Ünite 5 Kimya ve Enerji SİSTEMLER VE ENERJİ TÜRLERİ 189 SİSTEMLERDE ENTALPİ DEĞİŞİMİ 200 İSTEMLİLİK 217
SİSTEMLER VE ENERJİ TÜRLERİ SİSTEM VE ÇEVRE Doğada gerçekleşen tüm olaylara enerji değişimi de eşlik eder. Enerji iş yapabilme yeteneği olarak tanımlanır. Ancak enerji değişimini oluşan değişim sonunda ortaya çıkan etkileriyle anlayabiliriz. Odunun yanmasıyla ortamın ısınması, çaya atılan şekerin çayı soğutması gibi. Fiziksel ve kimyasal dönüşümlerde meydana gelen enerji (ısı) değişimini inceleyen bilim dalına termokimya denir. Termokimya, enerjiyi ve buna bağlı olayların izlediği yolu anlamak için termodinamik yasalarını ortaya koymuştur. Termo, ısı; dinamik ise hareket anlamına Gaz gelmektedir. Pistonlu silindirde kap içerisindeki gaz sistemdir ve dışında kalanlar ortamdır. Fiziksel ve kimyasal olayların araştırıldığı alan ve olayın gerçekleştiği yer termokimyada farklı terimlerle ifade edilir. Bunlardan önemli olanlar evren, sistem ve ortam (çevre) dir. Sistem, üzerinde incelemeler yapılan ve sınırları belli olan evren parçasıdır. Ortam (çevre) ise sistemin dışında kalan herşeyi kapsar. Örneğin, ağzı açık bir kapta bulunan su sistemdir. Suyun dışındaki diğer herşey ise ortamı oluşturur. Evren ise sistem ve ortamı kapsar. Sistem ile ortam arasındaki madde ve enerji alışverişlerine göre sistem türleri aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir. Cam bardak içindeki su bir açık sistem örneğidir. Cam bardak ve dışındakiler ortamdır. 1. Açık Sistem: Çevreyle madde ve enerji alışverişi yapabilen sistemlerdir. Sıcak bir bardak çay, oda sıcaklığına bırakıldığında hem soğuyarak ısı alışverişi hem de buharlaşarak madde alışverişi yapar. 2. Kapalı Sistem: Çevreyle enerji alışverişi yapabilen; fakat madde alışverişi yapamayan sistemlerdir. Kapağı kapalı su şişesi, arabanın tekerleğine hapsedilmiş hava kapalı sistem örnekleridir. Açık sistem Kapalı sistem 3. İzole Sistem: Çevreyle madde alışverişinde bulunmayıp enerji alışverişini ihmal edilebilir düzeyde yapan sistemlerdir. Uzay mekiği, termostaki çay izole sistem örnekleridir. Kapalı Sistem Sistem ister açık ister kapalı olsun olaylar sıcaklık, hacim ve basınç gibi değişkenlerin sabit tutulmasıyla gerçekleştirilebilir. Sıcaklık, basınç ve hacim özellikleri dikkate alındığında ise sınıflandırma şu şekilde yapılır. İzole sistem a. İzotermal Sistem: Sıcaklığı sabit tutulan sistemlerdir. Bu sistemler çevreyle her türlü enerji ve madde alışverişi gerçekleştirebilir. İnsan vücudu izotermal sistem örneğidir. b. İzokorik Sistem: Hacmi sabit tutulan sistemlerdir. Hacim değişimi olmadığından çevreyle enerji alışverişi yaparak etkileşir. Düdüklü tencere, sanayide kullanılan oksijen tüpleri izokorik sistem örneğidir. İzokorik sistem c. İzobarik Sistem: Basıncı sabit tutulan sistemlerdir. Doğadaki fiziksel ve kimyasal olayların çoğu sabit basınç altında gerçekleşir. Örneğin, ocakta kaynayan su sabit atmosfer basıncı altında kaynar. Yine serbest pistonlu bir kapta bulunan gaz örneği de izobarik sistemi oluşturur. Bu tür sistemler çevreyle hem iş hem de enerji alışverişini yapar. İnsan vücudu izotermal bir sistemdir. 189
I. Kapalı sistemlerde sistem ile ortam arasında enerji alışverişi gerçekleşmez. II. Evrenin incelenmek üzere seçilen kısmına sistem denir. III. Ağzı açık bir kapta bulunan sıcak su açık sisteme örnektir. IV. Hacmi sabit tutulan sistemlere izokorik sistem denir. Yukarıdaki ifadeler doğru (D) ve yanlış (Y) olarak I, II, III ve IV yolunu izleyerek sıralandığında aşağıdakilerden hangisi doğru olur? Kapalı sistemlerde sistem ile ortam arasında madde alışverişi gerçekleşmez, enerji alışverişi gerçekleşir. A) Y, D, Y, D B) Y, D, D, D C ) Y, D, D, Y D) D, D, Y, Y E) D, Y, D, Y Yanıt B I III II IV Açık sistem Kapalı sistem İzole Sistem Yukarıda verilen sistemler ile sistem türleri eşleştirilmiştir. Buna göre yapılan eşleştirmelerden hangileri doğrudur? A) I ve II B) II ve III C) III ve IV D) I ve IV E) II ve IV Yanıt A Aşağıda verilen örneklerden hangisi izobarik sistem örneği değildir? A) Hareketli pistonlu kapta soğumakta olan X gazı B) Uçmakta olan çocuk balonu C) Şişirilmekte olan bisiklet lastiği D) Buharlaşmakta olan deniz suyu E) Düdüklü tencerede pişmekte olan yemek Yanıt E 190 Soru
İÇ ENERJİ Bir sistemin sahip olduğu enerji türlerinin tamamının toplamına iç enerji denir. İç enerji U sembolü ile gösterilir. İç enerjiye; Taneciklerin kinetik enerjileri (öteleme, titreşim, dönme hareketlerinden kaynaklı) Taneciklerin potansiyel enerjileri Atomların çekirdek enerjileri Atomların elektronik enerjileri (Taneciklerdeki elektronların spin hareketlerinden kaynaklı) katkı sağlar. He, Ar, Ne gibi tek atomlu tanecikler sadece öteleme hareketi yaparken iki veya daha fazla atomlu (, F 2, NH 3...) taneciklerin ise öteleme enerjilerinin yanında dönme ve titreşim enerjileri de vardır. Bir sistemin iç enerjisi tek başına ölçülemez. Ancak sistemin iki farklı durumu karşılaştırıldığında iç enerjileri arasındaki fark ölçülebilir. Bu fark, sistemin aldığı ya da verdiği ısı miktarı kadardır. Herhangi bir sisteme dışarıdan ısı verilirse iç enerjisi artarken, sistem dışarı ısı verirse iç enerjisi azalır. İç enerji değişimi ΔU sembolü ile gösterilir ve ΔU = U son U ilk formülü ile hesaplanır. ISI VE İŞ Isı ve işin her ikisi de sistemle çevre arasındaki enerji aktarma yoludur. Isı, sistemle çevre arasındaki sıcaklık farkından dolayı aktarılan enerjidir ve sembolü Q dur. Örneğin 10 C de X cismi ile 20 C deki Y cismini temas ettirdiğimizde sıcak olandan soğuk olana doğru bir enerji aktarımı olur. Bir süre sonra her ikisinin de sıcaklığı eşit olur. Bu tür olaylarda olduğu gibi sıcak olandan soğuk olana aktarılan enerji ısı olarak tanımlanır. Sıcaklık ile ısı farklı kavramlardır. Sıcaklık ise termal hareketin bir sonucudur. Son durumda sıcaklıkları aynı değer olarak ölçülen iki cisim birbirleriyle temas etmeselerde ısıl dengededirler. Termodinamiğin sıfırıncı yasası iki ayrı cismin bir üçüncü cisimle ısıl dengede olmaları durumunda kendi aralarında da ısıl dengede olacaklarını belirtir. İş, sıcaklık farkından bağımsız yollarla aktarılan enerjidir. Mekanik iş, bir kuvvetin belirli bir yol alırken yaptığı iştir ve w sembolü ile gösterilir. Mekanik işin ısıya, ısının da mekanik işe dönüşebileceğini ilk defa 1798 yılında Benjamin Thomson ileri sürmüştür. B. Thomson o güne kadar bir madde olarak tanımlanan ısının sürtünmeden kaynaklanan kuvvetlerin oluşturduğu bir iş olduğu sonucuna ulaştı. Isı ve işin birbirine eşit olduğunu