Kimyasal Tepkime Nedir? Tepkime Türleri Nelerdir ve Denklemler Nasıl Denkleştirilir?

Kimyasal tepkime (İng: "chemical reaction") veya kimyasal değişim (İng: "chemical change"), başlangıçtaki maddelerden farklı kimyasal kimliğe sahip bir veya daha fazla yeni madde türünün oluşmasıdır. Bu dönüşüm sırasında maddelerin taneciklerini bir arada tutan mevcut kimyasal bağlar kırılmakta ve atomların yeniden düzenlenmesiyle yeni bağlar kurulmaktadır. Hiçbir atom yok olmamaktadır. Dolayısıyla dönüşümün öncesindeki ve sonrasındaki toplam kütle değişmemektedir. Kimyasal tepkimeler, tepkimeye girenlerdeki ve ürünlerdeki atom sayılarının eşitlendiği kimyasal denklemlerle gösterilmektedir.

Ancak kağıt üzerindeki bir denklemde veya günlük gözlemlerde bu nicel denge ilk bakışta fark edilmeyebilir. Örneğin 2 su molekülü ayrıştığında 2 hidrojen ve 1 oksijen olmak üzere toplam 3 molekül ortaya çıkmaktadır.^[4] Çalışan bir sobada ise odun yandıktan sonra geriye az miktarda kül kalmaktadır.^[9] İlk bakışta tanecik sayıları ve kütleler birbiriyle uyuşmuyormuş gibi görünmektedir. Oysa korunan nicelik toplam molekül sayısı değil, her bir elementin atom sayısı ve kapalı sistemdeki toplam kütledir. Bu yazımızda fiziksel ve kimyasal değişim ayrımından başlayarak başlıca tepkime türleri, denklem dili ve tanecik sayılarındaki görünür çelişkileri gideren denkleştirme adımları ele alınmaktadır.

Kimyasal Tepkime Nedir ve Fiziksel Değişimden Nasıl Ayrılır?

Maddelerin geçirdiği dönüşümleri birbirinden ayırmak için önce fiziksel değişim (İng: "physical change") kavramını netleştirmek gerekmektedir.^[1] Fiziksel bir değişim sırasında maddenin hali veya özellikleri farklılaşabilmektedir. Fakat maddenin içerdiği bileşenlerin kimyasal kimliği değişmemektedir. Maddenin kimyasal kimliği aynı kalmaktadır.

Günlük yaşamda karşılaştığımız pek çok dönüşüm bu fiziksel sınıfa girmektedir. Örneğin katı haldeki mumun ısıyla erimesi tipik bir fiziksel değişimdir ve katı şekerin sıcak kahvede çözünmesi de benzer şekilde şekerin kimyasal kimliğini koruduğu fiziksel bir süreçtir. Buna karşılık kimyasal değişimde durum başkadır. Kimyasal değişim, başlangıçta var olan maddelerden farklı bir veya daha fazla madde türü oluşturmaktadır. Fiziksel değişim ile kimyasal değişim arasındaki ayrımda temel ölçüt tam olarak bu yeni madde oluşumudur.

Başlangıçtaki maddeler nasıl olup da bambaşka bir kimyasal kimliğe bürünmektedir? Tanecik düzeyine inildiğinde kimyasal tepkimenin atomların yeniden düzenlenmesi (İng: "rearrangement of atoms") süreci olduğu görülmektedir. Mevcut bağlar kırılmakta, atomlar arasında yeni bağlar oluşmakta ve başlangıçtakilerden farklı maddeler ortaya çıkmaktadır.^[2] Böylece dışarıdan yeni bir atom eklenmeden mevcut atomların farklı biçimde eşleşmesiyle yeni kimyasal türler doğmaktadır.

