katsayıya bölmek, farklı türlerden hesaplanan değerleri aynı ortak hıza dönüştürür.
B) 0,030 ve 0,060
C) 0,060 ve 0,120
D) 0,060 ve 0,030
E) 0,120 ve 0,060
Ortalama Hız ve Anlık Hız
Ortalama hız, seçilen iki zaman arasındaki toplam değişimin geçen zamana bölünmesidir. Derişim–zaman grafiğinde iki noktayı birleştiren kirişin eğim büyüklüğüdür. Anlık hız ise tek bir andaki hızdır ve o noktada eğriye çizilen teğetin eğim büyüklüğünden bulunur.
Giren derişimi azaldığından grafiğin eğimi negatiftir; tükenme hızı pozitif bildirileceği için eğimin negatifi alınır. Tepkime ilerledikçe girenlerin derişimi ve etkin çarpışma sayısı çoğunlukla azaldığından eğri yatıklaşır, hız da küçülür.
B) 0,010
C) 0,015
D) 0,030
E) 0,450
K noktasındaki teğet (t=0 s, [A]=1,20 M) ve (t=60 s, [A]=0,30 M) noktalarından geçmektedir. 2A→B tepkimesinin K anındaki ortak hızı kaç mol·L−1·s−1‘dir?
B) 0,0075
C) 0,015
D) 0,030
E) 0,045
Hızın Deneysel Olarak İzlenmesi
Tepkime hızı, tepkime ilerledikçe düzenli değişen ve ölçülebilen bir özellik seçilerek bulunur. Renkli bir türün derişimi değişiyorsa kolorimetreyle renk şiddeti; çözeltide iyon sayısı değişiyorsa iletkenlik; H+ veya OH− miktarı değişiyorsa pH izlenebilir. Gaz oluşan ya da tüketilen kapalı sistemlerde, sıcaklık (T) ve hacim (V) sabitken basınç değişimi; açık bir gaz toplama düzeneğinde hacim değişimi ölçülebilir.
Basınç yönteminin işe yaraması için toplam gaz mol sayısının değişmesi gerekir. Örneğin H2(g)+Cl2(g)→2HCl(g) tepkimesinde toplam gaz mol sayısı değişmediğinden sabit T ve V’de toplam basınç tepkime ilerleyişini göstermez. Gazın sistemden kaçtığı bir düzende toplam kütle azalması da zamana karşı izlenebilir.
B) 2SO2(g)+O2(g)→2SO3(g)
C) H2(g)+Cl2(g)→2HCl(g)
D) 2NH3(g)→N2(g)+3H2(g)
E) CaCO3(k)→CaO(k)+CO2(g)
Tepkimelerin Doğal Hızlarının Karşılaştırılması
Aynı koşullarda farklı tepkimeler aynı hızda gerçekleşmez. Sulu çözeltide zıt yüklü iyonların birleşmesi çoğunlukla çok hızlıdır; taneciklerin yalnız yaklaşması yeterli olabilir. Kovalent moleküller arasındaki tepkimelerde bağların kırılması ve doğru yönelimin sağlanması gerektiğinden süreç daha yavaş olabilir. Çok sayıda güçlü bağın kırıldığı tepkimeler genellikle daha büyük enerji engeline sahiptir.
I. Ag+(suda)+Cl−(suda)→AgCl(k)
II. H+(suda)+OH−(suda)→H2O(s)
III. CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(g)
Buna göre en yavaş olması beklenen tepkime hangisidir?
B) Yalnız II
C) Yalnız III
D) I ve II
E) II ve III
Hız Bağıntısı ve Deneysel Belirleme
Hız Bağıntısı, Hız Sabiti ve Tepkime Derecesi
A ve B girenlerini içeren bir tepkimenin deneysel hız bağıntısı genel olarak r=k[A]x[B]y biçimindedir. r tepkime hızı, [A] ve [B] molar derişim, x ve y ilgili türe göre tepkime derecesi, k ise hız sabitidir. Toplam tepkime derecesi x+y’dir.
