KİMYASAL TEPKİMLERDE ENERJİ DEĞİŞİMİ

 ENERJİ (entalpi) DH

Fiziksel sistemlerde iş yapma yeteneğine enerji diyoruz.

Fiziksel olaylarda, kimyasal tepkimelerde ve çekirdek tepkimelerinde enerji değişimi gerçekleşir. Termodinamiğin birinci yasasına göre evrenin toplam enerji miktarı sabittir. Enerji yoktan var edilemez, vardan yok edilemez sadece bir enerji türü başka enerji türüne dönüştürülebilir.

Var olan tüm madde, enerji, uzay ve zamanı kapsayan geniş yapıya evren adını veriyoruz.

Evrenin incelenmek üzere seçilen bölümüne sistem adı verilir.

Evrenin sistem dışındaki parçasına ise çevre(ortam) adını veririz.

Örneğin mutfak tezgahında unuttuğunuz bir buz zamanla erir. Burada buz incelediğimiz sistemdir, erimesi için gerekli enerjiyi ortamdan alır, buz enerji kazanırken ortam enerji kaybeder.

Entalpi

Sistemin sabit basınç altındaki ısı değişimine entalpi denir. H ile gösterilir. Bir reaksiyondaki entalpi değişimi DH ile gösterilir.

D H = S DH ürün − S DH giren

 

Reaksiyon Isısına (Entalpisine) Etki Eden Faktörler

1.Maddenin Cinsi

Reaksiyona giren maddeler farklı ise H farklı olacaktır.

N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g)          DH = +180 kJ

H₂(g) + O₂(g) → H₂O(g)           DH = –241 kJ

Farklı maddeler yandığında entalpi değişimleri farklı olur.

 

 

2.Maddelerin Fiziksel Hali

Reaksiyona giren ya da ürünlerin fiziksel halleri değişirse tepkime entalpisi de değişir.

H₂(g) + O₂(g) → H₂O(s)           DH° = –286 kJ

H₂(g) + O₂(g) → H₂O(k)           DH° = –291 kJ

Yukarıdaki reaksiyonlarda olduğu gibi H₂O(k) ve H₂O(s) nın oluşum entalpileri farklıdır.

3. Madde Miktarı

Reaksiyona giren maddelerin miktarları değişirse reaksiyon entalpisi de değişir.

C(k) + O2(g) → CO2(g)           DH = –394 kJ

2C(k) + 2O2(g) → 2CO2(g)      DH = 2.(–394) kJ

Yukarıdaki reaksiyonlarda olduğu gibi madde miktarları 2 katına çıkarılırsa H da 2 katına çıkar.

4.Reaksiyon Şartları (Sıcaklık ve Basınç)

Reaksiyon entalpisi sıcaklık ve basınç değerlerinden etkilenir. Sıcaklık ya da basınç değişirse reaksiyon entalpisi de değişir.

Hesaplamalarda standart şartlardaki (25°C sıcaklık, 1 atm basınç) entalpi değerleri kullanılır. Bu şartlar değiştirilirse reaksiyon entalpisi de değişir.

Endotermik ve Ekzotermik Tepkimeler

Bir kimyasal tepkime gerçekleşirken dışarıdan ısı alınır ya da dışarıya ısı verilir.

Her maddenin yapısında depoladığı bir iç enerjisi vardır. Maddenin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamı, toplam enerjisini oluşturur.

Sistemin sahip olduğu bu toplam enerji ısı kapsamı, potansiyel enerji, tepkime ısısı veya entalpi olarak tanımlanır ve H ile gösterilir.

Entalpi miktarı doğrudan ölçülemez. Ancak sistemin ilk ve son halleri arasındaki entalpi farkı ölçülebilir. Yani entalpi değişiminden söz edilebilir. Entalpi değişimi DH ile gösterilir.

D H = S DH ürün − S DH giren

Buzun erimesi gibi ortamdan ısı alarak gerçekleşen tepkimelere endotermik tepkime denir.

Kağıdın yanması gibi ortama ısı vererek gerçekleşen tepkimelere ise ekzotermik tepkime denir.

 

ENDOTERMİK TEPKİMELER

Gerçekleşirken enerji alan tepkimelere endotermik tepkime denir.

Endotermik tepkimeler çevreden enerji aldıkları için gerçekleşmesi sırasında sistemin enerjisi artarken çevrenin enerjisi azalır. Endotermik tepkime enerji aldığı için ürünlerin enerjisi tepkenlerin enerjisinden fazla olur.

