Tepkime Hızının Tanımı, Hesaplanması ve Zamanla Değişimi

Tepkime Hızının Tanımı

Tepkime hızı, kimyasal bir tepkimede belli bir sürede madde miktarındaki değişimin ölçüsüdür. Birim zamandaki tepken ya da ürünler üzerinden madde miktarındaki değişime tepkime hızı denir. Tepkenlerin ve ürünlerin derişimi izlenerek hız şöyle ifade edilir:

Tepkime hızı = −Δ[tepken]/Δzaman (tepkenler için) Tepkime hızı = +Δ[ürün]/Δzaman (ürünler için)

Δ[tepken] terimi negatiftir; hızın değeri pozitif bir nicelik olduğundan hızın değerini pozitif yapmak için hız bağıntısında Δ[tepken] teriminin önüne eksi işareti konulur. Δ[ürün] terimi ise pozitif olduğu için önüne eksi işareti konulmaz. Tepkime hızı "r" ile gösterilir; SI birim sisteminde hızın birimi M/s'dir. Madde miktarındaki değişim derişim (M), kütle (g), mol (n) veya hacim (L) cinsinden, zaman aralığı ise saniye, dakika, saat veya gün cinsinden ifade edilebilir.

Tepkime Hızı ile Madde Hızları Arasındaki İlişki

N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g) tepkimesinde tepkenler ve ürün için hız ifadeleri r_N₂ = −Δ[N₂]/Δt, r_H₂ = −Δ[H₂]/Δt, r_NH₃ = +Δ[NH₃]/Δt bağıntılarıyla verilebilir. Tepkimede N₂ ve H₂ gazları harcanırken NH₃ gazı oluşur; N₂ ve H₂ derişimlerinin birim zamandaki değişimi harcanma hızı, NH₃ derişiminin değişimi ise oluşma hızı olarak ifade edilir.

Bir kimyasal tepkimedeki maddelerin harcanma ve oluşma hızları birbirine eşit olmayabilir; bu hızlar tepkime denklemindeki katsayılara göre değişiklik gösterir. NH₃ tepkimesinde 1 mol N₂ harcandığında 3 mol H₂ harcanır ve 2 mol NH₃ oluşur; bu nedenle tepkime hızı ile maddelerin hızları arasındaki ilişki r_tepkime = r_N₂ = (1/3)r_H₂ = (1/2)r_NH₃ şeklinde yazılabilir. Genel olarak aA(g) + bB(g) → cC(g) + dD(g) tepkimesi için bu ilişki şöyledir:

r_tepkime = (1/a)r_A = (1/b)r_B = (1/c)r_C = (1/d)r_D

Ortalama Tepkime Hızının Hesaplanması

Tepkenlerin harcanma hızı ve ürünlerin oluşma hızı belli bir zaman aralığında ifade edilebilir; belli bir zaman aralığında madde miktarındaki değişime ortalama hız denir. Örneğin H₂O₂(suda) → H₂O(s) + 1/2O₂(g) tepkimesinde H₂O₂'nin 200-400 saniyeler arasındaki ortalama harcanma hızı, derişim-zaman grafiğinden şöyle hesaplanır: derişim 200. saniyede 2,00 M, 400. saniyede 1,70 M ise, r_H₂O₂ = −Δ[H₂O₂]/Δt = −(1,70−2,00)/(400−200) = 0,0015 M/s. Aynı yöntemle 400-600 saniyeler arasındaki ortalama hız 0,0010 M/s olarak hesaplanır. H₂O₂'nin ortalama harcanma hızından yararlanarak H₂O ve O₂'nin ortalama oluşma hızları da hesaplanabilir.

Tepkime Hızının Zamanla Değişimi

Sabit sıcaklıkta gerçekleşen bir tepkimenin hızı, tepkenlerin derişimine bağlı olarak zamanla değişir. Tepkimelerde tepkenler zamanla harcandığı için tepkenlerin miktarları azalır. Gaz fazında veya bir sıvıda çözünmüş maddelerle gerçekleşen tepkimelerde bu azalma, tepkenlerin derişiminin düşmesine yol açar. Ancak tepkenleri katı veya saf sıvı fazda olan tepkimelerde derişim değişmez.

Derişimin azalması, taneciklerin çarpışma olasılığını düşüreceğinden tepkime hızının da zamanla azalmasına neden olur; bu durum her zaman aralığında benzer şekilde devam eder. Gaz fazında veya bir sıvıda çözünmüş maddelerle gerçekleşen tepkimelerde tepkime hızı, çarpışma olasılığı en fazla olan başlangıç anında en yüksek seviyededir ve zamanla çarpışma olasılığı azaldıkça tepkime hızı da azalır. Katı veya saf sıvı hâlde olan tepkenlerin yer aldığı tepkimelerde ise tepken derişimi sabit kaldığı için tepkime belli bir hızla başlar ve temas yüzeyinin değişmediği sürece aynı hızla devam eder.

Özet

• Tepkime hızı, birim zamanda tepken/ürün derişimindeki değişimin ölçüsüdür (r = −Δ[tepken]/Δt = +Δ[ürün]/Δt); genel bir tepkimede tepkime hızı ile madde hızları arasındaki ilişki, tepkime denklemindeki katsayılarla ters orantılıdır.
• Ortalama tepkime hızı, belirli bir zaman aralığındaki derişim değişiminden hesaplanır (örneğin H₂O₂'nin 200-400 s aralığındaki ortalama hızı 0,0015 M/s'dir).
• Gaz/çözelti fazındaki tepkimelerde derişim zamanla azaldığından çarpışma olasılığı ve dolayısıyla tepkime hızı da zamanla azalır; katı/saf sıvı fazdaki tepkenlerde derişim sabit kaldığından hız, temas yüzeyi değişmediği sürece sabit kalır.