ise (Aynı miktar işin daima aynı miktar ısıya dönüştüğünü) kurmuş olduğu deney düzeneği ile 1843 yılında James Joule ispatlamıştır. Zıplayan tenis topunun enerjisi, sürekli olarak, potansiyel enerjiden kinetik enerjiye, sonra yeniden potansiyel enerjiye dönüşür. Bu böyle devam eder gider. Potansiyel enerjinin en yüksek değeri, her bir zıplamanın zirvesinde, kinetik enerjinin en yüksek değeri ise yere vurma anındadır. Her zıplamada potansiyel enerjinin ve kinetik enerjinin toplam değeri azalır, topun ve çevrenin ısısal enerjisi artar. Sonunda top durur. İzobarik (Sabit basınçlı) ve İzokorik (Sabit hacimli) Sistemde Isı ve İş İlişkisi Serbest sürtünmesiz pistonlu kapta bulunan P 0 P 0 ideal bir gaz örneği ısıtıldığında sıcaklık yükselmesi ve genleşme olarak iki değişikliğe neden olur. Sistemdeki sıcaklık yükselmesi sistemin iç enerjisinin İş (U) artışına sebep olur. Yani U ilk < U son olur (ΔU = U son U ilk ). Isı Sisteme verilen ısının (Q) bir kısmı da sistem üzerinde etkili olan dış basınca (P o ) karşı hacim genişlemesi şeklinde iş (w) olarak kullanılır. Bu durumda gaza verilen ısı enerjisi, iç enerjideki değişim (ΔU) ile yapılan işin toplamına eşittir. Q p = ΔU + w (Q p = sabit basınçta sistemin aldığı veya verdiği ısı) V 1, T 1 V 2, T 2 Sabit hacimli bir kapta bulunan gaz örneği ısıtıldığında gazın sıcaklığı artar. Yani iç enerjide artış gözlenir. Hacim değişikliği söz konusu olmadığından sistemin Isı yaptığı iş, w = 0 olur. Bu durumda Q v = ΔU eşitliği geçerlidir. Sonuçta sabit basınç ve hacimde gaza verilen ısıların arasındaki ilişkinin Q p Z Q v şeklinde olduğu ortaya çıkar. Sabit hacimli kap ısıtıldığında sistemin iç enerjisi artar. (V 1 = V 2, T 2 > T 1 ) James Joule (1818-1889) Amatör bilim adamı Joule'nın esas işi, bira işletmeciliği idi. Ancak evinde kurduğu laboratuvarda bilimsel araştırmalar da yapmaktaydı. Gerçekleştirdiği duyarlı ısı ölçümleri, enerjinin korunumu ilkesinin temelini oluşturmuştur. 191
I. Bir sistemin iç enerjisi tek başına ölçülemez. II. Bir sistemin ısıtılması iç enerjisini arttırır. III. İzole bir sistemin iç enerjisi sabittir. IV. Isı, sistem ile ortam arasındaki basınç farkından doğan enerji akışıdır. Yukarıdaki ifadeler doğru (D) ve yanlış (Y) olarak I, II, III ve IV yolunu izleyerek sıralandığında aşağıdakilerden hangisi doğru olur? A) D, Y, D, Y B) Y, Y, D, D C ) D, D, Y, Y D) D, D, D, Y E) D, D, D, D Isı, sistem ile ortam arasındaki sıcaklık farkından doğan enerji akışıdır. Yanıt D İzokorik bir sistemde bulunan X gazı bir miktar ısı alıyor. Buna göre, bu sistem ile ilgili aşağıdaki yargılardan hangisi söylenemez? A) ΔU > 0 dır. B) w = 0 dır. C) Q = ΔU dur. D) Sistemin kinetik enerjisi artar. E) Q < 0 dır. Yanıt E I. Taneciklerin potansiyel enerjileri II. Taneciklerin titreşim, dönme ve öteleme hareketlerinden kaynaklı enerji III. Radyoaktif enerji Yukarıdakilerden hangileri iç enerjiye katkı sağlar? A) Yalnız II B) I ve II C) I ve III Yanıt B I. Buzun erimesi II. İyotun süblimleşmesi III. Yağmurun yağması IV. Suyun sıcaklığının 0 C den 5 C ye düşmesi Yukarıda verilen olaylardan hangilerinde iç enerji artar? A) I ve III B) II ve IV C) I ve II D) III ve IV E) II ve III Yanıt C 192 Soru
TERMODİNAMİĞİN BİRİNCİ YASASI Kimyasal tepkimeler gerçekleşirken maddelerin kimlik özellikleri değişir. Yani yeni türde maddeler oluşur. Kimlik değişimine bir enerji değişimi de eşlik eder. C(k) + O 2 CO 2 + ısı reaksiyonu sonucunda sistemden ortama ısı verilmiştir. Yani tepkime ekzotermiktir. Ortama verilen bu ısı sistemin iç enerjisinin bir kısmının ısı enerjisine dönüşmesiyle sağlanmıştır. Yani sistem enerji kaybederken çevre enerji kazanmıştır. Ancak evrenin toplam enerjisi değişmemiş olur. Benzer şekilde 2 O(s) + ısı 2 + O 2 tepkimesi incelendiğinde sistem ortamdan ısı aldığı için sistemin enerjisi artarken çevrenin enerjisi azalmıştır. Yani evrenin enerjisi sabit kalmıştır. Diğer bir ifadeyle enerji değişimlerinin toplamı daima sıfırdır. ΔU sistem + ΔU ortam = 0 P atm P atm 2KClO 3 2KCl(k) + 3O 2 kimyasal tepkimesinde işin (genleşme) gösterilişi Oluşan oksijen gazı, ağırlığı (pistonu) iter ve bu şekilde çevreye iş yapar. Buradan da anlaşıldığı gibi enerji bir türden diğerine dönüşebilir, fakat enerji asla yok edilemez veya yoktan var edilemez. Bu ifade Termodinamiğin Birinci Yasası olarak adlandırılır ve aşağıdaki bağıntı ile gösterilir. ΔU sistem = Q + w Sistem ile çevre arasındaki ısı ve iş ilişkisinin ifade edilmesinde sistemden çevreye ya da çevreden sisteme iş veya ısı aktarımı (+) ve ( ) işaretleri ile belirtilir. Sembol İşaret Çevre Sistem tarafından ortama yapılan iş w + Ortamın sisteme yaptığı iş +w -w +Q -Q + Sistemin ortamdan aldığı ısı Sistem Q Ortamın sistemden aldığı ısı Bir sistemdeki toplam enerji miktarı hesaplanamaz. Ancak sistemdeki enerji değişimi hesaplanabilir. Sistemin iç enerjisini artıracak yöndeki ısı ve iş alışverişleri artı işaretle, azaltacak yöndeki ısı ve iş alışverişleri eksi işaretle belirtilir. SORU Sabit basınçlı bir sistemde bulunan bir gaz ortamdan 1200 kj ısı aldığında ortama karşı 500 kj iş yaptığına göre, sistemin iç enerjisindeki değişim kaç kj olur? A) 300 B) 200 C) +500 D) +700 E) +1700 SORU Sabit basınçlı bir sistemde bulunan bir gaz ortamdan 370 j lük enerji soğuruyor. Sistemin iç enerjisi 1,3 kj arttığına göre, yapılan iş kaç j dür? A) +930 B) +1670 C) 930 D) 1670 E) 2618 Sistem 1200 kj ısı aldığından Q nun işareti + dır. Sistem dışarı iş yaptığına göre iş kadar enerji kaybetmiştir. Bu nedenle işin işareti dir. Sistemin iç enerjisinde meydana gelen değişim ise ΔU = Q+w = 1200 500 ΔU = +700 kj dür. Yanıt D Sistem ortamdan 370 j lük enerji aldığından Q nun işareti + dır. ΔU ise 1,3 kj = 1300 j dür. ΔU = Q + w 1300 = 370 + w w = 930 j Yanıt A Sabit basınçlı kapta bulunan bir sisteme ortam tarafından 300 j'lük iş yapılırken, sistemin iç enerjisi 200 j arttığına göre, sistemdeki ısı değişimi, DU = Q + w 200 = Q + 300 Q = 100 j şeklinde bulunur. Yani sistem ortama 100 j ısı vermektedir. 193
