TermoKimya (Thermochemistry)

Transkript

1 TermoKimya (Thermochemistry) Kimyasal tepkimeler sonucu oluşan ısı değişimlerini inceleyen çalışma alanı.

2 ENERJİ Kinetik enerji, Potansiyel enerji Enerji:İş yapabilme kapasitesidir. Kinetik enerji:hareket eden cisimler tarafından üretilen enerjidir (K.E:1/2*mV 2 ) Potansiyel enerji:bir cismin konumundan, ya da iç yapısından kaynaklanan enerjidir. Termal, ışıma, ısıl, elektrik, nükleer, kimyasal enerji, ve diğer enerji çeşitleri kinetik ve/veya potansiyel enerjinin bir türüdür denilebilir.

3 Termodinamiğin 1. Yasası: Enerjinin korunumu Evrendeki enerjinin miktarı sabittir. Enerji sürekli biçim değiştirir. Enerji bir biçimden başka bir biçime dönüştüğü için, yaratılamaz ya da yok edilemez.

4 Sıcaklık ve Isı Sıcaklık bir cismin içindeki molekül ya da atomların hareketlerinin miktarını tarif eder. Moleküllerin ortalama kinetik enerjilerinin ölçümü. Isı, sıcaklık farkından ileri gelen enerji alışverişidir. Sıcak bir cisimden soguk bir cisme enerji aktarımı ısı şeklinde olur. Isı birimi Joule (SI) veya kalori 1 kal = 4,184 J

5 Çevre ve Sistem Sistem: bizim üzerindeki değişiklikleri izleyeceğimiz evrenin bir parçası (reaksiyon). Sistemi tarif ettiğimiz noktada, sistem dışında kalan her şey Çevre dir Çevre Çevre Çevre Çevre

6 Su buharı Farklı Sistemler ISI ISI Açık Sistem Kütle transferi var Isı transferi var Kapalı Sistem Isı transferi var Kütle transferi yok TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi Yalıtılmış Sistem Kütle ve ısı transferine izin verilmiyor

7 Ekzotermik ve Endotermik Süreçler 2H 2(g) + O 2(g) 2H 2 O (l) + enerji enerji Endotermik(+) Çevreden sisteme Enerji transferi Sistemden Çevreye Enerji Transferi Ekzotermik(-) H 2 O (k) H 2 O (s)

8 Ekzotermik ve Endotermik Süreçler Enerji CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O sistem ekzotermik İlk Son Isı ÇEVRE Isı 2H g + O 2 2H g O endotermik Son İlk Enerji

9 Bir sistemin ilk ve son durumu ve hal fonksiyonları Bir sistemi sıcaklık, basınç ve içerdiği madde miktarı ile tanımlayabiliriz (T,P,n) Sistemin belirli bir hali için belli bir değeri olan özelliğe hal fonksiyonu denir. Sistemin bir durumdan diğer duruma geçmesi önemlidir ama nasıl geçtiği hal fonksiyonlarına dahil edilmez. Hal fonksiyonları sadece ilk ve son durumu tanımlar. Ör:İç enerji, yoğunluk,entalpi

10 Enerji hal fonksiyonlarından biridir; Buradaki erişilen potansiyel enerji yoldan bağımsızdır. Son durum İlk durum TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

11 İç Enerji (U) (Internal Energy) Bir sistemin (potansiyel ve kinetik) enerjilerinin toplamıdır. Moleküllerin öteleme kinetik enerjilerini, dönme ve titreşim enerjilerini, bağlarda depo edilmiş kimyasal enerjiyi, moleküller arası etkileşim enerjilerini ve atomlardaki elektronlara bağlı enerjiyi kapsar. İç enerji (U) bir hal fonksiyonudur; İç enerjideki değişim, son durumdaki enerjiden ilk durumdaki enerjinin çıkarılması ile bulunur ΔU U U son ilk

12 Isı ve İş Isı q ile gösterilir ve sistem ile çevre arasında iki yönde transfer olan enerjidir. Enerji transferinin diğer bütün biçimleri (mekanik, elektrik vb.) ise bir çeşit iş e dahil olur. İş w ile gösterilir. Dolayısıyla enerji transferi iki yolla yani ısı ve/veya iş ile yapılır. Bunlardan yola çıkarak, bir sistemin iç enerjisindeki değişiklik aşağıdaki gibi ifade edilebilir: U q w

13 Sadece ısı ile enerji transferi yapılırsa: Sistem enerjiyi ısı ile transfer eder ama iş yapmaz. U q w w U q q

14 Sadece ısı ile enerji transferinde iki olasılık vardır: 1. Sistemden ısı atımı: Sistemin enerjisi ısı atımı ile azalır. q U 2. Sistemin ısı kazanması: Sistemin enerjisi artar. q U