Atomların bağ kırıp yeni bağlar kurması çıplak gözle görülmemektedir. Bu nedenle doğada ve laboratuvarda bazı gözlemsel belirtileri takip etmekteyiz. Ortamda ölçülen belirgin bir sıcaklık değişimi, kimyasal değişim yaşanabileceğini düşündüren gözlemlerden biridir. Beklenmedik bir renk değişimi de kimyasal değişim yaşanabileceğini düşündüren gözlemler arasındadır. Ayrıca sıvı bir ortamda katı bir çökelti (İng: "precipitate") oluşması önemli bir ipucu sunmaktadır. Sıvı içinde gaz çıkışını gösteren kabarcık oluşması ise kimyasal değişime işaret edebilen bir diğer gözlemdir. Ne var ki tek bir belirti yetmemektedir. Bu dört gözlemden herhangi birinin ortaya çıkması tek başına kesin bir kimyasal tepkime kanıtı değildir. Çünkü maddenin kimyasal kimliği hiç değişmeden de sıcaklık veya görünüm farklılaşmaları yaşanabilmektedir. Örneğin mumun erimesi sırasında sıcaklık ve fiziksel hal değişse bile kimyasal kimlik sabit kalmaktadır. Dolayısıyla fiziksel ve kimyasal değişimi ayıran ölçüt, başlangıçtakilerden farklı bir madde türünün oluşmasıdır.

PRHaney, CC BY-SA 3.0

Kimyasal Denklemler Nasıl Yazılır ve Okunur?

Kimyasal tepkimelere cebirsel bir denklem gözüyle bakma düşüncesi Lavoisier'nin yazılarında da görülmektedir. Fransız kimyager Antoine-Laurent de Lavoisier, Elements of Chemistry adlı eserinin Robert Kerr tarafından çevrilen İngilizce baskısında bu düşünceyi dile getirmiştir. Bu baskının başlık sayfasında Roma rakamlarıyla MDCCXC (1790) tarihi yer almaktadır.^[11] Lavoisier, eserin fermantasyonu ele alan on üçüncü bölümünde sürece sokulan maddelerle elde edilen yeni maddelerin cebirsel bir denklem (İng: "algebraic equation") oluşturuyormuş gibi incelenebileceğini yazmıştır. Bu sayede maddelerin nicel hesabı doğrudan matematikle ilişkilendirilmiştir.

Kimyasal denklemlerde girenler ve ürünler belirli bir okuma kuralıyla yazılmaktadır. Bir kimyasal tepkimenin başlangıç maddelerine girenler (İng: "reactant") adı verilmektedir. Girenlere tepken ya da reaktif de denmektedir. Tepkimede oluşan maddelere ise ürün (İng: "product") denmektedir. Denklemde her maddenin yeri bellidir. Başlangıç maddeleri olan girenler her zaman tepkime okunun soluna yazılmakta, ürünler ise okun sağında yer almaktadır.

Denklem sadece maddelerin türünü bildirmemektedir. Denklem, tepkime sırasında maddelerin hangi fiziksel halde bulunduğunu da belirtmektedir. Bu iş için simgeler kullanılmaktadır. Kimyasal formülden sonra parantez içinde küçük harfli bir simge yazılabilmektedir. Formülden sonra yazılan (s) simgesi maddenin katı, (l) simgesi sıvı, (g) simgesi ise gaz halinde bulunduğunu göstermektedir. Farklı dillerde farklı kısaltmalar kullanılabildiği için denklemi okurken kısaltmanın hangi dile ait olduğuna dikkat etmek gerekmektedir.^[12]

Katı, sıvı ve gaz simgelerinin yanında denklemlerde çok sık karşılaşılan dördüncü bir fiziksel durum işareti daha bulunmaktadır. Formül yanında yazılan (aq) ifadesi, maddenin suda çözünmüş olarak bulunduğunu belirtmektedir. Böylece madde bir sulu çözelti (İng: "aqueous solution") oluşturmaktadır. Ancak bu noktada (l) ve (aq) simgeleri birbiriyle karıştırılmamalıdır. Çünkü (l) saf sıvı halini, (aq) ise su içinde çözünmüş maddeyi göstermektedir.^[12]

Denklem oku da bilgi taşımaktadır. Girenleri ürünlere bağlayan okun üzerinde tepkime koşulları belirtilebilmektedir. Örneğin ortama ısı verilmesi veya ışık uygulanması gibi tepkime koşulları doğrudan denklem okunun üzerinde belirtilebilmektedir. Bazı dönüşümlerde ise süreci hızlandırmak için ortama katalizör (İng: "catalyst") eklenmektedir. Katalizör, tepkimeyi hızlandıran ancak tepkime tamamlandıktan sonra değişmeden geri elde edilebilen maddedir.

Başlıca Kimyasal Tepkime Türleri Nelerdir?

