Kimyasal kinetik kimyasal reaksiyonları ve reaksiyon hızlarını inceler. Bir kimyasal reaksiyon hızını etkileyen koşullar analiz edilir, reaksiyon mekanizmaları ve geçiş durumları incelenir ve kimyasal reaksiyon için matematiksel modeller geliştirilir. Bir kimyasal reaksiyonun hızı genellikle sn– 1 birimi ile ifade edilir, ancak kinetik deneyler dakikalarca, saatlerce ve hatta günlerce sürebilir.
Kimyasal Kinetiğin Tarihçesi
Kimyasal kinetik terimi 1864 yılında Peter Waage ve Cato Guldberg tarafından formüle edilerek yasa haline getirilmiştir. Kitle eylem yasası, kimyasal reaksiyon hızının reaktanların miktarı ile orantılı olduğunu gösterir. Jacobus van’t Hoff kimyasal dinamikler üzerinde çalışarak 1884 yılında “Etudes de dynamique chimique” adlı eserini yazdı. Bu eseri 1901 yılında Nobel Kimya Ödülü almasını sağladı. Bazı kimyasal reaksiyonlar karmaşık kinetikler içerebilir ancak kinetiğin temel prensipleri lise ve üniversite genel kimya derslerinde öğrenilir.
Hız Yasası ve Hız Sabitleri
Deneysel veriler, hız kanunları ve kimyasal kinetik hız sabitleri kütle eylem yasası uygulanarak reaksiyon hızlarını bulmak amacıyla kullanılır. Hız yasaları, sıfır derece reaksiyonlar, birinci derece reaksiyonlar ve ikinci derece reaksiyonlar için basit hesaplamalar yapılmasını sağlar.
- Sıfırıncı mertebe bir reaksiyonun hızı sabittir ve reaktanların konsantrasyonundan bağımsızdır.
Hız= k
- Birinci dereceden reaksiyonun hızı, bir reaktanın konsantrasyonu ile orantılıdır.
Hız = k [A]
- İkinci dereceden bir reaksiyonun hızı, tek bir reaktan konsantrasyonunun karesiyle orantılı bir hıza veya iki reaktanın konsantrasyonunun çarpımı ile orantılı bir hıza sahiptir.
Hız = k [A]2 veya k [A] [B]
Daha karmaşık kimyasal reaksiyonlar için hız yasaları türetmek amacıyla hız yasaları birleştirilmelidir. Bu reaksiyonlar için;
- Kinetiği sınırlayan bir hız basamağı vardır.
- Aktivasyon enerjisini Arrhenius denklemi ve Eyring denklemleri ile deneysel olarak belirlenebilir.
- Hız yasasını basitleştirmek için denge durumu dikkate alınabilir.
Reaksiyon Hızını Etkileyen Faktörler
Reaktanların durumu
Reaksiyon hızı, hangi maddenin reaksiyona girdiğine bağlı olarak değişir. Asit / baz reaksiyonları, tuzların oluşumu ve iyon değişimi genellikle hızlı gerçekleşen reaksiyonlardır. Kovalent bağ oluşumu moleküller arasında gerçekleştiği ve büyük moleküllerin oluşmasını sağladığı için reaksiyonlar daha yavaş gerçekleşir.
Fiziksel durum
Fiziksel durum (bir reaktanın katı, sıvı , ya da gaz olmasıdır) da olan değişim reaksiyon hızının belirlenmesi için önemli bir faktördür. Reaktanlar sulu çözeltideyken ve aynı fazdayken, termal hareketler nedeniyle temas ederler. Ancak ayrı fazdayken reaktanlar arasındaki reaksiyon arayüz ile sınırlıdır. Reaksiyon sadece temas bölgelerinde gerçekleşir; sıvının yüzeyinde sıvı ve gaz olması durumunda. Reaksiyonun tamamlanması için kuvvetli çalkalama ve karıştırma gerekebilir. Birim hacim başına yüzey alanı fazladır ve reaktanla temas ne kadar artarsa reaksiyon o kadar hızlı olur. Örnek olarak yangın büyük kütüklerle değil odun parçaları ve küçük dallar ile başlar. Organik kimyada su reaksiyonları, homojen reaksiyonların heterojen reaksiyonlardan daha hızlı gerçekleştiği kuralının istisnası olarak kabul edilir.
Katı haldeki yüzey alanı
Katı bir maddenin sadece yüzeyde bulunan parçacıkları reaksiyona girer. Bir katının daha küçük parçalara ayrılması yüzeyde daha fazla parçacık olacağını ve bunlar ile reaktan parçacıkları arasındaki çarpışma sıklığının artarak reaksiyonun daha hızlı gerçekleşeceğini gösterir. Örnek olarak toz şeker ağızdaki tükürük ile temas ettiğinde kimyasallar hızla çözülür ve reaksiyona girer, karbondioksit salar ve gazlı bir his sağlar. Ayrıca havai fişek üreticileri, havai fişeklerdeki yakıtların oksitlenme hızını kontrol etmek için katı reaktanların yüzey alanını değiştirir ve daha farklı etkileri oluşmasını sağlar. Örnek olarak bir kabuk içinde ince parçalar halinde bulunan alüminyum şiddetli bir şekilde patlar. Daha büyük alüminyum parçaları kullanılırsa reaksiyon yavaşlar ve yanan metal parçaları çıktıkca kıvılcım görülür.
