11. Sınıf Kimyasal Tepkimelerde Enerji — Konu Anlatımı

Aynı Rafta İki Poşet

Eczane rafında iki poşet yan yana durur. Birini ovuşturunca ısınır, öteki sıkılınca buz gibi olur. İkisinin içinde de basit bir kimyasal olay vardır.

Sıcak pedde demir tozu havadaki oksijenle yavaşça paslanır:

$4\mathrm{Fe(k)} + 3\mathrm{O_2(g)} \rightarrow 2\mathrm{Fe_2O_3(k)} \qquad \Delta H = -1648 \text{ kJ}$

Soğuk kompreste amonyum nitrat suda çözünür:

$\mathrm{NH_4NO_3(k)} \rightarrow \mathrm{NH_4^+(suda)} + \mathrm{NO_3^-(suda)} \qquad \Delta H = +25{,}7 \text{ kJ}$

Tek soru sorulur: enerji nereye gidiyor? Sistem ortama ısı veriyorsa olay ekzotermiktir, sistemin enerjisi azalır ve $\Delta H$ negatiftir; elinizdeki poşet ısınır. Sistem ortamdan ısı çekiyorsa olay endotermiktir, $\Delta H$ pozitiftir; poşeti tutan el soğur. Kural fiziksel olaylar için de geçerli: buz erirken ortamdan ısı alır, su donarken aynı miktarı geri verir.

Enerji Bağlarda Saklı

Açığa çıkan enerji yoktan var olmaz. Bağ kırmak her zaman enerji ister, çünkü bağ atomları bir arada tutan çekimdir. Yeni bağ oluşurken ise enerji açığa çıkar. Toplam sonuç:

$\Delta H = \sum(\text{kırılan bağ enerjileri}) - \sum(\text{oluşan bağ enerjileri})$

Çözümlü örnek: $\mathrm{H_2(g)} + \mathrm{Cl_2(g)} \rightarrow 2\mathrm{HCl(g)}$. Tablodaki değerler: H–H 436, Cl–Cl 242, H–Cl 431 kJ/mol.

$\Delta H = (436 + 242) - 2 \cdot 431 = 678 - 862 = -184 \text{ kJ}$

Oluşan iki H–Cl bağı, kırılan iki bağdan daha güçlü olduğu için fark ortama verilir. Test sorularındaki kısa hâli de aynı mantıkla çözülür: kırılan bağlar toplam 800 kJ, oluşanlar 950 kJ ise $\Delta H = -150$ kJ'dir.

Oluşum Entalpisi: Sıfır Noktası

Bir dağın yüksekliği deniz seviyesine göre ölçülür. Entalpide deniz seviyesinin karşılığı elementlerin standart koşullardaki en kararlı hâlidir; onların oluşum entalpisi sıfır kabul edilir. $\mathrm{O_2(g)}$, $\mathrm{H_2(g)}$, grafit hâlindeki karbon hep sıfırdır.

Standart oluşum entalpisi, bir bileşiğin 1 molünün elementlerinden oluşurken gösterdiği entalpi değişimidir. Tablo değerleriyle herhangi bir tepkimenin entalpisi hesaplanır:

$\Delta H = \sum \Delta H_f(\text{ürünler}) - \sum \Delta H_f(\text{girenler})$

Metanın yanmasını deneyelim. $\Delta H_f$: $\mathrm{CH_4}$ −75, $\mathrm{CO_2}$ −394, $\mathrm{H_2O(s)}$ −286 kJ/mol.

$\mathrm{CH_4} + 2\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2} + 2\mathrm{H_2O(s)}$

$\Delta H = [-394 + 2(-286)] - [-75 + 0] = -966 + 75 = -891 \text{ kJ}$

Dikkat edin: bağ enerjisi formülünde "girenler eksi ürünler" düzeni vardı, burada tersidir. İkisini karıştıran öğrenci doğru sayıyı yanlış işaretle bulur.

