ORTAÖĞRETİM KİMYA 11.SINIF 5.ÜNİTE; KİMYASAL TEPKİMELERDE HIZ
1
Hız ölçüsünde dengeli olmak gerekir. Mantık ve muhakeme hıza feda edilmemelidir.
2
BAŞLIKLAR • 1.BÖLÜM: TEPKİME HIZLARI • 2.BÖLÜM: TEPKİME HIZINI ETKİLEYEN FAKTÖRLER
3
MADDELER NASIL TEPKİMEYE GİRER?
4
BİR TEPKİMENİN GERÇEKLEŞMESİ İÇİN GEREKEN ŞARTLAR • 1 – AKTİFLEŞME ENERJİSİ (Ea): Kimyasal tepkimenin başlaması için gerekli minimum enerjiye denir. Aktifleşme enerjisi ne kadar büyükse tepkime o kadar yavaş gerçekleşir. Aktifleşme enerjisi ileri veya geri tepkimenin gerçekleşebilmesi için eşik enerjisi olup negatif değer almaz. Radikal tepkimelerinde Ea 0’dır. 5
• 2 – UYGUN DOĞRULTUDA VE YÖNDE GAZ TANECİKLERİNİN ÇARPIŞMASI (ÇARPIŞMA TEORİSİ GAZLAR İÇİNDİR): Çarpışma meselesi gaz fazındaki maddeler için söz konusudur. Katı, sıvı ve çözeltilerde durum farklıdır. Kimyasal tepkimelerin gerçekleşebilmesi için gaz fazındaki reaktif maddelerin birbiriyle çarpışmaları gerekir. Gaz taneciklerin çarpışması sonucu kimyasal olayların olduğunu ifade eden teoriye çarpışma teorisi denir. 6
• Her çarpışan gaz taneciği kimyasal tepkime vermez. Uygun doğrultu, yön ve yeterli enerjide olan çarpışmada tepkime gerçekleşir. • Gaz molekülleri hareketleri sırasında birbirlerine çarpışmak için yaklaşırlar. Bu esnada kinetik enerjileri azalır, potansiyel enerjileri artar. • Gaz tanecikleri uygun çarpışma olduğunda, yüksek potansiyel enerjiye ulaşır. 7
• Bu sırada kararsız durumda (yüksek potansiyel enerjili) aktifleşmiş kompleks denilen ara ürün oluşur. Ara ürün; girenler ya da ürünlere dönüşür. Girenlere dönüşürse tepkime olmaz. Ürünlere dönüşürse tepkime olur. Potansiyel enerji azalır, kinetik enerji artar. • Tepkime hızı, gaz taneciklerinin etkin çarpışma sayısıyla doğru orantılıdır.
8
KENDİLİĞİNDEN OLUŞ VE ÇARPIŞMA TEORİSİ • “Kendiliğinden olan” tepkimelerde, uygun çarpışma doğaldır. Kendiliğinden denmesinin sebebi, sanki insan eli karışmadan olduğundandır. • “Çarpışma teorisi” denmesi de, çarpışmayı kaza anlamında alırsak şöyledir: Programda yazılı olan, aynen yazılı olduğu gibi oluyor. Başka bir ifadeyle kaderde olan kaza oluyor/çarpışıyor demektir. 9
ÇARPIŞMAMASI GEREKEN TANECİKLER İÇİN KONULAN ENGELLER • • • • • •
Maddenin hâli Birleşme kabiliyetinin olmaması Maddelerden birinin çok az olması Ea’nın yetersiz oluşu Çift yönlü oluş engeli Endotermik tepkime engeli 10
BİRLEŞME KABİLİYETİNİN OLMAMASI • Altın oksitlenmez. • Soy gazlar hiçbir maddeyle tepkime vermez. • Havada bulunan N2 gazı, inert (tepkimelere karşı ilgisiz) gazdır.
11
MADDELERDEN BİRİNİN MİKTARININ ÇOK AZ OLMASI • Havada hem N2 hem de H2 bulunur. Buna rağmen H2 miktarı az olduğu için, tepkime ekzotermik olduğu hâlde birleşmezler ve NH3 oluşmaz.
12
Ea’NIN YETERSİZ OLUŞU • Havada hem N2 hem de O2 bulunur. Yağmur yağdığında HNO3 (kezzap) oluşması için şartlar hazır olduğu hâlde, gerekli olan yüksek aktivasyon enerjisi (eşik enerjisi) sağlanmadığından HNO3 (nitrik asit) oluşmaz.