15 Sadece iş ile enerji transferi yapılırsa: Sistem enerjiyi iş ile transfer eder ama ısı transferi olmaz. U q w q U w w

16 Sadece iş ile enerji transferinde iki olasılık vardır: Ör: Sistemin iş yapması: Çinko metalinin hidroklorik asit ile tepkimesinden hidrojen gazı meydana gelir. Oluşan gaz eğer pistonlu bir sisteme bağlanırsa pistonu iter. Sistem enerjisini pistonun itimi ile transfer ettiği için; w U

17 Sabit Basınca Karşı Yapılan İş P P w F. h w P. V V Vs Vi P. A. h PV. h A V s V i ΔV> ise gaz iş yaptığı için w < olmalı w P. V Birim: 1 L.atm=11,325 J

18 Ör: Bir gazın 15 atm sabit basınç altında hacminin 46L den 64L genleşmesinde yapılan işi kj cinsinden hesaplayınız. TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

19 Enerjinin Korunumu Sistemin enerjisi ve çevrenin enerjisi toplamı sabittir ΔU evren ΔU sistem ΔU çevre Termodinamiğin 1.yasası

20 Enerjinin Birimleri F m. a kg m 2 s w F. d ( kg m 2 s ). m kg m s 2 2 J 1cal 4,184J ya da 1J 1 cal 4,184,239cal

21 Entalpi U q w q PV q U PV Sabit hacimde sistemin enerji değişimi ısı transferi ile olur. q v U sabit hacim V Ama bir çok kimyasal tepkime sabit basınçta gerçekleşir. q p U PV H Sabit basınç Entalpideki değişiklik sabit basınçtaki kazanılan ya da kaybedilen ısıya eşittir. TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

22 U ve H 1.Gaz olmayan tepkimeler: 2KOH(aq) + H 2 SO 4 (aq) Arasındaki İlişki K 2 SO 4 (aq) + H 2 O(s) Bu reaksiyonda gaz yok, sıvılar ve katılar ise çok küçük hacim değişikliği gösterirler. V PV H U

23 U ve H Arasındaki İlişki 2.Tepkime sonunda gaz miktarı değişmeyen tepkimeler : N 2 (g) + O 2 (g) 2NO(g) V PV H U

24 U ve H Arasındaki İlişki 3.Tepkime sonunda gaz miktarı değişen tepkimeler : V PV 2H 2 (g) + O 2 (g) genelde; H, U 2H 2 O(g) q p V P TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi ya çok yakındır 3 durumda da entalpideki değişim ya iç enerjideki değişime eşittir yada bu iki değer birbirine çok yakındır.

25

26 Entalpide iç enerji gibi durum fonksiyonudur; dolayısıyla tepkimenin entalpileri aşağıdaki gibi ifade edilir: TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi H H H ürünler girenler 1. Endotermik süreç (sistemin çevreden ısı alması); ΔH > 2. Ekzotermik süreç (sistemin çevreye ısı vermesi); ΔH <

27 Tepkimelerin Entalpisi H 2 O (k) H 2 O (s) ΔH =6,1kj/mol H 2 O (s) H 2 O (k) ΔH =-6,1kj/mol 2H 2 O (s) 2H 2 O (k) ΔH =2molx-6,1kj/mol =-12,2kj

28 Kalorimetre (ısı değişikliklerinin ölçülmesi),özgül Isı ve ısı Kapasitesi Isı kapasitesi (C) bir sistemin sıcaklığını 1 C arttırmak için gerekli ısı miktarıdır. Bir cismin özgül ısısı (c) 1 gram maddenin sıcaklığını 1 derece ( C) arttırmak için gerekli ısı miktarına denir. C C q C; T mc mct J C q c; J g C

29 q q q C Sabit Hacimli Kalorimetre sistem tepkime kalorimetre kalorimetre q q q kalorimetre kalorimetre C q kalorimetre kalorimetre T tepkime T

30 1.15 g of sucrose goes through combustion in a bomb calorimeter. If the temperature rose from C to C and the heat capacity of the calorimeter is 4.9 kj/ C, then determine the heat of combustion of sucrose, C 12 H 22 O 12, in kj per mole of C 12 H 22 O 12. TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

31 Sabit Basınçlı Kalorimetre ( Kahve Fincanı Kalorimetresi) TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi Sabit basınçlı kalorimetre sabit hacimli kalorimetreye göre daha basit bir tasarıma sahiptir. Çözelti ve seyrelme ısıları ya da asit-baz nötrleşme tepkimelerinde basınç sabittir Suyun sıcaklığı değişiyor. q reak =-q kalorimetre =-mc su ΔT

32 When 5.3 g of solid potassium hydroxide are dissolved in 1. ml of distilled water in a coffee-cup calorimeter, the temperature of the liquid increases from 23. C to 34.7 C. The density of water in this temperature range averages.9969 g/cm 3. What is ΔH soln (in kilojoules per mole)? Assume that the calorimeter absorbs a negligible amount of heat and, because of the large volume of water, the specific heat of the solution is the same as the specific heat of pure water. (Csu=4,184 J/g C ve MA KOH :56,11 g/mol) TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