Endotermik reaksiyonlarda DH > 0 dır. Yani ürünlerin entalpi toplamı, girenlerin entalpi toplamından büyüktür. (DH ürün > DHgiren)

DH değeri pozitif (+) işaretlidir.

Endotermik tepkimelerin Potansiyel Enerji (P.E) – Zaman grafiği aşağıdaki gibidir.

Endotermik tepkimede ısı tıpkı bir tepken gibi tepkimede kullanıldığı için tepkenler ile aynı tarafa yazılır, örneğin kireç taşı ısıtılınca sönmemiş kireç ve karbondioksit verecek şekilde parçalanır. Olayın kimyasal denklemi şu şekilde yazılır:

CaCO_{3 (k)} + ısı → CaO(k) + CO_{2 (g)}

Bileşiklerin elementlerine ayrışması,

Elektroliz,

Nötr atomdan elektron koparma yani iyonlaşma

Fotosentez, Erime, buharlaşma, süblimleşme,

Bir kimyasal bağı  koparmak Azot elementinin yanması

Olayları endotermiktir.

 

EKZOTERMİK TEPKİMELER

Gerçekleşirken enerji veren tepkimelere ekzotermik tepkime denir.

Ekzotermik tepkimeler çevreye enerji verdikleri için gerçekleşmesi sırasında sistemin enerjisi azalırken çevrenin enerjisi artar.

Ekzotermik tepkime enerji verdiği için ürünlerin enerjisi tepkenlerin enerjisinden az olur.

Bir kimyasal tepkime gerçekleşirken dışarıya ısı veriyorsa bu tepkime ekzotermik tepkime adını alır. Ekzotermik tepkimelerde verilen ısı tepkime denkleminde ürünler kısmına yazılır. Ekzotermik reaksiyonlarda DH <0 dır. (DHürün < DHgiren)

Yani ürünlerin entalpi toplamı girenlerin entalpi toplamından küçüktür

( DH değeri – işaretlidir).

Ekzotermik reaksiyonlar başladıktan sonra kendiliğinden devam eder.

Örneğin; C(grafit) + O₂(g) → CO₂(g) + 394 kJ

C(grafit) + O₂(g) → CO₂(g) H = –394 kJ

C(grafit) + O₂(g) → CO₂(g) + ısı

Ekzotermik tepkimelerin Potansiyel Enerji (P.E) – Zaman grafiği aşağıdaki gibidir.

Ekzotermik tepkimede ısı tıpkı bir ürün gibi tepkimeden dışarı verildiği için ürünler ile aynı tarafa yazılır, örneğin metan gazı yakılınca karbondioksit ve su buharı ile beraber ısı açığa çıkarır. Olayın kimyasal denklemi şu şekilde yazılır:

CH₄ (g) + 2O₂ (g) → CO₂ (g) + 2H₂ O(s) + ısı

Azot haricindeki yanma tepkimeleri

Nötralleşme tepkimeleri

Bağ oluşumu

Pil tepkimeleri

Uyarılmış atomun temel hale geçmesi

Gazların suda çözünmesi

Solunum Yoğunlaşma, donma, kırağılaşma

Olayları ekzotermiktir.

 

GÜNLÜK HAYATIMIZDAN OLAYLAR:

Kışın yollardaki buz ve karın eritilmesinde kullanılan tuzlardan biri kalsiyum klorürdür (CaCl₂ ) Bu tuzun suda çözünmesi sırasında ısı açığa çıkar, çıkan ısı buzu eritir. Ayrıca tuz suda iyonlarına ayrışır ve bu iyonlar suyun donma noktasını düşürür.

Tıbbi soğutma paketlerinde iki ayrı bölmede amonyum klorür ve su vardır. Amonyum klorürün suda çözünmesi endotermiktir, paket sıkılıp bölmeler birleştiğinde amonyum klorür suda çözünür ve ortamdan ısı alarak ortamın sıcaklığının düşmesini sağlar.

Jel bazlı cep sobalarında suda çözünmüş halde bulunan sodyum asetatın (CH₃ COONa) çökmesinden faydalanılır. Sodyum asetatın çökmesi ekzotermiktir, paketteki metal diske tıklama sesi duyana kadar basınç uygulandığında sodyum asetat çöker ve açığa çıkan ısı suyu ısıtır. Sistem sıcak suda bir miktar bekletilirse sodyum asetat bir daha çözünür ve sistem tekrar kullanılır hale gelir.