Doğada ve laboratuvarda gerçekleşen sayısız kimyasal dönüşümü incelemek için tepkimeler ortak özelliklerine göre sınıflandırılmaktadır.^{[5], [7]} Kimi sınıflandırmalar girenlerin ve ürünlerin tepkime okunun iki yanında nasıl eşleştiğine bakarken, kimileri çözelti ortamındaki katı oluşumunu ya da elektron alışverişini temel almaktadır.

Evrim Ağacı

Ancak tepkime sınıfları birbirini bütünüyle dışlayan kapalı kutular değildir. Tek bir kimyasal tepkime aynı anda birden fazla sınıfa girebilmektedir.^[5]

Birleşme, Ayrışma ve Yer Değiştirme Tepkimeleri

Tepkimeleri gruplandırmanın en temel yollarından biri, girenlerin ve ürünlerin tepkime okunun iki yanında oluşturduğu yapısal eşleşme örüntülerini izlemektir. Harflerle gösterilen bu genel şemalarda A, B, C ve D sembolleri tepkimeye katılan element veya bileşik birimleri temsil etmekte ve böylece formüllerin ayrıntılarına girmeden önce dönüşümün yapısal iskeleti kolayca okunabilmektedir.

Kimi süreçlerde ayrı birimler tek bir üründe birleşmektedir. Kimilerinde ise tek bir başlangıç maddesi parçalanmaktadır. Bazı dönüşümlerde de bileşiklerdeki birimler kendi aralarında yer değiştirmektedir. Yapısal eşleşme biçimlerine göre tanımlanan dört temel tepkime örüntüsü şunlardır.

• Birleşme veya sentez tepkimesi (İng: "synthesis"): Birden çok girenden tek bir ürün türünün oluştuğu A + B → AB genel örüntüsüdür.
• Ayrışma tepkimesi (İng: "decomposition"): Bir giren türünden birden çok ürün türünün oluştuğu AB → A + B genel örüntüsüdür.
• Tek yer değiştirme tepkimesi (İng: "single-replacement"): A türünün bileşikteki B'nin yerini aldığı A + BC → AC + B genel örüntüsüdür.
• Çift yer değiştirme tepkimesi (İng: "double-replacement"): Tepkimeye katılan iki bileşiğin eşleşmelerinin değiştiği AB + CD → AD + CB genel örüntüsüdür.

Çökelme, Nötralleşme, Redoks ve Yanma Tepkimeleri

Yapısal şemalar tek ölçüt değildir. Tepkimeler, oluşan ürüne veya girenlerin kimyasal sınıfına göre de adlandırılmaktadır. Bu grupların ilki çökelme tepkimesidir (İng: "precipitation reaction"). Çökelme tepkimesinde çözünmüş maddelerin birbiriyle tepkimeye girmesiyle bir veya daha fazla katı ürün oluşmaktadır.^[7] Çözelti ortamındaki bir diğer önemli sınıf ise nötralleşme tepkimesidir. Nötralleşme, girenleri bir asit ve bir baz olan özel bir asit-baz tepkimesidir.

Pek çok kimyasal dönüşüm ise elementlerin yükseltgenme basamağı (İng: "oxidation number") üzerinden tanımlanmaktadır. Yükseltgenme-indirgenme (İng: "oxidation-reduction"), yani redoks tepkimeleri, tepkimeye katılan bir veya daha fazla elementin yükseltgenme basamağının değişmesiyle ayırt edilmektedir. Bu süreç iki yönlüdür. Yükseltgenmede ilgili elementin yükseltgenme basamağı artmaktadır. İndirgenmede ise elementin yükseltgenme basamağı azalmaktadır.

Yanma (İng: "combustion") tepkimeleri, tepkime sınıflarının kesişebilmesine bir örnektir. Yanma, redoks tepkimelerinin alt sınıflarından biridir. Yanmada bir yakıt, örneğin bir hidrokarbon, oksijenle tepkimeye girmektedir.^[6] Bu tepkimeler sırasında önemli miktarda ısı ve sıklıkla ışık açığa çıkmaktadır. Karbon ve hidrojenden oluşan hidrokarbonların oksijenle yanması genel örüntüsüyle gösterilmektedir.^[6] Fakat bu genel yazım sadece bir tür tanıma şemasıdır. Bu sebeple belirli bir hidrokarbon için denkleştirilmiş denklem yerine geçmemektedir.