ÇÖZÜMLÜ SORULAR 1. Enerji ile ilgili; I. Bir halden başka bir hale dönüştürülebilir. II. Yok edilemez ancak yoktan var edilebilir. III. Evrende enerjinin toplamı sabittir. yargılarından hangileri doğrudur? 4. Sabit hacimli bir kapta gerçekleşen kimyasal tepkimenin başlangıcındaki iç enerjisi 280 kj, tepkime sonundaki iç enerjisi ise 420 kj olmaktadır. Buna göre, A) Yalnız II B) I ve II C) I ve III I. Sistemin iç enerjisi artmıştır. II. Sistemin iç enerji değişimi -140 kj'dür. III. Sistem ortamdan 140 kj ısı almıştır. yargılarından hangileri doğrudur? A) Yalnız I B) I ve II C) I ve III 2. Sabit basınç altındaki bir sisteme 500 joule ısı verilmekte ve bu ısının 300 j lük kısmı ise iş olarak ortama verilmektedir. Buna göre, sistemin iç enerji değişimi kaç joule dür? 3. A) 120 B) 200 C) 320 D) 500 E) 820 5. X sistemi, ortamla enerji alışverişi yaparken, madde alışverişi yapmıyor. Buna göre, X sistemi ile ilgili aşağıdaki ifadelerden hangisi doğrudur? A) İzotermal sistemdir. B) Oda sıcaklığındaki bir bardak gazoz örnek verilebilir. C) Kapalı sistemdir. D) Bardaktaki çay örnek verilebilir. E) Açık sistemdir. 0,1 M 500 ml HCl(suda) Yukarıdaki şekilde görülen cam balon içerisindeki HCI çözeltisine üzerindeki büretle bir miktar NaOH çözeltisi ekleniyor. Buna göre; I. HCI çözeltisinin bulunduğu cam balon sistemdir. II. Deneyin yapıldığı laboratuvar çevredir. III. Dereceli silindir (büret) ortamdır. yargılarından hangileri doğrudur? A) Yalnız I B) I ve III C) II ve III D) I ve II E) I, II ve III 6. Sabit basınçlı kapta bulunan bir sisteme 400 joule ısı verildiğinde sistemin iç enerjisinde 150 joule azalma gözleniyor. Buna göre, yapılan işin yönü ve miktarı aşağıdakilerden hangisinde doğru verilmiştir? Yönü İŞİN Miktarı (joule) A) ortama +550 B) ortama 550 C) ortama +250 D) sisteme 50 E) ortama 150 194 Soru
ÇÖZÜMLER 1. Enerji bir türden diğerine dönüştürülebilir, fakat enerji asla yok edilemez veya yoktan var edilemez. Evrende enerjinin toplamı ise sabittir. Yanıt C 4. Tepkime sonundaki iç enerji değeri 420 kj olduğundan başlangıca göre artmıştır. Sistemin iç enerji değişimi 420 280 = +140 kj'dür. Sabit hacimli kap olduğundan iç enerji artışı ısı ile gerçekleşir. Yani sistem ortamdan 140 kj ısı almıştır. Yanıt C 2. Sisteme verilen ısı pozitif, sistemin yaptığı iş negatif işaretlidir. 5. Ortamla enerji alışverişi yaparken, madde alışverişi yapamayan sistem kapalı sistemdir. Q = +500 j w = 300 j ΔU =? ΔU = Q + w 500 300 = 200 j bulunur. Yanıt C Yanıt B 3. Üzerinde incelemeler yapılan cam balon ve büret sistemdir. Sistemin dışında kalan herşey ortam (çevre) dır. Yanıt D 6. Sisteme ısı verildiğinden Q nun işareti + dır. İç enerjide azalma gözlendiğinden ΔU nun işareti dir. ΔU = Q + w 150 = 400 + w w = 550 j w nin işareti olduğundan sistem ortama iş yapmıştır. Yanıt B 195
1. Sistem ile ortam arasında hem madde hem de enerji alışverişinin olduğu sistemler açık sistemlerdir. 2. Termodinamiğin birinci kanununa göre yalıtılmış bir sistemin enerjisi sabittir. 1. Sistem ile ortam arasında madde alışverişinin olmadığı ancak ısı alışverişinin gerçekleştiği sistemlere... sistem denir. 2. Bir sistemin kapsadığı tüm enerji türlerinin toplamına... denir. 3. Sabit basınçlı bir sisteme ortamdan 150 kalori değerinde iş yapıldığında ve 350 kalorilik ısı verildiğinde iç enerjisi 500 kalori artar. 3. Enerjinin sistem ve ortamda korunduğunu ifade eden yasa, termodinamiğin... yasasıdır. 4. İzokorik sistem hacmi sabit tutulan sistemlerdir. 4. Sabit basınçlı bir kapta 750 j ısı açığa çıkarıp çevre tarafından üzerine 1 kj lük iş yapılan sistemin iç enerjisi... 5. Bir sisteme 900 j ısı verildiğinde, sistem dışarı 600 j lük iş yaptığına göre, sistemin iç enerji değişimi 1500 j olur. 6. Termodinamiğin birinci kanununa göre, enerji asla yok edilemez veya yoktan var edilemez. 5. Sıcaklığı sabit tutulan sistemlere... sistem denir. 6. Sabit basınçlı bir sistemde bulunan bir gaz ortamdan 300 j lük enerji soğurduğunda sistemin iç enerjisi 500 j arttığına göre, yapılan iş... j dür. 7. İzokorik sistemlerde iç enerji değişimi sıfırdır. 7. İncelenen evren parçasına... denir. 8. Sabit hacimli bir sistemde bulunan bir gaz örneğine ısı verildiğinde sistem dışarıya karşı iş yapar. 8. İç enerjinin değeri negatif ise sistemin yaptığı iş aldığı ısıdan... dır. 9. w nin işareti negatif ( ) olduğunda sistem tarafından ortama iş yapılmış olur. 9...., sistem ile doğrudan temas halinde olan evren parçasıdır. 10. ΔU nun işareti (+) olursa sistem enerji kazanmış, ΔU nun işareti ( ) olursa sistem enerji kaybetmiştir. 10. Şişede bulunan zeytinyağı,... sisteme örnektir. 196 1. D 2. D 3. D 4. D 5. Y 6. D 7. Y 8. Y 9. D 10. D Soru 1. kapalı 2. iç enerji 3. birinci 4. artar 5. izotermal 6. 200 7. sistem 8. fazla 9. ortam 10. kapalı
1. Sabit basınçta hareketli pistonlu kapta bulunan gaz genleşirken 45 j lük bir ısı almakta ve dışarıya 120 j lük bir iş yapmaktadır. Buna göre, iç enerji değişimi kaç j dür? AÇIK UÇLU SORULAR 4. I. İş, sistemle ortam arasında sıcaklık farkından bağımsız yollarla aktarılan enerjidir. II. Isı ve sıcaklık birimleri joule dür. III. Isı ve iş birer enerji çeşididir. IV. Sabit hacimli kaplarda ısı alan gazlarda sistem iş yapamaz. V. Isı, yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru aktarılır. Isı ve iş kavramları ile ilgili yukarıda verilen yargılardan kaç tanesi doğrudur? 75 2. I. Bir termometredeki cıva kapalı sistemlere örnektir. II. Bir gazın soğutularak sıvılaştırılması sırasında iç enerji başlangıca göre azalır. III. Düdüklü tencere izokorik sisteme örnektir. IV. Araç lastiğinde bulunan hava izobarik sisteme örnektir. Yukarıdaki ifadelerin doğru (D) ve yanlış (Y) olarak I, II, III ve IV yolunu izleyerek sıralanması nasıldır? D, D, D, D 5. I. Evrenin sistem dışında kalan kısmı ortamdır. (D) (Y) II. Ortamla sistem arasında daima ısı alışverişi gerçekleşir. (D) (Y) III. Konserve kutusu izole sisteme örnektir. (D) (Y) IV. İzokorik sistemlerde, sistem ile ortam arasında ısı alışverişi olmaz. (D) (Y) V. Termodinamiğin sıfırıncı yasası ısı, sıcaktan soğuğa doğru akar der. (D) (Y) Yukarıda her cümlenin sonunda doğru (D) ve yanlış (Y) sembolleri bulunmaktadır. Bu cümleleri okuyan bir öğrenci kaç tanesini doğru olarak (D) işaretler? 4 3. I. Termos II. İnsan vücudu III. Buz torbası IV. Deodorant kutusu V. Şişirilmiş balon Yukarıdakilerden kaç tanesi açık sisteme örnektir? 6. Ortamdan sisteme karşı 1000 kj ısı verildiğinde sistemin iç enerjisi 400 kj kadar arttığına göre, yapılan işin değeri kaç kj olur? 2 1 600 197
