Denge Kavramı: Fiziksel ve Kimyasal Denge

Haber-Bosch Süreci ile Denge Kavramına Giriş

Haber-Bosch süreci, günümüzde amonyak gazı üretiminde kullanılan temel endüstriyel yöntemdir; bu yöntemle elde edilen amonyak gazının büyük bir bölümü sentetik gübre üretiminde değerlendirilerek artan nüfusun besin ihtiyacının karşılanmasına katkı sağlar. Bu süreçte gerçekleşen denge tepkimesi N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) şeklindedir. Bu tepkime sürecinde oluşan denge, tepkenlerin tamamının amonyak gazına dönüşmesini engeller: kapalı bir sistemde N₂ ve H₂ gazlarıyla başlayan tepkime ileri yönde devam ederken zamanla geri yönde de ilerlemeye başlar. Bir zaman sonra ileri tepkime hızı geri tepkime hızına eşit hâle gelir; böylece N₂, H₂ ve NH₃ moleküllerinin aynı anda kapalı sistemde bulunduğu, derişimin, sıcaklığın ve basıncın sabit olduğu bir denge durumu oluşur.

İleri ve geri yönlü tepkimelerin eşit hızla devam etmesi, tepkimede denge kurulduğu anlamına gelir. Yalnızca ileri yönlü gerçekleşen bir tepkimede oluşabilecek ürün miktarı, aynı tepkimede denge kurulması durumunda oluşabilecek ürün miktarından daha fazladır; çünkü denge tepkimesinde geri yönde de bir tepkime gerçekleştiğinden oluşabilecek ürün miktarı azalır.

Kapalı Sistemde Denge

Fiziksel ve kimyasal olaylarda denge, kapalı bir sistemde kurulabilir. Açık sistemlerde sistem ve çevre arasında madde-enerji alışverişi sürekli devam ettiği için dengeye ulaşmak mümkün olmaz. Kapalı sistemlerde ise sistem ve çevre arasında madde alışverişi olmadığından tepkimedeki ürünler ile tepkenler arasında bir denge kurulabilir; denge kurulduğunda ileri ve geri tepkimeler eşit hızla devam ederken sıcaklık ve basınç sabit kalır.

Örneğin kapalı bir kaba konulan suyun yüzeyindeki bazı su molekülleri yeterli enerjiye sahip olduklarında sıvı fazdan buhar fazına geçer. Başlangıçta kapta sadece su olduğu için buharlaşma hızı yüksektir; buharlaşma devam ettikçe su buharı miktarı artar, bu da sıvı faza geri dönme (yoğunlaşma) olasılığını artırır. Zamanla buharlaşma hızı azalırken yoğunlaşma hızı artar; bir süre sonra buharlaşma hızı yoğunlaşma hızına eşitlenir ve dinamik bir denge kurulur. Denge kurulduktan sonra gözle görülebilen (makro düzeyde) su ve buhar miktarında değişiklik gözlenmez, ancak gözle görülemeyen (alt mikro düzeyde) buharlaşma ve yoğunlaşma olayları sürekli aynı hızda gerçekleşmeye devam eder.

Fiziksel Denge ve Kimyasal Denge

Maddelerin iç yapıları değişmeden sadece fiziksel hâlleri arasında ve belirli şartlarda kurulan dengeye fiziksel denge denir. Hâl değişimlerindeki dengeler ve çözünürlük dengeleri fiziksel dengelerdir; belirli bir sıcaklıkta oluşan su-buz dengesi ve dibinde katısı olan doymuş çözeltilerdeki çözünme-çökelme dengesi bu tür örneklerdir.

Kimyasal bir olayda ileri ve geri yöndeki tepkime hızının eşit olmasıyla kurulan dengeye kimyasal denge denir. Kimyasal dengenin oluşabilmesi için tepkimenin tersinir olması gereklidir. Örneğin metanın yanması [CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(g)] tersinmez bir tepkimedir ve bu tepkimede denge kurulamaz; kükürt dioksidin yanması ise [2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)] tersinirdir ve uygun şartlarda denge kurulabilir. Denge hâli dinamiktir: ileri ve geri tepkime eşit hızla yürümektedir; hızların eşitlenmesiyle dengeye ulaşan sistemde gözlenebilen olaylar durağan gibi görünse de gözlenemeyen olaylar devam eder.

Homojen ve Heterojen Denge

Tepkenlerle ürünlerin aynı fazda bulunduğu denge tepkimeleri homojen denge tepkimeleridir; örneğin N₂O₄(g) ⇌ 2NO₂(g) tepkimesi homojen denge tepkimesidir. Tepken ya da ürünlerdeki maddelerden en az birinin farklı fazda olduğu denge tepkimeleri ise heterojen denge tepkimeleridir; örneğin 2S(k) + 2O₂(g) ⇌ 2SO₂(g) tepkimesi heterojen denge tepkimesidir.

Özet

• Kimyasal denge, kapalı bir sistemde ileri ve geri tepkime hızlarının eşitlenmesiyle kurulur (Haber-Bosch/amonyak örneği); bu durumda derişim, sıcaklık ve basınç sabit kalır, denge yalnızca tersinir tepkimelerde kurulabilir.
• Denge dinamiktir: makro düzeyde değişim gözlenmese de mikro düzeyde ileri ve geri tepkimeler (örn. su-buhar dengesinde buharlaşma/yoğunlaşma) sürekli devam eder.
• Fiziksel denge maddenin iç yapısı değişmeden fiziksel hâller arasında kurulur (su-buz, çözünme-çökelme); kimyasal denge tersinir kimyasal tepkimelerde kurulur; tepken/ürünlerin aynı fazda olduğu dengeler homojen, farklı fazda olanlar heterojen dengedir.