Kimyasal Tepkimelerde Enerji

Kimyasal tepkimeler olurken ısı şeklinde enerji alış-verişi olur. Alınan yada verilen bu ısıya tepkime ısısı, oluşum ısısı, çözünme ısısı, nötürleşme ısısı gibi isimler verilir. Kimyasal tepkimelerde bağların kırılması dışarıdan ısı gerektiren( endotermik) bir olaydır. Bağlar kırıldıktan sonra atomlar yeniden düzenlenerek yeni bağlar oluşur ve bağ oluşumunda ısı açığa çıkar (ekzotermik). Örneğin H2 gazı ile O2 gazından H2O oluşurken,

2H-H + O=O –> 2H2O

H-H bağlarının ve O=O bağlarının kırılarak O-H bağlarının oluşması gerekir. Kimyasal maddelerin yapısında depolanmış enerji doğrudan ölçülemez. Bunun yerine ürünlerin toplam ısı kapsamıyla (entalpi) girenlerin toplam ısı kapsamı arasındaki fark ölçülebilir. Bu farka tepkime entalpisi denir ve DH ile gösterilir.

DH = D HÜRÜNLER – DHGİRENLER

ENDOTERMİK TEPKİMELER  Bir tepkime olurken sistem dışarıdan ısı alıyorsa bu tür tepkimelere endotermik tepkimler denir. Bu tür tepkimelerde ısı girenler tarafına yazılır ve DH ın işareti pozitiftir.

Örnek :
Na   +  ısı –>  Na+  +   e-
H2O(k) —>  H2O(S)                                       DH = 10,5 kk
2HgO + ısı –>  2Hg +  ½ O2

EKZOTERMİK TEPKİMELER Bu tür tepkimelerde tepkime devam ettiği sürece sistem sürekli dışarıya ısı verir. Bu tepkimelerde DH ın işareti negatiftir.

Örnek            CH4 + 2O2 –> CO2 + 2H2O + 890 kj      DH= -212 k.kal

H2O(k) H2O(s) + 6,01 kj                                 DH= -6,01 kj

OLUŞUM ENTALPİSİ: 25 0C ve 1 atm de bir bileşiğin bir molünün elementlerinden oluşması sırasındaki entalpi değişimini molar oluşum entalpisi denir.

Örnek
H2(g) + 1/2O2(g) –> H2O(g)       DH= -57,8 k.kal

H2(g) + 1/2O2(g) –> H2O(s)       DH = -68,3 k.kal

½ H2(g) + ½ I2(g) –> HI(g)             DH= +6 k.kal

DH Entalpi madde miktarına, maddenin fiziksel haline ve basınca bağlıdır. Tepkimenin izlediği yola bağlı değildir. Sıvı suyun oluşum entalpisi, gaz halindeki suyun oluşum entalpisinden büyüktür. Bunun sebebi gaz halinde oluşan suyun sıvılaşırken dışarıya fazladan bir enerji vermesinden kaynaklanmaktadır.

Oluşum entalpilerinden faydalanılarak bir tepkimenin tepkime entalpisi hesaplanabilir.

aA + bB –> cC + dD

tepkimesinin entalpisini hesaplayabilimek için ürünlerin oluşum ısısları toplamından girenlerin oluşum ısıları toplamını çıkarmak gerekir.

DH = [ c x DHC + dDHD ] – [ a x DHA + b xDHB]

DH Katsayılarla çarpılmasının nedeni, verilen oluşum ısılarının 1 molü başına olmasındandır.

Örnek   CH4 ün molar yanma entalpisini hesaplayınız ?

DH CH4= -18 k.kal DH H2O = -68 k.kal DH CO2 = -94 k.kal

CH4 + 2O2 ? CO2 + 2H2O

DH = [ (-94) + (2x-68)]- [ 0 + (-18)]

DH= -212 k.kal

DH Elementlerin oluşum ısıları sıfır kabul edilmiştir.
HESS YASASI :
Tepkime ister bir basamakta, ister bir kaç basamakta gerçekleşmiş olsun, herhangi bir kimyasal tepkimedeki entalpi değişiminin sabit olduğunu belirtir.

Örnek             C(GRAFİT) + 1/2O2 –> CO + ½ O2–> CO2 DH=-68 k.kal

C(GRAFİT) + O2 –> CO2 DH = -68 k.kal

Her tepkimenin DH ı deneysel olarak ölçülemez. Termokimyasal veriler cebirsel olarak işlem görebildiğinden, başka tepkimeler için yapılan ölçümlerden yararlanarak herhangi bir tepkimenin entalpisi ölçülebilir. Bunun için;

1- Bir tepkime ters çevrilirse DH işaret değiştirir.
2- Bir tepkime bir sayı ile çarpılırsa DH da aynı sayıyla çarpılır.
3- İki tepkime toplanırsa DH larda toplanır.

Örnek                4NH3 + 3O2 –> 2N2 + 6 H2O         DH = -366 k.kal

N2O + H2 –> N2 + H2O                    DH= – 88 k.kal

H2 + ½ O2 –> H2O                 DH= -68 k.kal

Bu verilerden yararlanarak aşağıdaki tepkimenin DH değerini bulunuz.

2NH3 + 3N2O–> 4N2 + 3H2O

Çözüm :

Verilen eşitlikte sol tarafta 2 mol NH3 bulunduğundan ilk eşitlik ve buna ilişkin DH değeri 2 ile bölünür. Son eşitlikteki N2O nun katsaysısı 3 olacağından, ikinci eşitlik ve ?H değeri 3 ile çarpılır. Son basamakta sol tarafta katılan 3H2 i gidermek için üçüncü eşitlik ters çevrilip 3 ile çarpılır.

2NH3 + 3/2 O2 –> N2 + 3H2O                        DH= -183 k.kal

3N2O + 3H2 –> 3N2 + 3H2O                           DH= -264 k.kal

3H2O –> 3H2 + 3/2 O2                         DH = 204 k.kal

2NH3 + 3N2O –> 4N2 + 3H2O                DH= -243 k.kal

ISI ÖLÇÜMLERİ : Kimyasal değişmelerle birlikte ısı etkilerini ölçmek için kalorimetre olarak isimlendirilen aygıtlar kullanılır. Kalorimetre, iyi izole edilmiş bir kabın içindeki ağırlığı bilinen miktarda suya batırılmış olan ve tepkimenin oluştuğu, diğer bir kaptan ibarettir. Belli miktarda tepkimeye giren madde kullanılarak tepkime oluşturulur ve tepkime sırasında açığa çıkan ısı suyun ve kalorimetrenin sıcaklığını artırır.

Tepkimedeki ısı değişimi Q = mc(su) Dt + mc(kap) Dt bağıntısından hesaplanır