TEST 1 1. I. Basıncın II. Hacmin III. Sıcaklığın sabit olduğu sistem türleri aşağıdakilerden hangisinde doğru verilmiştir? 4. Sabit basınçlı bir kapta bulunan gaz örneği 80 joule enerji alarak ortama 150 joule lük iş yapmaktadır. Buna göre, sistemin iç enerjisi başlangıca göre nasıl değişir? A) 230 joule artar. I II III B) 230 joule azalır. A) İzobarik İzokorik İzotermal C) 70 joule artar. B) İzokorik İzotermal İzobarik D) 70 joule azalır. C) İzotermal İzobarik İzokorik E) Değişmez. D) İzobarik İzokorik İzokorik E) İzokorik İzobarik İzotermal 5. Sabit hacimli bir sisteme 280 kj lük ısı veriliyor. Buna göre, sistem ile ilgili aşağıdaki yargılardan hangisi yanlıştır? 2. Bir sisteme verilen ısının tümü ile ilgili; I. İç enerjiye çevrilir. II. Bir kısmı mekanik işe çevrilir. III. Sistemin sıcaklığını değiştirir. yargılarından hangileri doğru olabilir? A) w = 280 kj dür. B) Q sistem = + 280 kj dür. C) Sistemin iç enerjisi artar. D) ΔU = +280 kj dür. E) Sistem iş yapmamıştır. A) Yalnız I B) Yalnız II C) I ve III 3. Termodinamiğin birinci kanunu ile ilgili; I. DU sistem + DU ortam = 0 6. X 2 + Y 2 $ 2XY + 68 kkal Yukarıda verilen tepkime sabit basınçlı bir kapta gerçekleşirken sistem ortama karşı 23 kkal iş yapmaktadır. Buna göre, sistemin iç enerjisindeki değişim kaç kkal dir? A) 45 B) +45 C) 91 D) +91 E) +37 II. DU sistem = Q + w 7. Bir ortamdan sisteme 1850 j lük ısı verildiğinde sistemin iç III. Q P = Q V enerjisi 150 j artıyor. bağıntılarından hangilerinin doğruluğu kesin değildir? Buna göre, yapılan işin değeri kaç j dür? A) Yalnız II B) Yalnız III C) I ve III A) 1700 B) 150 C) +1850 D) +2000 E) 2000 198 1. A 2. E 3. B 4. D 5. A 6. C 7. A Soru
8. Hareketli pistonlu bir kaptan oluşan sistemde iç enerji artmaktadır. Buna göre, I. Ortama iş yapılmıştır. II. Sistem ortamdan enerji almıştır. III. Kabın hacmi artmıştır. yargılarından hangileri doğru olabilir? A) Yalnız I B) Yalnız II C) I ve II 11. İzobarik sistem ile ilgili; I. Ortam ile sistem iş alışverişi yapabilir. II. Yapılan iş ile hacim değişebilir. III. Sistemin basıncı zamanla azalır. yargılarından hangileri doğrudur? A) Yalnız I B) Yalnız II C) I ve II D) I ve III E) II ve III 12. Sabit hacimli kap 9. Sabit basınçta bulunan bir sistem çevreye 50 kj iş yaparken, sistemin iç enerji değişimi 40 kj dür. Buna göre, X 2 t C X 2 t C Hareketli piston I. Sistem ısı almıştır. II. Sistem 10 kj ısı kaybeder. III. Sistemin iç enerjisi azalmıştır. yargılarından hangileri yanlıştır? A) Yalnız I B) Yalnız II C) I ve II Yukarıda verilen kaplar aynı koşullarda özdeş ısıtıcılarla eşit süre ısıtılıyor. Buna göre; I. Sabit hacimli kapta son sıcaklık daha büyüktür. II. Hareketli pistonlu kapta iş yapılmaz. III. Sabit hacimli kapta alınan ısının tümü iç enerji değişimine eşittir. 10. Sabit basınçlı bir kapta bulunan bir gaz örneğine 300 j ısı verildiğinde gazın genleşmesi sonucu ortama karşı 100 j iş yapılmaktadır. Buna göre, I. Sistemin iç enerjisinde 200 j artış olmuştur. II. Gaz taneciklerinin düzensizliği artmıştır. III. Gaz hacmi azalmıştır. yargılarından hangileri doğrudur? A) Yalnız I B) Yalnız III C) I ve II yargılarından hangileri doğrudur? A) Yalnız I B) I ve III C) I ve II 13. Termodinamiğin birinci yasası ile ilgili; I. Kapalı sistemlerde geçerlidir. II. Enerji değişik türlerde bulunabilir. III. Bir enerji başka bir enerji türüne dönüşemez. yargılarından hangileri doğrudur? A) Yalnız I B) Yalnız II C) I ve III D) I ve II E) I, II ve III 8. E 9. B 10. C 11. C 12. B 13. D 199
SİSTEMLERDE ENTALPİ DEĞİŞİMİ Entalpi ENTALPİ (H) VE ENTALPİ DEĞİŞİMİ Sabit hacimli bir sisteme verilen ısı (Q v ) sistemde iş yapamadığından dolayı sistemin sıcaklığını yükseltirken sadece iç enerjinin artışında kullanılmıştır. Q v = ΔU Sabit basınçlı sisteme verilen ısı (Q p ) sistemin sıcaklığını yükseltirken, sistemde hacim değişikliğine sebep olmuştur. Bu durumda iç enerjideki değişim yanında yapılan mekanik işinde içinde bulunduğu H = U + w bağıntısı geçerli olur. Burada entalpi H sembolü ile gösterilmiştir. Entalpi de iç enerji gibi sistem için bir hal fonksiyonudur. Dolayısıyla entalpi değişimi de sistemin ilk ve son hallerine bağlı olduğundan ΔH = ΔU + w eşitliği kullanılır. Isı şeklinde enerji 208 kj Bir sistemin entalpisi bir kaptaki suyun yüksekliğinin ölçüsü gibidir. Isı veren bir tepkime sabit basınçta 208 kj ısı saldığında ''kaptaki su'' yüksekliği 208 kj düşer ve DH = 208 kj olur. Sabit basınçta sistemin aldığı ya da verdiği ısı (Q p ) entalpi değişimine (ΔH) eşittir. Bu sisteme dışarıdan enerji verildiğinde +Q p yani ΔH > 0, sistemden ısı şeklinde enerji kaybı olursa Q p yani ΔH < 0 olur. Bir kimyasal reaksiyondaki entalpi değişimi reaksiyon entalpisi (ΔH) olarak tanımlanır. Reaksiyonda oluşan ürünlerin entalpileri ile reaksiyona girenlerin entalpileri arasındaki farka eşittir. Bu durum ΔH = H (ürünler) H (girenler) şeklinde gösterilir. Reaksiyon Entalpisinin (ΔH) Değerini Etkileyen Faktörler Sıcaklık ve basınç koşullarına bağlıdır. Entalpi değeri 25 C ve 1 atmosfer basınç koşullarında hesaplandığından bu koşullar değiştiğinde ΔH değeri değişir. Maddelerin fiziksel halleri değiştiğinde tepkimenin ΔH değerleri değişir. 1 + 2 O2 O + Q 1 + 2 1 O2 O(s) + Q 2 tepkimelerinde açığa çıkan ısı değeri farklıdır. Not Isı şeklinde enerji 100 kj Entalpi 100 kj Entalpi Maddelerin farklı fiziksel hallerinin entalpileri arasında H gaz > H sıvı > H katı ilişkisinin var olduğunu bilmek tepkime entalpilerini karşılaştırmada kolaylık sağlayacaktır. Madde miktarı değiştiğinde tepkimenin ΔH değeri değişir. Bir tepkimede mol sayısı ile ΔH değeri doğru orantılıdır. CaO(k) + O(s) Ca(OH) 2 (k) ΔH = 64 kj 1 mol CaO ile 64 kj ısı açığa çıkıyorsa 2 mol CaO ile?? = 128 kj ısı açığa çıkar. 200 Isı alan bir tepkime sabit basınçta 100 kj'lük ısı soğurursa entalpi ''kabının'' yüksekliği 100 kj artar ve DH = +100 kj olur. SORU Fe 3 O 4 (k) + 4CO 3Fe(k) + 4CO 2 + 8,6 kkal tepkimesinde 17,2 kkal ısının açığa çıkması için tepkimeye giren CO gazı kaç gram olmalıdır? (C : 12, O : 16) A) 224 B) 168 C) 144 D) 82 E) 28 Tepkimeye göre 4 mol CO gazı harcandığında 8,6 kkal ısı açığa çıkmaktadır. 4 mol 8,6 kkal? 17,2 kkal? = 8 mol 1 mol CO 28 gram 8 mol?? = 224 gramdır. Yanıt A Soru
CaO(k) + 3C(k) CaC 2 (k) + CO ΔH = 110 kkal denklemine göre 180 gram karbonun tepkimeye girmesi için kaç kkal enerjiye gerek vardır? (C: 12) A) 36 B) 110 C) 550 D) 1650 E) 6630 n c = 180 12 = 15 mol Tepkimeye göre 3 mol C harcanması için 110 kkal ısı gerekmektedir. 3 mol 110 kkal 15 mol? 18 gram etan gazının (C 2 H 6 ) oksijen gazı ile verdiği 2C 2 H 6 + 7O 2 4CO 2 + 6 O tepkimesinde 204 kkal lik ısının açığa çıktığı bilindiğine göre, tepkimenin entalpi değişimi (ΔH ) kaç kkal dir? (H : 1, C : 12) A) 680 B) 342 C) 204 D) +342 E) +682? = 550 kkal ısıya gerek vardır. n C2 H 6 = 18 = 0,6 mol 30 tepkimede 2 mol C 2 H 6 harcanmıştır. 0,6 mol 204 kkal 2 mol? Yanıt C? = 680 kkal ısı açığa çıkar. ΔH = 680 kkal dir. Yanıt A C(k) + O 2 CO 2 ΔH = 393 kj tepkimesine göre, 1965 kj enerjinin açığa çıkabilmesi için kaç gram karbon katısı (C (k) ) kullanılmalıdır? (C : 12) A) 24 B) 48 C) 60 D) 72 E) 96 Yanıt C Bir tepkimenin ısısı aşağıdaki niceliklerden hangisine bağlı değildir? A) Sıcaklık B) Basınç C) Madde miktarı D) Maddenin fiziksel hali E) Tepkimenin izlediği yol Yanıt E 201
