Kimyasal Tepkimelerde Denge → 1. Bölüm

Dersin Özellikleri:

• Seviye: Hiç Bilmeyenler İçin
• Gerekli Bilgiler:
  • Kimyasal Tepkimelerde Enerji
  • Kimyasal Tepkimelerde Hız
• Öğretmen:
  • Muzaffer KAYA

Anlatılacak Başlıklar*:

• Denge Tepkimesi Nedir?
• Kc Bağıntısı
• Fiziksel ve Kimyasal Denge
• Homojen ve Heterojen Denge
• Niçin Denge?
• Kp Bağıntısı
• Denge Kurulmuş Mu? (Yalancı Denge Sabiti (Qc))
• Tepkime Denklemi ile Denge Sabiti Arasındaki İlişki

* Konu anlatımı, örneklerle zenginleştirilmiştir.

• Denge tepkimeleri çift yönlü gerçekleşir:
• Denge tepkimeleri, “tersinir tepkimeler” olarak da adlandırılır.
• Bir tepkimenin, denge kurabilmesi için, kapalı bir sistemde gerçekleşmesi gerekir.
• Denge tepkimelerinde, tepkimeye giren maddeler hiç bir zaman bitmez.
  • Bu yüzden; tepkime verimi hiç bir zaman %100 olmaz.
• Denge tepkimeleri, bir yandan dolan diğer yandan boşalan bir havuza benzer.

Dengede Tepkime Oku:

Denge Tepkimesi Örneği:

• Aşağıda; bazı denge tepkimelerine ait tepkime denklemleri verilmiştir:
  • N_2(g) + 3H_2(g) ⇌  2NH_3(g)
  • Ag⁺_(suda) + Cl^–_(suda) ⇌  AgCl_(k)
  • 4NO₂ + O₂ ⇌  2N₂O₅

Örnek:

Örnek bir denge tepkimesi:

A + B ⇌  C + D

• Bu denge tepkimesi için:
  • İleri tepkimede A ve B maddeleri, C ve D maddelerine dönüşür:
    A + B →  C + D
    
  • Geri tepkimede, C ve D maddeleri, A ve B’ye dönüşür:
    C + D →  A + B

Örnek:

Kimyasal tepkimelerde denge için aşağıda verilenlerden hangisi doğru değildir?

A) Tepkime ileri ve geri yönde gerçekleşir.
B) Tepkime verimi %100’dür.
C) Tersinir tepkimelerdir.
D) Tepkime oku çift yöne bakar.
E) Bir yandan ürünler oluşurken diğer yandan girenler geri oluşur.

• Denge tepkimelerinde, başlangıçta, ileri tepkime daha hızlı, geri tepkime daha yavaştır.
• Zamanla, ileri tepkime yavaşlar; geri tepkime hızlanır.
• Belli bir anda, her iki yöndeki tepkimenin de hızı eşitlenir.
• Bu eşitliğin sağlandığı ana, denge anı denir.
• Denge anının temel özellikleri şunlardır:
  • Dengedeki bir tepkime durmuş gibi görünür.
  • Denge kurulduktan sonra, tepkimede, gözle görünen bir olay gerçekleşmez. Ama aslında; tepkime her iki yönde de eşit hızda gerçekleşmeye devam ediyordur.
  • Yani; denge anında; makro olaylar durur, mikro olaylar devam eder.
• Açık sistemlerde (kaplarda) denge kurulamaz.

• Her denge tepkimesinin, bir denge sabiti vardır.
• Denge anındaki derişimler yardımı ile hesaplanan denge sabitine “Kc” denir.
• “Kc“, “Derişimler Cinsinden Denge Sabiti” olarak adlandırılır.
• Kc‘yi hesaplamanın iki yolu vardır:
  • İleri ve geri tepkimenin hız sabitlerinden:
    
    
  • Denge bağıntısı ile:

• Köşeli parantez, maddenin Molaritesi demektir.
• Kc değeri, denge anındaki Molariteler ile hesaplanır.