Hess: Yol Değişir, Fark Değişmez

Karbonun doğrudan karbon monoksite yanmasını ölçmek zordur, çünkü yanma hep biraz $\mathrm{CO_2}$'ye kadar gider. Çözüm, ölçülebilen iki tepkimeyi birleştirmektir:

$\mathrm{C} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2} \qquad \Delta H_1 = -394 \text{ kJ}$

$\mathrm{CO} + \tfrac{1}{2}\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2} \qquad \Delta H_2 = -283 \text{ kJ}$

İkinci tepkime ters çevrilip birinciye eklenirse $\mathrm{C} + \tfrac{1}{2}\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO}$ kalır:

$\Delta H = -394 + 283 = -111 \text{ kJ}$

Ters çevrilen tepkimede işaret değişir, katsayı iki katına çıkarsa $\Delta H$ da iki katına çıkar. Entalpi yalnız başlangıç ve bitişe bakar; aradaki yol hesabı değiştirmez.

Grafikte Ne Okunur?

Enerji-tepkime ilerlemesi grafiğinde üç şey okunur. Ürünler girenlerden aşağıdaysa tepkime ekzotermiktir. Tepedeki tümsek, aşılması gereken aktifleşme enerjisidir. İki uç arasındaki yükseklik farkı $\Delta H$'tir.

Katalizör yalnız tümseği alçaltır. Uçlar yerinde kaldığı için $\Delta H$ değişmez; katalizörlü tepkime daha çok ısı vermez, aynı ısıyı daha çabuk verir.

Mini soru: Kâğıdın yanması güçlü biçimde ekzotermiktir. Öyleyse kitaplıktaki kitaplar neden kendiliğinden tutuşmuyor? Cevap tümsekte: oda sıcaklığında aktifleşme enerjisini aşabilen molekül yok denecek kadar azdır. Ekzotermik olmak hızlı olmak demek değildir.

Yakıtları Adil Karşılaştırmak

Yakıtlar gram başına verdikleri enerjiyle karşılaştırılır. Hidrojenin yanma entalpisi 286 kJ/mol, mol kütlesi 2 g/mol: $\dfrac{286}{2} = 143$ kJ/g. Metan için $\dfrac{891}{16} \approx 55{,}7$ kJ/g. Mol başına bakınca metan üç kat güçlü görünür; gram başına bakınca hidrojen 2,5 kat önde çıkar.

Deneyde enerji yalıtılmış bir kapta, suyun sıcaklık artışından hesaplanır ($Q = m \cdot c \cdot \Delta T$). Diyelim ki 1 g yakıt yanınca kaptaki 500 g suyun sıcaklığı 20 °C artıyor. Suyun öz ısısı 4,18 J/(g·°C):

$Q = 500 \cdot 4{,}18 \cdot 20 = 41\,800 \text{ J} \approx 41{,}8 \text{ kJ}$

Yakıt gram başına yaklaşık 42 kJ veriyor. Isı dışarı kaçarsa artış küçük görünür ve yakıt olduğundan zayıf ölçülür; ölçülen değer gerçek değerin alt sınırıdır.

Yanılgılar ve AYT İpucu

Sık yapılan hata 1: Kap ısınınca $\Delta H$'yi pozitif yazmak. Isınan ortamdır; sistem enerji kaybetmiştir, işaret eksidir.

Sık yapılan hata 2: Bağ oluşumunun enerji istediğini sanmak. Kırılma ister, oluşum verir.

Sık yapılan hata 3: Elementin her hâlinin oluşum entalpisini sıfır saymak. Sıfır olan en kararlı hâldir: grafit sıfırdır, elmas değildir; $\mathrm{O_2}$ sıfırdır, ozon değildir.

AYT ipucu: Soruda bağ enerjileri verilmişse "kırılan − oluşan", oluşum entalpileri verilmişse "ürünler − girenler" yazın. Sonra işareti ısı yönüyle karşılaştırın; tutarsızsa formülü ters kurmuşsunuzdur.

Sık sorulanlar