Ana içerik

Kimya Kütüphanesi

Ünite: 15: Ders: 2

Entalpi

Bağ Entalpisi

Bir tepkimenin entalpi değişimini hesaplamak için kullanabileceğimiz bağ entalpisinin ne olduğunu ve bu hesaplamada nasıl kullanılabileceğini öğrenelim.

Kimyasal bağlardaki enerji

Kimyasal bağlarda potansiyel enerji bulunur. Farklı moleküllerdeki bağlarda bulunan enerjinin miktarının hesaplanması, bir tepkimenin toplam enerjisini ele almak açısıdan önemlidir. Bu makalede, enerjinin tanımlanması konusunda bize yardımcı olan iki farklı kavramı ele inceleyeceğiz: tepkime entalpisi ve bağ entalpisi.

Tepkime entalpisi

Kimyasal tepkimeler sırasında atomlar arasındaki bağlar kopabilir, yeniden düzenlenebilir veya enerji soğurmak ya da açığa çıkarmak için hem kopup hem de yeniden kurulabilir. Bunların sonucunda, sistemin potansiyel enerjisi değişir. Sabit basınç altındaki sistemden yayılan ya da sistemin soğurduğu ısıya entalpi adı verilir. Kimyasal bir tepkime sonucu entalpide oluşan değişim ise tepkime entalpisi olarak adlandırılır. Tepkime entalpisi genellikle delta, start text, H, end text, start subscript, start text, t, e, p, k, i, m, e, end text, end subscript olarak yazılır.

Tepkime entalpisini daha iyi anlamak için propenin (start text, C, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 6, end subscript) hidrojenasyonu (hidrojenlenmesi) sonucu propan (start text, C, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 8, end subscript) elde edilmesini ele alalım. Bu tepkimede, propen gazı, propan gazını oluşturmak için hidrojen gazıyla (start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis) tepkimeye girer.

$~~~~~~~\text{C}_3 \text{H}_6(g)~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ~~~~~~~~~~~~~~~~ \text H_2(g) ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\text{C}_3 \text H_8 (g)$ space, space, space, space, space, space, space, start text, C, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 6, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, start text, C, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 8, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis

Bu tepkimede neler oluyor? İlk olarak tepkimeye giren maddelerdeki, karbon (start color #1fab54, start text, C, end text, equals, start text, C, end text, end color #1fab54) ve hidrojen (start color #1fab54, start text, H, end text, minus, start text, H, end text, end color #1fab54) bağlarını kırmamız gerekir. Kural olarak: atomlar arasındaki bağların kırılması için sisteme enerji eklenmesi (verilmesi) gerekir kuralını aklımızdan çıkarmayalım. Bağ ne kadar güçlü olursa, bağı kırmak için harcanan enerji de o kadar fazla olur. Propan elde etmek için, yeni bir start color #aa87ff, start text, C, negative, C, end text, end color #aa87ff bağı ve iki tane yeni start color #aa87ff, start text, C, negative, H, end text, end color #aa87ff bağı kurulur. Bağların kırılması enerji eklenmesini gerektirdiğinden, bunun zıt süreci için de yani yeni bağlar kurulurken, her zaman enerji açığa çıkar kuralını aklımızda tutacağız. Kurulan bağ ne kadar güçlü olursa, bağ kurulurken açığa çıkan enerji de o kadar fazla olur. Yukarıda anlatılan tepkimede yeni oluşturulan bağlar, orijinal bağların kırılması için gerekli olandan daha fazla enerji açığa çıkardığından, sonuç olarak elde edilen sistemin potansiyel enerjisi, tepkimeye giren maddelerin potansiyel enerjisinden daha düşüktür. Bu da, tepkime entalpisinin negatif olduğu anlamına gelir.

Tepkime entalpisini, matematiksel açıdan, ürünlerin bağlarının portansiyel enerjisi ile tepkimeye giren maddelerin bağlarının potansiyel enerjisinin farkı olarak düşünebiliriz:

$\begin{aligned}\Delta\text H_{\text{tepkime}}&=\text{ürünlerin bağlarının potansiyel enerjisi}-\text{tepkimeye giren maddelerin bağlarının potansiyel enerjisi}\\ \\ &=\text{tepkimeye giren maddelerin bağlarını kırmak için eklenen enerji}+\text{yeni bağlar kurulurken açığa çıkan enerji}\end{aligned}$

Yukarıdaki propenin hidrojenasyonu örneğindeki gibi, elde edilen ürünlerin tepkimeye giren maddelerden daha düşük potansiyel enerjisinin olduğu tepkimeler ekzotermiktir. Elde edilen ürünlerin tepkimeye giren maddelerden daha yüksek potansiyel enerjisinin olduğu tepkimeler ise endotermiktir.

