Kimyasal Tepkimelerde Enerji

Bu konuda ne öğreneceksin

Soğuk paketler neden bir bükünce soğur, el ısıtıcıları neden ısınır? Benzin yanınca açığa çıkan enerji nereden gelir? Kimyasal tepkimelerde bağlar kırılır, yenileri oluşur ve bu sırada sistemle çevre arasında ısı alışverişi olur. Bu konuda entalpi kavramını, ekzotermik ve endotermik tepkimeleri, oluşum entalpisini, bağ enerjilerinden tepkime ısısı hesabını, Hess yasasını, kalorimetriyi ve aktifleşme enerjisini öğreneceksin. Tepkime ısısı hesapları AYT Kimya'da neredeyse her yıl sorulur.

1. Entalpi ve tepkime ısısı

Sabit basınçta bir sistemin ısı içeriğine entalpi ($H$) denir. Tepkimede entalpi değişimi:

$\Delta H=H_{ürünler}-H_{girenler}$

• Ekzotermik tepkime: Çevreye ısı verir, ürünlerin entalpisi düşüktür, $\Delta H<0$. Yanma, nötrleşme, su buharının yoğuşması.
• Endotermik tepkime: Çevreden ısı alır, $\Delta H>0$. Suyun buharlaşması, amonyum nitratın suda çözünmesi, fotosentez, karbonatın ayrışması.

Aktifleşme enerjisi ($E_a$), tepkimenin başlaması için aşılması gereken enerji engelidir. Diyagramda girenlerden tepenin üstüne olan yüksekliktir.

• İleri tepkime: $E_{a(ileri)}$
• Geri tepkime: $E_{a(geri)}=E_{a(ileri)}-\Delta H$

Katalizör tepkimeyi farklı, daha düşük enerjili bir yoldan yürütür. $E_a$'yı (hem ileri hem geri) düşürür ama $\Delta H$'yi değiştirmez.

2. Standart oluşum entalpisi

Standart koşullarda ($25^\circ\text{C}$, $1$ atm) elementlerinden $1$ mol bileşik oluşurken olan entalpi değişimine standart molar oluşum entalpisi ($\Delta H_f^\circ$) denir. Kararlı hâlindeki elementlerin $\Delta H_f^\circ$ değeri sıfırdır ($\text{O}_2$, $\text{H}_2$, $\text{C}$ grafit gibi).

Tepkime entalpisi:

$\Delta H^\circ=\sum n\,\Delta H_f^\circ(\text{ürünler})-\sum n\,\Delta H_f^\circ(\text{girenler})$

Örnek: $\text{CH}_4+2\text{O}_2\rightarrow\text{CO}_2+2\text{H}_2\text{O}(s)$ için $\Delta H_f^\circ$ değerleri $\text{CH}_4:-75$, $\text{CO}_2:-394$, $\text{H}_2\text{O}(s):-286$ kJ/mol ise $\Delta H=(-394)+2(-286)-(-75)=-891\ \text{kJ}$.

3. Bağ enerjisinden tepkime entalpisi

Bağ kırmak enerji ister (endotermik), bağ oluşması enerji verir (ekzotermik).

$\Delta H=\sum E_{kırılan\ bağlar}-\sum E_{oluşan\ bağlar}$

Dikkat: Bu formülde "kırılan eksi oluşan" yazılır. Oluşum entalpisindeki "ürünler eksi girenler" ile karıştırma.

Örnek: $\text{N}_2+\text{O}_2\rightarrow2\text{NO}$ için $\text{N}\equiv\text{N}:945$, $\text{O}=\text{O}:498$, $\text{N}=\text{O}:630$ kJ/mol ise $\Delta H=(945+498)-2(630)=+183\ \text{kJ}$. Tepkime endotermiktir.

4. Hess yasası

Entalpi bir hâl fonksiyonudur, yani değişim yoldan bağımsızdır. Bir tepkime birkaç basamakta gerçekleşiyorsa toplam entalpi, basamakların entalpileri toplamıdır.

Kurallar:

1. Tepkimeyi ters çevirirsen $\Delta H$'nin işareti değişir.
2. Katsayıyı $n$ ile çarparsan $\Delta H$ da $n$ ile çarpılır.
3. Denklemleri toplarken iki tarafta aynı olan maddeler sadeleşir.

Örnek: Aşağıdakilerden $\text{C}+\tfrac12\text{O}_2\rightarrow\text{CO}$ tepkimesinin entalpisini bul.

• $\text{C}+\text{O}_2\rightarrow\text{CO}_2$, $\Delta H=-394\ \text{kJ}$
• $\text{CO}+\tfrac12\text{O}_2\rightarrow\text{CO}_2$, $\Delta H=-283\ \text{kJ}$

İkinciyi ters çevir ($+283$) ve birinciyle topla: $-394+283=-111\ \text{kJ}$.

5. Kalorimetri

Isı ölçümüne kalorimetri denir. Suyun aldığı ya da verdiği ısı:

$Q=m\cdot c\cdot\Delta T$

Suyun özısısı $c=4{,}18\ \text{J/g}\cdot^\circ\text{C}$. Tepkimede açığa çıkan ısı, kalorimetredeki suyun aldığı ısıya eşittir ($Q_{tepkime}=-Q_{su}$). Bir mol madde için entalpi hesaplanacaksa $Q$ önce mol sayısına bölünür.

Örnek: $200\ \text{g}$ suyun sıcaklığı $20^\circ\text{C}$'den $30^\circ\text{C}$'ye çıkıyorsa $Q=200\cdot4{,}18\cdot10=8360\ \text{J}=8{,}36\ \text{kJ}$ ısı almıştır.

6. Sık yapılan hatalar

• Bağ enerjisinde "ürünler eksi girenler" kullanmak. Doğrusu "kırılan eksi oluşan".
• Tepkime ters çevrilince işareti değiştirmeyi unutmak.
• Katsayıyla çarpmayı unutmak. $2\text{H}_2$ için entalpi $2$ katıdır.
• Kararlı elementin oluşum entalpisini sıfırdan farklı almak.
• Katalizörün $\Delta H$'yi değiştirdiğini düşünmek.
• Joule ile kilojoule'ü karıştırmak. $1\ \text{kJ}=1000\ \text{J}$.

7. Konuyu toparla

Mini test

Kendini dene

Yanlış yaptığın soruları yanlış soru defterine ekleyebilirsin. Birkaç gün sonra tekrar karşına çıkar.