Maddelerin Enerji Kaynağı Olma Potansiyeli: Entalpi ve Tepkime Hızı

Konu Özeti

Bir maddenin enerji kaynağı olarak kullanılıp kullanılmayacağı, tepkimede açığa çıkan ya da soğurulan ısıyla belirlenir. Bu ısı tepkime entalpisi (ΔH) ile ölçülür. Tepkime entalpisi bağ enerjileri ya da standart oluşum entalpileri kullanılarak hesaplanabilir. Tepkime hızı ve hız denklemi ise bir tepkimenin ne kadar hızlı gerçekleşeceğini anlamamızı sağlar.

Temel Kavramlar

Fiziksel ve kimyasal olaylarda enerji alışverişi eşlik eder. Isı veren olaylara ekzotermik, ısı alan olaylara endotermik denir. Deneyde sıcaklık değişimi ölçülerek olayın türü belirlenir: sıcaklık artıyorsa ekzotermik, azalıyorsa endotermiktir. Örneğin NaOH'nin suda çözünmesi ekzotermik, NH4NO3'ın suda çözünmesi endotermiktir.

ΔH = H(ürünler) − H(girenler)

Hipotez kurarken değişkenler belirlenir. Bağ sayısı ve türü, yanma entalpisi, yanma ürünleri ve kolay bulunabilirlik bir maddenin yakıt olma potansiyelini etkiler.

• Yanma entalpisinin mutlak değeri büyük olan madde, aynı mol sayısında daha çok enerji verir.
• Hidrojen birim kütle başına çok enerji verir ve yanma ürünü sudur.
• Fosil yakıtlar (kömür, petrol, doğal gaz) CO2 çıkışına yol açar.
• Kalori değeri, 1 g yakıtın verdiği ısıyla karşılaştırma sağlar.

Hipotez test edilebilir olmalıdır. Örnek: 'Aynı kütledeki etanol ve metanol yakıldığında, aynı hacimdeki suyu ısıtma miktarı farklı olur.' Deneyde su kütlesi, başlangıç sıcaklığı ve yakıt kütlesi sabit tutulur; yalnızca yakıt türü değiştirilir.

Bağ enerjisi, gaz hâlindeki 1 mol bağı kırmak için gereken enerjidir. Bağ kırılması enerji gerektirir (endotermik), bağ oluşması enerji açığa çıkarır (ekzotermik). Tepkime entalpisi, kırılan ve oluşan bağ enerjilerinin farkıyla hesaplanır.

ΔH = Σ(kırılan bağ enerjileri) − Σ(oluşan bağ enerjileri)

Standart oluşum entalpisi (ΔHf°), 25 °C ve 1 atm'de bir bileşiğin 1 molünün elementlerinden oluşması sırasındaki entalpi değişimidir. Standart haldeki elementlerin (O2, H2, C(grafit) vb.) ΔHf° değeri sıfırdır. Hesaplarda her maddenin ΔHf° değeri denklemdeki katsayısıyla çarpılır.

ΔH° tepkime = Σ ΔHf°(ürünler) − Σ ΔHf°(girenler)

Tepkime ters çevrilirse ΔH'nin işareti değişir. Katsayılar n katına çıkarsa ΔH de n katına çıkar.

Çarpışma teorisine göre tanecikler çarpışmalıdır. Her çarpışma ürün oluşturmaz; etkin çarpışma için yeterli enerji (eşik enerjisi) ve uygun doğrultu gerekir. Aktifleşme enerjisi, tepkimenin başlaması için gereken minimum enerjidir. Aktifleşmiş kompleks, girenlerden ürünlere geçerken oluşan kararsız ve yüksek enerjili geçiş hâlidir; ara ürün değildir.

• Etkin çarpışma oranı arttıkça tepkime hızı artar.
• Aktifleşme enerjisi küçüldükçe tepkime hızlanır.
• Ekzotermik tepkimede ürünlerin enerjisi girenlerden düşüktür.

Tepkime hızı, birim zamanda derişim değişimidir. Girenlerin derişimi zamanla azalır, ürünlerin derişimi artar. Derişim–zaman grafiğinin eğimi hızı verir. Girenler azaldıkça hız genellikle düşer.

Ortalama hız = Δ[ürün]/Δt = −Δ[giren]/Δt

aA + bB → cC için hızlar katsayılara bölünerek eşitlenir: r = −(1/a)·Δ[A]/Δt = −(1/b)·Δ[B]/Δt = (1/c)·Δ[C]/Δt.

Hız denklemi deneysel verilerle bulunur. aA + bB → ürün için r = k[A]^m[B]^n yazılır. m ve n derişimlerin mertebesidir; denklemdeki katsayılardan değil deneyden bulunur. Toplam mertebe m + n'dir. k hız sabitidir ve sıcaklığa bağlıdır. Katılar ve saf sıvılar hız denklemine yazılmaz.

r = k[A]^m·[B]^n