Kimyasal Denge — Le Chatelier İlkesi ve Kc, Kp

Kimyasal denge, tersinir bir tepkimede ileri ve geri tepkimelerin aynı hızda gerçekleştiği, bu yüzden toplam bileşimin artık değişmediği durumdur. Bu, iki taraftaki miktarların eşit olduğu anlamına gelmez. Giriş düzeyi kimya sorularında temel araçlar çoğunlukla $Kc$, $Kp$ ve Le Chatelier ilkesidir.

Ürünlerin mi yoksa girenlerin mi baskın olduğunu belirlemeniz gerekiyorsa, denge ifadesini yazın. Bir değişimin yönünü tahmin etmeniz gerekiyorsa, Le Chatelier ilkesini kullanın ya da $Q$ ile $K$'yi karşılaştırın.

Kimyasal Denge Eşit Miktarlar Değil, Eşit Hızlar Demektir

Tersinir bir tepkimeyi düşünün:

$$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$$

Dengede, ileri hız geri hıza eşittir. Bu yüzden $A$, $B$, $C$ ve $D$ miktarları zamanla değişmeyi bırakır.

Bu, miktarların eşit olduğu anlamına gelmez. Bir sistem dengede iken çoğunlukla girenlerden, çoğunlukla ürünlerden ya da daha dengeli bir karışımdan oluşabilir. Koşul 50-50 bir dağılım değil, hızların eşit olmasıdır.

$Kc$ İfadesi Nasıl Yazılır?

$Kc$, derişimler kullanılarak yazılan denge sabitidir; giriş düzeyi kimyada genellikle birim olarak $\mathrm{mol/L}$ kullanılır.

Yukarıdaki genel tepkime için,

$$Kc = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$$

İfadede yalnızca karışım içinde derişimi anlamlı biçimde değişebilen türler yer alır. Standart giriş düzeyi anlatımda, saf katılar ve saf sıvılar ifadeye alınmaz; çünkü aktiviteleri sabit kabul edilir.

$Kc$'nin büyüklüğü, dengenin hangi tarafta olduğunu hızlıca anlamayı sağlar:

• Eğer $Kc \gg 1$ ise, dengede ürünler baskındır.
• Eğer $Kc \ll 1$ ise, dengede girenler baskındır.
• Eğer $Kc$ yaklaşık $1$ ise, hiçbir taraf belirgin biçimde baskın değildir.

Bu yalnızca genel bir eğilimdir. Gerçek bir soruyu çözmek için yine de doğru ifadeyi ve doğru üsleri kullanmanız gerekir.

Bunun Yerine Ne Zaman $Kp$ Kullanılır?

$Kp$, gaz fazı dengeleri için kısmi basınçlarla yazılan denge sabitidir:

$$Kp = \frac{(P_C)^c(P_D)^d}{(P_A)^a(P_B)^b}$$

Tepkime gazların kısmi basınçları cinsinden verildiğinde $Kp$ kullanılır. Bir tepkime hiç gaz içermiyorsa, $Kp$ genellikle doğal tercih değildir.

Gaz dengeleri için $Kc$ ile $Kp$ arasındaki ilişki şöyledir:

$$Kp = Kc(RT)^{\Delta n_{\mathrm{gas}}}$$

burada $\Delta n_{\mathrm{gas}}$ şu şekilde tanımlanır:

$$\Delta n_{\mathrm{gas}} = \text{gaz ürünlerin mol sayısı} - \text{gaz girenlerin mol sayısı}$$

Bu ilişki, gaz fazı dengeleri için alışılmış giriş düzeyi biçimde geçerlidir. Eğer gaz yoksa, odaklanmanız gereken araç genellikle $\Delta n_{\mathrm{gas}}$ değildir.

Çözümlü Örnek: $N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g)$ İçin $Kc$ Bulma

Bir sıcaklıkta denge karışımının şu değerlere sahip olduğunu varsayalım:

$$[N_2O_4] = 0.40 \text{ M}, \qquad [NO_2] = 0.20 \text{ M}$$

O hâlde

$$Kc = \frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]} = \frac{(0.20)^2}{0.40} = 0.10$$

Bu durumda, o sıcaklıkta bu denge girenler lehinedir; çünkü $Kc < 1$. Buradaki önemli nokta sayıyı ezberlemek değildir. Asıl önemli olan, $NO_2$'nin önündeki $2$ katsayısının denge ifadesinde üs hâline geldiğini fark etmektir.

Aynı tepkime için $\Delta n_{\mathrm{gas}} = 2 - 1 = 1$ olduğundan,

$$Kp = Kc(RT)$$

Bu da, bu gaz tepkimesinde derişim biçimi ile basınç biçiminin nasıl bağlantılı olduğunu gösterir.

Le Chatelier İlkesi Kaymayı Nasıl Tahmin Eder?

Le Chatelier ilkesi bir yön belirleme aracıdır. Dengedeki bir sistem bozulursa, denge konumu bu etkiyi kısmen karşı koyacak yönde kayar.

