Kimyasal Denge

Bir cam balona renksiz diazot tetraoksit ($\text{N}_2\text{O}_4$) gazı koyup ağzını tıpayla kapatalım. Gaz molekülleri durmadan hareket eder. Balon kapalı: içeri madde girmez, dışarı madde çıkmaz.

$\text{N}_2\text{O}_4$ molekülünün ortadaki N–N bağı kopabilir: iki kahverengi azot dioksit ($\text{NO}_2$) molekülü olur. İki $\text{NO}_2$ çarpışınca yeniden $\text{N}_2\text{O}_4$ oluşur. İki yönde yürüyebilen bu tepkimeye tersinir tepkime denir.

$\text{NO}_2$ oluştukça balonun rengi koyulaşır; birkaç saniye sonra renk artık değişmez. Tepkime durdu mu? Moleküllere bak: bölünme ve birleşme hiç durmuyor. Notlardaki derişimler ise sabit kalıyor.

Başta yalnız ileri tepkime var; $\text{N}_2\text{O}_4$ azaldıkça hızı düşer. $\text{NO}_2$ çoğaldıkça geri tepkime hızlanır. İki çubuk eşitlenince sistem dengeye ulaşır.

Dengede her an bir yerde bir $\text{N}_2\text{O}_4$ bölünür (turuncu parlama), başka bir yerde iki $\text{NO}_2$ birleşir (mavi parlama). İki olay aynı hızla sürdüğü için sayılar değişmez. Bu dengeye dinamik denge denir.

Kapalı kaptaki sudan kopan moleküller buhar olur, buhardakiler suya döner. Buharlaşma hızı yoğuşma hızına eşitlenince manometre sabit bir denge buhar basıncı okur: 25 °C'de $23{,}8$ mmHg. Tepkime olmadan kurulan bu dengeye fiziksel denge denir.

Değişimler en düşük enerjiye ve en büyük düzensizliğe yönelir. $\text{N}_2\text{O}_4$'ün ayrışması ısı alır; enerji eğilimi girenlere bakar. İki $\text{NO}_2$ daha dağınıktır; düzensizlik eğilimi ürünlere bakar. Eğilimler zıt olunca denge kurulur.

Üç balon farklı başlar: yalnız $\text{N}_2\text{O}_4$, yalnız $\text{NO}_2$ ve karışım. Dengede derişimler farklıdır ama üç kadran da aynı oranı okur. Bu sabit sayı denge sabiti $K_c$'dir; yalnız sıcaklıkla değişir.

Gazlarda derişim yerine kısmi basınç da kullanılır: $P = cRT$. 100 °C'de $RT \approx 30{,}6$; sütunlar $1{,}22$ ve $3{,}67$ atm, toplamları manometrenin okuduğu $4{,}89$ atm. Basınçlarla yazılan sabit $K_p \approx 11$.

Dengede olmayan bir andaki derişimlerle hesaplanan orana denge kesri $Q$ denir. Bu balonda $\text{NO}_2$ fazla: $Q \approx 0{,}85 > K$. Tepkime geri yürür; renk açılır, ibre $K$ çubuğuna iner.

Bu balonda $\text{N}_2\text{O}_4$ fazla: $Q \approx 0{,}07 < K$. Tepkime ileri yürür; renk koyulaşır, ibre $K$'ya çıkar. Kural: tepkime her zaman $Q$'yu $K$'ya eşitleyecek yönde yürür.

1 L kapta 2'şer mol $\text{H}_2$, $\text{I}_2$ ve HI var; $K_c = 36$. Önce yön: $Q = \dfrac{2^2}{2 \cdot 2} = 1 < 36$, ileri yürür. Her olayda bir $\text{H}_2$ ve bir $\text{I}_2$ harcanır, iki HI oluşur: değişim $-x$, $-x$, $+2x$.

İki yanın karekökü: $\dfrac{2 + 2x}{2 - x} = 6$, buradan $x = 1{,}25$ mol. Dengede $\text{H}_2$ ve $\text{I}_2$ $0{,}75$'er mol, HI $4{,}5$ mol. Denetim: $\dfrac{4{,}5^2}{0{,}75^2} = 36$.

Kapalı kapta $v_{\text{ileri}} = v_{\text{geri}}$ olunca denge kurulur; derişimler sabittir, eşit değildir. $K_c$: ürünler bölü girenler, katsayılar üs. $K_p = K_c(RT)^{\Delta n}$. $Q < K$ ileri, $Q > K$ geri. Hesapta başlangıç-değişim-denge tablosu kurulur.