13
ÇİFT YÖNLÜ OLUŞ ENGELİ • H2O’nun iyonlaşma tepkimesi çift yönlüdür. 10 milyon H2O molekülünden yalnız 1 tanesi iyonlarına ayrışarak (OH)–1 ve H+1 iyonlarını oluşturur. H2O ⇌ (OH)–1 + H+1
14
ENDOTERMİK TEPKİME ENGELİ • Bütün yanma tepkimeleri ekzotermik olduğu hâlde azotun yanması endotermiktir. N2+2,5O2+H2O+yüksek sıcaklık⇌2HNO3 Bu nedenle havadaki N2 ve O2 birleşmezler. Kezzap oluşmaz.
15
YAVAŞ OLAN TEPKİMELERE ÖRNEKLER • 4Fe + 3O2 → 2Fe2O3 • H2O ⇌ (OH)–1 + H+1
16
YAVAŞ OLMASI BEKLENEN TEPKİMELERİN HIZLI OLMASI • 1 tane protein molekülünün; binlerce atomun uygun doğrultuda, simetrik ve zamanında çarpışmasıyla meydana geldiği düşünülecek olursa tepkime hızıyla ilgili yazılan kurallar, daha iyi anlaşılır...
17
GERÇEKLEŞTİRİLEMEYEN TEPKİMELERE ÖRNEKLER • Au + O2 → Gerçekleşmez. • He + O2 → Gerçekleşmez. • Ne + O2 → Gerçekleşmez. • Ar + O2 → Gerçekleşmez.
18
BİRLEŞME KABİLİYETLERİ OLMADIĞI HÂLDE ÖZEL ŞARTLARDA BİRLEŞTİRİLEREK GERÇEKLEŞTİRİLEN TEPKİMELERE ÖRNEKLER • Fe + Cr+3 → Fe+3 + Cr • 2H2O → 2H2 + O2 • N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 19
1.BÖLÜM: TEPKİME HIZLARI
20
TEPKİME HIZI • Tepkime hızı, maddenin birim zamanda miktarındaki değişmedir. Bu değişme tepkimeye girenler için azalma, ürünler için artma şeklindedir. Buradaki miktar; gram, kilogram, mol, hacim, molarite cinsinden alınabilir. Ancak hesaplarda genellikle molarite kullanılır. Zaman ise tepkimenin cinsine göre saniye, dakika, saat, gün, ay, yıl olabilir. 21
• Demirin paslanması çok yavaş gerçekleşirken dinamitin patlaması çok hızlı gerçekleşir. Bunun gibi her tepkimenin kendine özel bir hızı vardır. İki tür hızdan bahsedilebilir: • 1 – Ortalama hız • 2 – Anlık hız
22
TEPKİMELERDE HIZ TAKİBİ • Kimyasal tepkimelerin hızları tepkimenin cinsine göre basınç, renk, iletkenlik, ısı ve pH gibi değişmeler gözlenerek takip edilebilir. • Gaz fazındaki tepkimelerin hızı basınç değişmesi yardımıyla tespit edilir. • N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) tepkimeninda 4 mol gaz (1 mol N2 ve 3 mol H2) tepkimeye girip, 2 mol gaz oluşmaktadır. 23
• Zamanla mol sayısı azalmaktadır. Mol sayısıyla basınç doğru orantılı olduğundan basınç da azalır. Basıncın birden azalması ya da yavaş yavaş azalmasına göre tepkimenin hızı yorumlanabilir. • İyonlu çözeltilerin tepkimeleri elektrik akımı iletkenliği yardımıyla tespit edilebilir. • Kimyasal tepkimeye giren ya da tepkimeden çıkan maddelerden en az biri renkli ise renk değişimi yardımıyla tepkime hızı tespit edilebilir. 24
KİMYASAL TEPKİMELERDE HIZ DENKLEMİNİN ÇIKARILIŞI (HIZ İFADESİ) • Aşağıdaki tek basamaklı tepkimenin hız ifadesi, girenlerden gaz ve sulu çözeltilerin kat sayılarının molar derişime üs olarak yazılması ve k sabitiyle çarpılmasıyla bulunur. • 2A(g) + B(g) → C(g) + 2D(g) tepkimeu için hız ifadesi; RH = k [A]2[B] şeklindedir. 25
• k hız sabitidir. • Her tepkime için hız sabiti k’nın sayısal değeri farklıdır. • Katı ve sıvı maddelerin derişimleri sabit olduğundan tepkime hız denklemine yazılmazlar, sadece gazlar ve suda çözünmüş iyonların molar derişimleri hız bağıntısına yazılır. • Tek basamaklı denilmediyse deney yapılmadan hız ifadesi yazılamaz. 26
KATI VE SIVI MADDE DERİŞİMLERİ HIZ İFADESİNDE NİÇİN YAZILMAZ? • k (hız sabiti), katı ve sıvılar hesaba katılarak ayarlanmıştır. • Birim hacme düşen katı ve sıvı tanecik sayısı tepkimede değişmez.
