Reaksiyon Hizina Etki Eden Faktörler

[GuLCe]

REAKSİYON HIZINA ETKİ EDEN FAKTÖRLER
Tepkime verecek taneciklerin belirli düzende , yeterli enerji ile çarpışmaları gerekir .
● Birim zamandaki çarpışma sayısını artıran etmenler tepkimeyi hızlandırır .
● Çarpışan taneciklerden aktifleşme enerjisine sahip olanların sayısını artıran
etmenler tepkimeleri hızlandırır .

Kimyasal reaksiyonlar üzerinde yapılan incelemeler , reaksiyon hızına aşağıdaki faktörlerin etki ettiğini göstermiştir ;
1) Madde cinsinin etkisi
2) Derişimin etkisi
3) Sıcaklığın etkisi
4) Temas yüzeyinin etkisi
5) Katalizörün etkisi

1) Tepkimeye Giren Maddelerin Cinsinin Etkisi :

Tepkimeye giren maddelerin kimyasal ve fiziksel yapı ve özelliklerinin tepkime hızına etkisi çok önemlidir .
Tepkimeye giren maddelerin katı , sıvı ya da gaz halinde olması tepkime hızını etkiler . Çünkü gaz tanecikleri serbest hareket ettikleri için çarpışma ihtimali daha fazladır . Bu da gaz tepkimelerinin katı ve sıvı fazdaki tepkimelere göre çok hızlı yürümesine neden olur .

C₍k₎ + O₂₍g₎→ CO₂₍g₎ Yavaş
C₍s₎ + O₂₍g₎→ CO₂₍g₎ Hızlı
C₍g₎ + O₂₍g₎→ CO₂₍g₎ Çok hızlı

Tepkimeye giren maddeler yapısında kimyasal bağ kopması ve atomların yeniden düzenlenmesi gerekiyorsa bu tür tepkimelerde kopacak ve oluşacak bağ sayısı arttıkça tepkime hızı da azalır .
a) Çok sayıda bağın koptuğu ve yerine yeni bağların oluştuğu tepkimelerin eşik enerjileri büyük olduğundan yavaş gerçekleşirler.

ÖRNEK : CH₄ ve C₂H₆ gazlarının yanma tepkimelerini inceleyelim
CH₄ + 2O₂→ CO₂ + 2H₂O

H – C – H + 2 O = O → O = C = O + 2 H – O – H

C₂H₆ + 7/2 O₂→ 2CO₂ + 3H₂O

H – C – C – H + 7/2 O = O → 2 O = C = O + 3 H – O – H

2. tepkimede daha çok bağ koptuğundan daha yavaş gerçekleşecektir .
TH 1 > TH 2

b) Zıt yüklü iyonların elektriksel çekimine dayalı tepkimeler eşik enerjileri çok küçük olduğundan çok hızlı gerçekleşirler.

ÖRNEK: Ag⁺₍suda₎ + Cl⁻₍suda₎→ AgCl₍k₎

Tepkimesinde zıt yükler birbirini çok hızlı çekeceğinden tepkime çok hızlı gerçekleşir.

c) Çok sayıda taneciğin çarpışması ile gerçekleşen tepkimeler genellikle yavaş gerçekleşir.

ÖRNEK:
Cr₂O₇⁻²₍suda₎ + 6Fe⁺²₍suda₎ + 14H⁻₍suda₎→ 2Cr⁺³₍suda₎ + 6Fe⁺³₍suda₎ +7H₂O

Tepkimesinin gerçekleşebilmesi için çok sayıda çarpışmaya ihtiyaç olduğundan yavaş gerçekleşir.
Bu tepkimede çarpışması gereken taneciklerin bazılarının aynı yüklü olması da tanecikler arası itmeye sebep olacağından tepkimeyi yavaşlatır.

d) Katı fazda gerçekleşen tepkimeler yavaş ; sıvı fazdakiler katılara oranla hızlı ; gaz fazdaki tepkimeler ise en hızlıdır.

