Reaksiyon kinetiğinde çarpışma teorisi

Bir kimyasal reaksiyonda girenler/tepkenler/reaktanlar bölümünü oluşturan bir çok zayıf etkileşimlerle (elektostatik kuvvetler) tutulan grubun toplam kinetik enerji durumu,moleküllerin birbirlerine olan uzaklık ve yakınlık durumlarıyla alakalıdır.Örneğin etkileşimin büyük olduğu durumlarda atomlar birbirlerini zayıf bir etkileşimle iter diğer durumlarda ise potansiyel enerji yani çekme durumunda bu durum oldukça basit bir yapıya sahiptir,bununda nedeni taneciklerin küresel simetri yapıları olup reaksiyonda oldukça aktif bir durum içinde olmalarıdır,esasında bu yapı,asimetri bir yapı sergilemek durumunda görünse de aslında böyle değildir,yani tanecikler küre şeklinde bir geometrik bir yapıya sahiptirler,diğer yandan girenler bölümü bir çok durumda reaktifleri etkilese de burada oldukça aktiftir yani reaktifler asla tek bir moleküler yapı da öteleme gibi bir durumu söz konusu değildir.

Moleküller esasında kendi aralarında yani reaktifler bölümünün de yalnız olması durumu kadar aktif değillerdir,bunun nedeni her iki moleküler yapının kendi aralarında bir dizi zayıf kuvvetlerle birbirlerini etkileyip,güçlü kuvvetleri bu yönde ürünler tarafında yönlendirmeleridir,burada da görev alan yapılarda elektrostatik kuvvetler ve diğer zayıf etkileşimlerdir (london kuvvetleri,dipol-dipol etkileşimler vs...) aslında burada görev alan yapılar ve oluşumlar tamamen potansiyel enerji değerlerinin yani bağ yapılarında bulunan enerji durumlarının kinetik enerji durumlarında ki ötelenmeleridir,yani kimyasal bağ enerjileri bu ötelemeyi yaparsa reaksiyon kesinlikle gerçekleşecektir ve kinetik enerji durumu zayıflar,bunun aksi durumunda ise potansiyel enerji dağılımı azalır,kinetik enerji artar ve reaksiyon gerçekleşmez,potansiyel enerjinin durumu ötelemesi gerekir.

Klasik mekanikte hatırlayacağımız gibi ‘bir reaksiyonda momentum ve kinetik enerji dağılımları korunur’ bu durum ‘reaksiyon kinetiğinde çarpışma teorisi’ içinde kısmen geçerlidir,yani reaksiyonda moleküller belli yörüngelerde momentum korunur,korunmaz ise reaksiyon tam teri durumda gerçekleşir bu durum ise girenler bölümünün potansiyel farkını artıma yönündedir yani eksponansiyel durum kendini koruma durumundadır.

Kompleks yapıların çarpışma teorisi ise moleküllerin momentumunun azalması yönünde bir fark yaratır,bu ise girenler bölümünün toplamda etkileşimlerin düşük değerde seyrettiği anlamına gelmektedir,bunu da şu formülle yerine koyarsak konuyu daha iyi bir şekilde kavramış oluruz.

σ(AB) = π (r(A) + r(B))²

burada σ(AB) kompleks yapının çarpışma kesitini yani çarpışma yüzeyini,r ise bilindiği gibi π değerinin A,B için yarıçapı belirtmektedir.Bu yarıçap değerleri kompleks moleküllerinde bir dizi değerlerini değiştirmektedir,bu da örneğin taneciğin yoğunluğu ve frekansı olup bu değer aynı zamanda taneciğin çarpışma sayısına da denk gelmektedir.

F(B) = σ(AB) v.C(B)

Burada f(B) çarpışma frekansı yada çarpışma sayısı
σ(AB) bilindiği gibi çarpışma kesiti yada çarpışma yüzeyi
C(B) ise B molekülünün birim hacimdeki yoğunluğunu göstermektedir.

Gazlarda ise bu durum Maxwell sabiti gibi bir dizi değerler alır ve olasılık tablosu tamamen değişir,yani gaz fazındaki girenler asla katılar gibi geometrik yapılar göstermezler bununda nedeni gazların serbest konumdaki yapılarıdır,burada gazların esasında hız dağılımında 0 ve ∞ değere bir tabloya denk düşer,bunlar ise toplamda bir dizi diferansiyel değerlerinin değişmesi demektir fkat ben burada işlem tablolarını alıp kağıda geçmeyeceğim,sadece konunun tablosunun ne anlama geldiğini kısaca anlatacağım.Taneciğin µ fonksiyonunun hızın karesine olan çarpımı Boltzmann sabitinin T yani mutlak sıcaklığın 2 ile çarpımı bize toplamda ürünleri verecektir ve son olarak çarpışma teorisinin deneysel olarak hangi verileri doğruladığı bir durum var,onu da kısaca açıklayıp konumuzu sonlandırabiliriz.


Sterik faktörü
Bu sabit oran,çarpışma teorisinde verilerin deneysel olarak nasıl ispatlandığı hakkında bizlere genel bilgi vermektedir,şöyle ki; çarpışma teorisinde frekans faktörü ve çarpışma frekansı bu oranı tanımlar ve çarpışma kesiti ile çarpışma alanı olarak yorumlanabilir.Sterik faktörü bazı zamanlarda kompleks reaksiyonların daha fazla değişken içerdiğinden birkaç alt basamakta incelenebilir (hess yasası ve born-haber çevriminden hatırlanacağı gibi …) ve bu durum kompleks yapısından dolayı bizlere unimoleküler yapıdan daha uzak deneyler sonuçlar vermektedir.Bunun yanında saçılma deneyleri de bu durumu aleyhte oluşan bir duruma getirmektedir.

İsmail Çelik

Kaynaklar:
Prof.Dr.Zekiye Çınar – Kuantum Kimyası (Çağlayan Yayınları)
Prof.Dr.Mustafa Cebe – Fizikokimya I. (U.Ü Yayınları)
Prof.Dr.Mustafa Cebe – Fizikokimya II. (Dora Basım Yayınevi)