Bu ilke “hangi yöne gider?” sorusunu yanıtlar. Yeni dengedeki tam miktarları vermez.

Derişim Değişimleri

Bir giren eklemek, dengeyi genellikle ürünler yönüne kaydırır. Bir ürün eklemek ise dengeyi genellikle girenler yönüne kaydırır. Bir türü ortamdan uzaklaştırmak, dengeyi uzaklaştırılanın bir kısmını yeniden oluşturacak yöne kaydırma eğilimindedir.

Bu kısa yol yalnızca denge ifadesinde önemli olan türler için geçerlidir. Saf bir katının miktarını tek başına değiştirmek, derişime dayalı aynı kayma kuralını oluşturmaz.

Basınç veya Hacim Değişimleri

Alışılagelmiş basınç kısa yolu gaz dengelerinde önemlidir. Hacim azalırsa basınç artar ve denge genellikle gaz mol sayısının daha az olduğu tarafa kayar. Hacim artarsa, kayma genellikle gaz mol sayısının daha fazla olduğu tarafa olur.

Eğer iki tarafta da toplam gaz molü aynıysa, bu kısa yol yalnızca hacim değişiminden kaynaklanan bir kayma öngörmez.

Sıcaklık Değişimleri

Sıcaklık farklıdır; çünkü denge sabitinin değerini değiştirebilir.

Isıyı tepkimenin bir parçası gibi düşünün. İleri yönü ekzotermik olan bir tepkimede ısı ürün gibi davranır. İleri yönü endotermik olan bir tepkimede ise ısı giren gibi davranır. Bu yüzden sıcaklığı artırmak, farklı tepkimelerde zıt yönleri destekleyebilir.

Katalizörler

Bir katalizör, sistemin dengeye daha hızlı ulaşmasına yardım eder; ancak denge konumunu kendi başına değiştirmez.

Yönü Tahmin Etmek İçin $Q$ ile $K$'yi Karşılaştırın

Dengeye ulaşılmadan önce, o andaki derişimleri veya basınçları aynı ifadede yerine koyarsanız elde edilen sonuca tepkime bölümü, yani $Q$ denir.

• Eğer $Q < K$ ise, sistem sağa kayma eğilimindedir.
• Eğer $Q > K$ ise, sistem sola kayma eğilimindedir.
• Eğer $Q = K$ ise, sistem dengededir.

Bu yaklaşım, “ürünler baskın” ya da “girenler baskın” gibi belirsiz bir sezgiden çoğu zaman daha güvenilirdir; çünkü doğrudan gerçek ifadeyi kullanır.

Kimyasal Denge Sorularında Yaygın Hatalar

Eşit Hızlarla Eşit Miktarları Karıştırmak

Dengede hızlar eşittir. Derişimlerin eşit olması gerekmez.

Katsayıların Üs Olduğunu Unutmak

$Kc$ veya $Kp$ ifadesinde katsayılar üs olur. Dengelenmiş denklemde $2NO_2$ varsa, ifadede $[NO_2]^2$ ya da $(P_{NO_2})^2$ yer alır.

İfadeye Saf Katıları veya Saf Sıvıları Dahil Etmek

Standart giriş düzeyi denge ifadelerinde saf katılar ve saf sıvılar dışarıda bırakılır.

Le Chatelier İlkesini Hesap Makinesi Gibi Kullanmak

Le Chatelier ilkesi yönü güvenilir biçimde verir. Kesin son miktarları vermez.

Her Değişimin $K$'yi Değiştirdiğini Sanmak

Sıcaklık sabitken derişim, basınç veya hacim değişimi denge konumunu kaydırabilir; ancak $K$ değerini değiştirmez. Başlangıç düzeyi kimyada temel istisna sıcaklık değişimleridir.

Kimyasal Denge Nerelerde Kullanılır?

Kimyasal denge, kimyanın birçok alanında karşımıza çıkar: gaz tepkimeleri, asit-baz sistemleri, çözünürlük, kompleks iyon oluşumu ve endüstriyel tepkime tasarımı. Bir tepkime her iki yönde de ilerleyebiliyorsa ve son bileşim koşullara bağlıysa, kimyasal denge önemlidir.

Ayrıca öğrencilerin çoğu zaman ayrı ayrı öğrendiği fikirleri birbirine bağlar. Kimyasal kinetik, bir sistemin ne kadar hızlı değiştiğini açıklar. Denge ise belirli bir sıcaklıkta sistemin hangi duruma yerleştiğini açıklar.

Benzer Bir Denge Sorusu Deneyin

Aynı adımları şu tepkime için uygulayın:

$$H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$$

Önce $Kc$ ifadesini yazın. Sonra daha fazla $HI$ eklerseniz ya da kabı sıkıştırırsanız ne olacağını sorun. İkinci soru yararlı bir kontroldür; çünkü iki tarafta da toplam gaz molü aynıdır, bu yüzden alışılmış basınç kısa yolu kayma olmayacağını öngörür.