ÖRNEK: H₂₍g₎ + I₂₍g₎→ 2HI₍g₎ Hızlı
H₂₍g₎ + I₂₍k₎→ 2HI₍g₎ Yavaş

● İyon tepkimeleri , diğer tepkimelere göre daha hızlı gerçekleşmesi beklenir . Zıt yüklü iyonlar arasındaki tepkimelerin hızlı , aynı yüklü iyonlar arasındaki tepkimelerin yavaş yürümesi beklenir.
Sulu çözeltide yapılan iyon tepkimeleri hızlı oluşur . Bunun iki nedeni vardır . Birincisi ; iyonlar sulu çözelti içerisinde serbest hareket edebilirler . Serbest hareket ettikleri için çarpışma ihtimali fazladır . İkincisi ; zıt yüklü iyonlar birbirlerini çektikleri için en hızlı oluşan tepkimeler sulu çözeltide oluşan iyon tepkimeleridir .

ÖRNEKLER

1) Aynı şartlarda gerçekleşen aşağıdaki tepkimeleri oluşma hızlarına göre yavaştan hızlıya doğru sıralayınız
I. 2Fe₍k₎ + 3/2 O₂₍g₎→ Fe₂O₃₍k₎
II. H⁺₍suda₎ + OH⁻₍suda₎→ H₂O₍s₎
III. Fe⁺²₍suda₎ + Ce⁺⁴₍suda₎→ Fe⁺³₍suda₎ + Ce⁺³₍suda₎

ÇÖZÜM: I. Tepkime demirin paslanmasına ait tepkimedir ve bilindiği gibi çok yavaş gerçekleşen bir tepkimedir.
II . tepkime zıt yüklü iyonların çekimine dayalı çok hızlı gerçekleşen bir tepkimedir.
III . tepkime de aynı yüklü iyonlar arası elektron alışverişi söz konusudur. III . tepkime I . den hızlı , II . den yavaştır.
Sıralama I , III , II şeklindedir .

2) Aşağıdaki tepkimelerden hangisinin aynı şartlarda en hızlı gerçekleşmesi beklenir?
A) C₃H₈₍g₎ + 5O₂₍g₎→ 3CO₂₍g₎ + 4H₂O₍g₎
B) Na⁺₍suda₎ + Cl⁻₍suda₎→ NaCl₍k₎
C) 2Fe⁺²₍suda₎ + Cu⁺²₍suda₎→ 2Fe⁺³₍suda₎ + Cu₍k₎
D) H₂₍g₎ + 1/2 O₂₍g₎→ H₂O₍g₎
E) C₍k₎ + O₂₍g₎→ CO₂₍g₎

ÇÖZÜM:Birden fazla bağın koptuğu tepkimeler yavaş gerçekleşirler. Verilen tepkimeler içerisinde bu nedenle en yavaşı A ‘ dır.
E şıkkındaki gibi katı ve gaz fazı tepkimeleri de yavaş yürüyen tepkimelerdir.
Aynı yüklü iyonlar arasında bir itme ve elektron alıp verme söz konusu olduğundan bu tür tepkimelerde hız zıt yüklü iyonlarınkine göre yavaştır.
B şıkkındaki gibi zıt yüklü iyonların çekimi ile gerçekleşen tepkimeler ise en hızlı yürüyen tepkimelerdir.
Cevap B .

2) Derişimin Etkisi :

Tepkime kabında girenlerden en az birinin derişiminin artırılması birim hacimdeki tanecik sayısının artmasına neden olur . Bu durumda tanecikler arasındaki çarpışma sayısının artmasını sağlar . Çarpışmanın artması tepkimenin hızını arttırır .
Kısaca birim hacimdeki tanecik sayısı ( derişim ) arttırılırsa tanecikler sıklaşacağından çarpışma sayısı artar . Bunun sonucunda tepkimenin hızı artar .
Kimyasal bir tepkimenin hızı , tepkimeye giren taneciklerin birim zamandaki çarpışma sayıları ile doğru orantılıdır .
A₂ ve B₂ moleküllerinin bulunduğu bir kapta A₂ ile B₂ arasında,
A₂₍g₎ + B₂₍g₎→ 2AB₍g₎
Tepkimesi olsun . Kaba bir miktar daha A₂ molekülü eklersek , B₂ molekülleri ile çarpışma olasılığı ve dolayısıyla tepkime hızı artar . Yani hız, A₂ moleküllerinin derişimi ile orantılıdır .
Tepkime hızı α[ A₂]
Kaptaki B₂ moleküllerinin sayısını artırırsak , bu defa A₂ molekülleri , çarpışmak üzere daha fazla sayıda B₂ molekülü bulabilecekler ve böylece tepkime hızı B₂ nin derişimi ile de orantılı olacaktır .
Tepkime hızı α[ B₂]
Tepkime hızı hem [ A₂] hem de [ B₂] ile orantılı olduğundan ,
Tepkime hızı α[ A₂][ B₂]
Yazabiliriz . Bir orantı katsayısı ( k ) kullanılırsa ,
Tepkime hızı = k [ A₂][ B₂]
Olur. Bu eşitliğe hız denklemi ve eşitlikteki orantı katsayısı k ye hız sabiti denir. Bu sabit , sıcaklığa bağlı olarak değişir . Bağıntıdan anlaşılacağı gibi hız sabiti büyük olan tepkimelerin hızı da büyük olacaktır .

