Denge Konu Anlatımı

Denge

Kimyasal tepkimelerin bazıları yalnız tek yönde ilerlerken bazıları hem ileri hem geri yönde gerçekleşebilir. Bir tepkimenin iki yönde ilerleyebilmesi, kapalı bir sistemde zamanla ileri ve geri tepkime hızlarının birbirine yaklaşmasına ve sonunda eşitlenmesine imkân verir. Bu durum kimyasal dengenin temelidir.

Denge, tepkimenin durduğu anlamına gelmez. Denge kurulduğunda makroskobik olarak derişim, basınç veya gözlenebilir miktarlar sabit görünür; alt mikro düzeyde ise ileri ve geri olaylar aynı hızda sürmeye devam eder. Bu nedenle denge **dinamik** bir durumdur.

Tersinir ve Tersinmez Tepkimeler

Yalnız bir yönde gerçekleşen, ürünlerin tekrar tepkenlere dönüşmediği tepkimelere **tersinmez tepkime** denir. Bu tepkimeler tek yönlü okla gösterilir.

Örneğin metanın yanması:

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)

tersinmez tepkime örneğidir.

Hem ileri hem geri yönde gerçekleşebilen tepkimelere **tersinir tepkime** denir. Tersinir tepkimeler çift yönlü okla gösterilir:

Tepkenler ⇌ Ürünler

Örnekler:

H2O(s) ⇌ H+(suda) + OH−(suda)

H2CO3(suda) ⇌ CO2(g) + H2O(s)

2NO2(g) ⇌ N2O4(g)

Tersinir tepkimelerin gözlenebilir kanıtları; tepkimenin özelliklerine göre renk, sıcaklık, basınç-hacim, iletkenlik veya katı kütlesindeki değişimler olabilir.

Tersinirliğin Günlük Yaşamla İlişkisi

Şarj edilebilir lityum-iyon pillerde kimyasal enerji ile elektrik enerjisi arasında çift yönlü dönüşüm gerçekleşebilir. Pilin şarj ve deşarj edilebilmesi, tepkimelerin tersinir olmasının kullanım açısından önemli bir sonucudur.

Gazlı içeceklerde:

CO2(g) + H2O(s) ⇌ H2CO3(suda)

dengesi bulunabilir. Sıcaklık ve ortam koşulları değiştiğinde CO2'nin çözünme ve gaz fazına geçme eğilimi değişebilir.

Fiziksel Denge ve Kimyasal Denge

Maddelerin iç yapıları değişmeden fiziksel hâller arasında kurulan dengeye **fiziksel denge** denir.

Örnekler:

• su-buz dengesi,
• sıvı-buhar dengesi,
• doymuş çözeltide çözünme-çökelme dengesi.

Kimyasal bir olayda ileri ve geri tepkimelerin eşit hızla sürmesiyle oluşan dengeye **kimyasal denge** denir.

Kimyasal denge için tepkimenin tersinir olması gerekir.

Örneğin:

2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g)

uygun koşullarda kimyasal denge kurabilir.

Homojen ve Heterojen Denge

Tepken ve ürünlerin tamamı aynı fazdaysa denge **homojen denge** olarak sınıflandırılır.

Örnek:

N2O4(g) ⇌ 2NO2(g)

Tepken veya ürünlerden en az biri farklı fazdaysa denge **heterojen denge** olarak sınıflandırılır.

Örnek:

2S(k) + 2O2(g) ⇌ 2SO2(g)

Bu ayrım özellikle denge sabiti ifadesi yazılırken önemlidir; saf katı ve saf sıvılar Kc ifadesine yazılmaz.

Kimyasal Dengenin Kurulması

N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)

tepkimesi Haber-Bosch sürecinde amonyak üretiminde kullanılır.

Yalnız N2 ve H2 ile başlatılan kapalı bir sistemde başlangıçta:

• tepken derişimleri yüksektir,
• ileri tepkime hızı yüksektir,
• ürün bulunmadığı için geri tepkime hızı sıfırdır.

Zamanla NH3 oluşur. Tepken derişimleri azalırken ürün derişimi artar.

Bunun sonucu:

• ileri tepkime hızı azalır,
• geri tepkime hızı artar.

Bir süre sonra:

**ri = rg**

olur. Bu anda sistem dengeye ulaşır.

Denge kurulduktan sonra ri ve rg eşit ve sabit kalır.

