Kimyasal reaksiyon hızı

Reaksiyon hızı

Bir kimyasal reaksiyonun ilerleme hızı, substratın veya ürünün konsantrasyonunun zaman içinde değişmesi olarak tanımlanır. Kimyasal reaksiyonun hızı, genel olarak uygulanabilir bir hız denklemi biçiminde sunulan bir fonksiyondur. Böyle bir denklemdeki bileşenlerin miktarındaki değişiklikler genellikle molar konsantrasyonlarla ifade edilir. Kütle, molar kesir veya atomik kesir (oran) gibi miktarı ifade etmenin başka herhangi bir yolunun da kullanılabileceğini lütfen unutmayın. Kimya aynı zamanda kimyasal reaksiyonun anlık hızı adı verilen daha gelişmiş bir kavramı da kullanır. Reaksiyon seyri, molar konsantrasyon (y ekseninde) ile reaksiyon süresi (x ekseninde) arasındaki ilişkinin grafiği çizilerek görselleştirilebilir. Ortaya çıkan eğri için bir teğet ve onun eğimi belirlenir; bunlardan ikincisi reaksiyonun anlık hızına karşılık gelir. Kimyasal reaksiyonun hızını da karakterize eden başka bir değer de yarı ömürdür . Radyoaktif elementlerin zaman içindeki davranışını tanımlayan bir değerdir. Yarı ömür, başlangıçtaki substrat miktarının yarısının reaksiyona girmesi için gereken süredir; bu, yarı ömür ne kadar uzun olursa, bir kimyasal reaksiyonun hız denklemindeki hız sabiti k’nın o kadar küçük olduğu anlamına gelir. Kimyasal reaksiyonun hızını etkileyen faktörler:

• Substrat konsantrasyonu – reaksiyon hızının kesin olarak substrat konsantrasyonuna bağlı olduğu deneysel olarak defalarca kanıtlanmıştır. Sistemdeki konsantrasyonu ne kadar yüksek olursa, belirli bir süreç o kadar hızlı ilerleyecektir. Bu çarpışma teorisi kullanılarak açıklanabilir. Bu teoriye göre, belirli bir kimyasal reaksiyonun gerçekleşmesinin koşulu, bireysel substrat molekülleri arasında başarılı bir çarpışmanın (yani yeterli enerjiye sahip çarpışmanın) meydana gelmesidir. Dolayısıyla, ne kadar çok substrat molekülü varsa (konsantrasyonları ne kadar yüksekse), çarpışma olasılığı da o kadar yüksek olur ve dolayısıyla reaksiyon hızı da o kadar yüksek olur (bu doğrudan orantılı bir ilişkidir).
• Sistemde bulunan bir katalizör – katalizörler, bir reaksiyon sistemine eklendiğinde kimyasal reaksiyonun ilerleme hızını artıran maddelerdir. Bu, aktivasyon enerjisinin, yani substratların reaksiyonun enerji bariyerini aşması ve gerçek reaksiyon ürünlerinin oluşmasından önce aktif kompleksi (geçiş durumu) oluşturması için gereken enerjinin azaltılmasıyla ilgilidir. Aktivasyon enerjisinin katalizör tarafından düşürülmesi, kimyasal reaksiyonu başlatmak için daha az enerjiye ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir.
• Sıcaklık ve basınç – van’t Hoff kuralına göre, reaksiyon sisteminin sıcaklığının 10ᵒC arttırılması, reaksiyon hızını 2 ila 4 kat artırır. Bu ilişki, sıcaklığın arttırılması durumunda reaksiyon hızının tahmin edilmesine izin verir, ancak tüm reaksiyonlar için geçerli değildir ve istisnai durumlarda reaksiyon hızında bir azalmaya veya istenmeyen ürünlere bile yol açabilir. Yalnızca gaz halindeki maddeleri içeren reaksiyonlarda sistemdeki basınç önemli bir rol oynar. Artışı, substrat konsantrasyonunun daha yüksek olduğu anlamına gelir, böylece bireysel moleküller arasındaki başarılı çarpışmalar daha verimli bir şekilde gerçekleşir ve reaksiyon hızı artar.
• İncelik derecesi – katı substratları içeren kimyasal reaksiyonlar yüzeylerinde gerçekleşir. Maddenin yüzey alanı ne kadar büyük olursa, onun dahil olduğu reaksiyon da o kadar hızlı ve verimli olur. Böylece bu alanın mümkün olduğu kadar arttırılması için alt tabakalar kırma veya öğütme işlemine tabi tutulur. Bir örnek, bir meşale alevinde hızla oksitlenen demir tozudur; bu, bir demir çubuğun ısıtılmasıyla gözlenmeyen bir etkidir.
• Karıştırma – karıştırmanın reaksiyon hızı üzerinde incelik derecesi ile benzer bir etkisi vardır. Sistemdeki moleküllerin hareketinin başlatılması, onların daha sık temas etmesine ve reaksiyon ürünlerinin oluşmasına yol açar. Yüzey işlemlerinde karıştırma, sonuçta ortaya çıkan moleküllerin, örneğin katalizörün yüzeyinden ayrılmasını kolaylaştırır, böylece diğer substratlar için aktif merkezlere erişimi arttırır.