Örnek:

Yukarıdaki tepkimenin denge bağıntısı şöyledir:

tepkimesi için:

• İleri tepkime:
  
  • İleri tepkimenin hızı:
    r_ileri = k_i[N₂][H₂]³
    (k_i = ileri tepkimenin hız sabitidir.)

• Geri tepkime:
  
  • Geri tepkimenin hızı:
    r_geri = k_g[NH₃]²
    (k_g = Geri tepkimenin hız sabitidir.)
    

• Denge kurulduğunda:
  r_ileri = r_geri
  olduğundan
  k_i[N₂][H₂]³ = k_g[NH₃]²

• Hız sabitlerini sol tarafa toplarsak:
  
  
• Bu eşitliğin her iki tarafı da Kc değerini verir:
  
  veya
  

Örnek:

I) N_2(g) + 3H_2(g) ⇌  2NH_3(g)

II) 4NO_2(g) + O_2(g) ⇌  2N₂O_5(g)

III) Ag⁺_(suda) + Cl^–_(suda) ⇌  AgCl_(k)

IV) CaCO_3(k) ⇌ CaO_(k) + CO_2(g)

Yukarıda verilen tepkimelerin derişimler türünden denge bağıntılarını (K_c) yazınız.

Örnek:

N_2(g) + 3H_2(g) ⇌  2NH_3(g) tepkimesi dengede iken, kapta 4M N₂ gazı, 1M H₂ gazı ve 3M NH₃ gazı vardır.

Buna göre, bu koşullarda, bu tepkimenin Kc değeri kaçtır?

Örnek:

H_2(g) + Cl_2(g) ⇌  2HCl_(g)    K_c = 4

Yukarıdaki tepkimenin, 20^oC’de denge sabiti K_c = 4’tür. Tepkime, 2’şer Molar H₂ ve Cl₂ gazları ile başlamıştır.

Buna göre, aynı koşullarda tepkime dengeye ulaştığında, ürün ve girenlerin derişimlerini hesaplayınız.

Yukarıdaki derişim-zaman grafiği aşağıdaki tepkimeye aittir.

2X₂Y_4(g) + Y_2(g) ⇌  2X₂Y_5(g)

Başlangıçta reaktifler eşit derişimde ise, bu tepkimenin, bu koşullardaki K_c değeri kaçtır?

• Denge tepkimesi, fiziksel bir tepkime ise, kurulan denge fiziksel dengedir.
• Denge tepkimesi, kimyasal bir tepkime ise, kurulan denge kimyasal dengedir.
• Fiziksel tepkimeleri hatırlayalım;
  • Suda çözünme tepkimeleri
  • Çökelme tepkimeleri
  • Hal değişim tepkimeleri (erime, donma, kaynama, yoğunlaşma…)
• Kimyasal tepkimeleri hatırlayalım:
  • Asit-baz tepkimeleri
  • Yanma tepkimeleri
  • Metal-asit tepkimeleri
  • …

• Fiziksel denge örnekleri:
  • H₂O_(s) ⇌  H₂O_(g)
  • Ag⁺_(suda) + Cl^–_(suda) ⇌  AgCl_(k)
  • NaCl_(k) ⇌ Na⁺_(suda) + Cl^–_(suda)
• Kimyasal denge örnekleri:
  • N_2(g) + 3H_2(g) ⇌  2NH_3(g)
  • 4NO₂ + O₂ ⇌  2N₂O₅

• Dengedeki bir tepkimede, ürünler ve girenler hep birlikte, homojen bir karışım oluşturuyorsa, tepkimeye, “homojen denge tepkimesi” denir.
  • Gazlar, arasında gerçekleşen denge tepkimeleri, her zaman homojen denge tepkimeleridir.
  • Suda çözünen maddelerin verdiği denge tepkimeleri, homojen denge tepkimeleridir.
• Dengedeki bir tepkimede, ürünler ve girenler hep birlikte, heterojen bir karışım oluşturuyorsa, tepkimeye, “heterojen denge tepkimesi” denir.