Denge Neden Kapalı Sistemde Kurulur?

Fiziksel ve kimyasal denge kapalı sistemlerde kurulabilir.

Açık sistemde çevreyle sürekli madde alışverişi bulunduğundan sistemin belirli bir bileşimde kalması zorlaşır.

Kapalı sistemde madde alışverişi olmadığı için ileri ve geri olayların hızları eşitlenebilir ve dinamik denge kurulabilir.

Sıvı-Buhar Dengesi

Kapalı bir kaptaki sıvıda başlangıçta buharlaşma hızı yüksektir. Buhar miktarı arttıkça yoğunlaşma olasılığı ve yoğunlaşma hızı artar.

Bir süre sonra:

buharlaşma hızı = yoğunlaşma hızı

olur.

Makroskobik olarak sıvı ve buhar miktarları sabit görünse de buharlaşma ve yoğunlaşma alt mikro düzeyde sürer.

Bu olay fiziksel dinamik dengeye örnektir.

Denge Sabiti Kc

Dengeye ulaşan sistemlerde tepken ve ürünlerin denge derişimleri arasında belirli bir oran bulunur. Bu oran **derişimler türünden denge sabiti Kc** ile ifade edilir.

Genel tepkime:

aA(g) + bB(g) ⇌ cC(g) + dD(g)

için:

**Kc = c(C)^c × c(D)^d / (c(A)^a × c(B)^b)**

Burada:

• c(A), c(B), c(C), c(D) denge derişimleridir,
• katsayılar üs olarak yazılır.

Denge sabiti ifadesine:

• gazlar,
• çözeltide bulunan maddeler

yazılır.

Saf katılar ve saf sıvılar denge sabiti ifadesine yazılmaz.

Kc ile Hız Sabitleri Arasındaki İlişki

Tek basamaklı genel tepkimede:

ri = ki c(A)^a c(B)^b

rg = kg c(C)^c c(D)^d

Dengede:

ri = rg

olduğundan:

**Kc = ki / kg**

bağıntısı elde edilir.

Bu ilişki, kimyasal dengenin ileri ve geri hızların eşitlenmesiyle kurulmasının matematiksel sonucudur.

Kc Değeri Neye Bağlıdır?

Bir tepkimenin denge sabitinin sayısal değeri **yalnız sıcaklıkla değişir**.

Derişim, hacim, basınç veya katalizör değişiklikleri sistemi geçici olarak dengeden çıkarabilir; fakat sıcaklık sabit kaldığı sürece Kc değişmez.

Sıcaklık değiştirildiğinde ise Kc değişebilir.

Kc İfadesi Örnekleri

N2 + 3H2 ⇌ 2NH3

**Kc = c(NH3)^2 / (c(N2) c(H2)^3)**

CO + Cl2 ⇌ COCl2

**Kc = c(COCl2) / (c(CO)c(Cl2))**

Ag+ + Fe2+ ⇌ Ag(k) + Fe3+

Ag katı olduğu için yazılmaz:

**Kc = c(Fe3+) / (c(Ag+)c(Fe2+))**

C(k) + CO2(g) ⇌ 2CO(g)

C katı olduğu için yazılmaz:

**Kc = c(CO)^2 / c(CO2)**

Kc Hesaplamalarında Denklem Mantığı

Denge sabiti hesaplanırken yalnız **denge anındaki derişimler** kullanılır.

Örneğin:

2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g)

için denge derişimleri:

• c(SO2)=0,5 M
• c(O2)=0,2 M
• c(SO3)=0,4 M

ise:

Kc = 0,4^2 / (0,5^2 × 0,2)

Kc = **3,2**

Bir başka örnekte:

CO(g) + Cl2(g) ⇌ COCl2(g)

c(CO)=0,25 M c(Cl2)=5,6 M c(COCl2)=1,4 M

Kc = 1,4 / (0,25×5,6)

Kc = **1**

Tepkime Oranı Qc

Tepkimenin herhangi bir anındaki ürün ve tepken derişimleriyle aynı matematiksel biçimde hesaplanan orana **tepkime oranı Qc** denir.

Kc yalnız denge anındaki derişimler için kullanılır.

Qc ise sistemin herhangi bir anındaki derişimlerle hesaplanabilir.