Arthur Jan Fijałkowski, CC BY-SA 3.0

Kütle Korunumu ve Kimyasal Denklemlerin Denkleştirilmesi

Kütle korunumu (İng: "conservation of mass") düşüncesinin tarihsel izi Lavoisier'nin yazılarında görülmektedir. Lavoisier, aynı eserin fermantasyon bölümünde deneyin öncesinde ve sonrasında eşit miktarda madde bulunduğunu açıkça ifade etmiştir.^[11] Bu metinde Lavoisier, gözlenen değişimi elementlerin birleşme biçimlerindeki değişikliklerle ilişkilendirmiştir. Korunumu somut bir kütle hesabı açıkça göstermektedir. Bu hesapta 28 g demir ile 16 g kükürt tepkimeye girerek 44 g demir (II) sülfür (FeS) oluşturmakta ve toplam kütle şu biçimde korunmaktadır:^[3]

Kütledeki bu tam korunum, mevcut bağların kırılıp atomların yeniden düzenlenmesiyle yeni bağların oluşması süreciyle birlikte gerçekleşmektedir. Hiçbir elementin atomu tepkime sırasında yok olmamakta veya yoktan var olmamaktadır, dolayısıyla denkleştirilmiş bir tepkime denkleminde her elementin atom sayısı giren ve ürün tarafında birbirine eşittir. İki taraftaki bu atom eşitliği, yazılan denklemin kütle korunumu yasasıyla tutarlı olmasını sağlamaktadır.

Hidrokarbon yanma şemasının gerçek bir bileşik için nasıl denkleştirildiğini metan örneğinde açıkça görebiliriz. Metan ile oksijenin karbondioksit ve su oluşturduğu yanma tepkimesinin denkleştirilmiş denklemi CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O biçimindedir. Formüllerin önüne yazılan katsayı (İng: "coefficient") değerleri tepkimeye katılan taneciklerin göreli sayılarını belirtmekte ve bu örnekte metan, oksijen, karbondioksit ve su molekül sayıları sırasıyla 1, 2, 1 ve 2 oranındadır. Atomları saymak bu dengeyi doğrulamaktadır. Hem giren hem de ürün tarafında 1 C, 4 H ve 4 O atomu yer almaktadır.

Denkleştirmenin Temel Kuralları

Bir kimyasal denklemi denkleştirirken gözlem yoluyla denkleştirme yöntemi kullanılabilmektedir. Bu yöntemde her elementin atomları tepkime okunun iki tarafında ayrı ayrı sayılmaktadır.^[10] Bir taraftaki atom sayısı öbür tarafla karşılaştırılmaktadır. Gerekli katsayı değişiklikleri yapılmakta ve işlem diğer elementler için tekrarlanmaktadır. Ancak bu işlem sırasında kimyasal formüllerin içindeki alt indis (İng: "subscript") sayıları asla değiştirilmemektedir, çünkü formüldeki alt indisi değiştirmek başka bir madde yazmak demektir.

Katsayıların yazımında ise en küçük tam sayı kuralı uygulanmaktadır. Denklemler geleneksel olarak mümkün olan en küçük tam sayı katsayılarıyla yazılmaktadır. Son yazımda katsayıların 1'den büyük ortak böleni bulunmamalıdır. Böyle bir bölen varsa bütün katsayılar bu sayıya bölünerek sadeleştirilmektedir, çünkü katsayıları ortak bir sayıyla bölmek iki taraftaki atom dengesini korumaktadır. Örneğin amonyak oluşumunu gösteren 3N₂ + 9H₂ → 6NH₃ denklemindeki katsayılar 3'e bölünmekte ve N₂ + 3H₂ → 2NH₃ yazımı tercih edilmektedir.

Bazı kimyasal denklemler nötr moleküller yerine elektrik yüklü tanecikleri içermektedir. Çözelti ortamındaki iyon alışverişlerini gösteren net iyonik denklemlerde her elementin atom sayısının eşitliği yeterli değildir. İki tarafın toplam elektrik yükü de eşit olmalıdır.