Homojen Denge Örnekleri

• N_2(g) + 3H_2(g) ⇌  2NH_3(g)
• 4NO_2(g) + O_2(g) ⇌  2N₂O_5(g)
• HF_(suda) + H₂O_(s) ⇌ H₃O⁺_(suda) + F^–_(suda)
  
  

Heterojen Denge Örnekleri

• Ag⁺_(suda) + Cl^–_(suda) ⇌  AgCl_(k)
• NaCl_(k) ⇌ Na⁺_(suda) + Cl^–_(suda)
• CaCO_3(k) ⇌ CaO_(k) + CO_2(g)
• H₂O_(s) ⇌  H₂O_(g)

Örnek:

I) N_2(g) + 3H_2(g) ⇌  2NH_3(g)
II) HF_(suda) ⇌ H⁺_(suda) + F^–_(suda)
III) H₂O_(s) ⇌  H₂O_(k)

Yukarıda verilen tepkimeler ile ilgili olarak aşağıdaki ifadelerden hangisi yanıştır?

A) I. tepkime bir kimyasal denge tepkimesidir.
B) Her üçü de homojen denge tepkimeleridir.
C) II. tepkime bir asidin çözünme dengesidir.
D) III. tepkimede, bir yandan donma gerçekleşirken diğer yandan erime gerçekleşmektedir.
E) II. tepkimede HF asidi hem iyonal hem de moleküler çözünür.

• Maddeler 2 şey ister. Bu 2 istek şöyle ifade edilir:
  1. Maksimum düzensizlik eğilimi:
     • Hep daha düzensiz olma isteğidir.
  2. Minimum enerji eğilimi:
     • Hep daha az enerjiye sahip olma isteğidir.

• Kimyasal tepkimelerde bu eğilimler şöyle yorumlanır:
  • Maksimum düzensizlik eğilimi tepkimenin, maddelerin daha düzensiz olduğu tarafa gerçekleşmesini ister.
  • Minimum enerji eğilimi ise tepkimenin, enerjinin daha az olduğu tarafa (ısının olduğu tarafa) gerçekleşmesini ister.
• Bu iki eğilim zıt yönlerde ise tepkime bir denge tepkimesi şeklinde gerçekleşir.

Örnek:

N_2(g) + 3H_2(g) →  2NH_3(g) + ısı

Tepkimesinde;

• Minimum enerji eğilimi,
  • tepkimenin ürünler yönünde
• Maksimum düzensizlik eğilimi ise,
  • girenler yönünde gerçekleşmesini ister.

Bu yüzden bu tepkimeden, bir denge tepkimesi şeklinde yürümesini bekleriz.

• Kp; tepkimedeki gazların kısmi basınçları (P) ile hesaplanan bir denge sabitidir.
• Kp bağıntısına, gaz olmayan maddeler giremez.
• Kp bağıntısı aşağıdaki şablon ile hesaplanır:

Örnek:

Yukarıda verilen tepkimenin K_p bağıntısı şöyledir:

Örnek:

I) 2NH_3(g) ⇌ N_2(g) + 3H_2(g)

II) 4NO_2(g) + O_2(g) ⇌  2N₂O_5(g)

III) CaCO_3(k) ⇌ CaO_(k) + CO_2(g)

IV) 2A_(suda) + 3B_(g) ⇌ 2C_(suda) + D_(s)

Yukarıda verilen tepkimelerin, kısmi basınçlar cinsinden denge bağıntılarını (K_p) yazınız.

Örnek:

2CO_2(g) ⇌ 2CO_(g)  + O_2(g)

Kapalı bir kaba, sabit bir sıcaklıkta, 1,2 atm basınç yapan CO₂ gazı konuluyor ve yukarıdaki tepkime gerçekleştiriliyor.

