Tepkime Hız Denklemi ve Tepkime Derecesi

Hız Denklemi Kavramı

Tepken derişiminin tepkime hızına etkisini incelemenin bir yolu, başlangıç hızının başlangıç derişimlerine nasıl bağlı olduğunu belirlemektir; derişim ile tepkime hızı arasındaki ilişkiyi belirlemek için tepkimelerin başlangıç hızının ölçülmesi tercih edilir (tepken derişimleri zamanla azaldığı için tepkime hızındaki değişimler doğru ölçülemez, bu nedenle hız denklemi başlangıç hızına göre oluşturulur).

Kimyasal tepkimelerin hızı ile tepkimeye giren maddelerin derişimleri arasındaki ilişkiyi gösteren bağıntıya hız denklemi denir. Tepkime hızı ile derişimler arasındaki orantıyı eşitliğe dönüştürmek için kullanılan orantı sabiti k, hızı etkileyen bir çarpandır ve hız sabiti olarak adlandırılır. Hız sabiti k'nin değeri tepkimenin niteliğine, sıcaklığa, temas yüzeyine ve katalizör kullanılıp kullanılmadığına bağlıdır; k'nin değeri sıcaklık, temas yüzeyi ve katalizör ile artar.

Hız Denkleminin Genel Formu ve Tepkime Derecesi

Gaz fazında ve tek basamakta gerçekleşen aA + bB → cC + dD denkleştirilmiş denklemine göre tepkimenin hızı şöyle ifade edilir:

r = k[A]^a[B]^b

Hız denkleminde üslerin toplamına tepkime derecesi denir; buna göre tepkimenin derecesi a+b'dir. Tepkime A'ya göre a. dereceden, B'ye göre b. derecedendir. Tek basamakta gerçekleşen tepkimelerin hız denklemi şöyle yazılır: tepkenlerin stokiyometrik katsayıları derişimlerin üzerine üs olarak yazılır, tepkenlerin derişimleri çarpılır ve eşitlik hız sabiti (k) ile çarpılır. Hız denklemine katı ve sıvı hâlde bulunan saf maddeler yazılmaz, çünkü bu maddelerin derişimleri tepkime sürecince değişmez ve tepkime hızı üzerinde etkili olmazlar.

Örneğin tek basamakta gerçekleşen N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g) tepkimesinin hız denklemi r = k[N₂][H₂]³ şeklinde yazılır; tepkime N₂'ye göre birinci, H₂'ye göre üçüncü derecedendir ve toplam tepkime derecesi 4'tür. Bu denkleme göre H₂ derişimi sabit tutularak N₂ derişimi iki katına çıkarıldığında tepkime hızı iki katına, N₂ derişimi sabit tutularak H₂ derişimi iki katına çıkarıldığında tepkime hızı sekiz katına (2³) çıkar.

Deneysel Verilerden Hız Denklemi Bulma

Tepkime hız denklemi, tepken derişimlerindeki değişimin tepkime hızına etkisini belirleyen deneylerden bulunabilir. Örneğin NO₂(g) + CO(g) → NO(g) + CO₂(g) tepkimesi için üç farklı deneyde ölçülen başlangıç derişimleri ve hızları incelendiğinde: NO₂ derişimi sabitken CO derişimi dört kat artırıldığında başlangıç hızı da dört kat artar (hız, CO derişimiyle doğru orantılıdır); CO derişimi sabitken NO₂ derişimi iki kat artırıldığında başlangıç hızı da iki kat artar (hız, NO₂ derişimiyle doğru orantılıdır). Buna göre bu tepkimenin hız denklemi r = k[NO₂][CO] olarak yazılır; hız sabiti k, herhangi bir deney verisi denklemde yerine konularak hesaplanabilir (örneğin 1,2×10⁻³ = k(0,1)(0,01) ise k = 1,2 bulunur).

Hız sabitinin birimi de hız denkleminden hesaplanabilir; NO₂+CO örneğinde k'nin birimi 1/(s·M) olur. Tablo 1.8'deki örneklere göre: C(k) + O₂(g) → CO₂(g) tepkimesi (r=k[O₂]) birinci dereceden olup k birimi 1/s'dir; CaCO₃(k) → CaO(k) + CO₂(g) tepkimesi (r=k) sıfırıncı dereceden olup k birimi M/s'dir; Mg(k) + 2HCl(suda) → MgCl₂(suda) + H₂(g) tepkimesi (r=k[HCl]²) ikinci dereceden olup k birimi 1/(s·M)'dir. Genel olarak hız sabitinin birimi 1/(s·Mⁿ⁻¹) olan tepkimelerin derecesi n'dir.

Özet

• Hız denklemi, tepkime hızı ile tepken derişimleri arasındaki ilişkiyi r = k[A]^a[B]^b şeklinde gösterir; k (hız sabiti) tepkimenin niteliğine, sıcaklığa, temas yüzeyine ve katalizöre bağlıdır ve deneysel olarak belirlenir.
• Hız denklemindeki üslerin toplamı tepkime derecesini verir; katı/sıvı saf maddeler derişimleri değişmediğinden hız denklemine yazılmaz.
• Deneysel derişim-hız verileri incelenerek (bir tepken sabit tutulup diğeri değiştirilerek) hız denklemi ve hız sabiti bulunabilir; örneğin NO₂+CO tepkimesinde r=k[NO₂][CO] denklemi bu yöntemle türetilmiştir.