Denge sabiti

^[1] Kimyasal tepkimelerde giren ve ürünün derişimlerinin sabit olması durumuna kimyasal denge olarak adlandırılmaktadır.

Kimyasal denge durumunda, ileri ve geri tepkime hızları birbirine eşit durumdadır. Herhangi bir madde asla tükenmez. Bundan dolayı denge tepkimeleri çift yönlüdür ve çift yönlü ok ile gösterilir.

Kimyasal denge sabiti, birkaç yöntemle bulunabilir.

K_d ile gösterilir. Suda çözünmüş veya gaz molekülleri için hesaplanabilir.

${\displaystyle {\ce {aA{}_{(aq)}+ bB{}_{(aq)}<=> cC{}_{(aq)}+ dD{}_{(aq)}}}}$

İleri ve geri tepkime hızlarının birbirine eşit olduğu bilindiği için, bu iki değer birbirine eşitlenerek derişimler cinsinden denge sabiti bulunabilir.

${\displaystyle {\begin{array}{lcl}r_{i}=k_{i}\times [A]^{a}\times [B]^{b}\\r_{g}=k_{g}\times [C]^{c}\times [D]^{d}\\r_{i}=r_{g}\longrightarrow k_{i}\times [A]^{a}\times [B]^{b}=k_{g}\times [C]^{c}\times [D]^{d}\end{array}}}$

Burada k_i ve k_g oranlanarak K_d hesaplanabiliir.

${\displaystyle {\begin{array}{lcl}{k_{i} \over k_{g}}=K_{d}={[C]^{c}\times [D]^{d} \over [A]^{a}\times [B]^{b}}\\\end{array}}}$

Yani, tepkimenin ürünlerinin derişiminin, tepkimenin girenlerinin derişimine oranı denge sabitini verir. Burada unutulmamalıdır ki, pay ve paydaya yalnızca suda çözünmüş veya gaz moleküller yazılır.

K_p ile gösterilir. Sadece gaz molekülleri için hesaplanır.

${\displaystyle {\ce {aA{}_{(g)}+ bB{}_{(g)}<=> cC{}_{(g)}+ dD{}_{(g)}}}}$

K_p derişimler cinsinden denge sabiti gibi ürünlerin kısmi basınçlarının, girenlerin kısmi basınçlarına oranı ile hesaplanır. Tek farkı suda çözünmüş maddeler pay veya paydaya yazılmaz.

${\displaystyle K_{p}={P_{C}^{c}\times P_{D}^{d} \over P_{A}^{a}\times P_{B}^{b}}}$

Kısmi basınçlar cinsinden denge sabiti aynı zamanda derişimler cinsinden denge sabiti kullanılarak da hesaplanabilir. Ancak bunun için bütün maddelerin gaz olması gerekir.

${\displaystyle {[A]}={n_{A} \over V}}$

İdeal gaz yasası ile bu gazın kısmi basıncı hesaplanabilir.

${\displaystyle P_{A}V=n_{A}RT\longrightarrow P_{A}={n_{A}RT \over V}}$

Burada ${\displaystyle {n_{A} \over V}}$, ${\displaystyle [A]}$ 'ne eşit olduğundan yerine yerleştirildiğinde ${\displaystyle P_{A}=[A]RT}$ bulunur.

Bu her gaz için tekrar edilip denge bağıntısında yerlerine yerleştirilirse,

${\displaystyle K_{p}={P_{C}^{c}\times P_{D}^{d} \over P_{A}^{a}\times P_{B}^{b}}={([C]RT)^{c}\times ([D]RT)^{d} \over ([A]RT)^{a}\times ([B]RT)^{b}}={[C]^{c}[D]^{d}(RT)^{c+d} \over [A]^{a}[B]^{b}(RT)^{a+b}}={[C]^{c}[D]^{d} \over [A]^{a}[B]^{b}}\times (RT)^{(c+d)-(a+b)}}$bulunur.

${\displaystyle {\begin{array}{lrl}(c+d)-(a+b)=n_{u}-n_{g}=\Delta n\\{[C]^{c}[D]^{d} \over [A]^{a}[B]^{b}}=K_{d}\\\end{array}}}$ olduğundan,

${\displaystyle K_{P}=K_{d}\times (RT)^{\Delta n}}$ bulunur.

Bu denkleme göre, eğer girenlerin ve ürünlerin mol sayıları eşit ise,

${\displaystyle {\begin{array}{lcr}n_{u}=n_{g}\longrightarrow n_{u}-n_{g}=\Delta n=0\\K_{P}=K_{d}(RT)^{\Delta n}=K_{d}(RT)^{0}=K_{d}\end{array}}}$

K_P ile K_d birbirlerine eşit bulunur.

Dengede olan bir sistemdeki; derişim, basınç ve sıcaklık değerlerinin değişmesi, dengeyi bozar. Bu denge bir süre sonra yeniden kurulur. Bu denge sabitinin sayısal değerini değiştirmez.

Bir tepkimeye dışarıdan dengeyi bozacak şekilde bir etki uygulanırsa, tepkime dengeyi yeniden oluşturmak adına bu etkinin tersi bir tepki oluşturur.

Kapalı bir kapta gerçekleşen bir denge tepkimesine madde eklenir veya çıkarılırsa sistem bu etkiyi azaltacak yönde tepkime verir.

${\displaystyle {\ce {aA{}_{(g)}+ bB{}_{(g)}<=> cC{}_{(g)}+ dD{}_{(g)}}}}$ tepkimesinin gerçekleştiği bir kaba A gazı eklenmesi durumunda tepkime A gazını azaltmaya çalışır. Bunun için de tepkime girenler yönünden ürünler yönüne kayar. Eğer A gazı çıkartılırsa, tepkime A gazını artırmaya çalışır. Bunun için de tepkime ürünler yönünden girenler yönüne doğru kayar.

Kapalı bir kapta gerçekleşen bir denge tepkimesinde basınç artırılır veya azaltılırsa sistem bu etkiyi azaltacak yönde tepkime verir.

${\displaystyle {\ce {aA{}_{(g)}+ bB{}_{(g)}<=> cC{}_{(g)}+ dD{}_{(g)}}}}$ tepkimesinin gerçekleştiği kabın hacmi düşürülür ve basıncı artırılırsa, sistem basıncı azaltma yönüne kayar. ${\displaystyle P_{T}V=n_{T}RT}$ ideal gaz denkleminde P(basınç) ile n(mol sayısı) doğru orantılıdır. Bundan dolayı da basıncın azaltılması için tepkime mol sayısının artırılması yönüne kayar.

Kapalı bir kapta gerçekleşen bir denge tepkimesinde sıcaklık artırılır veya azaltılırsa sistem bu etkiyi azaltacak yönde tepkime verir.

${\displaystyle {\ce {aA{}_{(g)}+ bB{}_{(g)}<=> cC{}_{(g)}+ dD{}_{(g)}+ Q}}}$ tepkimesinin gerçekleştiği kabın sıcaklığı artırılırsa, sistem bunu azaltma yönüne kayar. Tepkime ekzotermik bir tepkime olduğundan dolayı, tepkime enerji harcamak için girenler yönüne kayar. Tepkime entalpisi negatif (ekzotermik tepkime) olan tepkimeler sıcaklık artırıldığında girenler yönüne, pozitif olanlar (endotermik tepkime) ise ürünler yönüne doğru kayar.