27
TEPKİME HIZI ÇIKANLARIN DERİŞİMİ İLE DE İLİNTİLİ OLABİLİR • 2A(g) + B(g) → C(g) + 2D(g) tepkimeninun hız ifadesini RH = k [A]2[B] şeklinde yazabilmek için tepkimenin tek basamaklı olması lazımdır. • Şayet tepkime birden fazla basamaklı ise hız, çıkanların derişim ile de ilintili olabilir. • Bundan dolayı hız ifadesi deneysel bulunur. 28
KATALİZÖR, HIZ İFADESİNDE YER ALABİLİR Mİ? • Şayet tepkime birden fazla basamaklı ise katalizör, hız ifadesinde yer alabilir.
29
k HIZ SABİTİNE ETKİ EDEN FAKTÖRLER (k YALNIZ SICAKLIKLA DEĞİŞİR) • k hız sabiti, yalnız sıcaklıkla değişir. • Temas yüzeyi artınca hız da artar. “Hız arttığına göre k büyümüştür.” denilemez. Tepkimenin hızlanması, temas yüzeyinin k hız sabitini arttırmasından ötürü değildir; temas yüzeyi, mekanizmayı değiştirdiği için tepkime hızlanmıştır, k değişmemiştir. 30
• Bazı kaynaklardaki “Hız sabiti k’yı temas yüzeyi değiştirir.” şeklindeki bilgi yanlıştır. • Aynı meseleyi katalizör için de söyleyebiliriz. Katalizör, mekanizmalı tepkimelerde mekanizmayı değiştirir; bu nedenle tepkime hızlanır. Mekanizmalı tepkimelerde tepkimenin hızlanması, katalizörün k hız sabitini arttırmasından ötürü değildir; katalizör, mekanizmayı değiştirdiği için tepkime hızlanmıştır, k değişmemiştir. 31
• Dolayısıyla bazı kaynaklardaki “Hız sabiti (k), katalizör ile değişir.” şeklindeki bilgi de yanlıştır.
32
KADEMELİ TEPKİMELERDE HIZ (TEPKİME MEKANİZMASI) • Kimyasal tepkimelerin bir kısmı tek basamakta bir kısmı da birden fazla basamakta oluşur. Birden fazla basamakta gerçekleşen tepkimelerin (mekanizmalı tepkimeler, kademeli tepkimeler) hız denklemleri, en yavaş basamağa göre yazılır. Kademeli bir tepkimenin hızı en yavaş basamağın hızına eşittir; çünkü bir zincir en zayıf halkası kadar kuvvetlidir. 33
• Başka bir ifadeyle en yavaş yürüyenin adımıyla yürünmüştür. • Konu; “Korkunuz ki kimse korkmasın veya yalnız korkulacaktan korkulsun.” ile de eş anlamlıdır. • “Şayet korkuyorsanız, sizi düşman bilenler kaçmaktadır.” ise kanundan çıkaracağımız sosyal dersin başka bir boyutudur. • Doğru mekanizma önerilmelidir. Önerilen mekanizmanın verdiği hız ifadesiyle deneysel hız ifadesi örtüşmelidir. 34
• Mekanizmada önerilen maddeler deneyde gözlemlenemeyebilir; çünkü önerimdir. Gözlemlenmemesi önerilen mekanizmanın yanlışlığına delalet etmez. • Atomların, moleküllerin ve iyonların davranışlarına dayanarak, tepkimelerin gerçekleşme yollarının ayrıntılı olarak tanımlanmasına tepkime mekanizması denir.
35
MEKANİZMASIZ TEPKİMELER (MEKANİZMASI TEK BASAMAKLI OLAN TEPKİMELER) • Tek basamakta cereyan eden tepkimelere mekanizmasız tepkimeler veya mekanizması tek basamaklı olan tepkimeler denir.