Genel olarak:

aA + bB ⇌ cC + dD

için:

**Qc = c(C)^c × c(D)^d / (c(A)^a × c(B)^b)**

Qc ile Kc karşılaştırılarak:

• sistemin dengede olup olmadığı,
• dengede değilse hangi yönde ilerlemesi gerektiği

belirlenir.

Qc-Kc Karşılaştırması

Qc < Kc

Ürün/tepken oranı denge değerinden küçüktür.

Sistem Qc'yi büyütmek için:

• ürün derişimini artırır,
• tepken derişimini azaltır.

Bu nedenle tepkime **ürünler yönüne** ilerler.

Bu durumda dengeye ulaşıncaya kadar:

**ri > rg**

Qc = Kc

Sistem dengededir.

**ri = rg**

Derişimler sabittir.

Qc > Kc

Ürün/tepken oranı denge değerinden büyüktür.

Sistem Qc'yi küçültmek için:

• ürün derişimini azaltır,
• tepken derişimini artırır.

Bu nedenle tepkime **tepkenler yönüne** ilerler.

Bu durumda:

**ri < rg**

Qc Örneği

H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g)

için:

Kc = 30

c(H2)=1 M c(I2)=0,1 M c(HI)=1 M

Qc = 1^2 / (1×0,1)

Qc = 10

10 < 30 olduğundan sistem dengede değildir ve ürünler yönüne ilerler.

Başka bir durumda:

c(H2)=2 M c(I2)=1 M c(HI)=10 M

Qc = 10^2 / (2×1) = 50

50 > 30 olduğundan tepkime tepkenler yönüne ilerler.

Le Chatelier İlkesi

Dengedeki bir sisteme dışarıdan bir etki uygulandığında sistem, bu etkiyi azaltacak şekilde kendini düzenler. Bu yaklaşım **Le Chatelier ilkesi** olarak adlandırılır.

Dengeyi etkileyen başlıca değişkenler:

• derişim,
• hacim,
• basınç,
• sıcaklık,
• katalizör.

Bir dış etki ileri ve geri hızları farklı oranda değiştirirse denge bozulur. Sistem ri ve rg yeniden eşit olacak şekilde ilerleyerek yeni denge kurar.

Derişimin Dengeye Etkisi

Sabit sıcaklık ve hacimde:

Bir madde eklenirse sistem o maddenin derişimini azaltacak yönde ilerler.

Bir madde çıkarılırsa sistem o maddenin derişimini artıracak yönde ilerler.

Örneğin:

N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)

sistemine N2 eklenirse denge ürünlere yönelir.

NH3 eklenirse denge tepkenlere yönelir.

H2 çıkarılırsa sistem H2 üretmek için tepkenler yönüne kayar.

Derişim değişikliği Kc'yi değiştirmez.

Hacmin Dengeye Etkisi

Gaz içeren denge sistemlerinde hacim değişimi gaz derişimlerini değiştirir.

Sabit sıcaklıkta:

Hacim Artarsa

Gaz derişimleri azalır.

Sistem, bu azalmayı gidermek için gaz katsayıları toplamı **daha fazla olan tarafa** ilerler.

Hacim Azalırsa

Gaz derişimleri artar.

Sistem, bu artışı azaltmak için gaz katsayıları toplamı **daha az olan tarafa** ilerler.

Örnek:

N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)

Tepken tarafında toplam gaz katsayısı 4, ürün tarafında 2'dir.

• hacim artışı → tepkenlere
• hacim azalışı → ürünlere

Hacim değişikliği Kc'yi değiştirmez.

Gaz Katsayıları Eşitse

Gaz fazındaki toplam katsayılar iki tarafta eşitse hacim değişikliği denge yönünü değiştirmez.

Örnek:

H2(g) + Cl2(g) ⇌ 2HCl(g)

Tepkenlerde toplam 2 mol gaz, ürünlerde toplam 2 mol gaz vardır.

Hacim değiştiğinde gazların derişimleri değişebilir; fakat denge bir tarafa kaymaz.

Heterojen Dengede Hacim Etkisi

Hacim değişikliği gaz fazındaki maddelerin basınç ve derişimini etkiler; katı ve sıvıların derişimini etkilemez.

Örneğin:

MgCO3(k) ⇌ MgO(k) + CO2(g)

sisteminde hacim değişiminin değerlendirilmesinde yalnız gaz olan CO2 tarafındaki gaz sayısı dikkate alınır.