Bir türe göre derece sıfırsa o türün derişimi değişse bile incelenen koşullarda hız değişmez. Birinci derecede derişim iki katına çıkınca hız iki; ikinci derecede dört katına çıkar. k, derişimden bağımsızdır; sıcaklık ve katalizör değiştiğinde değişir. Saf katı ve saf sıvıların etkin derişimleri sabit kabul edildiğinden hız bağıntısına yazılmaz.
B) 3
C) 4,5
D) 6
E) 9
Tek Basamaklı ve Çok Basamaklı Tepkimelerde Hız Bağıntısı
Bir olay tek bir tanecik çarpışması düzeniyle gerçekleşiyorsa elementer (tek basamaklı) tepkimedir. Elementer basamakta giren katsayıları, hız bağıntısındaki üsleri verir. Örneğin 2A+B→ürünler tek basamaklıysa r=k[A]2[B] yazılır.
Net tepkime çoğu zaman birkaç basamağın toplamıdır. Böyle bir mekanizmalı tepkimede net denklem katsayıları hız bağıntısının üslerini doğrudan vermez. Hız bağıntısı deneysel veriden veya mekanizmanın hız belirleyen basamağından çıkarılır. Bu nedenle denklem verilmiş fakat “tek basamaklıdır” bilgisi verilmemişse katsayıları otomatik olarak üs yapmak bilimsel olarak doğru değildir.
Başlangıç Hızları Yöntemi
Başlangıç hızları yönteminde birkaç deneyin başlangıç derişimleri ve ölçülen ilk hızları karşılaştırılır. Bir girenin derecesini bulurken diğer girenlerin derişimleri aynı kalan iki deney seçilir. Derişim kaç kat değiştiyse hızdaki kat değişimi o kuvvete eşitlenir.
| Deney | [A] (M) | [B] (M) | İlk hız (M/s) |
|---|---|---|---|
| 1 | 0,10 | 0,10 | 2,0×10−3 |
| 2 | 0,20 | 0,10 | 8,0×10−3 |
| 3 | 0,20 | 0,30 | 2,4×10−2 |
Hız bağıntısı hangisidir?
B) 2,0 ve 3,6×10−2
C) 2,0 ve 1,8×10−1
D) 20 ve 3,6×10−1
E) 200 ve 3,6
Hız Sabitinin Birimi
k’nın birimi, hız bağıntısındaki toplam dereceye göre değişir. Hız birimi M/s ve toplam derece n ise [k]=M1−n·s−1 olur. Sıfırıncı derece için M·s−1, birinci derece için s−1, ikinci derece için M−1·s−1, üçüncü derece için M−2·s−1 yazılır.
B) L·mol−1·s−1
C) L2·mol−2·s−1
D) mol2·L−2·s−1
E) mol·L−1·s
Gazlarda Hacim, Basınç ve İnert Gaz Etkisi
Sıcaklık sabitken kap hacmi küçültildiğinde tepkimeye giren gazların derişimleri ve parsiyel basınçları artar. Hız bağıntısında yer alan gazların üslerine göre hız yükselir. Hacim iki katına çıkarılırsa her gazın derişimi yarıya iner; hız değişimi bütün derişim çarpanlarının birlikte uygulanmasıyla bulunur.
İnert gaz, tepkimeye katılmayan gazdır. Sabit hacim ve sıcaklıkta inert gaz eklemek toplam basıncı artırır fakat tepkime gazlarının n/V derişimlerini ve parsiyel basınçlarını değiştirmez; hız değişmez. Toplam basınç sabit tutulurken inert gaz eklenirse kap genişleyebilir, tepkime gazlarının derişimleri azalabilir ve hız düşebilir.
B) 4
C) 6
D) 8
E) 16
Tepkime Mekanizmaları
Elementer Basamak, Molekülerite ve Net Tepkime
Bir tepkimenin atom ve molekül düzeyinde gerçekleştiği ardışık adımlara tepkime mekanizması, her tek adıma elementer basamak denir. Basamaklar toplandığında iki tarafta bulunan türler sadeleşir ve net tepkime elde edilir.
