Kimyasal Denge: Denge Nasıl Kurulur ve Nasıl Değişir?

Kimyasal dengenin tanımı ve dinamik doğası

Bir tepkimede giren maddeler ürünlere dönüşürken ürünler de yeniden giren maddeleri oluşturabiliyorsa tepkime tersinirdir. Başlangıçta genellikle giren maddelerin derişimi daha büyük olduğu için ileri tepkimenin hızı yüksektir. Ürünler oluştukça geri tepkime de hızlanır. Bir süre sonra ileri tepkimenin hızı ile geri tepkimenin hızı eşitlenir ve sistem kimyasal dengeye ulaşır.

Dengede maddelerin miktarları veya derişimleri artık net olarak değişmez; fakat bu, tepkimelerin durduğu anlamına gelmez. İleri yönde ürün oluşurken aynı hızda geri yönde giren maddeler oluşur. Bu nedenle kimyasal denge statik değil, dinamik bir dengedir. Örneğin I2 ile I− iyonlarının tepkimesinde I3− oluşurken I3− iyonları da ters yönde I2 ve I− oluşturur. Denge durumunda iki yönlü oluşum hızları eşit olduğundan derişimler sabit görünür.

Denge, giren maddelerin ve ürünlerin mutlaka eşit miktarda olduğu anlamına da gelmez. Eşit olan büyüklük miktarlar değil, ileri ve geri tepkime hızlarıdır. Bu ayrım, dengeye ulaşmış bir sistemde neden hâlâ moleküler düzeyde değişim yaşandığını açıklar.

Kimyasal dengenin kurulma koşulları

Kimyasal dengenin kurulabilmesi için tepkimenin tersinir olması, yani hem ileri hem de geri yönde gerçekleşebilmesi gerekir. Ayrıca sistem, maddelerin dışarı çıkmadığı veya dışarıdan yeni madde girmediği kapalı bir ortamda ve tepkimenin gerçekleşmesine uygun sıcaklık, basınç ve derişim koşullarında bulunmalıdır. Bu koşullarda ileri ve geri tepkimelerin hızları zamanla birbirine yaklaşır ve eşitlendiğinde denge kurulur.

Dengeye ulaşmak için sistemin yalnızca giren maddelerle veya yalnızca ürünlerle başlatılması gerekmez. Uygun koşullarda başlangıç bileşimi ne olursa olsun sistem, ileri ve geri tepkimelerin hızlarının eşit olduğu bir duruma yönelir. Denge kurulduktan sonra derişimler sabit kalır; ancak dış koşullardan biri değiştirilirse sistem yeni bir denge durumuna geçebilir.

Denge bağıntısı Kc’nin yazılması ve yorumlanması

Kc, bir tepkimenin denge hâlindeki derişimlerini kullanarak denge durumunu nicel biçimde ifade eden denge sabitidir. Genel olarak aA + bB ⇌ cC + dD tepkimesi için ürünlerin denge derişimleri paya, girenlerin denge derişimleri paydaya yazılır ve katsayılar üs olarak kullanılır.

Kc = [C]^c[D]^d / [A]^a[B]^b

Kc yazılırken tepkime denkleminin denkleştirilmiş olması gerekir. Tepkime denklemi ters çevrilirse yeni bağıntı eski Kc’nin tersine dönüşür; katsayıların tamamı bir katla çarpılırsa Kc’nin üssü de aynı kat olur. Kc yalnızca denge derişimleriyle hesaplanır. Başlangıç derişimleri, dengeye ulaşılmadan doğrudan bağıntıya yazılmaz.

Kc’nin büyüklüğü, denge konumunun hangi tarafa daha yakın olduğu hakkında bilgi verir. Büyük bir Kc değeri, denge hâlinde ürünlerin görece daha baskın olduğunu; küçük bir Kc değeri ise giren maddelerin görece daha baskın olduğunu gösterir. Ancak Kc, tepkimenin ne kadar hızlı gerçekleştiğini göstermez; hız ile denge konumu farklı kavramlardır.

Örneğin I2 + I− ⇌ I3− tepkimesi için bağıntı Kc = [I3−] / ([I2][I−]) şeklindedir. Başlangıçta I2 ve I− derişimleri 1,000 × 10−3 M, dengede I2 derişimi 6,61 × 10−4 M ise I2’nin 3,39 × 10−4 M azaldığı kabul edilir. Tepkime oranına göre I− derişimi de 3,39 × 10−4 M azalır ve I3− derişimi aynı miktarda oluşur. Böylece Kc yaklaşık 7,76 × 10^2 bulunur; bu değer ürün tarafının daha baskın olduğu bir dengeyi gösterir.