Fotoselli sistemlerde ışık metal yüzeydeki metalin elektronlarına enerji verir. Enerji alan elektronlar bağlı olduğu atomdan koparak bir elektrik akımı oluştururlar.

Ateş böceklerinin karın bölgesinde bulunan biyolüminesans oksijenle yanarak çok az ısı ve ışık açığa çıkarır.

Alüminyum ile demir(III)oksit arasında gerçekleşen tepkime termit tepkimesi olarak adlandırılır. Tepkimede açığa çıkan ısı o kadar fazladır ki bu enerji rayların kaynaklanması işlemlerinde kullanılır.

 

Soru: Endotermik tepkimelerle ilgili:

I.                 Çevreden ısı alarak gerçekleşir.

II.               Tepkenlerin enerjileri toplamı, ürünlerin enerjileri toplamından küçüktür.

III.             Gerçekleştikleri ortam ısınır.

Yargılarından hangileri doğrudur?

A) Yalnız I             B) Yalnız II      C) I ve II          D) II ve III        E)I, II ve III

 

Soru:  Ekzotermik tepkimelerle ilgili:

I.                 Sistem çevreye ısı verir.

II.               Ürünlerin enerjileri toplamı, tepkenlerin enerjileri toplamından büyüktür.

III.             Zamanla sistemin enerjisi azalır.

Yargılarından hangileri doğrudur?

A) Yalnız I             B) Yalnız II                               C) I ve II          D) I ve III          E)I, II ve III

 

MADDELERIN ENERJI KAYNAĞİ OLMA POTANSIYELİ

Yaşam sürecimizin tamamında enerji harcarız. Tıpkı biz gibi kullandığımız cihazlarda enerji harcar.

Yanma yolu ile ısı veya enerji üreten maddelere yakıt adı verilir.

Maddelerin yakıt olabilme kapasitesi gram başına açığa çıkardıkları enerji ile ölçülür.

Gram başına 28,3 kj enerji açığa çıkaran taş kömürü gram başına 20,8 kj enerji açığa çıkaran turba (bataklık) kömüründen daha iyi yakıttır.

Bunun yanında yakıt olma kapasitesinde çevreye verdiği zarar da önemlidir. Isı açığa çıkarırken çevreye verdiği zararın da az olması veya hiç olmaması, yanma sonucu atık bırakmaması, sera gazı salınımı yapmaması yakıt olma potansiyelini arttırır.

Enerji gereksinimimizin büyük kısmını fosil yakıtlar ile elde ediyoruz ancak fosil yakıtlar hem yenilenemeyen enerji kaynağıdır hem de yanmaları sonucunda açığa çıkan CO₂ gazı sera etkisi oluşturmaktadır.

Hidrojen gazı hem diğer yakıt türlerine kıyasla gram başına çok enerji açığa çıkarmakta hem de yanması sonucu açığa sadece H₂ O açığa çıkarmaktadır.

Canlılar da yaşamını devam ettirmek için enerjiye ihtiyaç duyarlar, canlılar bu enerjileri besinlerdeki yağ, karbonhidrat ve proteinler ile sağlar.

 Enerji içecekleri fiziksel enerjiyi arttırmak için kafein, tuarin, ginseng ve aşırı miktarda şeker içerir. Bu maddeler yüksek tansiyon, şeker, obezite gibi sorunlara yol açar.

 

BAĞ ENERJİLERİ İLE TEPKİME ENTALPİSİNİN HESAPLANMASI

Standart koşullarda, gaz halde bulunan taneciklerde yer alan 1 mol bağın kırılması için gereken enerjiye bağ enerjisi denir.

Bağ kırılması endotermik bir olaydır.

Bağ enerjileri gaz fazında ölçülür, katı ve sıvı fazda moleküller arası bağlar da güçlü olduğu için verilen enerji birden fazla bağı kırmak için harcanır ancak gaz fazında moleküller arası bağlar yok denecek kadar azdır.

Bir bağın enerjisi ne kadar fazla ise o bağı kırmak o kadar zor olacağında bağ o kadar sağlam ve o kadar kararlıdır.

Örneğin verilen tablodaki değerlere göre H-H bağı N-N bağından daha sağlam ve daha kararlı bir bağdır.

Bir sistemin toplam enerjisine entalpi adını verilir ve H harfi ile gösterilir.

