• “Tepkime hızları“, tepkimelerin başladıktan sonraki hızları ile ilgili bir kavramdır.
• Bazı tepkimeler çok hızlı gerçekleşirken, bazıları çok yavaştır.
  • Hava yastıklarının açılması veya bombaların patlaması gibi bazı kimyasal tepkimeler başladıkları anda biterler.
  • Plastiklerin bozunması, bazı metallerin paslanması gibi tepkimelerin gerçekleşip sonlanması ise, yıllar hatta yüzyıllarca sürebilir.
• Tepkimelerin hızını ölçebilmek için; önce tepkimenin başlaması gerekir.

Şimdi gelin, moleküller aleminde, bir kimyasal tepkimenin, nasıl başladığını ve gerçekleştiğini anlamaya çalışalım.

Atom ve Moleküllerin Dünyasında Tepkimeler Nasıl Gerçekleşir?

• Tepkimeler, maddelerin kimyasal türleri arasında gerçekleşir.
  • Kimyasal türler demek; atomlar, moleküller veya iyonlar demektir.
  • Yani; aslında, kimyasal tepkimeler; atomlar veya moleküller veya iyonlar arasında gerçekleşir.
• İki kimyasal türün, nasıl tepkimeye girdiği “Çarpışma Teorisi” ile açıklanır.

Çarpışma Teorisi

• Çarpışma teorisine göre, kimyasal türlerin, bir tepkime verebilmesi için çarpışmaları şarttır.
  • Çarpışmayan kimyasal türlerin, bir tepkime vermesi mümkün değildir.
  • Fakat; kimyasal türlerin her çarpışması, bir kimyasal tepkime ile sonuçlanmaz.
  • Tepkime ile sonuçlanan çarpışmalara “etkin çarpışma” denir.

• Etkin bir çarpışmanın gerçekleşmesi için, şu iki koşulun yerine gelmesi gerekir. Bunlar şunlardır:

1. Eşik Enerjisi

• Etkin bir çarpışmanın gerçekleşmesi için, kimyasal türlerin aşması gereken minimum enerjiye eşik enerjisi denir.
• Eşik enerjisine ulaşmayan kimyasal türlerin, bir tepkimeye girmesi mümkün değildir.
• Eşik enerjisi, Potansiyel Enerji – T.K grafiğini tepe noktasının enerji değeridir.

• Aşağıdaki grafik; X₂ + Y₂ → 2XY tepkimesine aittir. Bu grafik, bir önceki ünitede, ΔH^o değerini hesaplamak için verdiğimiz, Potansiyel Enerji-TK grafiğinin ta kendisidir.

Eşik enerjisini, aşılması gereken bir dağ gibi düşünebiliriz. Zaten, grafik te bir dağa benziyor. Dağın tepesi, eşik enerjisini gösteren nokta olarak düşünülebilir. Girenlerdeki maddelerin ürünlere dönüşebilmesi için bu dağı aşması gereklidir.

• Eşik enerjisini, genellikle, maddeleri ısıtarak veririz.
  • Mesela; kağıt 230^oC’ye geldiğinde, havadaki oksijenle yanar.
  • Kağıdı çakmak ya da kibrit yardımı ile, yaklaşık 230^oC’ye kadar ısıttığımızda, gerekli eşik enerjisini vermiş oluruz.
  • 230^oC’ye kadar ısıtılan kağıt ve oksijen molekülleri, yeterli enerjiye ulaşmış olur ve yanma tepkimesi başlar, aksi taktirde bir yanma olayı gerçekleşmez.

• Tepkimedeki maddelerin, eşik enerjisine ulaşmaları için gereken enerjiye aktifleşme enerjisi, denir.
• Bir çok tepkime, geri yönde de gerçekleşebilir, yani ürünler de tepkimeye girerek girenlere dönüşebilir.
  • İleri yöndeki tepkimenin aktifleşme enerjisine ileri aktifleşme enerjisi (E_ai) denir.
  • Geri yöndeki tepkimenin aktifleşme enerjisine geri aktifleşme enerjisi (E_ag) denir.
• İleri ve geri aktifleşme enerjisi değerleri, Potansiyel Enerji-T.K grafiğine bakarak hesaplanabilir.
  • Grafiğin çizildiği yön ileri tepkime yönüdür.
  • Grafiğin sonundan başına doğru giden yön geri tepkime yönüdür.
  • İleri tepkimenin ürünleri, geri tepkimenin girenleridir.
  • İleri tepkimenin girenleri, geri tepkimenin ürünleridir.