Homojen ve heterojen dengeler

Dengedeki tüm maddeler aynı fiziksel hâlde bulunuyorsa homojen denge söz konusudur. Örneğin yalnızca gazlardan oluşan bir tepkimede bütün maddeler gaz hâlindedir; yalnızca sulu çözeltide bulunan türlerden oluşan bir tepkime de homojen denge oluşturur. Bu tür dengelerde tepkimeye katılan ve derişimi değişebilen türler Kc bağıntısına yazılır.

Heterojen dengede ise maddeler birden fazla fiziksel hâlde bulunur; örneğin katı, sıvı ve gaz türleri aynı sistemde yer alabilir. Saf katıların ve saf sıvıların etkin derişimleri sabit kabul edildiği için bunlar Kc bağıntısına yazılmaz. Gazlar ve çözelti içindeki derişimleri değişebilen türler bağıntıda yer alır. Bu nedenle Kc yazmadan önce tepkimedeki her maddenin fiziksel hâlini ve saf madde olup olmadığını kontrol etmek gerekir.

Dengeyi etkileyen faktörler ve denge yönünün değişmesi

Denge hâlindeki bir sistemin derişim, basınç, hacim veya sıcaklık koşulları değiştirilirse ileri ve geri tepkimelerin hızları kısa süreli olarak farklılaşır. Sistem, yapılan değişikliğin etkisini azaltacak yönde ilerleyerek yeni bir denge kurar. Bu yaklaşım denge yönünü belirlemek için kullanılır; dengeye ulaşıldığında yine ileri ve geri hızlar eşitlenir.

Bir giren maddenin derişimi artırılırsa sistem bu maddeyi tüketen, yani ürün oluşturan yöne kayar. Bir ürünün derişimi artırılırsa sistem eklenen ürünü tüketmek için giren maddeler yönüne kayar. Bir maddenin ortamdan uzaklaştırılması ise sistemin o maddeyi yeniden oluşturduğu yöne ilerlemesine neden olur. Derişim değişikliği denge konumunu değiştirir, fakat sıcaklık sabit kaldığı sürece Kc’nin değeri değişmez.

Basınç ve hacim değişiklikleri yalnızca gazların bulunduğu veya gaz içeren dengelerde belirgin biçimde değerlendirilir. Gaz hacmi azaltılırsa basınç artar ve sistem gaz taneciklerinin toplam mol sayısının daha az olduğu tarafa yönelir. Hacim artırılırsa basınç azalır ve gaz taneciklerinin daha fazla olduğu taraf desteklenir. İki tarafta gaz molü sayısı eşitse basınç veya hacim değişikliği denge yönünü değiştirmez.

Sıcaklık değişiminde ısı, tepkimenin girenlerinden veya ürünlerinden biri gibi düşünülür. İleri yöndeki tepkime ısı veren bir tepkimeyse sıcaklık artırıldığında denge ısıyı tüketen ters yöne kayar; sıcaklık azaltıldığında ısı veren yön desteklenir. İleri yöndeki tepkime ısı alan bir tepkimeyse sıcaklık artışı ileri yönü destekler. Sıcaklık değişimi yalnızca denge konumunu değil, Kc değerini de değiştirir; bu nedenle diğer değişimlerden farklıdır.

Katalizör, ileri ve geri tepkimelerin hızlarını birlikte artırarak dengeye daha kısa sürede ulaşılmasını sağlar; denge konumunu ve Kc değerini değiştirmez. Denge yönünü sayısal olarak incelemek için kullanılan Qc, mevcut derişimlerle yazılan benzer bir ifadedir; ayrıntılı yön karşılaştırması ayrı bir konudur.

Kc ile temel denge hesaplamaları

Kc bağıntısı, denge derişimleri bilindiğinde denge sabitini bulmak, bir denge derişimi eksik olduğunda onu hesaplamak veya Kc ile başlangıç derişimleri verildiğinde denge derişimlerini belirlemek için kullanılabilir. Her durumda önce tepkime denklemi denkleştirilir, ardından doğru Kc bağıntısı yazılır ve bilinen değerler yerine konur.

Örneğin I2 + I− ⇌ I3− tepkimesinde başlangıçta I2 ve I− derişimleri 1,000 × 10−3 M, dengede I2 derişimi 6,61 × 10−4 M olsun. I2’nin değişimi 3,39 × 10−4 M olduğundan denge derişimleri [I−] = 6,61 × 10−4 M ve [I3−] = 3,39 × 10−4 M olur. Bu değerler Kc = [I3−] / ([I2][I−]) bağıntısına yazılarak Kc yaklaşık 7,76 × 10^2 olarak hesaplanır.

Kc ve denge derişimlerinin bir kısmı verildiğinde bilinmeyen derişim de aynı bağıntı cebirsel olarak düzenlenerek bulunabilir. Başlangıç derişimlerinden denge derişimlerine geçişte ise değişim miktarlarının tepkime katsayılarıyla uyumlu olması gerekir; daha ileri düzey hesaplamalarda bu işlem için ICE tabloları kullanılabilir.