Bir elementer basamakta aynı anda olaya katılan tanecik sayısına molekülerite denir. Bir tanecik unimoleküler, iki tanecik bimoleküler, üç tanecik termoleküler basamak oluşturur. Molekülerite yalnız elementer basamak için anlamlıdır; çok basamaklı net denklemin katsayı toplamına molekülerite denmez.
Yavaş Basamak, Ara Ürün ve Katalizör
Bir mekanizmanın toplam hızı en yavaş basamak tarafından sınırlandırılır; bu adıma hız belirleyen basamak denir. AYT düzeyindeki açık mekanizma sorularında yavaş basamak elementerse hız bağıntısı o basamağın girenlerinden yazılır.
Bir basamakta oluşup daha sonraki basamakta tüketilen, net denklemde bulunmayan türe ara ürün denir. İlk basamakta tüketilip sonraki basamakta yeniden oluşan ve net denklemde bulunmayan tür ise katalizördür. Ayırım, türün mekanizmaya hangi taraftan girdiğine bakılarak yapılır.
I. NO2 + NO2 → NO3 + NO (yavaş)
II. NO3 + CO → NO2 + CO2 (hızlı)
Buna göre hız bağıntısı, ara ürün ve net tepkime hangi seçenekte doğrudur?
B) k[NO2]2; NO3; NO2 + CO → NO + CO2
C) k[NO3][CO]; NO2; 2NO2 + CO → NO3 + NO + CO2
D) k[NO2]2[CO]; NO3; 2NO2 + CO → NO + CO2
E) k[CO]; NO3; NO2 + CO → NO + CO2
Çok Basamaklı Enerji Profilleri
Çok basamaklı enerji profilinde her tepe bir aktifleşmiş kompleksi, tepeler arasındaki her çukur bir ara ürünü gösterir. İki tepeli profil iki elementer basamak ve bir ara ürün; üç tepeli profil üç basamak ve iki ara ürün içerir. Her basamağın aktivasyon enerjisi, o basamağın başladığı düzey ile sonraki tepe arasındaki farktır.
En yüksek tepe her zaman en yavaş basamağı vermez; karşılaştırılması gereken, her basamağın kendi başlangıç düzeyinden tepesine kadar olan enerji farkıdır. En büyük aktivasyon engeline sahip basamak genellikle en yavaştır.
Grafikte giren, birinci ara ürün ve ikinci ara ürün enerji düzeyleri sırasıyla 20, 70 ve 40 kJ; üç tepe 80, 150 ve 100 kJ’dür. Hız belirleyen basamak hangisidir ve kaç ara ürün vardır?
B) I. basamak, 2
C) II. basamak, 2
D) III. basamak, 2
E) III. basamak, 3
Tepkime Hızına Etki Eden Faktörler
Madde Cinsi ve Bağ Yapısı
Girenlerin iyonik veya moleküler olması, bağların türü ve sayısı, fiziksel hâl ve kimyasal etkinlik tepkimenin doğal hızını etkiler. Zıt yüklü iyonların çözelti tepkimeleri çoğunlukla hızlı; çok sayıda güçlü kovalent bağın kırılmasını gerektiren tepkimeler daha yavaştır. Metallerin etkinlik farkı da aynı asitle tepkime hızlarını değiştirebilir.
Derişim ve Gaz Basıncı
Çözelti girenlerinin derişimi arttığında birim hacimdeki tanecik sayısı ve çarpışma sıklığı yükselir. Hızın kaç kat değişeceği yalnız “derişim arttı” bilgisiyle değil, hız bağıntısındaki üslerle belirlenir. Gazlarda sıcaklık sabitken gazın parsiyel basıncını artırmak derişimini artırmakla aynı yönde etki eder.
B) 2
C) 3
D) 6
E) 9
A(g)+B(g) tepkimesine aynı sıcaklıkta inert He gazı ekleniyor. I. kapta V (hacim) sabit, II. kapta hareketli pistonla P (toplam basınç) sabittir. Buna göre başlangıç hızları için hangi yorum doğrudur?