Basıncın Dengeye Etkisi

Gaz fazındaki denge tepkimelerinde hacim değişikliği basıncı da değiştirir.

• basınç artırılırsa → sistem daha az gaz molekülü bulunan tarafa ilerler
• basınç azaltılırsa → sistem daha fazla gaz molekülü bulunan tarafa ilerler

N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 tepkimesinde:

• basınç artışı → ürünlere
• basınç azalışı → tepkenlere

Gaz katsayıları eşitse basınç değişimi denge yönünü değiştirmez.

Basınç veya hacim değişimi, sıcaklık sabitse Kc'yi değiştirmez.

Sıcaklığın Dengeye Etkisi

Sıcaklık, denge sabitini değiştiren temel faktördür.

Sıcaklık etkisini yorumlarken ısıyı bir tepkime bileşeni gibi düşünmek kolaylık sağlar.

Endotermik Denge

N2O4(g) + ısı ⇌ 2NO2(g)

Isı tepkenler tarafındadır.

Sıcaklık artırılırsa sisteme ısı eklenmiş gibi düşünülür. Sistem ısıyı tüketmek için ürünlere ilerler.

• sıcaklık artışı → ürünler → Kc artar
• sıcaklık azalışı → tepkenler → Kc azalır

Endotermik dengede sıcaklık ile Kc aynı yönde değişir.

Ekzotermik Denge

PCl3(g) + Cl2(g) ⇌ PCl5(g) + ısı

Isı ürünler tarafındadır.

• sıcaklık artışı → tepkenler → Kc azalır
• sıcaklık azalışı → ürünler → Kc artar

Ekzotermik dengede sıcaklık ile Kc ters yönde değişir.

Katalizörün Dengeye Etkisi

Katalizör hem ileri hem geri tepkimelerin aktivasyon enerjisini düşürür ve hızlarını aynı oranda artırır.

Sonuç:

• denge daha kısa sürede kurulur,
• denge yönü değişmez,
• denge derişimleri değişmez,
• Kc değişmez,
• ri ve rg daha büyük fakat yine birbirine eşit olur.

Katalizör denge konumunu değiştirmez; yalnız dengeye ulaşma süresini kısaltır.

Denge Grafikleri Nasıl Okunur?

Derişim-Zaman Grafiği

Dengeye ulaşana kadar tepken ve ürün derişimleri değişir.

Denge anından sonra:

• her maddenin derişimi sabit kalır,
• derişimlerin birbirine eşit olması gerekmez.

Hız-Zaman Grafiği

Yalnız tepkenlerle başlanmışsa:

• ileri hız yüksek başlar ve azalır,
• geri hız sıfırdan başlar ve artar,
• kesiştikleri an denge anıdır,
• denge sonrasında eşit hızla devam ederler.

Bir Dış Etki Uygulandığında

Denge bozulur; ileri ve geri hızlar geçici olarak farklılaşır.

Sistem yeni dengeye ulaşırken hızlar tekrar eşitlenir.

Günlük Yaşam ve Endüstri Bağlantıları

Haber-Bosch Süreci

N2 + 3H2 ⇌ 2NH3

dengesi amonyak ve gübre üretiminde önemlidir. Denge nedeniyle tepkenlerin tamamı ürüne dönüşmez. Bu yüzden sanayi koşulları ürün verimini artıracak şekilde seçilir.

Yüksek İrtifa ve Hemoglobin Dengesi

Hb(suda) + 4O2(g) ⇌ Hb(O2)4(suda)

yüksek irtifada O2 miktarı azaldığında denge geri yönde etkilenebilir. Vücut bu koşullara Hb miktarını artırarak uyum sağlamaya çalışır.

Zeytinyağı ve Denge

Yağ + Su ⇌ Yağ asidi + Gliserol

denge tepkimesinde su miktarının artması ürün oluşumunu destekleyebilir. Bu durum yağ asitlerinin artmasına ve zeytinyağının asitliğinin yükselmesine katkıda bulunabilir.