• Bir tepkimenin ileri ve geri aktifleşme enerjileri yardımı ile, tepkime ısısı hesaplanabilir.
  • Bunun için yapmamız gereken tek şey ileri aktifleşme enerjisinden geri aktifleşme enerjisini çıkarmaktır:

ΔH^o = E_ai – E_ag

2. Uygun Geometride Çarpışma

• Kimyasal türlerin, tepkimeye girebilmeleri için, belli bir eşik enerjisin aşmaları gerektiğini öğrendik.
  • Fakat; eşik enerjisini aşmaları, iki kimyasal türün, kesin olarak tepkimeye girecekleri anlamına gelmez.
• Yeterli enerjiye sahip olan atom ya da moleküllerin, bir de uygun bir geometride çarpışmaları gerekir.
  • Yani, oluşacak üründe, hangi atomlar birbirine bağlanacaksa, o atomların birbirine çarpması gerekir.

• Uygun geometride ve yeterli enerji ile çarpışan kimyasal türler, ürünlere dönüşürse, etkin çarpışma gerçekleşmiş olur.
  • Etkin bir çarpışmada, önce bütün atomlar arasında zayıf etkileşimler kurulur ve kararsız bir molekül oluşur.
  • Bu moleküle “aktifleşmiş kompleks” denir.
  • Aktifleşmiş kompleksteki bağlar:
    • Ürünleri oluşturacak şekilde kırılırsa tepkime gerçekleşmiş olur ve ürünler oluşur.
    • Yanlış bir yerinden kırılırsa, ürünler oluşmaz ve tepkime gerçekleşmez.
    • Yani, aktifleşmiş kompleksin oluşması da, tepkimenin garanti gerçekleştiği anlamında gelmez.

Aşağıdaki şekilde; X₂ + Y₂ → 2XY tepkimesine ait, etkin çarpışma senaryosu çizilmiştir.

Aşağıdaki grafikte; X₂ + Y₂ → 2XY tepkimesine ait, etkin çarpışma senaryosu gösterilmiştir:

• Uygun bir geometride olmayan çarpışmalar, kimyasal türlerin enerjisi yeterli olsa bile, ürünle sonuçlanmaz, tepkime gerçekleşmez.
  • Böyle çarpışmalara, etkin olmayan çarpışmalar denir.

Aşağıdaki çarpışmadan 2 tane XY molekülü molekülünün oluşması mümkün değildir:

Tepkime Hızının Takibi

• Kimyasal tepkimeler gerçekleştikçe; bazı şeyler değişir.
• Hızlı gerçekleşen tepkimelerde bu değişimler hızlı olur, yavaş gerçekleşen tepkimelerde yavaş olur.
  • Mesela, elbiselerin solması tepkimesinde, renk değişimini takip ederek, tepkimenin hızını görebiliriz.
    • Elbiselerin solması yılarca sürebilmektedir. Bu yüzden solma tepkimesi yıllarca devam eden yavaş bir tepkimedir diyebiliriz.
  • Havai fişeğin patlayıp tamamen sönmesi tepkimesinde de kıvılcımların oluşma ve sönme hızına bakarak, tepkime hızını takip edebiliriz.
• Tepkime hızlarını takip etmenin bir çok yolu vardır. Çünkü tepkimelerde maddelerin değişen bir çok özelliği vardır. Bu özelliklerin değişme hızına bakarak tepkimelerin hızlarını anlayabiliriz.
• Tepkime hızını takip etmek için kullanılabilecek bazı özellikler şunlardır:
  1. Hacim değişimi
  2. Basınç değişimi
  3. Renk değişimi
  4. İletkenlik değişimi
  5. Gaz çıkış hızı

Farklı tepkimelerin hızlarını takip etmek için farklı özelliklerden yararlanılabilir. Aşağıda tepkime hızını takip etmek için kullanılan bazı yollar verilmiştir.