Sistem dengeye ulaştığında kaptaki toplam basınç 1,6 atm olduğuna göre, bu şartlarda bu tepkimenin kısmi basınçlar cinsinden denge sabiti (K_p) kaçtır?

K_p = K_c.(R.T)^Δn

• K_p : Kısmi basınçlar cinsinden denge sabiti
• K_c : Derişimler cinsinden denge sabiti
• R : İdeal gaz sabiti
  

• T: Mutlak sıcaklık
  • T = t + 273
• Δn = Ürünlerdeki gazların toplam katsayısı – Girenlerdeki gazların toplam katsayısı

Örnek:

Aşağıda bazı tepkimeler ve Δn değerleri verilmiştir:

• C₃H_8(g) + 5O_2(g) ⇌  3CO_2(g) + 4H₂O_(g)
  • Δn = 7 – 6 = 1

• H_2(g) + Cl_2(g) ⇌  2HCl_(g)
  • Δn = 2 – 2 = 0

Örnek:

I) N_2(g) + 3H_2(g) ⇌  2NH_3(g)
II) C₃H_8(g) + 5O_2(g) ⇌  3CO_2(g) + 4H₂O_(g)
III) H_2(g) + Cl_2(g) ⇌  2HCl_(g)

Yukarda verilen tepkimelerin Kp ve Kc değerleri arasındaki eşitliği bulunuz.

Örnek:

• Herhangi bir anda tepkimenin dengede olup olmadığını anlamak mümkündür. Bunun için:
  • O anda, tepkimedeki maddelerin derişimleri denge bağıntısında yerine yazılır.
  • Bulunan sonuca Qc (yalancı denge sabiti) denir.
  • Qc ile tepkimenin Kc değeri karşılaştırılır.

• Aşağıda bu karşılaştırmanın nasıl yapılacağı verilmiştir:
  • Qc = Kc olursa:
    • Tepkime dengededir.
  • Qc > Kc olursa:
    • Ürünler olması gerekenden fazladır.
    • Tepkime girenler yönüne (geriye/sola) kayarak dengeye ulaşır.
  • Qc < Kc olursa:
    • Girenler olması gerekenden fazladır.
    • Tepkime ürünler yönüne (ileriye/sağa) kayarak dengeye ulaşır.

Örnek:

N₂O_4(g) ⇌  2NO_2(g)

Yukarıda verilen tepkimenin, belirli bir sıcaklıkta, Kc değeri 5,1 olarak veriliyor. Aynı sıcaklıkta, tepkime kabına, 2M N₂O₄ gazı ile 4M NO₂ gazı konuluyor.

Buna göre, bu tepkimenin yönü için ne söylenebilir?

1. Tepkime bir sayı ile genişletilirse, bu sayı, Kc’nin üssü olur.
   
   
   • N_2(g) + 3H_2(g) ⇌  2NH_3(g)
     • tepkimesinde Kc = 5 ise
   • 2N_2(g) + 6H_2(g) ⇌  4NH_3(g)
     • tepkimesinde Kc = 5² = 25 olur

2. Tepkime ters çevrilirse, Kc’nin çarpmaya göre tersi alınır.
   
   
   • N_2(g) + 3H_2(g) ⇌  2NH_3(g)
     • tepkimesinde Kc = 5 ise
   • 2NH_3(g) ⇌  N_2(g) + 3H_2(g)
     • tepkimesinde Kc = 1/5 olur.

3. Tepkimeler toplanırsa, Kc değerleri çarpılır.
   
   

Örnek:

N_2(g) + 3H_2(g) ⇌  2NH_3(g)      Kc = 16

Yukarıda verilen tepkime ile aynı koşullarda gerçekleşen aşağıdaki tepkimenin Kc değerini hesaplayınız.

NH_3(g) ⇌  1/2N_2(g) + 3/2H_2(g)