33 Tepkime ısıları nereden kaynaklanıyor? H 2 (g) +F 2 (g) 2HF(g) +564 kj Gaz miktarı tepkime sonucu değişmiyor. Dolayısıyla; ΔH= ΔU, peki oluşan bu ısının kaynağı nedir? İç enerjinin bileşenleri; Kinetik enerji ve Potansiyel enerji

34 Bağların kırılması yada oluşması Bir tepkimeyi, girenlerdeki bağlar kırıldığında enerji soğuran(+), ürünlerdeki bağ oluşumlarında da enerji açığa çıkaran(-) bir süreç olarak düşünebiliriz.

35 1 mol H-H bağı ve 1mol F-F bağı enerjiyi soğurup kırılırlar. 2 mol H-F bağı oluşurken ise enerji açığa çıkartırlar. Entalpi F-F + H-H sistem F-H + F-H İlk Son Isı Bu tepkimede ısı olarak açığa çıkan enerji miktarı soğurulan enerji miktarından daha fazladır. Bu sebeple bu süreç ekzotermiktir Zayıf bağ Kuvvetli bağ

36 Entalpinin mutlak değerlerini bilemeyiz ancak bir referans karşılığında göreceli olarak hesaplayabiliriz TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi H H H son ilk Bu değerlere direkt ulaşamıyoruz. Bu durumda bir sıfır noktası belirlememiz yararlı olur. Buna göre elementlerin entalpilerini keyfi olarak sıfır kabul eder ve bu sıfır noktasına göre bileşiklerin oluşum entalpilerini belirtiriz.

37 Entalpi hesaplamaları için referans; STANDART OLUŞUM ENTALPİSİ 1 mol bileşiğin elementlerinden 1 atm basınçta oluşması sırasında oluşan ısı değişimidir. Buradaki standart 1 atm dir. Bu tanımda sıcaklık belirtilmemesine rağmen 25 C dir. H ol Standard durum Oluşma

38 Entalpideki değişimin bir tepkime için bulunması aa bb cc dd H tepkime ch ( C) dh ( D) ah ( A) bh ( B) ol ol ol ol H tepkime nh ol ( ürünler) mh ol ( girenler) Bunları bilmemiz gerekiyor

39 Oluşma Entalpilerinin Bulunması Direkt Yol: Oluşma entalpisini bilmek istediğimiz bileşiği elementlerinden sentezleyip tepkime entalpisini ölçebiliriz. C(grafit) + O 2 (g) CO 2 (g) ΔH tepkime =-393,5kJ/mol H H H tepkime tepkime tepkime H 393,5 H ol ol ( CO, g) 2 kj mol ( CO, g) 393,5 2 H ol ( C, grafit) H kj mol ol ( O, g) 2 Referans noktaları

40 Tabloda verilen standart oluşum entalpilerini kullanarak reaksiyonun ΔH ını bulunuz. C 3 H 8(g) + 5 O 2(g) 3 CO 2(g) + 4 H 2 O (g) Substance Name ΔH f (kj/mole) C 3 H 8(g) propane CO 2(g) carbon dioxide H 2 O (g) water

41 Oluşma Entalpilerinin Bulunması HESS Yasası Dolaylı Yol: Bir çok bileşiği elementlerinden direkt olarak sentezlemek mümkün olmadığından böyle durumlarda Hess yasası kullanılır; Bir işlem basamaklar/kademeler şeklinde yürüyorsa, toplam(net) işlemin entalpi değişimi, tek tek basamakların/kademelerin entalpi değişimleri toplamına eşittir. Hess yasası, entalpinin bir durum fonksiyonu olmasının sonucudur.ilk halden son hale gidişte yola bağlı olmaksızın H aynı değere sahiptir.

42 Oluşma Entalpilerinin Bulunması, Hess Yasası C(grafit) + 2H 2 (g) CH 4 (g) C(grafit) + O 2 (g) CO 2 (g) ΔH tepkime =-393,5 kj/mol 2H 2 + O 2 (g) 2H 2 O (s) ΔH tepkime =-571,6 kj/mol CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O (s) ΔH tepkime =-89,4 kj/mol

43 Oluşma Entalpilerinin Bulunması, Hess Yasası C(grafit) + 2H 2 (g) CH 4 (g) C(grafit) + O 2 (g) CO 2 (g) ΔH tepkime =-393,5 kj/mol 2H 2 + O 2 (g) 2H 2 O (s) ΔH tepkime =-571,6 kj/mol CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O (s) CO 2 (g) + 2H 2 O (s) ΔH tepkime =-89,4 kj/mol CH 4 (g) + 2O 2 (g) ΔH tepkime =+89,4 kj/mol Sadece mavileri topla ΔH tepkime =-74,7 kj/mol C(grafit) + 2H 2 (g) CH 4 (g)