1. Hacim Değişimiyle Hız Takibi

• Hacim değişimi ile hız takibi yapılabilen tepkimelerde, gazlara dikkat edilir.
  • Girenlerdeki gazların toplam sayısı ile ürünlerdeki gazların toplam sayısı farklı olmalıdır ki hacim değişebilsin.
    • Mesela:
      • 3 tane gaz molekülü 2 tane gaz molekülüne dönüşüyorsa bu tepkimede hacim azalır:
        • 3A_(g) → 2B_(g)
      • 3 tane gaz molekülü 4 tane gaz molekülüne dönüşüyorsa bu tepkimede hacim artar:
        • 3A_(g) → 4B_(g)
      • 3 tane gaz molekülü 3 tane gaz molekülüne dönüşüyorsa bu tepkimede hacim değişmez:
        • 3A_(g) → 3B_(g)

• Hacim değişimi ile hız takibi yapabilmek için:
  • Tepkimede en az bir tane gaz olmalı
  • Tepkime sabit basınç altında (ideal pistonlu kapta ya da elastik balonda) gerçekleşmelidir.
  • Sabit hacimli kaplarda gerçekleşen tepkimelerde, hacim değişemeyeceği için, tepkime hızını hacim değişimini takip ederek anlamak mümkün değildir.

2. Basınç Değişimiyle Hız Takibi

• Bir tepkimenin hızı, hacim değişimi ile takip edilebiliyorsa, basınç değişimi ile de takip edilebilir.
  • Bunun için tepkimenin, sabit hacimli bir kapta gerçekleşmesi yeterlidir.

3. Renk Değişimiyle Hız Takibi

• Tepkimeye girenler ve ürünler aynı renkte değilse, renk değişimi, tepkime hızı hakkında fikir verir.

4. İletkenlik Değişimiyle Hız Takibi

• Ürünler ile girenlerin elektrik iletkenliği farklı ise, tepkime gerçekleştikçe iletkenlik de değişecektir. Böyle tepkimelerin hızı, iletkenlik değişimi ile ölçülebilir.
• Elektriği ileten maddeler şunlardır:
  • Katı ve sıvı metaller:
    • Na, Ca, Mg, Al….
  • Karbonun grafit formu (C_(grafit))
  • Suda çözünmüş iyonlar:
    • Na⁺_(suda),
    • SO₄^2-(suda)
    • Cl^–_(suda)
    • …..
  • Sıvı haldeki tuzlar:
    • NaCl_(s)
    • CaBr_2(s)
    • BaSO_4(s)
    • ….

5. Gaz Çıkış Hızıyla Hız Takibi

• Bir kimyasal tepkimenin sadece ürünlerinde gaz varsa, bu tepkimenin hızı, gaz çıkış hızı ile ölçülebilir.

Tepkimedeki Maddelerin Oluşma ve Harcanma Hızları

• Kimyasal tepkimeler gerçekleştikçe,
  • tepkimeye giren maddelerin miktarı azalır,
  • ürünlerdeki maddelerin miktarı artar.
• Hızlı gerçekleşen bir kimyasal tepkimede, girenler hızlı bir şekilde tükenir, ürünler hızlı bir şekilde üretilir.
• Aynı şekilde yavaş gerçekleşen bir tepkimede de, maddelerin miktarı yavaş bir şekilde değişecektir.

• Tepkimelerin hızı, tepkimedeki her hangi bir maddenin miktarının zamanla değişme hızına bakılarak da hesaplanabilir.
  • Bir tepkimedeki maddelerin, zamanla değişme hızlarına, tepkime hızı denir.

Tepkimedeki herhangi bir maddenin hızını hesaplamak için, aşağıdaki formül kullanılabilir:

Formüldeki sembollerin anlamları şöyledir:

• r: Maddenin hızıdır. Bazen “r” yerine “ϑ” sembolü de kullanılır.
• ΔC: Maddenin derişimindeki (konsantrasyonundaki) değişim
  • ΔC = C_son – C_ilk
    şeklinde hesaplanır. Hız hesaplanırken, derişim birimi olarak genellikle Molarite (M) kullanılır.
  • Köşeli parantez Molaritesi demektir:
    [N₂] = Azotun molaritesi
    [Na⁺] = Na⁺ iyonunun molaritesi
    [NH₃] = NH₃ bileşiğinin molaritesi
    [H₂] = Hidrojenin molaritesi
    
  • “Δ” işareti, değişim demektir:
    Molarite değişimleri de şöyle ifade edilir:
    Δ[H₂] = [H₂]_son – [H₂]_ilk
    Δ[NH₃] = [NH₃]_son – [NH₃]_ilk
    Δ[Na⁺] = [Na⁺]_son – [Na⁺]_ilk
    …
• Δt: Geçen süre

Tepkimelerdeki Maddelerin Ortalama Hızları

• Ortalama hız, bir maddenin birim zamanda değişen molaritesi olarak ifade edilebilir.
• Bir tepkimedeki her bir maddenin bir ortalama hızı vardır.