B) İkisinde de azalır.
C) I’de değişmez, II’de azalabilir.
D) I’de azalır, II’de değişmez.
E) I’de artar, II’de azalır.
Fiziksel Hâl ve Temas Yüzeyi
Farklı fazlardaki maddelerin tepkimesi yalnız temas ettikleri yüzeyde gerçekleşir. Aynı kütlede bir katı toz hâline getirildiğinde toplam yüzey alanı büyür; sıvı veya gaz tanecikleri katının daha çok noktasına çarpar ve hız artar. Karıştırma da yeni yüzeylerin tepkime ortamıyla temasını artırabilir.
Yüzey alanı tepkime süresini değiştirir, fakat başlangıç madde miktarları ve sınırlayıcı madde aynıysa teorik son ürün miktarını değiştirmez. Toz katı daha dik bir gaz hacmi–zaman eğrisi verir; aynı son hacimde daha erken yataylaşır.
Eşit kütlede X metali; I. kapta levha, II. kapta küçük parçalar, III. kapta toz hâlinde eşit hacim ve derişimde fazla HCl ile tepkimeye sokuluyor. Sıcaklıklar eşittir. İlk hız ve son H2 hacmi sıralaması hangisidir?
B) vI>vII>vIII; VI=VII=VIII
C) vIII>vII>vI; VIII>VII>VI
D) vI=vII=vIII; VIII>VII>VI
E) vII>vIII>vI; VII>VIII>VI
Sıcaklık ve Maxwell–Boltzmann Dağılımı
Sıcaklık arttığında taneciklerin ortalama kinetik enerjisi yükselir. Maxwell–Boltzmann dağılım eğrisi sağa doğru yayılır, tepesi alçalır ve aktivasyon enerjisinin sağında kalan alan büyür. Bu alan, Ea‘yı aşabilecek taneciklerin oranını temsil eder. Böylece etkin çarpışma sayısı ve hız sabiti k artar.
Sıcaklık artışı aktivasyon enerjisinin değerini veya tepkime yolunu değiştirmez; daha çok taneciğin mevcut engeli aşmasını sağlar. Hem endotermik hem ekzotermik tepkimelerin ileri ve geri hızları sıcaklıkla artar. Eğrilerin altında kalan toplam alan, karşılaştırılan örneklerdeki toplam tanecik sayısı eşitse aynıdır.
Grafikte L eğrisi K’ye göre daha basık ve sağa yayılmıştır. Buna göre,
I. TL>TK‘dir.
II. L’de Ea‘yı aşan tanecik oranı daha büyüktür.
III. Sıcaklık artışı Ea‘yı küçültmüştür.
yargılarından hangileri doğrudur?
B) Yalnız II
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III
Katalizör ve İnhibitör
Katalizör, daha düşük aktivasyon enerjili farklı bir mekanizma sağlayarak tepkime hızını artıran ve toplam süreçte yeniden oluşan maddedir. Katalizör hem ileri hem geri tepkime için enerji engelini düşürür; hız sabitini ve etkin çarpışma oranını artırır. Tepkimeyi yoktan başlatmaz, yalnız gerçekleşebilen tepkimenin daha kısa sürede ilerlemesini sağlar.
Katalizör giren ve ürünlerin enerji düzeylerini, ΔH’yi, tepkimenin endotermik/ekzotermik oluşunu ve dengeye ulaşıldığında bulunacak teorik ürün miktarını değiştirmez. Yalnız izlenen yolu ve dengeye ulaşma süresini değiştirir. Hızı azaltan maddelere inhibitör veya negatif katalizör denir.
B) Geri hız sabiti
C) İleri aktivasyon enerjisi
D) Etkin çarpışma oranı
E) Tepkime entalpisi
B) HCl’nin bir bölümünü ortamdan çekmek
C) Aynı kütlede CaCO3‘ü toz hâline getirmek
D) Sıcaklığı düşürmek
E) HCl yerine tepkime vermeyen bir çözelti eklemek
Sonraki Konu: Kimyasal Denge ve Le Chatelier İlkesi