Bir kimyasal ya da fiziksel dönüşümün entalpi değişimi ısı alarak veya ısı vererek gerçekleşme durumuna göre iki kısma ayrılır. 1. Endotermik (Isı Alan) Tepkimeler Bir kimyasal reaksiyonda tepkimeye giren maddelerin entalpileri toplamı, ürünlerin entalpileri toplamından küçük olduğu durumdur. Endotermik bir dönüşüm gerçekleşme süreci boyunca dışarıdan ısı almaya devam eder. Dolayısıyla endotermik reaksiyonlar kendiliğinden gerçekleşmez ve reaksiyon entalpisinin (ΔH) işareti + dır. H 1 Entalpi Girenler Ürünler ΔH > 0 H 1 = Girenlerin entalpileri toplamı = Ürünlerin entalpileri toplamı H 1 = Tepkime entalpisi (ΔH) 202 Sıcak bir platin tel derişik amonyak çözeltisi üzerinde tutulduğunda kızarır. Amonyağın azot oksit oluşturarak yükseltgenmesi platin tarafından katalizlenir, tepkime oldukça ekzotermiktir. Orman yangını arzulanmayan ekzotermik tepkimedir. Endotermik reaksiyonlarda ΔH > 0 dır. Bu tür reaksiyon denklemleri X + Y + ısı Z X + Y + Q kj Z X + Y Z ΔH > 0 şeklindedir. Endotermik reaksiyonlarda girenler, ürünlerden kararlıdır. Buharlaşma ( O(s) O) Süblimleşme (I 2 (k) I 2 ) Erime (Fe(k) Fe(s)) Elektroliz ( O(s)) + 1 2 O 2 ) Ayrışma (Analiz) tepkimeleri (CaCO 3 (k) CaO(k) + CO 2 ) Atomların 1. iyonlaşma enerjileri (Na Na + + e ) Ametallerin 2. ve daha sonraki elektron ilgileri (O + e O 2 ) 1 Azotun yanması (N 2 + O2 2 N 2 O) Birçok katı ve sıvının suda çözünmesi (C 6 H 12 O 6 (k) C 6 H 12 O 6 (suda)) Bağ kırılması ( H + H) olayları endotermiktir. 2. Ekzotermik (Isı Veren) Tepkimeler Bir kimyasal reaksiyonda ürünlerin entalpileri toplamının girenlerin entalpileri toplamından küçük olduğu durumdur. Ekzotermik tepkimeler bir kez başlatıldıktan sonra kendiliğinden devam eder. Ekzotermik tepkimelerde maddeler enerji kaybeder. Bu nedenle reaksiyon entalpisinin (ΔH) işareti dir. Yani ΔH < 0 dır. Bu tür reaksiyon denklemleri X + Y Z + ısı X + Y Z + Q kj X + Y Z ΔH < 0 Entalpi Girenler H 1 ΔH < 0 Ürünler şeklindedir. Ekzotermik reaksiyonlarda ürünler, girenlerden daha kararlıdır. Donma ( O(s) O(k)) Kırağılaşma (X X(k)) Yoğuşma ( O O(s)) Nötürleşme (HNO 3 (suda) + KOH(suda) KNO 3 (suda) + O(s)) Yanma olayları (N 2 nin yanması hariç) (C(k) + O 2 CO 2 ) Bütün gazların suda çözünmesi (N 2 O + su N 2 O(suda)) Elementlerin 1. elektron ilgileri (F+ e F ) Bağ oluşumu (H + Br HBr) Birçok sentez (birleşme) tepkimeleri (MgO(k) + SO 3 MgSO 4 (k)) Pil tepkimeleri (Zn(k) + Fe 2+ (suda) Zn 2+ (suda) + Fe(k)) olayları ekzotermiktir. Soru
I. 2NaClO 3 (k) + ısı 2NaCl(k) + 3O 2 II. CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2 O III. 2 + O 2 2 O Yukarıdaki tepkimelerden hangilerinde girenlerin entalpileri toplamı, ürünlerin entalpileri toplamından büyüktür? A) Yalnız I B) Yalnız II C) Yalnız III Ekzotermik tepkimelerde girenlerin entalpileri toplamı, ürünlerin entalpileri toplamından büyüktür. Birinci tepkime endotermik, ikinci ve üçüncü tepkime ekzotermiktir. Yanıt D X 2 CO 3 (k) + 120 kkal X 2 O(k) + CO 2 tepkime denklemine göre 92 gram X 2 CO 3 bileşiğini ayrıştırmak için 40 kkal ısı gerekiyor. Buna göre, X 2 CO 3 bileşiğindeki X in atom kütlesi aşağıdakilerden hangisidir? (C: 12, O: 16) A) 39 B) 52 C) 64 D) 108 E) 124 1 mol X 2 CO 3 ayrıştığında 120 kkal ısı gerekmektedir. 40 kkal ısı ile 3 1 mol X2 CO 3 ayrıştırılabilir. 1 mol X2 CO 3 3 92 g ise 1 mol X 2 CO 3?? = 276 X 2 CO 3 = 276 2X + 12 + 3.16 = 276 X = 108 Yanıt D I. Katı CO 2 nin süblimleşmesi II. Suyun donması III. Odunun yanması Yukarıdaki olaylardan hangileri endotermiktir? A) Yalnız I B) I ve II C) I ve III Yanıt A 2NO 2 N 2 O 4 + 14 kkal denklemine göre, 2,8 kkal ısı açığa çıktığında kaç gram N 2 O 4 gazı oluşmuştur? (N :14, O : 16) A) 12,8 B) 14,2 C) 15,6 D) 18,4 E) 21,4 Yanıt D 203
Bir bileşiğin elementlerinden oluşumu sırasında açığa çıkardığı ısı enerjisi ne kadar fazla ise bileşik o kadar kararlıdır. STANDART OLUŞUM ENTALPİLERİ Entalpi, iç enerjiye bağımlı bir özelliktir ve entalpide bir hal fonksiyonu olduğundan ancak entalpi değişiminin (ΔH) belirli bir değeri vardır. Bir maddenin ΔH değeri doğrudan elementlerinden sentezlenen tepkimeler üzerinden belirlenir. Bir bileşiğin elementlerinden oluşması sırasındaki entalpi değişimine oluşum entalpisi (oluşum ısısı) denir ve ΔH f şeklinde gösterilir. Elementlerin ise en kararlı doğal hallerindeki standart oluşum entalpileri sıfır kabul edilir. Örneğin, Na(k), Fe(k), N 2, O 2,, C(k), Cu(k) maddelerinin standart koşullarda oluşum entalpileri sıfırken, Cu(s), H, Fe(s), O maddelerinin oluşum entalpileri sıfırdan farklıdır. Ayrıca standart şartlarda birden fazla allotropu olan elementlerin oluşum entalpileri değerleri için en kararlı allotropları esas alınır. O 2 ve O 3 allotroplarından standart koşullarda daha kararlı olan O 2 gazıdır. Bu nedenle O 2 gazının oluşum entalpisi sıfır alınır. Maddelerin oluşum entalpileri; Sıcaklığa ve basınca Maddelerin fiziksel haline (katı, sıvı, gaz) bağlıdır. Bir bileşiğin 1 molünün standart şartlarda (1 atm ve 25 C) elementlerinden oluşması sırasındaki entalpi değişimine standart oluşum entalpisi denir ve ΔH f ile gösterilir. C(k) + 2 CH 4 ΔH f = 75 kj 1 1 H2 + Cl2 HCl ΔH 2 2 f = 92 kj 2Fe(k) + 2 3 O2 Fe 2 O 3 (k) ΔH f = 824 kj N 2 + 2 1 O2 N 2 O ΔH f = +9 kj UYARI Oluşum entalpisi, endotermik veya ekzotermik olabilir. Öte yandan, standart koşullarda gerçekleşen CO + 2 1 O2 CO 2 ΔH = 283 kj N 2 + 3 2NH 3 ΔH = 92 kj N 2 O 4 $ 2NO 2 tepkimesine göre 1 mol NO 2 gazının oluşması sırasında 7 kkal ısı gerekmektedir. N 2 O 4 gazının molar oluşma ısısı 2 kkal olduğuna göre NO 2 gazının molar oluşma ısısını bulmak için şu işlemler yapılır. 1 mol NO 2 7 kkal 2 mol?? = 14 kkal ısı gerekir. DH = ΔH f (ürün) ΔH f (giren) ΔH = (2.ΔH f (NO2 ) ) (ΔH f(n 2 O 4 ) ) 14 = 2. ΔH f (NO2 ) 2 ΔH f(no2 ) = 8 kkal 204 H + (suda) + OH (suda) O(s) ΔH = 56 kj tepkimelerinde verilen ΔH değerleri ürünlerdeki maddelerin oluşum entalpisine eşit değildir. İlk tepkimede CO gazı bileşik olduğundan, ikinci tepkimede NH 3 gazı 1 mol değil 2 mol oluştuğundan, üçüncü tepkimede ise H + ve OH element olmadığından ΔH değerleri oluşum entalpisine eşit değildir. UYARI Mol başına yapılan isimlendirmede entalpinin başına molar kelimesi eklenir. Bir bileşiğin 1 molünün elementlerinden oluşmasına ilişkin tepkimenin entalpisi de o bileşiğin molar oluşum entalpisi olarak tanımlanır. Bir tepkimenin entalpi değişimi, ürünlerin standart oluşum entalpileri toplamından girenlerin standart oluşum entalpileri toplamı çıkarılarak bulunabilir. ΔH = nδh f (ürünler) nδh f (girenler) Örneğin; C 3 H 4 + 4O 2 3CO 2 + 2 O(s) tepkimesi için ΔH değeri ΔH = [3.ΔH f (CO2 ) + 2.ΔH f( O) ] [ΔH f(c 3 H 4 ) ] şeklinde bulunur. Tek cins atomdan oluşmuş moleküllerin (N 2, O 2,...) ve elementlerin kararlı hallerinin oluşum entalpileri sıfır kabul edilir. Soru