Tepkimenin Ortalama Hızı

• Tepkimedeki herhangi bir maddenin ortalama hızını, katsayısına bölersek, tepkimenin ortalama hızını bulmuş oluruz.
• Bir tepkimenin ortalama hızına r_ort dersek, formül şöyle olur:

• Yani; bir tepkimenin hızı, katsayısı 1 olan maddenin hızı demektir.

Maddelerin Farklı Birimlerle Hızını Hesaplama

• Ortalama hız hesaplanırken, molarite değişimi dışında şu özellikler de kullanılabilir:
  • mol sayısı değişimi
  • hacim değişimi
  • kütle değişimi

• Hızın nasıl hesaplanacağını, sorunun sonunda sorulan hız birimine dikkat ederek, anlayabiliriz.
• Maddenin hızı aşağıdaki birimlerde sorulabilir:
  • mol/s veya mol.s^-1 : Mol sayısındaki artma ya da azalmayı geçen saniyeye bölerek hız bulunacak.
  • mol/dak veya mol.dak^-1 : Mol sayısındaki artma ya da azalmayı geçen dakikaya bölerek hız bulunacak.
  • Litre/s veya L.s^-1 : Litre olarak hacimdeki artma ya azalmayı geçen saniyeye bölerek hız bulunacak.
  • …

Tepkimedeki Maddelerin Hızları Arasındaki İlişki

• Bir kimyasal tepkimdeki her bir maddenin hızı, katsayısı ile doğru orantılıdır.
  • Yani katsayısı en büyük olan maddenin hızı, en büyük; katsayısı en küçük olan maddenin hızı ise en küçüktür.
  • Tepkimedeki maddelerden birinin hızını biliyorsak, katsayıların oranını kullanarak, diğer maddelerin de hızını bulabiliriz.

• Bir kimyasal tepkimedeki maddelerin hızlarını birbirine eşitlememiz gerekirse:
  • Her maddenin hızını katsayısına böleriz. Böylece, herkesin hızı eşit olur.
  • Veya katsayıları payda eşitler gibi eşitleriz. Bu eşitliği, hızlar arasındaki eşitlik olarak kullanılırız.

Homojen ve Heterojen Faz Tepkimeleri

Tepkimeler, girenlerin ve ürünlerin fiziksel hallerine göre ikiye ayrılır:

1. Homojen Faz Tepkimeleri
2. Heterojen Faz Tepkimeleri

I. Homojen Faz Tepkimeleri

• Tepkimedeki ürünler ve girenler hep birlikte homojen bir karışım oluşturuyorlar ise; tepkime bir homojen faz tepkimesidir.
• Gazlar, her zaman homojen karışırlar, bu yüzden, tamamen gazlardan oluşan tepkimeler homojen faz tepkimeleridir:
  • CH_4(g) + 2O_2(g) →  CO_2(g) + 2H₂O_(g) 
  • N_2(g) + 3H_2(g) →  2NH_3(g)
• Tepkimedeki bütün maddeler suda çözünmüş halde ise, tepkime bir homojen faz tepkimesidir. (Tepkimede H₂O_(s)‘nın olması, bu tür tepkimelerin homojen olmasına engel değildir):
  • HCl_(suda) + NaOH_(suda) →  NaCl_(suda) + 2H₂O_(s) 
  • Fe³⁺_(suda) + SCN^–_(suda) →  FeSCN²⁺_(suda)

II. Heterojen Faz Tepkimeleri

• Tepkimedeki ürünler ve girenler hep birlikte heterojen bir karışım oluşturuyorlar ise; tepkime bir heterojen faz tepkimesidir.
• Tepkimede; farklı fazlarda maddeler varsa, bu tepkimler heterojen tepkimelerdir:
  • Ca_(k) + HCl_(suda) →  CaCl_2(suda) + H_2(g)
  • Ag⁺_(suda) + Cl^–_(suda) →  AgCl_(k)
  • Na₂O_(k) + H₂O_(s) →  2NaOH_(suda)