Konsantrasyon
Reaksiyonlar, reaktan türlerinin çarpışması sonucu oluşur. Moleküllerin veya iyonların çarpışma sıklığı konsantrasyonlarına bağlı olarak değişir. Molekül ne kadar çoksa birbirleriyle çarpışma ve reaksiyona girme olasılıkları da o kadar yüksektir. Dolayısıyla, reaktanların konsantrasyonlarındaki artış genellikle reaksiyon hızında bir artışa neden olurken, konsantrasyonlardaki azalma genellikle ters bir etkiye neden olur.
Sıcaklık
Sıcaklık genellikle kimyasal reaksiyon hızı üzerinde büyük etkiye sahiptir. Daha yüksek sıcaklıktaki moleküller daha yüksek termal enerjiye sahiptir. Yüksek sıcaklıklarda çarpışma sıklığı artsa da bu tek başına reaksiyon hızında büyük bir artışa neden olmaz. Sıcaklığın reaksiyon hızı sabiti üzerindeki etkisi genellikle Arrhenius denklemi ile açıklanır. Belirli bir sıcaklıkta, bir reaksiyonun kimyasal hızı, A faktörünün değerine, aktivasyon enerjisinin büyüklüğüne ve reaktanların konsantrasyonlarına bağlıdır. Genellikle, hızlı gerçekleşen reaksiyonlar nispeten küçük aktivasyon enerjileri gerektirir.
Katalizörler
Katalizör, aktivasyon enerjisini düşürerek yeni bir reaksiyon mekanizması sağlar ve reaksiyon hızını arttırır. Biyokimyasal reaksiyonlarda katalizör görevi gören proteinlere enzim denir. Michaelis – Menten kinetiği, enzime bağlı reaksiyonların hızını ifade eder. Katalizör, geri ve ileri reaksiyonları eşit olarak hızlandırdığı için denge konumunu etkilemez.
Basınç
Gaz halindeki bir reaksiyonda basınç artışı reaktanlar arasındaki çarpışmaların sayısını artırır ve dolayısı ile reaksiyon hızı artar. Bunun nedeni, gazın aktivitesi, gazın kısmi basıncı ile doğru orantılı olmasıdır. Bu, bir çözeltinin konsantrasyonunu arttırma etkisi ile benzer bir durumdur.
Bunun yanı sıra hız katsayıları basınç nedeniyle değişebilir. Karışıma asal bir gaz eklenirse, hız katsayısı ve birçok yüksek sıcaklık gaz fazı reaksiyonu ürünleri değişir. Basıncın arttırılması, reaksiyona giren moleküller ile sistemin geri kalanı arasındaki ısı aktarım hızını arttırır ve bu etkinin azalmasını sağlar.
Uygulamalar ve Modeller
Kimyasal reaksiyon kinetiğini tanımlayan matematiksel modeller, kimyagerlere ve kimya mühendislerine, gıda ayrışması, mikroorganizma büyümesi, stratosferik ozon ayrışması ve biyolojik sistemlerin kimyası gibi kimyasal süreçleri daha iyi anlama ve tanımlama imkanı sağlar. Bu modeller ürün verimini düzenlemek, ürünleri daha verimli şekilde ayırmak ve çevreye zararlı yan ürünleri ortadan kaldırmak için kimyasal reaktörlerin tasarımında veya modifikasyonunda da kullanılabilir. [2]
Özet:
Kimyasal kinetiğe göre kimyasal reaksiyon hızı, reaktanların kinetik enerjisi (belirli bir noktaya kadar) ile artar ve belli faktörlerle reaktanların birbirleriyle etkileşime girme olasılığını arttırır. Benzer şekilde, reaktanların birbirleriyle çarpışma olasılığını azaltan faktörler reaksiyon hızını düşürebilir. Reaksiyon hızını etkileyen ana faktörler;
- Reaktan konsantrasyonu (konsantrasyon artışı reaksiyon hızını arttırır)
- Sıcaklık (sıcaklık reaksiyon hızını bir noktaya kadar artırır)
- Katalizör ( katalizörler daha düşük aktivasyon enerjisi gerektiriler bu nedenle ortamda katalizör olması reaksiyonun hızını arttırır)
- Reaktanların fiziksel durumu (aynı fazdaki reaktanlar termal etki yoluyla temas edebilirler ancak yüzey alanı ve farklı fazlardaki reaktanların birbiriyle etkileşmesi ana reaksiyonu etkiler)
- Basınç (gaz faz reaksiyonları için, basıncı arttırmak reaktanlar arasındaki çarpışmaları arttırır böylece reaksiyon hızı artar)
Kimyasal kinetik bir kimyasal reaksiyon hızını tahmin etse de reaksiyon mertebesini göstermez.
Hazırlayan: Rabiye Baştürk
Kaynak: 1 (Erişim: 02 Aralık 2019) 2 (Erişim: 02 Aralık 2019)