I. Hg(k) II. CO 2 III. O 2 (s) Yukarıda verilen maddelerden hangilerinin standart oluşum entalpisi sıfır değildir? A) Yalnız I B) I ve II C) I ve III Standart oluşum entalpisi 25 C ve 1 atmosfer basınçta elementlerin en kararlı halleri için sıfırdır. Bu koşullarda cıva katı, O 2 ise sıvı değildir. CO 2 ise bileşiktir. Yanıt E Bileşik Standart oluşum ısısı (kkal/mol) C 3 H 8 25 CO 2 94 O(s) 68 Yukarıdaki tabloda bazı bileşiklerin standart molar oluşum ısıları verilmiştir. Buna göre; C 3 H 8 + 5O 2 3CO 2 + 4 O(s) reaksiyonunun ΔH değeri kaç kkal/mol dür? A) 418 B) 449 C) 486 D) 529 E) 585 ΔH = ΔH f (ürün) ΔH f (giren) ΔH = [3.ΔH f(co2 ) + 4.ΔH f( O) ] [ΔH f(c 3 H 8 ) ] ΔH = [3.( 94) + 4.( 68)] [ 25] ΔH = 282 272 + 25 ΔH = 529 kkal Yanıt D Sıvı metanolün (CH 3 OH) yanması ile 2CH 3 OH(s) + 3O 2 2CO 2 + 4 O(s) tepkimesine göre 348 kkal ısı açığa çıkmaktadır. CO 2 gazı ile O sıvısının molar oluşma ısıları sırasıyla 94 ve 68 kkal olduğuna göre, metanolün molar oluşma ısısı kaç kkal dir? A) 56 B) 48 C) +72 D) 28 E) +116 Yanıt A I. O O(s) ΔH = 10,5 kkal 1 II. O 2 (s) O(s) + O2 ΔH = 44 kkal 2 1 1 III. H2 + Cl2 HCI ΔH = 11 kkal 2 2 IV. 2C(k) + C 2 ΔH = +54 kkal Yukarıdaki tepkimelerde verilen ΔH değerlerinden hangileri, tepkimedeki bileşiğin oluşma entalpisine eşittir? A) I ve III B) II ve III C) III ve IV D) I, II ve III E) II, III ve IV Yanıt C 205
Bileşik Standart oluşum entalpisi (kkal/mol) CO 2 94 O(s) 68 Yukarıda bazı bileşiklerin standart molar oluşum entalpileri verilmiştir. C 2 gazının molar yanma entalpisi 311 kkal olduğuna göre, C 2 gazının molar oluşum entalpisini bulmak için şu işlemler yapılır. C 2 gazının yanma tepkimesi TEPKİME ENTALPİSİNİ (ΔH ) İFADE EDEN BAZI TERİMLER 1. Yanma Entalpisi (Isısı) Standart şartlarda elementlerin ya da bileşiklerin birer mollerinin yakılması sırasındaki entalpi değişimine molar yanma entalpisi denir. Yanma reaksiyonları genellikle ekzotermik olup reaksiyonun gerçekleştiği ortam ısınır. Karbon ve hidrojenden oluşan bileşiklerde yanma ürünleri olarak daima CO 2 ve O oluşur. Örneğin 1 mol C 2 gazının yanması sırasında 1300 kj ısı açığa çıkar. Tepkimesi ise C 2 + 2 5 O2 2CO 2 + O(s) ΔH = 1300 kj şeklindedir. C 2 gazının molar yanma entalpisi 1300 kj'dür. Benzer şekilde CO + 2 1 O2 CO 2 + 282 kj tepkimesine göre CO gazının molar yanma entalpisi 282 kj iken CO 2 gazının molar oluşma entalpisi 282 kj değildir. C 2 + 2 5 O2 ΔH = 311 kkal şeklindedir. 2CO 2 + O(s) ΔH tep =[2.ΔH f(co 2 ) +ΔH f( O) ] [ΔH f(c 2 ) ] 311 = (2.( 94) + ( 68)) (ΔH f(c 2 ) ) 311 = ( 256) (ΔH f(c 2 ) ) ΔH f(c H ) = 256 + 311 2 2 ΔH = +55 kkal şeklinde bulunur. f(c H ) 2 2 SORU 11,2 gram C 2 H 4 gazı yakıldığında 126 kkal ısı açığa çıktığına göre, C 2 H 4 + 3O 2 2CO 2 + 2 O tepkimesinin entalpi değişimi kaç kkal dir? (H : 1, C : 12) A) 315 B) +315 C) +456 D) 456 E) 158 11, 2 n C2 H = = 0,4 mol 4 28 0,4 mol 126 kkal 1 mol?? = 315 kkal ısı açığa çıkar. Tepkimenin entalpi değişimi ΔH = 315 kkal olur. Yanıt A 2. Nötrleşme Entalpisi (Isısı) Bileşik Standart oluşum entalpisi (kkal/mol) C 3 H 8 114 CO 2 94 O 58 Yukarıda bazı bileşiklerin standart molar oluşum entalpileri verilmiştir. Asit ile baz çözeltilerinin kimyasal etkileşime uğraması sonucundaki entalpi değişimine nötrleşme entalpisi denir. HCI (suda) + NaOH (suda) NaCl(suda) + O(s) ΔH = 56 kj tepkimesine göre HCI ve NaOH ın molar nötrleşme entalpileri 56 kj dür. SORU 500 mililitre 0,1 molar KOH çözeltisi yeteri kadar HCI ile tepkimeye girdiğinde 6 kkal ısı açığa çıkıyor. Buna göre, KOH ın molar nötrleşme ısısı kaç kkal dir? A) 600 B) 300 C) -240 D) 120 E) 60 M = n V 0,1 = n 05, n = 0,05 mol 0,05 mol 6 kkal 1 mol?? = 120 kkal ısı açığa çıkar. ΔH = 120 kkal olur. Yanıt D Buna göre, 11 gram C 3 H 8 gazı yandığında açığa çıkan ısıyı bulmak için şu işlemler yapılır. (C: 12, H: 1) C 3 H 8 + 5O 2 3CO 2 + 4 O DH tep =[3.DH f(co 2 ) +4.DH f( O) ] [DH f(c 3 H 8 ) ] DH tep = [3. ( 94) + 4.( 58)] ( 114) DH tep = ( 282 232) + 114 DH tep = 400 kkal 44 gram 400 kkal 11 gram?? = 100 kkal ısı açığa çıkar. 3. Çözünme Entalpisi (Isısı) Bir maddenin bir çözücü içerisinde çözünmesi sırasında iyonlarına ayrılırken veya moleküler olarak bulunurken ortamdan aldığı ya da ortama verdiği ısıya çözünme ısısı denir. KNO 3 (k) K + (suda) + NO 3 (suda) ΔH = + 17 kj LiCl(k) Li + (suda) + Cl (suda) ΔH = 35 kj SORU NH 4 NO 3 katısının suda çözünmesi NH 4 NO 3 (k) NH + 4 (suda) + NO 3 (suda) ΔH = +6 kkal şeklinde olduğuna göre, 40 gram NH 4 NO 3 katısının suda çözünmesi için kaç kkal ısı gerekir? (H : 1, N : 14, O : 16) A) 2 B) 3 C) 6 D) 8 E) 9 NH 4 NO 3 = 14 + 4.1 + 14 + 3.16 = 80 40 n NH4 = NO 0,5 mol 3 80 1 mol 6 kkal 0,5 mol?? = 3 kkal ısı gerekir. Yanıt B 206 Soru
TEPKİME ISILARININ TOPLANABİLİRLİĞİ (HESS YASASI) Bir reaksiyonun ΔH değerinin doğrudan ölçülemediği durumlarda deneysel olarak daha önce ölçülmüş ara basamak reaksiyonlarının entalpi değerlerinden faydalanılır. Tepkime ısılarının toplanabilirliğine dayanan bu yönteme Hess Yasası denir. Hess Yasası na göre; Bir tepkime ters çevrildiğinde (reaktifler ürün, ürünler ise reaktif şeklinde yazıldığında) tepkimeye ait entalpi değeri işaret değiştirir. 1 Zn(k) + O2 2 ZnO(k) ΔH = 348 kj ise ZnO(k) 1 Zn(k) + O2 2 ΔH = +348 kj olur. Bir tepkime bir katsayı ile çarpıldığında tepkimeye ait entalpi değeri de aynı katsayı ile çarpılır. 1 1 H2 + Br2 (s) 2 2 HBr ΔH = 36 kj ise + Br 2 (s) 2HBr ΔH = 72 kj Bir tepkime, birden fazla tepkimenin toplamı şeklinde yazılabiliyorsa, toplu tepkimenin entalpi değeri, toplanan tepkimelerin entalpi değerlerinin cebirsel toplamıdır. 4NH 3 2N 2 + 6 ΔH = +184 kj 6 + 3O 2 6 O(s) ΔH = 1713 kj 2 + O 2 2 O(s) ΔH = 136 kkal 1 + O2 2 O ΔH = 58 kkal Yukarıda verilen tepkimelere göre 9 gram suyun standart koşullarda buharlaşması sırasındaki gereken ısıyı bulmak için şu işlemler yapılır. ( O : 18) İstenilen tepkime O(s) O şeklindedir. 