Doğadaki kimyasal tepkimelerin büyük bir kısmı tek bir adımda gerçekleşmez; arka arkaya yürüyen bir dizi ara tepkimenin toplamından oluşur. Bir tepkimenin gerçekleşirken izlediği bu ardışık adımlar dizisine tepkime mekanizması veya çok basamaklı tepkimeler denir.

1. Hızı Belirleyen Basamak ve Hız Denklemi

• Hız Belirleyen Basamak (Yavaş Adım): Bir üretim bandının hızını en yavaş çalışan işçi nasıl belirliyorsa, mekanizmalı bir tepkimenin hızını da en yavaş basamak belirler.

• Hız Denklemi: Basamaklı tepkimelerde hız bağıntısı asla net tepkime denklemine göre yazılmaz; doğrudan en yavaş basamağın reaktiflerine göre yazılır.

• Hız belirleyen basamağın ileri aktifleşme enerjisi ($E_{ai}$) diğer basamaklardan her zaman daha büyüktür (aşılması gereken tepe en yüksektir).

2. Ara Ürün ve Katalizör Kavramları

Mekanizmalı tepkimelerde yer alan ancak net tepkime denkleminde görünmeyen iki kritik madde türü vardır:

3. Çok Basamaklı Tepkimelerde Potansiyel Enerji Grafikleri

Bir tepkimenin potansiyel enerji – tepkime koordinatı grafiğinde:

• Tepe Sayısı: Tepkimenin kaç basamaklı olduğunu gösterir (örneğin 2 tepe varsa tepkime 2 basamaklıdır).

• Tepe Noktaları: Her basamağın kendi aktifleşmiş kompleksini temsil eder.

• Tepeler Arasındaki Çukurlar: Her çukur noktası bir ara ürünün enerjisini gösterir.

• Yavaş Basamağın Tespiti: Grafikte giren seviyesinden tepe noktasına olan mesafe ($E_{ai}$) hangi adımda en büyükse, yavaş basamak odur.

• Katalizörün Etki Ettiği Yer: Katalizör, hızı belirleyen basamağın tepe noktasını aşağıya çekmek için yavaş basamağa uygulanır.

4. Tepkime Derecesi ve Molekülerite Farkı

• Tepkime Derecesi (Mertebesi): Yavaş basamağın reaktiflerine göre yazılan hız bağıntısındaki derişimlerin üsleri toplamıdır.

• Molekülerite: Mekanizmaya bakılmaksızın net tepkime denklemindeki girenlerin katsayıları toplamıdır.

Çözümlü Sorular

Soru 1: Mekanizma Analizi ve Kavram Tespiti

Gaz fazında gerçekleşen bir tepkimenin basamakları şöyledir:

1. Basamak: $\text{H}_2\text{O}_{2(suda)} + \text{I}^-_{(suda)} \longrightarrow \text{H}_2\text{O}_{(s)} + \text{IO}^-_{(suda)} \quad \text{(Yavaş)}$

2. Basamak: $\text{H}_2\text{O}_{2(suda)} + \text{IO}^-_{(suda)} \longrightarrow \text{H}_2\text{O}_{(s)} + \text{O}_{2(g)} + \text{I}^-_{(suda)} \quad \text{(Hızlı)}$

Buna göre aşağıdaki soruları yanıtlayınız:

a) Net tepkime denklemini yazınız.

b) Ara ürün ve katalizör olan maddeleri belirleyiniz.

c) Tepkimenin hız bağıntısını ve derecesini yazınız.

Çözüm:

• a) İki basamağı taraf tarafa toplayalım:

  $$\text{H}_2\text{O}_2 + \text{I}^- + \text{H}_2\text{O}_2 + \text{IO}^- \longrightarrow \text{H}_2\text{O} + \text{IO}^- + \text{H}_2\text{O} + \text{O}_2 + \text{I}^-$$

  Her iki tarafta yer alan $\text{I}^-$ ve $\text{IO}^-$ birbirini götürür:

  $$2\text{H}_2\text{O}_{2(suda)} \longrightarrow 2\text{H}_2\text{O}_{(s)} + \text{O}_{2(g)}$$

• b)

  • $\text{IO}^-_{(suda)}$ 1. basamakta oluşup 2. basamakta harcanmıştır $\rightarrow$ Ara üründür.

  • $\text{I}^-_{(suda)}$ 1. basamağa reaktif olarak girmiş, 2. basamaktan aynen çıkmıştır $\rightarrow$ Katalizördür.

• c) Hız denklemi yavaş olan 1. basamağın girenlerine göre yazılır:

  $$\mathbf{r = k \cdot [\text{H}_2\text{O}_2] \cdot [\text{I}^-]}$$

  Tepkime derecesi üsler toplamıdır: $1 + 1 = \mathbf{2}$.

Soru 2: Grafik Üzerinden Basamak Yorumlama

İki basamaklı bir tepkimeye ait potansiyel enerji grafiğinde şu veriler yer almaktadır:

• 1. Basamak: Girenler = $20\text{ kJ}$, Aktifleşmiş Kompleks = $95\text{ kJ}$, Ürünler (Ara ürün) = $40\text{ kJ}$

• 2. Basamak: Girenler (Ara ürün) = $40\text{ kJ}$, Aktifleşmiş Kompleks = $80\text{ kJ}$, Net Ürünler = $10\text{ kJ}$

Buna göre:

a) Basamakların ileri aktifleşme enerjilerini ($E_{ai1}, E_{ai2}$) bularak hızı belirleyen basamağı seçiniz.

b) Net tepkimenin $\Delta H$ değerini ve endotermik/ekzotermik durumunu bulunuz.

Çözüm:

• a)

  • 1. Basamak: $E_{ai1} = 95 – 20 = 75\text{ kJ}$

  • 2. Basamak: $E_{ai2} = 80 – 40 = 40\text{ kJ}$

  • $E_{ai1} > E_{ai2}$ olduğundan 1. basamağın enerji engeli daha büyüktür. Dolayısıyla 1. basamak yavaştır ve tepkime hızını belirler.

• b) Net tepkime entalpisi:

  $$\Delta H_{\text{net}} = H_{\text{ürünler}} – H_{\text{girenler}} = 10 – 20 = \mathbf{-10\text{ kJ}}$$

  $\Delta H < 0$ olduğundan net tepkime ekzotermiktir.