Hız denklemi

Hız denklemi, bir kimyasal reaksiyonun hızı ile substratların konsantrasyonu arasındaki ilişkileri tanımlamak için kullanılabilir. Her kimyasal dönüşümün karakteristik bir hız denklemi vardır. En basit ifadeyle, bu ilişki k katsayısının (reaksiyon hızı sabiti olarak adlandırılır, belirli bir sıcaklıkta belirli bir kimyasal reaksiyon için sabit olan bir değer olarak adlandırılır) ve substratların konsantrasyonunun ürünü olarak ifade edilebilir. Hız denkleminin biçimi reaksiyon sırasına bağlıdır:

• Birinci dereceden reaksiyonlar – hız yalnızca birinci güce yükseltilmiş substrat konsantrasyonuna bağlıdır.
• İkinci derece reaksiyonlar – bu durumda hem reaksiyona giren bileşenler hem de bir substratın önündeki stokiyometrik katsayı (örneğin ayrışma reaksiyonlarında) hız denklemine dahil edilmelidir. Böyle bir reaksiyonda hız, substrat konsantrasyonlarının çarpımına bağlı olacaktır.

Kimyasal reaksiyonların çoğu birinci veya ikinci dereceden olduğundan yukarıda verilen örnekler en yaygın olanlardır. Ancak reaksiyon hızının substrat konsantrasyonuna bağlı olmadığı sıfır derece gibi farklı bir düzendeki reaksiyonların da mümkün olduğu unutulmamalıdır. Belirli bir kimyasal reaksiyon için yazılan hız denklemi öncelikle reaksiyonun mekanizmasına, yani moleküllerin değişime uğradığı temel reaksiyonların sırasına bağlıdır. Çok adımlı mekanizmalı işlemlerde tüm reaksiyonun hızı en yavaş adımla belirlenir. Böyle bir durumda oran denklemini kesin olarak belirlemek zor olabilir veya çok karmaşık olabilir. Hız denklemi aynı zamanda kimyasal reaksiyonun mertebesi kavramıyla da bağlantılıdır. Sıra, hız denklemindeki üslerin toplamı olarak tanımlanır. Bir kimyasal reaksiyonun gerçekleşmesi için başarılı bir çarpışmaya kaç molekül, iyon veya atomun katılması gerektiğini belirler.

Katalizörlerin kimyasal reaksiyonların hızı üzerindeki etkisi

Katalizörler, bir sistemdeki varlığı kimyasal reaksiyon hızını artıran maddelerdir. Daha da önemlisi, süreçlere kendileri tepki vermiyor. Substratlarla birlikte, dönüştürülmesi çok daha kolay olan aktif kompleksler oluştururlar. Kimyasal reaksiyon tamamlandıktan sonra katalizör orijinal formunda yeniden üretilir. Katalizörün ana görevi aktivasyon enerjisini, yani reaksiyona dahil olan substratlar arasında başarılı çarpışmaların gerçekleşmesi için sağlanması gereken enerjiyi azaltmaktır. Homojen katalizi (katalizör ve reaktanlar aynı fiziksel haldedir), heterojen katalizi (katalizör ve reaktanlar farklı fiziksel hallerdedir – katalizörün temas olarak adlandırıldığı en yaygın kataliz türü) ve otokatalizi ayırt edebiliriz. (elde edilen ürünlerden biri daha sonraki kimyasal reaksiyonu hızlandırır). Kataliz ve katalizörler çoğu endüstriyel prosesin, özellikle de kimya endüstrisindeki proseslerin son derece değerli ve önemli yönleridir. Katalizörler kimyadaki çoğu teknolojik proseste, örneğin nitrik (V) asit veya sülfürik (VI) asit üretiminde kullanılır.