Tepkime Hızları

Kaptaki $\text{A}_2$ ve $\text{B}_2$ molekülleri saniyede milyarlarca kez çarpışır. Çoğu çarpışmada yalnızca sekerler; arada bir, bir çift parlayıp iki $\text{AB}$'ye dönüşür. Tepkime ancak çarpışmayla olur, ama her çarpışma tepkime değildir.

Üstte uçlar çarpışıyor: yalnız bir A ile bir B değiyor, iki yeni bağ kurulamıyor; geri sekiyorlar. Altta yan yana geliyorlar: A–A ve B–B bağları kopup iki A–B bağı kuruluyor. Ürün veren çarpışmaya etkin çarpışma denir.

İki çift de yan yana çarpışıyor. Tüp, çarpışmanın enerjisini gösterir; enerji hızın karesiyle artar. Yavaş çiftin enerjisi halkaya ulaşmıyor. Etkin çarpışma için gereken en düşük enerji aktivasyon enerjisidir ($E_a$).

Çarpışma anında eski bağlar uzayıp zayıflar, yeni bağlar kesikli belirir. Dört atom bir an kararsız bir küme olur: aktifleşmiş kompleks ($\text{A}_2\text{B}_2^{\,*}$). Enerjisi en yüksektir; ürüne de girenlere de dağılabilir, ayrı bir madde olarak saklanamaz.

Bilye girenler düzlüğünden ($40$ kJ) tepeye ($120$ kJ) çıkıp ürünler düzlüğüne ($10$ kJ) iniyor. Tepede aktifleşmiş kompleks durur. İleri aktivasyon enerjisi bir farktır: $120 - 40 = 80$ kJ.

Bilye geri dönerken aynı tepeyi ürünler düzlüğünden aşar: $E_{a,\text{geri}} = 120 - 10 = 110$ kJ. Düzlükler arası fark $\Delta H = 10 - 40 = -30$ kJ, tepkime ekzotermik. Aktivasyon enerjisi küçük olan yön daha hızlıdır.

Ürünler $70$ kJ'ye çıktı: $\Delta H = +30$ kJ, tepkime endotermik. Tepe yerinde kaldığı için ileri $E_a$ hâlâ $80$ kJ; geri $E_a$ $50$ kJ'ye indi. Endotermikte ileri $E_a$, geri $E_a$'dan büyüktür.

Kutuda $\text{A}_2$ ve $\text{B}_2$ azaldıkça $\text{AB}$ çoğalıyor. Levhada derişimler zamanla çiziliyor: $[\text{A}_2] = [\text{B}_2]$ $0{,}50$ mol/L'den düşüyor, $[\text{AB}]$ sıfırdan $1{,}0$ mol/L'ye çıkıyor. Her tepkimede iki $\text{AB}$ oluştuğu için ürün eğrisi iki kat hızlı değişir.

İki an seç: aradaki kirişin eğiminin büyüklüğü o aralığın ortalama hızıdır. $10$. ve $30$. saniyeler arasında $[\text{A}_2]$ $0{,}192$ mol/L azalıyor: $\bar r = 0{,}192 / 20 \approx 0{,}0096\ \text{mol L}^{-1}\text{s}^{-1}$. Hız her zaman pozitif yazılır.

İlk $20$ s'nin kirişi dik, sonraki $20$ s'ninki yatık: ortalama hız $0{,}0158$'den $0{,}0058\ \text{mol L}^{-1}\text{s}^{-1}$'e iniyor. Derişim azaldıkça çarpışma azalır, tepkime yavaşlar.

$\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \to 2\text{NH}_3$: her tepkime olayında bir $\text{N}_2$ ve üç $\text{H}_2$ sütundan kalkar, iki $\text{NH}_3$ iner. Atomlar korunur: $2$ N ve $6$ H yeniden dizilir. Maddeler $1 : 3 : 2$ oranında değişir.

Sütunlardaki değişimi katsayılara böl: üçü de aynı sayıyı verir. Bu sayının birim zamandaki değeri tepkime hızıdır. Girenlerin önüne eksi, ürünlerin önüne artı konur; katsayısı $1$ olan maddenin hızı tepkime hızına eşittir.

$\text{Mg} + 2\text{HCl} \to \text{MgCl}_2 + \text{H}_2$: erlende Mg şerit kabarcık çıkarıyor, $\text{H}_2$ şırıngaya dolup pistonu itiyor. İlk $20$ s'de $44{,}8$ mL gaz toplanıyor: hız $44{,}8 / 20 = 2{,}24$ mL/s. Kabarcıklar azaldıkça hız düşer.

NŞ'da $44{,}8$ mL $= \dfrac{0{,}0448}{22{,}4} = 0{,}002$ mol $\text{H}_2$; hız $1 \cdot 10^{-4}$ mol/s. Mg ile $\text{H}_2$'nin katsayıları eşit: Mg de $1 \cdot 10^{-4}$ mol/s, yani $2{,}4 \cdot 10^{-3}$ g/s harcanır; $20$ s'de şeritten $0{,}048$ g gider.

Solda $\text{H}_2$ ve $\text{Cl}_2$ aynı fazda: homojen tepkime, çarpışmalar kabın her yerinde. Sağda katı karbon ve $\text{O}_2$ gazı: heterojen tepkime, çarpışmalar yalnız katının yüzeyinde. Bu yüzden heterojen tepkimede katıyı ufalamak hızı artırır.

Etkin çarpışma = yeterli enerji + uygun yönelme. Aktivasyon enerjisi bir farktır: $\Delta H = E_{a,\text{ileri}} - E_{a,\text{geri}}$. Ortalama hız $\lvert \Delta[\text{X}] \rvert / \Delta t$; maddelerin hızları katsayılarla orantılıdır.