Adım Adım Denkleştirme Örnekleri ve Molekül Sayısı Farklılığı

Gözlem yoluyla denkleştirme yöntemi kolaydan zora ilerleyen üç örnek üzerinde adım adım uygulanabilmektedir. İlk örnek suyun ayrışma tepkimesidir.

Çözümlü örnek 1: Suyun ayrışma denklemi nasıl denkleştirilir?

Verilenler: Suyun ayrışma tepkimesini gösteren H₂O → H₂ + O₂ başlangıç yazımı.

İstenen: Her elementin atom sayısının iki tarafta eşit olduğu denkleştirilmiş denklem.

1. adım: Hidrojen (H) sayısı iki tarafta da 2'dir, oysa oksijen (O) sayısı solda 1, sağda 2 olduğundan bu başlangıç denklemi denkleştirilmiş değildir:

2. adım: Oksijeni eşitlemek için suyun katsayısı 2 yapılmakta, fakat bu ara yazımda oksijen sayıları iki tarafta 2 ve 2 olurken hidrojen sayısı solda 4'e çıkmakta, sağda 2'de kalmaktadır:

3. adım: Hidrojeni eşitlemek için sağdaki H₂ önüne 2 katsayısı yazılmaktadır:

Sonuç: Denkleştirilmiş denklem 2H₂O → 2H₂ + O₂ biçimindedir ve iki tarafta da 4 H ve 2 O atomu bulunmaktadır.

Buna karşılık molekül sayıları solda 2, sağda ise toplam 3'tür. Tanecik sayılarındaki görünür çelişki burada çözülmektedir, çünkü denklemin iki yanında eşit kalması gereken şey molekül adedi değil, her elementin atom sayısıdır.

Evrim Ağacı

İkinci örnek, azot ve oksijen gazlarından bir azot oksit bileşiği olan diazot pentaoksidin (N₂O₅) elde edilmesini gösteren birleşme tepkimesidir.

Çözümlü örnek 2: Diazot pentaoksit oluşum denklemi nasıl denkleştirilir?

Verilenler: N₂ + O₂ → N₂O₅ başlangıç yazımı. Bu yazımda azot (N) iki yanda 2'ye 2 eşitken, oksijen (O) solda 2, sağda 5'tir.

İstenen: Azot ve oksijen atomlarının iki yanda eşit olduğu denkleştirilmiş denklem.

1. adım: Oksijeni eşitlemek için 10 O atomu esas alınmakta ve soldaki O₂ önüne 5, sağdaki N₂O₅ önüne 2 katsayısı konulmaktadır:

2. adım: Bu ara yazımda azot sayıları solda 2, sağda 4 olduğundan azot yeniden dengelenmekte ve soldaki N₂ önüne 2 katsayısı getirilmektedir:

Sonuç: İki yanında da tam 4 N ve 10 O atomu bulunan 2N₂ + 5O₂ → 2N₂O₅ denklemine ulaşılmaktadır.

Üçüncü örnek, bir hidrokarbon gazı olan etanın (C₂H₆) oksijenle yanmasıdır.

Çözümlü örnek 3: Etanın yanma denklemi nasıl denkleştirilir?

Verilenler: C₂H₆ + O₂ → H₂O + CO₂ başlangıç yazımı.

İstenen: En küçük tam sayı katsayılarıyla denkleştirilmiş yanma denklemi.

1. adım: Soldaki C₂H₆ içinde 2 C ve 6 H atomu yer aldığı için karbon ve hidrojeni dengelemek üzere sağdaki H₂O önüne 3, CO₂ önüne ise 2 katsayısı yazılmaktadır:

2. adım: Karbonlar 2'ye 2, hidrojenler ise 6'ya 6 eşitlenmiş olsa da sağ tarafta 3H₂O içinden 3 ve 2CO₂ içinden 4 olmak üzere toplam 7 O atomu bulunduğu için oksijenler henüz dengede değildir:

3. adım: Sol tarafta oksijen iki atomlu O₂ molekülü halinde bulunduğundan 7 tek sayısı tam sayılı bir katsayıyla doğrudan dengelenememekte ve O₂ için geçici olarak kesirli katsayısı kullanılmaktadır:

4. adım: Kesirli katsayı ara adımda bu şekilde kullanılabilmekte, ancak son adımda en küçük tam sayı katsayılar kuralını sağlamak için denklemin bütün katsayıları 2 ile çarpılmaktadır:

Sonuç: Böylece 2C₂H₆ + 7O₂ → 6H₂O + 4CO₂ tam sayılı sonuç denklemi elde edilmektedir.