Derişimi arttırmak için ya molekül sayısı arttırılmalı ya da hacim küçültülmelidir .

ÖRNEK: 2X₂₍g₎ + 3Y₂₍g₎→ 2X₂Y₃₍g₎ tepkimesi tek basamakta gerçekleştiğine göre , tepkimede Y₂ ‘ nin derişimi 2 katına çıkartılırsa tepkime hızı kaç katına çıkar ?

ÇÖZÜM : Başlangıçta hız bağıntısı ;
TH₁ = k [ X₂]²[ Y₂]³
X₂→X₂
Y₂→ 2Y₂
TH₂ = k [ X₂]²[ 2Y₂]³
TH₂ = k [ X₂]²[ Y₂]³ 2³
TH₂ = 8 TH₁
Tepkime hızı 8 katına çıkar

3) Sıcaklığın etkisi :

Sıcaklık arttırıldığında tepkime verecek taneciklerin kinetik enerjileri , dolayısıyla hızları artacağından tanecikler birbirleriyle daha sık çarpışacaklardır . Çarpışmanın daha sık olması da , tepkimenin daha hızlı olması sonucunu verir .
Sıcaklık arttırıldığında tepkimelerin hızları da artar . Hızdaki bu artışı şöyle açıklayabiliriz ;
I. Taneciklerin hızı artacağı için birim zamandaki çarpışma sayısı artar ve tepkimenin hızı da artar .
II. Enerjisi , eşik enerjisinden yüksek olan yani aktifleşme enerjisi engelini aşan tanecik sayısının artması nedeniyle etkin çarpışma sayısı artar . Bu da tepkime hızının artmasına neden olur .
Tepkimeye giren taneciklerin sıcaklığı arttırılırsa , taneciklerin kinetik enerjileri dolayısıyla hızları artar . Çünkü kinetik enerji sıcaklıkla doğru orantılıdır .Hızı artan madde tanecikleri birbirleriyle ;
a) Daha çok çarpışma yaparlar
b) Yaptıkları çarpışmalar daha etkili olur
Bu iki nedenden dolayı tepkimenin hızı artar .
Etkili çarpışma olmasının nedeni , sıcaklık arttıkça taneciklerin enerjisinin artması dolayısıyla aktifleşme enerjisini aşan tanecik sayısının fazla olmasıdır . Enerjisi fazla olan tanecikler hızlı hareket eder . Hızlı hareket eden bu taneciklerin çarpışması ise daha etkili olur .

UYARI : Sıcaklık artınca tepkimenin eşik enerjisinin değeri değişmez , eşik enerjisini aşan tanecik sayısı artar .

Sıcaklık artışı hem ekzotermik hem de endotermik tepkimelerin hızını arttırır .
Aynı tepkime için değişik iki sıcaklıkta taneciklerin kinetik enerji dağılımı aşağıdaki gibidir :

Grafikte görüldüğü gibi T₂ eğrisinin altında kalan taralı alan T₁ eğrisinin altındaki taralı alandan daha büyüktür . Bu ise sıcaklık artışının eşik enerjisini geçen tanecik sayısını artırdığına işaret eder .

Kısaca sıcaklık arttıkça eşik enerjisini aşan tanecik sayısının artmasından dolayı tepkime hızı da artar .

ÖRNEKLER

1)
Yukarıdaki grafik bir gaz örneğinde T₁ , T₂ ve T₃ sıcaklıklarındaki kinetik enerji dağılımını göstermektedir .
Bu gaz örneği ile ilgili aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır ?