Bir sistemde taneciklerin elektriksel çekim kuvvetleri ile atom çekirdeğindeki kuvvetlere potansiyel enerji, taneciklerin hareketlerinden kaynaklı enerjiye ise kinetik enerji denir.

Sistemin kinetik ve potansiyel enerjisinin toplamı ise maddenin entalpisini (ısısını) oluşturur.

Sabit basınç altında gerçekleşen bir tepkimedeki ısı değişimi entalpi değişimi ile ifade edilir.

Buna göre sabit basınç altında gerçekleşen bir tepkimedeki ısı değişimine entalpi değişimi denir ve DH ile gösterilir.

Enerji alan yani endotermik tepkimelerde sistemin enerjisi zamanla arttığı için tepkimenin entalpi değişimi pozitiftir:

            DH >0 ise ENDOTERMİK TEPKİME

Enerji veren yani ekzotermik tepkimelerde sistemin enerjisi zamanla azaldığı için tepkimenin entalpi değişimi negatiftir:

DH <0 ise EKZOTERMİK TEPKİME

 

Bir kimyasal tepkimede girenlerdeki bağlar kırılır, bu bağları kırmak için enerji harcarız, ürünlerde ise yeni bağlar oluşur ve bu bağlar oluşurken bize enerji verir.

Bu iki enerji arasındaki fark bize tepkime entalpisini verir:

DH TEPKİME = ∑ kırılan bağ enerjisi - ∑ oluşan bağ enerjisi

Örneğin suyun oluşum tepkimesi ve bağ enerjisi dikkate alınırsa:

2H₂ (g) +  O₂ (g) →  2H₂ O(g)

H-H  : 436 kj/mol

O=O : 498 kj/mol

O-H : 464 kj/mol tepkime entalpisini bulmak için önce tepkimedeki bağları görelim:

 2(H-H) +  (O=O) →  2(H-O-H)

Buradan

DH TEPKİME = ∑ kırılan bağ enerjisi - ∑ oluşan bağ enerjisi formülü dikkate alınırsa:

DH = (2x436+498)-(4x464)   

DH = -486 kj/mol olarak bulunur.

Tepkime entalpisinin negatif olması suyun oluşumunun ısı açığa çıkaran yani ekzotermik bir olay olduğunu gösterir.

Tepkime entalpisi mol başına hesaplanır yani 2 mol su oluştuğunda açığa çıkan ısı 486 kj dür. Madde miktarı ile açığa çıkan ısı doğru orantılıdır.

Tepkimede 1 mol H2 harcayıp 1 mol su oluştursaydık açığa çıkan ısı 243 kj olacaktı.

Tepkimenin ekzotermik olması aynı zamanda oluşan bağların kırılan bağlardan daha kararlı, daha sağlam olduğu anlamına gelir.

Bağ enerjisi ile tepkimelerin entalpisini hesaplarken sık kullandığımız bazı elementlerin bağ yapma kapasitelerini bilmek işimizi kolaylaştıracaktır:

H: 1 Bağ yapar, O: 2 Bağ yapar, N: 3 Bağ yapar, C: 4 Bağ yapar.

Örneğin HCN molekülünde hidrojenin 1 karbonun 4 azotun 3 bağ yapabilmesi için bağ yapısının şöyle olması gerekir: H-C ≡ N

Bağ oluşumunun ekzotermik bir olay olduğunu söylemiştik. Bir bileşik oluşurken o bileşiği oluşturmak için kullanılan bağların enerjisi ne kadar fazla ise, bileşiğin oluşumu sırasında o kadar fazla enerji açığa çıkacağı için bileşiğin potansiyel enerjisi o kadar düşük olur.

Yani bir tepkimede tepkenlerde kırılan bağların enerjisi ne kadar fazla ise tepkenlerin potansiyel enerjisi o kadar düşük olur, aynı mantıkla ürünlerde oluşan bağların enerjisi ne kadar fazla ise ürünlerin potansiyel enerjileri o kadar düşük olur.

Yani endotermik tepkimelerde kırılan bağların enerjisi fazla olduğu için tepkenlerin potansiyel enerjisi ürünlerden daha azdır.

Ekzotermik tepkimelerde ise oluşan bağların enerjisi fazla olduğu için ürünlerin potansiyel enerjisi tepkenlerden daha azdır.

