Kimyasal Tepkimelerde Hız: Bazı Tepkimelerin Nanosaniyeler, Bazılarının Yıllar Sürmesine Neden Olan Ne?

Marketten bir süt aldığımızda bozulmasını veya metal bir takı aldığımızda paslanmasını istemeyiz. Tam tersi bir durumda, endüstriyel üretim yapılırken ise üretimin çabuk olmasını veya bir ilaç aldığımızda çabuk etki etmesini isteriz. Tüm bunlar, kimyasal tepkimelerin hızı ile ilgilidir.

Kimyasal tepkimelerin hızları ile ilgili kimya dalına kimyasal kinetik adı verilir. Kimyasal kinetik sadece kimya için değil, biyoloji, farmakoloji, kozmoloji, endüstri ve kimyanın kullanıldığı her alan için çok önemlidir. Bir tepkimenin hızını anlayabilmek ve onu ölçebilmek için önce mikroskopik düzeyde tepkimelerin nasıl gerçekleştiğini anlamalıyız.

Çarpışma Teorisi

Bu teori, adından da anlaşılacağı üzere parçacıkların çarpışması ile ilgilidir. Bu teorinin 3 temel postulatı vardır:

1. Çarpışmanın tepkime ile sonuçlanabilmesi için parçacıkların belirli bir kinetik enerjiye sahip olması gerekir. Bu enerjiye sahip olmayan parçacıkların çarpışması sonucu tepkime gerçekleşmez.
2. Parçacıkların doğru açı ile çarpışması gerekir. Bir molekül yeterli enerjiye sahip olmasına rağmen doğru açı ile çarpışmazsa tepkime gerçekleşmez.
3. Bu şartı sağlayan çarpışmaların sayısı ile tepkime hızı doğru orantılıdır.

Lebanon High School

Tepkime hızını bu postulatlar üzerinden yorumlarsak: Parçacıkların çarpışma açısı bizim etkileyebileceğimiz bir şey değildir; fakat ortamın sıcaklığını arttırarak parçacıkların enerjisini arttırabiliriz. Parçacıkların enerjisini arttırdığımız zaman 3. madde doğrultusunda tepkimenin hızını arttırabiliriz. Yazımız ilerledikçe bu konu hakkında daha fazla açıklama yapacağız.

Sabit bir T sıcaklığında bile parçacıkların hepsi aynı hızda hareket etmez. Parçacıkların hızı, Maxwell-Boltzmann dağılımına uyar. Bu dağılım hızı bize belirli bir T sıcaklığındaki parçacıkların hızlarını ve bu hıza sahip parçacıkların sayısını gösterir. Bu dağılımın matematiksel detaylarına girmeyeceğiz; fakat merak edenler için matematiksel formu şöyledir:

Yiğit Ertan

Maxwell-Boltzmann dağılımının bize verdiği iki önemli bilgi vardır:

1. Parçacığın hızı ile ortam sıcaklığı doğru orantılıdır. Sıcaklık arttıkça Maxwell-Boltzmann dağılımı değişime uğrar ve belirli bir hızı geçen parçacık sayısı artar.
2. Parçacığın hızı ve kütlesi ters orantılıdır. Parçacığın kütlesi arttıkça yüksek hızlara ulaşma olasılığı azalır.

Khan Academy

Geçiş Hali Teorisi

Daha önce bahsettiğimiz enerji gerekliliği bu teori ile açığa kavuşacaktır. Bir tepkimeyi başlatmak için gerekli olan enerjiye aktivasyon enerjisi denir. Eğer parçacıkların çarpışması sonucu ortaya çıkan enerji tepkimenin başlaması için yeterli düzeydeyse aktifleşmiş kompleks oluşur.

Institut de Química Computacional i Catàlisi

Aktifleşmiş kompleks çok yüksek enerjiye sahip dengesiz bir yapıdır. Aktifleşmiş kompleks girenler ve ürünler arası karma bir forma sahiptir. Çok kısa bir zamanda bozunur ve bu bozunma sonucu ürünler oluşur. Maxwell-Boltzmann dağılımı ve sıcaklık etkisini burada daha iyi gözlemleyebiliriz. Maxwell-Boltzmann dağılımını incelediğimizde sadece belirli bir kesim parçacığın enerjisinin yeterli olduğunu görürüz. Geri kalan tüm koşulları sabit tutup sıcaklığı arttırdığımızda ise daha fazla sayıda parçacık bu enerjiye sahip olur.

Sheetal's Chemistry Blog

Aktivasyon enerjsini aşan parçacık sayısının artması daha fazla çarpışmanın tepkime ile sonuçlanacağını gösterir. Bu sonuç çarpışma teorisinin 3.postulatı ile uyumludur. Ortamın sıcaklığı arttıkça tepkime hızının artması bundan dolayıdır.

Tepkimenin Hızı

Kimyasal tepkimeleri mikroskopik düzeyde inceledik. Peki bu sonuçları makroskopik düzeye nasıl genelleştiriz ve tepkime hızlarını nasıl ölçebiliriz ? Bunun için molarite kavramı ile başlayalım. Molarite mol/litre olarak tanımlanır. Mol kavramı bize parçacık sayısını belirtir. Bir mol H₂O dediğimizde 6,022x10²³ tane su molekülünü kastederiz. Bu sayı kimya için çok önemlidir ve Avogadro sayısı olarak adlandırılır. Basit bir tepkimeyi inceleyelim.

