Termokimya — Entalpi, Hess Yasası ve Kalorimetri

Termokimya, tepkimelerde ve fiziksel değişimlerde ısı değişimlerini inceleyen kimya dalıdır. Giriş düzeyindeki çoğu soruda aynı üç araç tekrar tekrar karşınıza çıkar: entalpi değişimi $\Delta H$, Hess yasası ve kalorimetri.

Her birinin kısa anlamı şöyledir:

• $\Delta H < 0$: sistem sabit basınç koşullarında ısı verir
• $\Delta H > 0$: sistem sabit basınç koşullarında ısı alır
• Hess yasası: tepkimeler toplanıyorsa, entalpi değişimleri de toplanır
• kalorimetri: $\Delta T$ ölçülür, bu değer $q$'ya çevrilir, sonra bu ısı tepkimeyle ilişkilendirilir

Tek bir cümle hatırlayacaksanız, şu olsun: termokimya, açıkça belirtilmiş koşullar altında ısının nereye gittiğini takip etmektir.

Termokimya Pratikte Ne Anlama Gelir?

Termokimyada genellikle hesapladığınız büyüklük, mutlak entalpi değil, entalpideki değişimdir. Birçok kimya dersi için entalpi kullanışlıdır çünkü sabit basınçta gerçekleşen tepkimelerde ısı akışıyla bağlantı kurar.

Basınç-hacim işinin ilgili iş terimi olduğu sabit basınçlı bir süreç için,

$$\Delta H = q_p$$

Bu koşul önemlidir. Her durumda $\Delta H$ yerine ısı yazmamalısınız. Bu kısa yol, birçok açık beher tepkimesi ve kahve bardağı kalorimetresi sorusu gibi sabit basınçlı düzeneklerde geçerlidir.

Bu da yaygın işaret dilini verir:

• ekzotermik süreç: $\Delta H < 0$
• endotermik süreç: $\Delta H > 0$

Yanma, standart bir ekzotermik örnektir. Buzun erimesi ise standart bir endotermik örnektir.

Hess Yasası Bilinmeyen Bir Entalpiyi Nasıl Bulur?

Hess yasası, toplam bir tepkimenin entalpi değişiminin, izlenen yola değil, başlangıç ve son duruma bağlı olduğunu söyler. Bu, entalpinin bir durum fonksiyonu olmasından kaynaklanır.

Dolayısıyla düzenlenmiş kimyasal denklemler hedef denklemi veriyorsa, bunların entalpi değişimleri de toplanır:

$$\Delta H_{overall} = \Delta H_1 + \Delta H_2 + \Delta H_3 + \cdots$$

En çok hataya yol açan iki düzenleme şunlardır:

• bir tepkimeyi ters çevirirseniz, $\Delta H$ işaretini de ters çevirin
• bir tepkimeyi bir katsayıyla çarparsanız, $\Delta H$'yi de aynı katsayıyla çarpın

Hess yasası, özellikle hedef tepkimenin doğrudan ölçülmesi zor olduğunda ama ilişkili tepkimeler bilindiğinde çok kullanışlıdır.

Kalorimetri Sıcaklık Değişimini Nasıl Isıya Dönüştürür?

Kalorimetri, bir maddenin sıcaklığının ne kadar değiştiğini gözleyerek ısıyı tahmin eder. Çözelti temelli basit bir soruda, çevrenin aldığı ya da verdiği ısı çoğu zaman şu modelle ifade edilir:

$$q = mc\Delta T$$

burada:

• $m$ kütledir
• $c$ özgül ısı kapasitesidir
• $\Delta T = T_{final} - T_{initial}$

İdeal bir kahve bardağı kalorimetresinde, dış ortamla ısı alışverişi ihmal edilebiliyorsa, tepkime ile çevre birbirini dengeler:

$$q_{rxn} = -q_{surr}$$

Tepkime sabit basınçta yürütülüyorsa, bu durum çoğu zaman ölçülen ısıyı gerçekleşen tepkime miktarı için entalpi değişimiyle ilişkilendirmenizi sağlar.

Çözümlü Örnek: Kahve Bardağı Kalorimetrisi

Bir tepkimenin kahve bardağı kalorimetresinde gerçekleştiğini ve $50.0\ \mathrm{g}$ çözeltinin sıcaklığını $22.0^\circ \mathrm{C}$'den $28.0^\circ \mathrm{C}$'ye çıkardığını varsayalım. Çözeltinin su gibi davrandığını kabul edin; yani $c = 4.18\ \mathrm{J/(g\cdot^\circ C)}$ olsun ve kalorimetrenin kendi ısı kapasitesini ihmal edin.

