Kimya I · 11. Ünite: Kimyasal Kinetik ve Denge
Tepkime Mekanizmaları ve Kataliz
Gözlenen hız yasası bir tepkimenin "parmak izi"dir ama tepkimenin gerçekte nasıl yürüdüğünü doğrudan söylemez. Mekanizma, toplam denklemi oluşturan elementer adımların sırasıdır; hızı en yavaş adım belirler. Bu konuda elementer adımlardan hız yasası yazmayı, ara ürün ile katalizörü ayırt etmeyi, hızlı ön denge yaklaşımıyla gözlenen hız yasasını türetmeyi ve katalizörün enerji diyagramında neyi değiştirip neyi değiştirmediğini hesapla göstermeyi öğreneceksin. Sonunda önerilen bir mekanizmanın gözlenen hız yasasıyla uyumlu olup olmadığına karar verebilecek, katalizörün hızı kaç kat artırdığını hesaplayabileceksin.
Öğrenme hedefleri
- Elementer adımın molekülerliğini (uni-, bi-, termolekülerlik) belirler ve hız yasasını doğrudan katsayılarından yazar.
- Bir mekanizmada ara ürün ile katalizörü ayırt eder ve elementer adımların toplamının toplam denklemi verdiğini doğrular.
- Hız belirleyen adım ve hızlı ön denge yaklaşımıyla mekanizmadan hız yasasını türetir ve gözlenen hız yasasıyla karşılaştırır.
- Enerji diyagramında $E_a$(ileri), $E_a$(geri) ve $\Delta H$ arasındaki $E_a^{\text{geri}} = E_a^{\text{ileri}} - \Delta H$ ilişkisini kullanır.
- Katalizörün $E_a$'yı düşürüp $\Delta H$, $K$ ve denge verimini değiştirmediğini, $k_f$ ve $k_r$'yi aynı çarpanla artırdığını gerekçelendirir.
- $k_{\text{kat}}/k = e^{\Delta E_a/RT}$ ile katalizörün hız artışını hesaplar ve Michaelis–Menten denkleminin sınır durumlarını yorumlar.
Konu anlatımı
1. Bağlam: Toplam Denklem Hikâyenin Sonudur
2. Elementer Adımlar ve Molekülerlik
3. Hız Belirleyen Adım ve Hız Yasası
4. Kataliz: Enerji Diyagramı Gerçekleri
5. Enzim Katalizi: Michaelis–Menten Modeli
6. Çözümlü Örnekler
7. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları
Anahtar terimler
- Mekanizma (reaction mechanism)
- Toplam tepkimeyi oluşturan elementer adımların sıralı bütünü.
- Elementer adım
- Tek bir çarpışma ya da ayrışma olayı; hız yasası katsayılarından doğrudan yazılır.
- Molekülerlik
- Elementer adıma giren taneciklerin sayısı: uni-, bi-, termoleküler.
- Ara ürün (intermediate)
- Bir adımda oluşup sonraki adımda tüketilen, toplam denklemde görünmeyen tür.
- Katalizör (catalyst)
- Tepkimede tüketilmeden yeniden oluşan ve daha düşük $E_a$'lı yol sağlayarak hızı artıran madde.
- Hız belirleyen adım
- Mekanizmadaki en yavaş adım; toplam hız yasasını belirler.
- Hızlı ön denge
- Yavaş adımdan önce kurulan hızlı, tersinir denge; ara ürün derişimini $K$ ile verir.
- Michaelis–Menten denklemi
- $v = V_{\max}[S]/(K_m+[S])$; enzim katalizinin substrat derişimine bağımlılığı.
- Heterojen katalizör
- Girenlerden farklı fazda (genellikle katı yüzey) bulunan katalizör.
Örnek soru
$\text{NO}(g)+\text{O}_3(g)\rightarrow\text{NO}_2(g)+\text{O}_2(g)$ tepkimesi tek bir bimoleküler elementer adım olarak gerçekleşmektedir. Hız yasası nedir?
- hız $= k[\text{NO}]^2[\text{O}_3]$
- hız $= k[\text{NO}_2][\text{O}_2]$
- hız $= k[\text{NO}]$
- hız $= k[\text{NO}][\text{O}_3]$
- hız $= k[\text{NO}][\text{O}_3][\text{NO}_2]$
Doğru cevap: D
Çözüm
1. Elementer adımda hız yasası katsayılardan doğrudan yazılır; her giren tanecik derişimi kendi katsayısı kadar üslenir.
2. Girenler $\text{NO}$ ve $\text{O}_3$ (katsayı 1) olduğundan hız $= k[\text{NO}][\text{O}_3]$, toplam mertebe 2.
Cevap: $k[\text{NO}][\text{O}_3]$. Ürün derişimi ($\text{NO}_2$, $\text{O}_2$) hız yasasında yer almaz (geri tepkime ihmal edildiğinde); $[\text{NO}]^2$ yanlış katsayı kullanmaktır.