Saylor Academy

Burada A girenleri ve B ürünleri temsil etmektedir. Zamanla A parçacıkları tepkimeye girerek B parçacıklarını oluşturur. Bu durumda A parçacıkları sayısal olarak azalacağı için molaritesi düşmeye başlar ve B parçacıkları oluşacağı için molaritesi artmaya başlar. Bunu grafikten de görebiliriz. Tepkimenin ileri zamanlarında A parçacıklarının sayısı çok azalacağı için çarpışmalar çok nadir olmaya başlar. Buradan şu sonuca varabiliri : zamanla tepkimenin hızı yavaşlar.

Peki tepkime hızını nasıl matematiksel olarak ifade edebiliriz? Yukarıdaki sonucumuzdan matematiksel bir ifade türetmeyi deneyelim. Tepkime hızının mikroskopik düzeyde çarpışmalarla doğru orantılı olduğunu biliyoruz. Bunu makroskopik düzeyde molarite ile ifade edebiliriz çünkü molarite arttıkça birim hacimdeki parçacık sayısı artar ve daha çok çarpışma yaşanır. Örnek bir tepkime inceleyelim.

Yiğit Ertan

Burada $[A]$ ifadesi A'nın molaritesi anlamına gelmektedir. $\frac{d}{dt}$ ifadesi ise türev operatörüdür. Burada zamana göre türev almamızın anlamı şudur: Sonsuz küçük zaman aralığında molaritenin ne kadar değiştiğini hesaplamak. Tepkime hızının bu tanımı kapalı izokorik (sabit basınçlı) sistem için IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) tarafından yapılmıştır. $A$ ve $B$ ile ilgili ifadelerin başındaki eksi ($-$) işareti ise onların harcanmalarından, dolayısıyla eksiliyor olmalarından dolayıdır.

Tepkime Hız Denklemi

Yukarıdaki tepkime örneğinden devam edelim. Bu tepkime için hız denklemini şu şekilde yazabiliriz.

Yiğit Ertan

Burada $k$ bir sabit, $m$ ve $n$ tam sayılardır. $K$ sabitini Arrhenius denklemini kullanarak tanımlayabiliriz.

Yiğit Ertan

Burada $E_a$ aktivasyon enerjisi, $R$ gaz sabiti ve $T$ de mutlak sıcaklıktır. Sıcaklık arttıkça $K$ sabitinin değeri artar. $A$ çarpanı sıklık sabiti olarak adlandırılır ve başarıyla sonuçlanan çarpışmaların bir göstergesidir.

Hız denklemindeki $m$ ve $n$ sayılarına odaklanalım. $m+n$ toplamına tepkimenin derecesi denir. Tek aşamada gerçekleşen tepkimeler için $a=m$ ve $b=n$ önermesi doğrudur fakat çok aşamalı tepkimelerde eşit olmak zorunda değildirler. Çok aşamalı bir tepkimeyi inceleyelim.

LibreTexts

En genel tepkimeye bakarak hız ifadesini şu şekilde yazabiliriz: $r=k[N{O}_2][CO]$. Fakat deneysel sonuçlar bize bunun yanlış olduğunu göstermektedir. Deneylerin analizi sonucu hız tepkimesi $r=k[N{O}_2]$ olarak belirlenmiştir. Kimyagerler bunu açıklamak için şöyle bir mekanizma önermiştir: Çok aşamalı tepkimelerde hız denklemini tepkimenin en yavaş adımı belirler. Tepkimenin yavaş adımı en yüksek aktivasyon enerjisine sahip adımdır ve tepkimenin önündeki en büyük engeldir. Bu adım gerçekleştikten sonra tepkime çok daha hızlı bir şekilde devam eder.

LibreTexts

Study Orgo

Bu reaksiyon için en yavaş olan aşama ilk aşamadır çünkü aktivasyon enerjisinin en büyük olduğu aşama ilkidir.

Tepkimenin Hızını Etkileyen Faktörler

Tepkimenin hızını arttırmak için 4 farklı yöntem izleyebiliriz.

1. Girenlerin molaritesini arttırmak. Daha fazla sayıda parçacık daha fazla çarpışmaya yol açar.
2. Sıcaklığı arttırmak. Parçacıkların enerjisini arttırdığımızda daha fazla çarpışma tepkime ile sonuçlanır.
3. Yüzey alanını arttırmak: Katı ve sıvılarda daha fazla yüzey alanı demek daha fazla tepkimeye girilebilecek potansiyel parçacık dmektir ve tepkime hızı artar.
4. Katalizör kullanmak. Katalizörler aktivasyon enerjisini düşürerek tepkimeyi hızlandırırlar. Tepkimede harcanmazlar ve girdikleri gibi çıkarlar.

Sonuç

Reaksiyonlar karmaşıklaştıkça reaksiyon kinetiğinin incelenmesi çok zorlaşır. Kimi zaman aynı anda 5-6 reaksiyon gerçekleşir ve her birinin ayrı mekanizmaları vardır.

Bu yazımızda matematiksel olarak çok detaylara girmeden konuya dair genel bir fikir vermeye çalıştık. İleri okuma için Atkin's Physical Chemistry, Physical Chemistry: A Molecular Approach ve kimyasal kinetiğin en büyük isimlerinden biri olan Keith J. Laidler tarafından yazılmış Chemical Kinetics kitabı önerilebilir.