36
TEPKİME DERECELERİ • Tepkimenin hız bağıntısından her bir maddenin derişimi üzerindeki üs o madde üzerinden tepkime derecesini (mertebesini), bu üslerin toplamı ise toplam tepkimenin derecesini verir. • RH = k[A] [B]2 olan bir kimyasal tepkime A maddesine göre birinci, B'ye göre 2. derecedendir. Tepkime toplam olarak 3. derecedendir (Tepkimeye göre 3. derecedendir). 37
• Tepkime dereceleri her zaman tam sayılı olmaz. 1/2’nci, 2/3’üncü, sıfırıncı vb. dereceler de olabilir. • Aşağıdaki tepkimenin hız ifadesini yazalım. Girenlerdeki maddeler katı ve sıvı olduğundan hız ifadesinde yer almaz. Hız, k’ya eşit olur. Hız ifadesi, Hız=k olarak yazılır; tepkime sıfırıncı derecedendir. Na(k) + H2O(s) → NaOH(suda) + 1/2H2(g) 38
2.BÖLÜM: TEPKİME HIZINI ETKİLEYEN FAKTÖRLER
39
TEPKİME HIZINI ETKİYEN FAKTÖRLER • • • • • • •
1. Maddenin cinsi 2. Temas yüzeyi 3. Derişim (Konsantrasyon) 4. Basınç – Hacim 5. Katalizör 6. Sıcaklık 7. Gaz taneciklerinin etkin çarpışma sayısı 40
• 1. MADDE CİNSİNİN TEPKİME HIZINA ETKİSİ • Kimyasal tepkimelerde, moleküller arasında ve molekül içinde kopan ve tekrar yeni düzenleme ile oluşan bağ sayısı ne kadar fazla ise çarpışma teorisine göre tepkime o kadar yavaş olur. • Nötr tepkimeler genellikle iyonlar arası tepkimelerden yavaş olur. 41
• Zıt yüklü iyonların tepkimeleri genellikle çok hızlı olur. • Organik bileşiklerin tepkimeleri genellikle çok yavaştır.
42
TEPKİMELERDE HIZLIDAN YAVAŞA DOĞRU ÖRNEKLER AgNO3(suda)+NaCl(suda)→AgCl(k)+NaNO3(suda) Fe(k) + 2Ag+1(suda) → Fe+2(suda) + 2Ag(k) 2H2 + O2 → 2H2O CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O C + O2 → CO2 4Fe + 3O2 → 2Fe2O3 43
• 2. TEMAS YÜZEYİNİN TEPKİME HIZINA ETKİSİ • Tepkimeye giren maddelerin temas yüzeyinin artmasıyla tepkime hızı artar. • Odunun kütük olarak yanması yavaş iken küçük parçalar veya talaş hâlinde yanması hızlıdır. Küp şekerin toz şekerden, onun da pudra şekerinden daha yavaş çözünmesinin sebebi de temas yüzeyidir. • Temas yüzeyi yerine yüzey alanı da denilebilir. 44
• 3. DERİŞİMİN TEPKİME HIZINA ETKİSİ • Tepkimeye giren maddelerin derişimleri arttıkça tepkime hızlanır, azaldıkça yavaşlar. • Kademeli tepkimelerde en yavaş basamaktaki girenlerin derişimi değiştirilirse hız değişir.
45
• 4. BASINÇ – HACİM DEĞİŞİKLİĞİNİN TEPKİME HIZINA ETKİSİ • Basınç veya hacim etkisi, derişim etkisi olarak da düşünülebilir. Hacim azalması veya artması derişimde değişmelere sebep olacağından hızı etkiler. • Gazlar arasındaki tepkimelerde basıncın artmasıyla (hacim azalmasıyla) tepkime hızı artar, basıncın azalmasıyla (hacim artmasıyla) tepkime hızı azalır. 46
• 5. KATALİZÖRÜN TEPKİME HIZINA ETKİSİ • Katalizörler, kimyasal tepkimeye girdiği gibi çıkan, tepkimenin hızını, aktifleşme enerjisini, mekanizmalı tepkimelerde mekanizmasını değiştiren, ΔH’a etki etmeyen maddelerdir. • Tepkime hızını arttıranlar pozitif katalizörler (aktivatör), yavaşlatanlar ise negatif katalizörlerdir (inhibitör). • Katalizör aktifleşme enerjisini (aşılması gereken engeli) düşürmüştür. 47
• Katalizör, mekanizmalı tepkimelerde mekanizmayı değiştirir, yavaş adım tepkimesi değiştiğinden dolayı hız ifadesi de değişir. Her bir tepkimenin kendine özgü k sabiti değeri olduğundan dolayı k sabiti de değişmiş olur. Değişen k, farklı bir tepkimenin k’sıdır. Aynı tepkimenin k’sı yalnız sıcaklıkla değişir. • Katalizör, tepkimelerde ok işaretinin üzerine yazılır. 48
• Katalizörler; başlamış ama yavaş olan başka bir ifadeyle zaten gerçekleşen tepkimeleri hızlandırır, gerçekleşmeyen tepkimenin gerçekleşmesini sağlayamazlar. • Katalizör olarak varsaydığımız madde kullanılmadığında şayet tepkime olmuyorsa o maddeye katalizör diyemeyiz. • Katalizörler az miktarda kullanılır, miktarı fazla olan madde katalizör olamaz. 49
• Enzimler, doğal biyolojik katalizörlerdir. • Kademeli tepkimelerde kullanılacak katalizör en yavaş basamağa uygun olacak şekilde seçilmelidir. • Mekanizmalı tepkimelerde katalizör, hız ifadesinde yer alabilir. • Katalizör, bazen hız ifadesinde yer alır, bazen almaz.