1 Birinci tepkimeyi ters çevirip ile çarptıktan sonra ikinci tepkimeyle toplarsak 2 suyun buharlaşma tepkimesini ve ısısını elde ederiz. (+68) + ( 58) = +10 kkal 18 g O +10 kkal 9 g O?? = 5 kkal = 5000 kalori ısı gerekir. 4NH 3 + 3O 2 2N 2 + 6 O(s) ΔH = 1529 kj SORU Standart koşullarda C 2 + C 2 H 4 ΔH = 64 kkal 2C 2 H 4 + 2 2C 2 H 6 ΔH = 66 kkal tepkimeleri bilindiğine göre; C 2 + 2 C 2 H 6 tepkimesinin ısısı (ΔH ) kaç kkal dir? A) 84 B) 97 C) 106 D) 114 E) 137 İstenilen tepkimede C 2 bileşiği girenlerde olduğuna göre birinci tepkime aynı şekilde kalmalıdır. (ΔH = 64 kkal). C 2 H 6 bileşiği ise ürünlerde bir tane olduğundan ikinci tepkime ile çarpılmalıdır. 1 2 (ΔH = 33 kkal). Tepkimeler toplandığında ΔH lerde toplanacağından ( 64) + ( 33) = 97 kkal Yanıt B Standart koşullarda N 2 + O(s) N 2 O + ΔH = +90 kkal 3 2NH 3 + O2 N 2 2 + 3 O(s) ΔH = 85 kkal 2 + O 2 2 O(s) ΔH = 114 kkal tepkimeleri bilindiğine göre; 2NH 3 + 3N 2 O 4N 2 + 3 O(s) tepkimesinin entalpi değeri (ΔH ) ni bulmak için şu işlemler yapılır. SORU İstenilen tepkimede NH 3 girenler tarafında olduğundan ikinci tepkime Standart koşullarda 2CO 2 2C(k) + 2O 2 ΔH = +188 kkal 1 CO + O2 CO 2 2 ΔH = 67 kkal 2 O 2 + O 2 ΔH = +116 kkal tepkimeleri bilindiğine göre; C(k) + O CO + tepkimesinin ısısı (ΔH ) kaç kkal dir? A) 31 B) 15,5 C) +15,5 D) +21 E) +31 İstenilen tepkimede C(k) girenlerde olduğuna göre birinci tepkime ters çevrilip ile 2 1 çarpılmalıdır (ΔH = 94 kkal). O bileşiği 1 girenlerde olduğundan üçüncü tepkime 2 ile çarpılmalıdır (ΔH = +58 kkal). CO bileşiği ürünlerde olduğundan ikinci tepkime ters çevrilmelidir (ΔH = +67 kkal). Tepkimeler toplandığında ΔH lerde toplanacağından ( 94) + (+58) + (+67) = +31 kkal bulunur. aynı kalmalıdır. (ΔH = 85 kkal). N 2 O gazı girenler tarafında olduğundan birinci tepkime ters çevrilip 3 ile çarpılmalıdır (ΔH = 270 kkal). İstenilen tepkimede ve O 2 gazları olmadığından üçüncü tepkime ters çevrilip 3 ile çarpılmalıdır (ΔH = +171 kkal). 2 Tepkimeler toplandığında ΔH lerde toplanacağından ( 85) + ( 270) + (+171) = 184 kkal bulunur. Yanıt E 207
Bağ Ortalama bağ enerjisi (kkal/mol) C H 99 F F 37 C F 116 H F 135 Yukarıda verilen atomlar arasındaki bağ enerjilerine göre, CH 4 + 4F 2 CF 4 + 4HF tepkimesindeki entalpi değişimini (DH ) bulmak için şu işlemler yapılır. H H C H+ 4 F F F C F + 4 H F H ΔH = [4.ΔH B(C H) ] + 4.ΔH B(F F) ] [4.ΔH B(C F) ] + 4.ΔH B(H F) ] ΔH = (4.99 + 4.37) (4.116 + 4. 135) ΔH = (396 + 148) (464 + 540) ΔH = 460 kkal Bağ Ortalama bağ enerjisi (kkal/mol) C H 98 F F O = O 118 O H 110 TEPKİME ENTALPİLERİNİN BAĞ ENERJİLERİNDEN BULUNMASI Bir molekülde atomları bir arada tutan çekim kuvvetlerine kimyasal bağ denir. Kimyasal bir tepkimenin gerçekleşmesi sırasında tepkimeye giren maddelerdeki kimyasal bağlar kırılır ve ürünler oluşurken yeni kimyasal bağlar oluşur. Bağ kırılması endotermik, bağın oluşması ekzotermik türden değişimlerdir. Moleküler bir gazın bir molünün atomlarını bir arada tutan bağın standart şartlarda kırılması için gerekli olan enerjiye bağ enerjisi veya bağ kırılma entalpisi adı verilir ve ΔH B ile gösterilir. Bağ enerjile- Atom Bağ sayısı H 1 F 1 Cl 1 Br 1 I 1 O 2 N 3 C 4 rinin hesaplanabilmesi için hem ürünlerin hem de reaktiflerin gaz halinde olması gerekir. Standart şartlarda bir bağın kırılması için gereken enerji, aynı bağın oluşumu sırasında açığa çıkan enerji değerine eşittir. O + O O 2 ΔH B = 498 kj O 2 O + O ΔH B = +498 kj Bağ enerjisi ne kadar büyükse kimyasal bağda o kadar güçlüdür. O 2 + 498 kj 2O + 436 kj 2H O 2 moleküllerindeki bağlar, moleküllerindeki bağlardan daha sağlamdır. Gerçekte iki atom arasındaki bağ farklı moleküllerde farklı değerlerdedir. Örneğin C 2 H 4 bileşiğindeki C H bağının kırılması için gereken enerji, C 2 H 6 bileşiğindeki C H bağının kırılması için gereken enerjiden farklıdır. Hatta CH 4 bileşiğinde bulunan dört tane C-H bağını ayrı ayrı kopardığımızda harcanan enerji değerleri de farklıdır. Bu nedenle C-H bağının bağ enerjileri hesaplanırken mümkün olduğu kadar çok sayıda bileşikten elde edilen değerlerin bir ortalaması alınır. Bağ enerjileri sadece tek bağ içeren moleküller için değil, ikili veya üçlü bağ içeren moleküller için de hesaplanır (O = O, N N, C N vb). Bağ sayısı arttıkça bağ enerjisi de artar (C C > C = C > C C). Kimyasal bir tepkimede bağların kırılması için gerekli olan enerji toplamından bağ oluşumu sırasında açığa çıkan enerji toplamları çıkarıldığında reaksiyonun standart entalpi değişimi bulunmuş olur. Yukarıda verilen atomlar arasındaki bağ enerjilerine ve CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2 O ΔH = 158 kkal tepkimesine göre, C = O bağının enerjisini bulmak için şu işlemler yapılır. H H C H+ 2O=O O=C=O+ 2O H H H DH = [4. DH B(C H) + 2. DH B(O=O) ] [2. DH B(C=O) + 4. DH B(O H) ] 158 = (4. 98 + 2. 118) (2. X + 4.110) 158 = 188 2X X = 173 kkal / mol SORU Bağ ΔH = nδh B (kırılan bağlar) nδh B (oluşan bağlar) Ortalama bağ enerjisi (kj.mol 1 ) H H 436 Cl Cl 242 H Cl 432 Yukarıda verilen atomlar arasındaki bağ enerjilerine göre, + Cl 2 2HCl tepkimesinin ΔH değeri aşğıdakilerden hangisidir? A) 46 B) 12 C) 118 D) 186 E) 186 H H + Cl Cl 2H Cl ΔH = ΔH B (kırılan bağlar) ΔH B (oluşan bağlar) ΔH =[ΔH B(H H) +ΔH B(Cl Cl) ] [2. ΔH B(H Cl) ] ΔH = (436 + 242) (2.432) ΔH = 186 kj olarak bulunur. Yanıt D 208 Soru
KALORİMETRİK YÖNTEMLE ENTALPİ HESABI Kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesi sırasındaki entalpi değişimlerini ölçmek amacıyla kullanılan cihazlara kalorimetre denir. Dışarıya karşı yalıtılmış olan kalorimetrenin tepkime kabında gerçekleştirilen bir tepkime, ortamın sıcaklığının değişmesine neden olur. Tepkime kabında gerçekleştirilen bir tepkimede sistemin sıcaklığı artıyorsa tepkimenin ekzotermik, sistemin sıcaklığı azalıyorsa tepkimenin endotermik olduğu değerlendirilir. Kalorimetre kabının yapıldığı madde (cam, metal...) ile içindeki suyun sıcaklığındaki değişim sistemin sıcaklığındaki değişim (Δt) olarak ifade edilir. Kalorimetre kabı kullanılarak ölçülen ısı miktarı kalorimetre kabının yapıldığı maddenin cinsi ile kütlesine ayrıca sıcaklık değişimine bağlıdır. Buna göre kalorimetre kabında gerçekleşen olaydaki ısı transferi (Q) Q = m. c. Δt Tepkime karışımı Termometre polistiren köpük kupa Karıştırıcı Sabit basınç kalorimetresi, iç içe geçmiş iki polistiren kahve kupasından oluşur. Dıştaki kupa, tepkime karışımını çevreden yalıtmaya yarar. Tepkimede salınan veya alınan ısı miktarı sıcaklıktaki değişim ölçülerek bulunur. bağıntısı ile hesaplanır. Buradaki m: kütle, c: öz ısı (özgül ısı), Δt: sıcaklık farkı (t 2 t 1 ) dır. Bağıntıda kütle birimi gram, öz ısı birimi j/g C ve sıcaklık farkı C alınırsa ısı transferi joule cinsinden hesaplanmış olur. Ayrıca kütle (m) ile öz ısı (c) çarpımı ısı sığası ya da ısı kapasitesi olarak adlandırılır. Tepkime kabında gerçekleştirilen bir tepkimenin aldığı ya da verdiği ısı, kalorimetrenin aldığı ya da verdiği ısı miktarına eşittir. Örneğin camdan yapılmış kalorimetrenin tepkime kabında ekzotermik bir tepkime gerçekleştirilirse sistemin sıcaklığı Δt kadar artar. Burada açığa çıkan ısı miktarı camın ve kabın içindeki suyun aldığı ısı miktarına eşit olacaktır. Q cam = m cam. c cam. Δt cam camdaki Q su = m su. c su. Δt su sudaki ısı değişimi ısı değişimi olduğundan Q tepkime = Q cam + Q su eşitliği kullanılarak tepkimenin ısı değişimi hesaplanır ve Q alınan = Q verilen olacaktır. SORU Bir kalorimetrenin toplam ısı kapasitesi 4000 kaloridir. Bu kalorimetre içinde 9,6 gram CH 4 gazı yandığında sıcaklık 30 C yükseldiğine göre, CH 4 gazının molar yanma ısısı kaç kkal dir? (H : 1, C : 12) A) 100 B) 120 C) 200 D) 260 E) 320 SORU CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2 O + 210 kkal Isı sığası 5250 kal/ C olan bir kalorimetrenin sıcaklığını 25 C den 35 C ye yükseltmek için kaç gram CH 4 gazı yakılmalıdır? (CH 4 : 16) A) 1 B) 2 C) 2,5 D) 4 E) 8 m.c = 4000 kal Δt = 30 C Q = m.c.δt 4000.30 = 120000 kal = 120 kkal 96, n CH4 = = 0,6 mol 16 0,6 mol 120 kkal 1 mol?? = 200 kkal ısı açığa çıkar. ΔH = 200 kkal dir. Q = m. c. Δt Q = 5250.(35-25) Q = 52500 kal = 52,5 kkal 1 mol CH 4 210 kkal? 52,5 kkal? = 0,25 mol 1 mol CH 4 16 gram 0,25 mol?? = 4 gram Yanıt C Yanıt D X(k) + 2 1 O2 Sulu çözelti genellikle su gibi düşünülerek özgül ısısı 1 kal/g C olarak alınır. termometre ateş teli XO(k) ΔH = 144 kkal tepkimesine göre, 6 gram X katısının yeterli miktarda O 2 gazı ile tepkimesinden açığa çıkan enerji 1,2 kg suyun sıcaklığını 30 C arttırmaktadır. Buna göre, X in atom kütlesini bulmak için şu işlemler yapılır. (c su = 1 kal/g C) 1,2 kg = 1200 gram Q = m. c. Δt = 1200. 1. 30 = 36000 kal Q = 36 kkal Tepkimeye göre 1 mol X katısı harcandığında 144 kkal ısı açığa çıkmaktadır. 1 mol X 144? 36? = 0,25 mol X katısı harcanır. 0,25 mol 6 gram 1 mol?? = 24 gram karıştırıcı kalorimetre yalıtılmış ceket su O 2 girişi Bomba örnek kabı Sabit hacim kalorimetresinde kalorimetre bombası, kalorimetreye konulmadan önce oksijenle doldurulur ve yerleştirilir. Örnek elektrikle tutuşturulur, tepkimede açığa çıkan ısı kalorimetredeki belli miktardaki suyun sıcaklığındaki artışın ölçülmesiyle bulunur. 209
Entalpi ΔH buh Buharlaşma Buhar Sıvı ΔH Erime erime Katı ΔH süb Süblimleşme Entalpi bir hâl fonksiyonu olduğundan süblimleşme entalpisi aynı sıcaklıktaki erime entalpisinin ve buharlaşma entalpisinin toplamı olarak ifade edilir. ENTALPİ DİYAGRAMLARINDAN ΔH DEĞERİNİN BULUNMASI Kimyasal bir tepkimede reaktiflerin ve ürünlerin entalpi de- ğerlerindeki değişim grafiklerle gösterilebilir. Denklemi X 2 + Y 2 2XY ΔH > O şeklinde olan endotermik bir tepkimede ürünlerin entalpi değerleri reaktiflerinkinden büyüktür. ΔH ise ΔH = H 1 bağıntısı ile bulunur. Denklemi X 2 + 2Y 2 2XY 2 ΔH < O şeklinde olan ekzotermik bir tepkimede girenlerin entalpi değerleri ürünlerinkinden büyüktür. ΔH ise ΔH = H 1 bağıntısı ile bulunur. SORU H 1 H 1 Entalpi X 2 + Y 2 Entalpi X 2 + 2Y 2 ΔH < 0 2XY ΔH > 0 2XY 2 Entalpi (kkal) S(k) + 2SO 3 190 Grafiğe bakıldığında tepkimeye girenlerin entalpisi ürünlerinkinden büyük olduğundan ekzotermik tepkimedir. ΔH = ΔH (ürünler) ΔH (girenler) 210 3SO 2 Yukarıdaki grafik S(k) + 2SO 3 3SO 2 tepkimesinin entalpi diyagramını vermektedir. Buna göre; I. Tepkime endotermiktir. II. Tepkime ısısı ΔH = 20 kkal'dir. III. 1 mol SO 3 gazı harcandığında 10 kkal ısı açığa çıkar. yargılarından hangileri doğrudur? A) Yalnız I B) I ve II C) I ve III ΔH = ( 210) ( 190) ΔH = 20 kkal dir. S(k) + 2SO 3 3SO 2 ΔH = 20 kkal 2 mol SO 3 20 kkal 1 mol SO 3?? = 10 kkal ısı açığa çıkar. Yanıt D Entalpi ΔH Son hal SORU Entalpi (kkal) 60 14 2XY+Y 2 2XY 2 Grafiğe göre ΔH = 60 14 46 kkal dir. XY 2 XY + 2 1 Y2 tepkimesi ise grafiği verilen tepkimenin İlk hal ΔH Bir sürecin tersinin entalpi değişiminin değeri, aynı sıcaklıktaki sürecin entalpi değişiminin değeri ile aynı, fakat işareti sürecin entalpisinin işaretinin zıttıdır. 2XY + Y 2 2XY 2 tepkimesinin entalpi diyagramı yukarıdaki şekilde verilmiştir. Buna göre; 1 XY 2 XY + Y2 2 tepkimesinin entalpi değeri (ΔH ) kaç kkal dir? A) 46 B) 46 C) 23 D) 23 E) 30 1 ters çevrilmiş ve ile çarpılmış hali olduğundan 2 ΔH = 23 kkal olur. Yanıt C 210 Soru
1. NO 2 gazının standart molar oluşum entalpisi +12 kkal dir. Buna göre aşağıdaki yargılardan hangisi yanlıştır? A) Standart koşullarda 1 mol NO 2 gazı elementlerine ayrıştığı zaman 12 kkal ısı açığa çıkar. B) Tepkime denklemi NO + 2 1 O2 NO 2 ΔH = +12 kkal şeklindedir. C) NO 2 gazının elementlerinden oluşumu endotermiktir. ÇÖZÜMLÜ SORULAR 4. 9,2 gram C 2 H 5 OH sıvısının tamamı yakıldığında CO 2 gazı ve O gazına dönüştüğü biliniyor ve yanma sonucunda dışarıya 54 kkal ısı veriliyor. Buna göre, C 2 H 5 OH sıvısının molar oluşum ısısı kaç kkal dir? (H: 1, C: 12, O: 16) (ΔH f(co2 ) = 94 kkal, ΔH f(h2 = 58 kkal) O) A) 46 B) 67 C) 92 D) 118 E) 146 D) Isı yönünden NO 2 gazı elementlerine göre daha kararsızdır. E) Tepkimenin entalpisi 25 C ve 1 atmosferde ölçülen entalpi değeridir. 5. N 2 + 3 2NH 3 ΔH = 22 kkal tepkimesine göre normal koşullarda 4,48 litre NH 3 gazı oluştuğunda kaç kkal ısı açığa çıkar? 2. Standart koşullarda A) 1,1 B) 2,2 C) 3,3 D) 4,4 E) 6,6 2NH 3 + 3N 2 O 4N 2 + 3 O(s) ΔH = 243 kkal 4NH 3 + 3O 2 2N 2 + 6 O(s) ΔH = 366 kkal tepkimeleri bilindiğine göre; 1 N 2 + O2 2 N 2 O denklemine göre, 2 mol N 2 O gazının oluşması sırasındaki ısı değişimi kaç kkal dir? A) 200 B) 40 C) 20 D) +20 E) +40 6. Mg(k) + 2HCl(suda) MgCl 2 (suda) + ΔH = 100 kkal 200 mililitre HCl çözeltisi yukarıdaki tepkimeye göre yeteri kadar Mg ile etkileştirildiği zaman 50 kkal ısı açığa çıkıyor. Buna göre, HCI çözeltisinin derişimi kaç molardır? A) 0,25 B) 0,5 C) 1 D) 2 E) 5 3. Bağ Ortalama bağ enerjisi (kj/mol) N N 946 H H 436 N H 391 Yukarıda verilen atomlar arasındaki bağ enerjilerine göre, N 2 + 3 2NH 3 tepkimesindeki entalpi değişimi kaç kj dür? A) 184 B) 92 C) 46 D) +46 E) +92 7. Normal koşullardaki hacmi 6,72 litre olan O 2 gazı ile 51,2 gram SO 2 gazının tam verimle gerçekleşen 2SO 2 + O 2 2SO 3 ΔH = x kkal tepkimesi sonucu kaç kkal ısı açığa çıkar? (O : 16, S : 32) A) 0,3x B) 0,4x C) 0,6x D) 0,8x E) 3x 211