Bir kimyasal tepkimenin hızı ile reaktiflerin derişimleri arasındaki matematiksel bağıntıya hız denklemi (veya hız bağıntısı / hız kanunu) denir.

1. Tek Basamaklı Tepkimelerde Hız Denklemi

Tek bir adımda gerçekleşen elementer tepkimelerde hız denklemi, tepkimeye giren maddelerin molar derişimlerine ve stokiyometrik katsayılarına göre doğrudan yazılır:

• $[ \text{A} ]$ ve $[ \text{B} ]$: Reaktiflerin molar derişimleridir ($\text{M} = \text{mol/L}$).

• $a$ ve $b$: Tepkime denklemindeki reaktif katsayılarıdır; derişimlere üs olarak yazılır.

• $k$: Tepkimeye özgü hız sabitidir.

Hız Denklemine Yazılma Kuralları

1. Yalnızca Gazlar ve Sulu Çözeltiler Yazılır: Hız denklemine sadece gaz fazındaki ($g$) maddeler ile suda çözünmüş ($suda$ / $aq$) iyon ve moleküller yazılır.

2. Katılar ve Sıvılar Yazılmaz: Saf katılar ($k$) ve saf sıvılar ($s$) tepkime süresince derişimleri (yoğunlukları) sabit kaldığı için hız denklemine dahil edilmez (etkileri $k$ hız sabitinin içindedir).

2. Tepkime Derecesi (Mertebesi) ve Molekülerite

Bu iki kavram sıklıkla karıştırılır:

• Tepkime Derecesi: Hız denklemindeki derişimlerin üsleri toplamıdır. Deneysel bir değerdir; kesirli veya sıfır olabilir.

  $$r = k \cdot [\text{A}]^x \cdot [\text{B}]^y \implies \text{Tepkime Derecesi} = x + y$$

  (Tepkime A’ya göre $x$. dereceden, B’ye göre $y$. derecedendir).

• Molekülerite: Net tepkime denkleminde giren tüm reaktiflerin (katı, sıvı, gaz fark etmeksizin) katsayıları toplamıdır.

  • $1$ tanecik giriyorsa: Ünimoleküler (Monomoleküler)

  • $2$ tanecik giriyorsa: Bimoleküler

  • $3$ tanecik giriyorsa: Trimoleküler

3. Basamaklı (Mekanizmalı) Tepkimelerde Hız Denklemi

Kimyasal tepkimelerin çoğu tek bir adımda gerçekleşmez; art arda gelen bir dizi alt basamaktan (mekanizma) oluşur.

• Altın Kural: Basamaklı tepkimelerde hız denklemi net tepkimeye göre değil, en yavaş basamağın reaktiflerine göre yazılır. Çünkü bir zincirin hızı en zayıf halkasına, bir mekanizmanın hızı ise aktivasyon enerjisi ($E_{ai}$) en yüksek olan en yavaş basamağa bağlıdır.

Ara Ürün ve Katalizör Kavramları

• Ara Ürün: Bir basamakta üretilip daha sonraki basamaklardan birinde harcanan maddedir. Net tepkime denkleminde ve hız bağıntısında yer almaz.

• Katalizör: İlk basamaklardan birinde reaktif olarak girip yavaş basamağı hızlandıran, tepkime sonunda kimyasal yapısını koruyarak aynen çıkan maddedir. Net tepkimede yer almaz.

4. Hız Sabitinin ($k$) Birimi

Tepkime derecesi $n$ olmak üzere, hız birimi $\text{mol} \cdot \text{L}^{-1} \cdot \text{s}^{-1}$ alındığında $k$‘nin birimi şu formülle bulunur:

• 0. Derece ($n=0$): $\text{mol} \cdot \text{L}^{-1} \cdot \text{s}^{-1}$

• 1. Derece ($n=1$): $\text{s}^{-1}$

• 2. Derece ($n=2$): $\text{L} \cdot \text{mol}^{-1} \cdot \text{s}^{-1}$

• 3. Derece ($n=3$): $\text{L}^2 \cdot \text{mol}^{-2} \cdot \text{s}^{-1}$

Çözümlü Sorular

Soru 1: Mekanizmalı Tepkime Analizi

Gaz fazında gerçekleşen bir tepkimenin basamakları şöyledir:

1. Basamak: $\text{NO}_{2(g)} + \text{F}_{2(g)} \longrightarrow \text{NO}_2\text{F}_{(g)} + \text{F}_{(g)} \quad \text{(Yavaş)}$

2. Basamak: $\text{NO}_{2(g)} + \text{F}_{(g)} \longrightarrow \text{NO}_2\text{F}_{(g)} \quad \text{(Hızlı)}$

Buna göre:

a) Net tepkime denklemini yazınız.

b) Varsa ara ürünü belirtiniz.

c) Tepkimenin hız denklemini ve derecesini yazınız.

d) Tepkimenin moleküleritesini bulunuz.

Çözüm:

• a) Net Tepkime: İki basamağı taraf tarafa toplayalım:

  $$(\text{NO}_2 + \text{F}_2) + (\text{NO}_2 + \text{F}) \longrightarrow (\text{NO}_2\text{F} + \text{F}) + \text{NO}_2\text{F}$$

  Her iki taraftaki $\text{F}_{(g)}$ sadeleşir:

  $$2\text{NO}_{2(g)} + \text{F}_{2(g)} \longrightarrow 2\text{NO}_2\text{F}_{(g)}$$

• b) Ara Ürün: 1. basamakta oluşup 2. basamakta harcanan $\text{F}_{(g)}$ atomu ara üründür.

• c) Hız Denklemi: Yavaş olan 1. basamağın girenlerine göre yazılır:

  $$\mathbf{r = k \cdot [\text{NO}_2] \cdot [\text{F}_2]}$$

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

• d) Molekülerite: Net tepkimenin giren katsayıları toplamıdır: $2 + 1 = \mathbf{3}$ (Trimoleküler).

Soru 2: Deneysel Verilerden Hız Denklemi ve $k$ Hesabı

Belirli bir sıcaklıkta gerçekleşen;

tepkimesi için yapılan deney sonuçları verilmiştir:

Buna göre:

a) Hız denklemini bulunuz ve mekanizmalı olup olmadığını belirtiniz.

b) Hız sabiti $k$‘nin değerini ve birimini hesaplayınız.

Çözüm:

• a)

  • X’in derecesi: 1 ve 2. deneylerde $[\text{Y}]$ sabitken $[\text{X}]$ $2$ katına çıkmış; hız ise $\frac{6{,}0 \times 10^{-3}}{1{,}5 \times 10^{-3}} = 4$ ($2^2$) katına çıkmıştır. Demek ki hız $[\text{X}]^2$ ile orantılıdır.

  • Y’nin derecesi: 1 ve 3. deneylerde $[\text{X}]$ sabitken $[\text{Y}]$ $3$ katına çıkmış; hız da $\frac{4{,}5 \times 10^{-3}}{1{,}5 \times 10^{-3}} = 3$ ($3^1$) katına çıkmıştır. Demek ki hız $[\text{Y}]^1$ ile orantılıdır.

  • Hız Denklemi: $\mathbf{r = k \cdot [\text{X}]^2 \cdot [\text{Y}]}$

  • (Denklemdeki katsayılar ile deneysel üsler birebir aynı çıktığı için bu tepkime tek basamaklı olabilir).

• b) 1. deney verilerini yerine yazalım:

  $$1{,}5 \times 10^{-3} = k \cdot (0{,}1)^2 \cdot (0{,}1)^1$$
  $$1{,}5 \times 10^{-3} = k \cdot 10^{-3} \implies \mathbf{k = 1{,}5}$$

  • Tepkime derecesi $n = 2 + 1 = 3$ olduğundan birim:

    $$\left(\frac{\text{L}}{\text{mol}}\right)^{3-1} \cdot \frac{1}{\text{s}} = \mathbf{\text{L}^2 \cdot \text{mol}^{-2} \cdot \text{s}^{-1}}$$