DİKKAT

Bir bağı kırmak için gerekli enerji ne kadar fazla ise bağın o kadar kararlı olduğunu öğrenmiştik, yukarıdaki grafiklere bu durumu uyarlarsak bir maddenin potansiyel enerjisi ne kadar düşükse madde o kadar kararlıdır çünkü o maddedeki bağları kırabilmek için çok enerji vermemiz gerekmektedir.

 

Soru: 

Soru: 

Soru: 

Soru: 

Soru: 

STANDART OLUŞUM ENTALPİSİ

Standart şartlarda (1 atm, 25^oC) bir bileşiğin, elementlerinin en kararlı hâllerinden oluşumu sırasındaki entalpi değişimine standart oluşum entalpisi denir. ΔH^o f ya da ΔH^o ol ile gösterilir.

Üs indis olarak kullanılan “o” işareti, tepkimenin standart şartlarda olduğunu gösterir.

Oluşan bileşik 1 mol ise entalpi değişimi standart molar oluşum entalpisi olarak ifade edilir.

25^oC sıcaklık ve 1 atm basınçta elementlerin en kararlı hâlinin standart oluşum entalpisi sıfır kabul edilirken; diğer hâllerinin oluşum entalpileri sıfır değildir.

Bir tepkimenin entalpisine oluşum entalpisi diyebilmemiz için oluşan bileşiğin standart şartlarda en kararlı haldeki elementlerinden oluşması gereklidir:

H₂ (s) + 1/2O₂ (g) → H₂ O(s) Oluşum değil çünkü H₂ nin standart şartlara en kararlı hali sıvı değil gaz. 2H(g) + 1/2O₂ (g) →  H₂ O(s) Oluşum değil çünkü H₂ nin standart şartlara en kararlı hali H değil H₂ .

2H₂ (g) + O₂ (g) → 2H₂ O(s) Oluşum ancak molar oluşum değil 2 mol H₂ O oluşmuş.

H₂ (g) + 1/2O₂ (g) →  H₂ O(s) Bu ısıya hem oluşum hem molar oluşum ısısı diyebiliriz.

Bileşiklerin oluşum entalpileri endotermik veya ekzotermik olabilir.

   Soru: 1 mol maddenin standart şartlarda elementlerin en kararlı  hallerinden oluşması sırasındaki entalpi değişimine stadart molar oluşum entalpisi denir. Buna göre:

I.                 2H₂ (g) + O₂ (g) → 2H2 O(s)

II.               CO(g) + 1/2O₂ (g) →  CO₂ (g)

III.             H₂ (g) + O₂ (g) →  H₂ O₂ (g)

tepkimelerinden hangilerinin entalpisi oluşan ürünün standart molar oluşum entalpisine eşittir?

A) Yalnız I               B) Yalnız III                C)I ve III           D) II ve III        E)I, II ve III

 

Bir tepkimedeki tüm maddelerin standart oluşum entalpileri biliniyorsa, ürünlerin standart oluşum entalpisi ile girenlerin standart oluşum entalpisi arasındaki fark bize tepkime entalpisini verir:

ΔH^o tepkime = ∑ n ΔH^o _f (ürünler)- ∑ n ΔH^o _f (tepkenler)

Standart molar oluşum entalpileri bize mol başına verildiği için bu enerjiler hesaplanırken tepkimedeki katsayılar ile çarpılır:

C₃ H₈ (g) + 5O₂ (g) → 3CO₂ (g) + 4H₂ O(s)

Tepkimesindeki tüm bileşikerinn oluşum ısıs ı bize verildiğinde tepkime entalpisini:

ΔH^o Tepkime = 3. ΔH^o f (CO₂ ) + 4. ΔH^o f (H₂ O) - ΔH^o f (C₃ H₈ ) şeklinde hesaplarız.

Elementlerin standart şartlardaki en kararlı hallerinin oluşum ısıları sıfır olduğu için hesaplama sırasında O₂  nin oluşum entalpisi hesaba katılmamıştır.

Tıpkı bağ enerjisi ile entalpide olduğu gibi burada bulduğumuz entalpi de mol başına hesaplanmıştır. Yani yukarıdaki tepkimede açığa çıkan ısı Q kj ise 2 mol C₃ H₈ yaktığımızda açığa çıkan ısı 2Q kj olacaktır.

Soru:

  

Soru:

 

Soru:

Soru:

 B,C,B,D

Soru:

Soru:

Soru:

Soru:

 C,C,A,D