50
• Mekanizmalı tepkimelerde katalizör, yavaş adımın aktivasyon enerjisini (Ea) düşürmekle beraber, yavaş adım tepkimesi de değişir. Tek basamaklı tepkimelerde katalizör, aktivasyon enerjisini (Ea) düşürür.
51
• 6. SICAKLIĞIN TEPKİME HIZINA ETKİSİ • Hem endotermik hem de ekzotermik tepkimelerde sıcaklığın artmasıyla tepkime hızı artar. Yalnız polimerizasyon tepkimelerinde sıcaklık hızı azaltır. • 7. GAZ TANECİKLERİNİN ETKİN ÇARPIŞMA SAYISININ TEPKİME HIZINA ETKİSİ • Tepkime hızı, gaz taneciklerinin etkin çarpışma sayısıyla doğru orantılıdır. 52
N2O’DAN N2 VE O2 OLUŞUMU (KATALİZÖRSÜZ) • N2O(g) → N2(g) + O(g) • O(g) + N2O(g) → N2(g) + O2(g) • Bu iki denklem taraf tarafa toplanırsa aşağıdaki denklem elde edilir. • 2N2O(g) → 2N2(g) + O2(g) • Ara ürün O’dur; katalizör yoktur. 53
GENELLİKLE ARA ÜRÜNÜN GİRENLERDE OLDUĞU BASAMAK YAVAŞ ADIMDIR • SORU: 2N2O(g) → 2N2(g) + O2(g) şeklindeki tepkime denkleminin aşağıda mekanizması verilmiştir. N2O(g) → N2(g) + O(g) O(g) + N2O(g) → N2(g) + O2(g) Hız ifadesini yazınız. • CEVAP: İkinci basamak yavaş adımdır. 54
Hız=k [N2O] [O] olur. • Mekanizmalı tepkimelerde ara ürün genellikle hız bağıntısında yer alır.
55
N2O’DAN N2 VE O2 OLUŞUMU (KATALİZÖRLÜ) • Cl2(g) → 2Cl- (suda) • 2N2O(g) + 2Cl-(suda) → 2N2(g) + 2ClO-(suda) • 2ClO-(suda) → Cl2(g) + O2(g) • Bu üç denklem taraf tarafa toplanırsa aşağıdaki denklem elde edilir. • 2N2O(g) → 2N2(g) + O2(g) • Cl2 katalizördür; Cl- ve ClO- ara üründür. 56
ARA ÜRÜNÜN ÜRÜNLERDE OLDUĞU BASAMAK GENELLİKLE YAVAŞ ADIM OLAMAZ • SORU: Mekanizması aşağıda verilen 2N2O → 2N2+ O2 tepkime denklemine ait hız ifadesini yazınız. Cl2 → 2Cl2N2O + 2Cl- → 2N2 + 2ClO2ClO- → Cl2 + O2
57
• CEVAP: Hız=k [ClO-]2 Cl2 → 2Cl- (hızlı adım) 2N2O + 2Cl- → 2N2 + 2ClO- (hızlı adım) 2ClO- → Cl2 + O2 (yavaş adım) Birinci basamak yavaş adım olamaz; çünkü ara ürün ürünlerdedir (Cl-). İkinci basamak da yavaş adım olamaz; çünkü burada da ara ürün ürünlerdedir (ClO -). Sonuçta üçüncü basamağın yavaş basamak olduğu anlaşılır. 58