Sık Karıştırılan Noktalar

• Denge tepkimenin durması değildir.
• Dengede ileri ve geri tepkime hızları eşittir.
• Dengede tepken ve ürün derişimlerinin eşit olması gerekmez.
• Denge için tersinir tepkime ve kapalı sistem gereklidir.
• Kc yalnız denge derişimleriyle hesaplanır.
• Qc herhangi bir anda hesaplanabilir.
• Qc<Kc → ürünler.
• Qc>Kc → tepkenler.
• Saf katılar ve saf sıvılar Kc/Qc ifadesine yazılmaz.
• Kc'nin sayısal değeri yalnız sıcaklıkla değişir.
• Derişim değişimi Kc'yi değiştirmez.
• Hacim ve basınç değişimi sıcaklık sabitse Kc'yi değiştirmez.
• Katalizör Kc'yi ve denge derişimlerini değiştirmez.
• Hacim artışı gaz katsayısı fazla tarafa; hacim azalışı gaz katsayısı az tarafa yöneltir.
• Gaz katsayıları iki tarafta eşitse hacim/basınç değişimi denge yönünü değiştirmez.
• Endotermikte sıcaklık artışı Kc'yi artırır.
• Ekzotermikte sıcaklık artışı Kc'yi azaltır.

Soru Çözerken Kullanılabilecek Yaklaşım

1. Tepkimenin tersinir olup olmadığını kontrol et.
2. Denge grafiğinde ri=rg anını bul.
3. Kc yazarken ürünleri üste, tepkenleri alta yaz.
4. Katsayıları üs olarak kullan.
5. Saf katı ve saf sıvıları ifadeye alma.
6. Kc hesabında yalnız denge derişimlerini kullan.
7. Qc hesabında verilen andaki derişimleri kullan.
8. Qc-Kc karşılaştırmasıyla yönü belirle.
9. Derişim değişiminde eklenen maddeyi azaltacak, çıkarılan maddeyi artıracak yönü seç.
10. Hacim/basınç sorusunda yalnız gaz katsayılarını say.
11. Gaz katsayıları eşitse denge yönünün değişmeyeceğini unutma.
12. Sıcaklık sorusunda tepkimenin endotermik/ekzotermik yönünü belirle.
13. Kc'nin yalnız sıcaklık değişiminden etkilendiğini kontrol et.
14. Katalizör sorusunda “dengeye daha hızlı ulaşır, denge konumu değişmez” sonucunu kullan.
15. Grafik sorularında dış etki anındaki ani değişim ile yeni dengeye ilerleme sürecini birbirinden ayır.

Konu Özeti

Tersinir tepkimelerde ileri ve geri tepkimeler aynı anda gerçekleşebilir. Kapalı sistemde ileri ve geri tepkime hızları eşitlendiğinde dinamik denge kurulur. Denge sabiti Kc, ürün ve tepkenlerin denge derişimleri arasındaki sabit oranı ifade eder ve yalnız sıcaklıkla değişir. Tepkime oranı Qc herhangi bir anda hesaplanır; Qc<Kc ise ürünlere, Qc>Kc ise tepkenlere ilerleme olur. Le Chatelier ilkesine göre sistem dış etkiyi azaltacak yönde tepki verir. Derişim, hacim ve basınç denge konumunu değiştirebilir fakat sıcaklık sabitse Kc'yi değiştirmez. Sıcaklık hem denge yönünü hem Kc'yi değiştirir. Katalizör dengeye ulaşma süresini kısaltır fakat denge konumunu ve Kc'yi değiştirmez.

Konuyu Bitirdiğinde Bunları Yapabiliyor Olmalısın

• Tersinir ve tersinmez tepkimeleri ayırt edebilmelisin.
• Tersinirliğe kanıt olabilecek gözlenebilir değişimleri açıklayabilmelisin.
• Fiziksel ve kimyasal dengeyi ayırt edebilmelisin.
• Homojen ve heterojen dengeyi sınıflandırabilmelisin.
• İleri ve geri hızların dengeye gelme sürecini grafiklerle yorumlayabilmelisin.
• Kc ifadesini doğru yazabilmelisin.
• Dengedeki derişimlerden Kc hesaplayabilmelisin.
• Qc hesaplayıp Qc-Kc karşılaştırmasıyla yön tahmini yapabilmelisin.
• Le Chatelier ilkesini derişim, hacim, basınç ve sıcaklık değişimlerine uygulayabilmelisin.
• Sıcaklığın Kc üzerindeki etkisini endotermik ve ekzotermik dengelerde ayırt edebilmelisin.
• Katalizörün denge konumu, Kc ve dengeye ulaşma süresine etkisini açıklayabilmelisin.