Önce çözeltinin aldığı ısıyı bulun:

$$\Delta T = 28.0 - 22.0 = 6.0^\circ \mathrm{C}$$ $$q_{solution} = mc\Delta T = (50.0)(4.18)(6.0) = 1254\ \mathrm{J}$$

Buna göre çözelti $1.254\ \mathrm{kJ}$ ısı alır.

Kap dış ortamdan etkili biçimde yalıtılmışsa, tepkime aynı miktarda ısı vermiş olmalıdır:

$$q_{rxn} = -1.254\ \mathrm{kJ}$$

Bu sabit basınçlı bir düzenek olduğu için, yaygın olarak

$$\Delta H_{rxn} \approx -1.25\ \mathrm{kJ}$$

değerini, o deneyde gerçekleşen tepkime miktarı için alırız.

Temel fikir basittir: çevre ısındıysa, tepkime çevreye ısı vermiştir. Bu da tepkimenin ekzotermik olduğu anlamına gelir.

Soruda ayrıca kullanılan giren madde miktarı da verilmişse, bir adım daha ileri gidip bu sonucu $\mathrm{kJ/mol}$ cinsine çevirebilirsiniz.

Termokimyada Sık Yapılan Hatalar

İşareti Ters Almak

Çözelti ısınıyorsa, çözelti ısı almıştır; ama tepkime ısı vermiştir. Bu da $q_{solution}$ ile $q_{rxn}$ işaretlerinin zıt olduğu anlamına gelir.

Koşulu Belirtmeden $\Delta H = q$ Kullanmak

Kısa yol $\Delta H = q_p$ şeklindedir; her durumda sadece $\Delta H = q$ değildir. Buradaki temel koşul sabit basınçtır.

Hess Yasasında $\Delta H$'yi Düzeltmeyi Unutmak

Bir kimyasal denklemi ters çevirirseniz, $\Delta H$ işareti de değişmelidir. Denklemi ölçeklerseniz, $\Delta H$ de aynı şekilde ölçeklenir.

Fiziksel Halleri Göz Ardı Etmek

Termokimyada haller önemlidir. $H_2O(l)$ ile $H_2O(g)$ aynı entalpiye sahip değildir; bu yüzden hal uyumsuzluğu bir Hess yasası kurulumunu bozabilir.

Önce Sistemi Tanımlamamak

Herhangi bir hesap yapmadan önce sistemin ve çevrenin ne olduğuna karar verin. İşaret hatalarının çoğu burada başlar.

Entalpi, Hess Yasası ve Kalorimetri Ne Zaman Kullanılır?

Termokimya, kimyagerlerin veya mühendislerin bir sürecin ne kadar ısı verdiğini ya da aldığını bilmesi gerektiğinde kullanılır. Yaygın örnekler arasında yanma, nötralleşme, çözünme, hâl değişimleri, reaktör tasarımı ve endüstriyel süreçlerde enerji dengeleri bulunur.

Ayrıca hangi aracın soruya uygun olduğunu seçmenize de yardımcı olur:

• sıcaklık verileri doğrudan ölçülmüşse kalorimetri kullanın
• istenen tepkime ısısı bilinen basamaklardan oluşturulacaksa Hess yasasını kullanın
• sabit basınç koşullarında ısı akışını açıklamanız gerekiyorsa entalpi dilini kullanın

Doğru Aracı Seçmenin Basit Bir Yolu

Konuya pratik bir şekilde şöyle yaklaşabilirsiniz:

1. Süreci ve koşulu belirleyin.
2. Isının doğrudan mı ölçüldüğüne, yoksa bilinen tepkimelerden mi çıkarıldığına karar verin.
3. Isıyı, işareti de dahil olmak üzere dikkatlice hesaplayın.
4. Sonucu yalnızca koşul uygunsa $\Delta H$'ye dönüştürün.

Bu kısa kontrol listesi, başlangıç düzeyindeki hataların büyük bir kısmını önler.

Benzer Bir Soru Deneyin

Kahve bardağı kalorimetresinde bir nötralleşme tepkimesiyle kendi versiyonunuzu deneyin. Önce $q_{solution}$ değerini hesaplayın, sonra işareti değiştirerek $q_{rxn}$ değerini bulun. Ardından, tepkime ısısının doğrudan ölçülmediği bir Hess yasası sorusunu inceleyin ve iki yöntemin farklı bilgilerden nasıl aynı türden bir sonuca ulaştığını karşılaştırın.