Kimyasal Tepkimelerde Sık Düşülen Yanılgılar ve Denklemlerin Sınırları

Denkleştirilmiş denklemde her elementin atom sayısının eşitliği kesindir. Ancak günlük gözlemler bazen kütlenin değiştiği yanılsamasını yaratabilmektedir. Bu durum kapalı sistem ile açık sistem arasındaki farktan doğmaktadır. Kapalı sistemde dışarıdan içeri madde girmemekte ve içeriden dışarı madde çıkmamaktadır. Sistemin kütlesi sabit kalmaktadır. Oysa açık sistemlerde gazların oluşması veya tüketilmesi, kütlenin kaybolduğu ya da arttığı yönünde yanıltıcı bir izlenim verebilmektedir, çünkü böyle bir sistemde kapta kalan maddelerin kütlesi bütün tepkimenin kütlesini vermemektedir.^[8]

Bu kütle yanılsamasına bir örnek odunun yanma tepkimesidir. Odunun yanması kimyasal bir tepkimedir. Bu tepkime, yakıt olan odun ile oksijen arasında gerçekleşmektedir. Dolayısıyla kütle hesabına sadece başlangıçtaki odun alınmamalı, tepkimeye katılan oksijen de dahil edilmelidir. Odun yandığında su buharı, karbondioksit ve başka yanma ürünleri oluşmakta, çalışan bir odun sobasında bu gaz halindeki ürünler sürekli olarak dışarı uzaklaştırılmaktadır.^[9] Gazlar çıktıktan sonra kalan kömürleşmiş madde de yanmakta ve bu yanma tamamlandığında geriye sadece az miktarda kül kalmaktadır. Demir ve kükürtten demir sülfür oluşumundaki kütle toplamı nasıl tam korunuyorsa burada da toplam kütle korunmakta, fakat geride kalan katının kütlesi uzaklaşan gaz ürünlerin kütlesini içermemektedir.

Kimyasal dönüşümler hakkında sık düşülen bir diğer yanılgı, tepkimelerin mutlaka bütün girenler tamamen tükenince sona erdiği düşüncesidir. Gerçekte tepkimeye sokulan başlangıç maddelerinden biri ortamda fazla miktarda (İng: "in excess") bulunabilmektedir. Bu durumda fazla miktardaki giren maddenin bir kısmı tepkimeye katılmadan ortamda kalabilmektedir.

Öte yandan denklemlerin de sınırları vardır. Kusursuz denkleştirilmiş bir kimyasal denklem bile bazı önemli bilgileri tek başına söyleyememektedir. İlk olarak denklem, tepkimenin ne kadar hızlı gerçekleştiğini, yani tepkime hızını (İng: "reaction rate") göstermemektedir. İkinci olarak denklem tek başına tepkimenin izlediği yolu, yani tepkime yolunu (İng: "reaction pathway") ve hangi ara basamaklarla gerçekleştiğini göstermemektedir.

Evrim Ağacı

Sonuç

Kimyasal tepkimede mevcut bağlar kırılmakta ve yeni bağlar oluşmaktadır.^[2] Denkleştirilmiş denklem her elementin atom sayısının eşitliğini korumaktadır. Girişte ele aldığımız suyun ayrışmasında (2H₂O → 2H₂ + O₂) 2 molekül girenden toplam 3 molekül ürün oluşmaktadır. Bu durum kütle ve atom korunumuyla çelişmemektedir. Çünkü atomlar yeniden düzenlenirken toplam molekül sayısı değişebilmekte, ancak iki taraftaki 4 H ve 2 O atomu eksiksiz korunmaktadır.^[4]

Bununla birlikte denkleştirilmiş bir kimyasal denklem, başlangıç maddeleri ile ürünler arasındaki nicel atom dengesini kesinleştirse de dönüşümün tüm dinamiklerini tek başına açıklamamaktadır. Kağıt üzerindeki denklem tepkime hızını ve tepkime yolunu göstermemektedir. Dolayısıyla tepkimenin hızı ve izlediği yol, denklemin vermediği bilgiler arasındadır.