A) Sıcaklık yükseldikçe eşik enerjisinin değeri büyür .
B) Sıcaklık yükseldikçe eşik enerjisinin değerini aşan molekül sayısı artar .
C) Sıcaklık düştükçe ortalama kinetik enerji değeri küçülür .
D) T₁ sıcaklığı T₂ ‘ den yüksektir .
E) T₃ sıcaklığı T₂ ‘ den düşüktür .
( 1988 – ÖYS )
ÇÖZÜM : Eşik enerjisinin değeri sıcaklıkla değişmez .Sadece maddenin türüne bağlıdır .
Sıcaklığın artması eşik enerjisini aşan molekül sayısını artırır . Sıcaklığın düşmesi ise eşik enerjisini aşan molekül sayısını azaltır .
Üç eğri incelendiğinde eşik enerjisini geçen molekül sayısını gösteren eğrinin altındaki alanların büyüklükleri arasındaki ilişkiden T₁> T₂> T₃ olduğu görülmektedir.
CEVAP A

2) Bir kimyasal tepkimede sıcaklığın yükselmesi ile ;
I. Taneciklerin ortalama hızı
II. Tepkimenin entalpisi
III. Kinetik enerjisi
IV. Aktifleşme enerjisini aşan taneciklerin sayısı
Niceliklerinden hangileri artar ?
A) Yalnız I B) Yalnız II C) Yalnız III D) I , III , IV E) I , II , III

ÇÖZÜM : Sıcaklığın yükseltilmesi ile taneciklerin ortalama hızı , kinetik enerjisi , aktifleşme enerjisini aşan taneciklerin sayısı artar . CEVAP D
3)

2NO₂₍g₎→N₂O₄₍g₎ denklemine göre NO₂ gazı N₂O₄ gazına dönüşmektedir . NO₂ ‘ nin T₁ ve T₂ sıcaklıklarındaki kinetik enerji dağılımı grafikteki gibidir . Sıcaklık T₁ ‘ den T₂ ‘ ye getirildiğinde ;
I. Tepkime hızı
II. Ortalama kinetik enerji
III. Enerjisi eşik enerjisini aşan tanecik sayısı
Niceliklerinden hangileri artar ?
A) Yalnız I B) Yalnız II C) I ve II D) II ve III E) I , II , III

ÇÖZÜM : Grafik incelendiğinde sıcaklığın T₁’ den T₂ ‘ ye getirilmesi ile yüksek enerjili tanecik sayısı ve eşik enerjisini aşan tanecik sayısının arttığı görülmektedir . Öyle ise üç nicelikte de artma olur .
CEVAP E

4) Temas Yüzeyinin Etkisi :

Katı – sıvı ya da katı – gaz tepkimelerinde yüzey çok önemlidir . Çünkü , yüzey artırılırsa taneciklerin çarpışma ihtimali artacağından tepkimenin hızı da artar .
Katı maddeler kütleleri sabit kalmak şartıyla küçük parçalara bölündükçe yüzeyleri artar . Bu yüzeylerdeki taneciklerde çarpışma yapacağı için tepkime hızı artar .

I . kaptaki Zn metalinin yüzeyi küçük III. Kaptaki Zn metalinin yüzeyi toz halinde olduğu için daha büyüktür . Zn metali HCl çözeltisi ile tepkime vererek H₂ gazı açığa çıkarır . Ancak I . kapta Zn₍k₎ + 2HCl₍suda₎→ ZnCl₂₍k₎ + H₂₍g₎ tepkimesine göre gaz çıkışı yavaştır . III . kapta ise hızlıdır . Bu da yüzey arttıkça tepkime hızının artacağını gösterir .
II . kaptaki gaz çıkışı I . kaptakinden hızlı III . kaptakinden yavaştır .

● Tepkimeye giren maddelerin temas yüzeylerinin artması tepkime hızını arttırır , eşik enerjisini değiştirmez .

ÖRNEK : Aynı kütlede büyük parça , küçük parça ve toz halindeki çinko örnekleri , hacimleri ve molar derişimleri aynı olan HCl çözeltilerine ayrı ayrı konuluyor . Oluşan hidrojen hacminin zamana göre grafiği aşağıdaki gibidir . I , II ve III eğrilerin hangisi toz , hangisi küçük parça , hangisi büyük parça içindir ?

ÇÖZÜM : Tepkime başladıktan sonra üç eğri birbirinden ayrıldığına göre , tepkime hızları farklıdır . 1 dakika sonunda elde edilen H₂ gazının hacmi , I . eğri için V₁ , II . eğri için V₂ , III . eğri için V₃ ‘ tür . V₃> V₂> V₁ olduğuna göre , aynı zaman aralığında en fazla H₂ III ‘de , en az H₂ de I de toplanmaktadır .Öyleyse hızın en fazla olduğu III . eğri toz çinkoya , II . eğri küçük çinko parçalarına , I . eğri de büyük çinko parçalarına ilişkindir . Eğrilere dikkat edilirse , sonuçta üç olayda da elde edilen H₂ miktarı aynıdır . Bunun nedeni kullanılan madde miktarının üç tepkime için de aynı olmasıdır . Ancak yine eğrilerden anlaşılacağı gibi , III . eğride sabit duruma 2 dakika dolayında ulaşılırken , I . eğride 5 dakika dolayında ulaşılmıştır .

5) Katalizörün etkisi

Tepkime ortamına , dışarıdan ilave edilen , tepkime sonunda kimyasal yapısı değişmeden açığa çıkan ve tepkime hızını değiştiren maddelere katalizör denir . Tepkime hızını arttıranlara katalizör , yavaşlatanlara da inhibitör denir .

Katalizörün genel özellikleri ;

● Katalizörler tepkimenin izlediği yolu , mekanizmasını değiştirerek aktifleşme enerjisini düşürür . Ayrıca aktifleşmiş kompleksin yapısını değiştirerek daha çok taneciğin ürünlere dönüşmesini sağlar ve tepkimenin hızını artırır .
● İleri ve geri tepkimelerin aktifleşme enerjilerini aynı oranda düşürerek tepkime hızlarını arttırır .
● Katalizör , bir tepkimenin denge konumunu bozmaz .
● Katalizör , tepkimenin mekanizmasını değiştirir .
● Katalizör , bir tepkimenin PE değişim grafiğini değiştirir .

Eai ve Eag katalizörsüz aktifleşme enerjileri .
Eaik ve Eagk katalizörlü aktifleşme enerjileridir .
△H = Eai – Eag = Eaik – Eagk

● Katalizör , kinetik enerji dağılım eğrisini değiştirmez . Sadece eşik enerjisinin küçülmesini sağlar . Katalizörsüz S₁ kadar tanecik eşik enerjisini aşarak tepkimeye girdiği halde katalizör kullanıldığında ( S₁ + S₂ ) kadar tanecik eşik enerjisini aşarak tepkimeye girer .
● Katalizör , tepkime sonunda değişmeden açığa çıkar .
● Katalizör , tepkimenin mekanizmasındaki adımları değiştirir .
● Katalizör , aktifleşmiş kompleksin türünü değiştirir .Genellikle daha düşük enerjili aktifleşmiş kompleks oluşturur .
● Katalizör , tepkimenin eşik enerjisini değiştirir .
● Katalizör hız denkleminde gösterilmez .
● Katalizör , tepkimeyi başlatmaz . Başlamış tepkimenin hızını değiştirir .
● Katalizör , tepkimeye giren maddeleri , ürünleri ve △H ‘ın değerini değiştirmez.
● Katalizör , tepkimenin yönünü değiştirmez .
● Katalizör , hız sabitini ( k ) değiştirir .
● Katalizör , çift yönlü tepkimelerde ileri ve geri hızları aynı değerde değiştirir .
● Her reaksiyonun ayrı bir katalizörü vardır .
● Katalizörlerin reaksiyonda gördüğü işleve kataliz denir . Çok azı reaksiyonu katalizlemeye yeter .
● Katalizörler , net reaksiyon denklemlerinde gösterilmez . Ancak katalizörün belirtilmesi gereken reaksiyonlarda katalizör “ denktir “ ( reaksiyon okunun ) işaretinin üzerine yazılır .
2H₂O₂ 2H₂O + O₂ 4NH₃ + 7O₂ 4NO₂ + 6H₂O