Ekzotermik bir tepkimede açığa çıkan enerji kaybolmaz. Bunun yerine kinetik enerjiye dönüşerek ısı üretilmesini sağlar. Bu durum, tepkime ilerledikçe sıcaklıktaki artışla kendini gösterir. Diğer yandan, endotermik tepkimelerde genellikle ürün oluşumuna katkıda bulunması için enerji eklemek gerekir. Pratikte, bu durum, bir ısı kaynağı eşliğinde tepkimeyi daha yüksek bir sıcaklıkta devam ettirmek anlamına gelir.

Herhangi bir tepkimenin tepkime entalpisini hesaplamak için, tepkimeye dahil olan tüm moleküllerin standart oluşum entalpilerini kullanabiliriz. Bu değerler, bileşen maddelerin bileşik oluşturmaları sonucu entalpideki değişimi tanımlar. Tepkimeye giren maddelerin standart oluşum entalpilerinden elde edilen ürünlerin standart entalpilerini çıkararak sistemin tepkime entalpisine yakın bir değer elde edebiliriz. Oluşum ısısı olarak da adlandırılan oluşum entalpisi ile ilgili daha fazla bilgi edinmek ve tepkime entalpisinin hesaplanmasında nasıl kullanıldıklarını öğrenmek isterseniz, standart oluşum ısısı videosunu ve tepkime entalpilerini hesaplamada oluşum ısılarının kullanılması ile ilgili videoyu izleyebilirsiniz.

Başka bir yaklaşım ise tepkimeye dahil olan bağları tek tek inceleyerek tepkime entalpisini hesaplamaktır. Bağları kurmak ve kırmak için ne kadar enerjiye ihtiyacımız olduğunu biliyorsak, tepkime entalpisini bulmak için bu değerleri toplayabiliriz. Bu yöntemi, makalenin geri kalanında detaylı olarak inceleyeceğiz.

Bağ entalpisi

Bağ kopma entalpisi, ortalama bağ enerjisi ve bağ gücü olarak da bilinen bağ entalpisi bir moleküldeki atomlar arasındaki bir bağda depolanmış enerji miktarını tanımlar. Bu enerji, bir bağın gaz halinde, homolitik veya simetrik olarak bölünmesi için eklenmesi gereken enerjidir. Homolitik veya simetrik bir bağın kırılması, bağ kırıldığında, normalde bağda yer alan her atomun, iyon oluşturmak yerine bir elektron alarak bir radikal olması anlamına gelir.

Kimyasal bağlar, termodinamik açıdan elverişli olduklarında oluşur ve bu bağları kırmak için de kaçınılmaz olarak enerji eklemek gerekir. Bu sebepten dolayı, bağ entalpisi değerleri her zaman pozitiftir ve birimleri için genellikle start text, k, J, slash, m, o, l, end text veya start text, k, c, a, l, slash, m, o, l, end text kullanılır. Bağ entalpisi ne kadar yüksekse, bağı kırmak için o kadar fazla enerji gerekir ve bağ da o kadar güçlüdür. Bağı kırmaktansa yeni bir bağ oluştururken ne kadar enerjinin açığa çıkacağını belirlemek için, bağ entalpisi değerinin negatifi alınır.

Bağ entalpisi değerleri oldukça kullanışlı olduğundan, yaygın bağ tipleri için ortalama bağ entalpileri referans tablolarında kullanımımız için hazırdır. Gerçekte bağları oluşturmak ya da koparmak için gerekli enerji değişimi o moleküldeki komşu atomlara bağlı bir durumken, tablolarda bulunan ortalama değerler tahmini değerler elde etmek için kullanılabilir.

İpucu: Tablolalarda listelenen bağ değerleri tek bir bağdaki bir tepkime molü içindir. Bu, bir tepkimede aynı bağ birden çok kez kırılıyor ve oluşturuluyorsa, hesaplama sırasında bağ entalpisini tepkimedeki o bağ tipinden kaç tane elde ettiğinizle çarpmanız gerektiği anlamına gelir. Bu durum aynı zamanda denklemin eşit olduğundan ve katsayıların, her bağ için doğru sayı kullanılması için mümkün olan en küçük tam sayı değerinin yazıldığından emin olmanın önemli olduğu anlamına da gelir.

Tepkime entalpisini hesaplamak için bağ entalpilerini kullanalım

Bağ entalpisi kavramını anladığımızda, bunları, tepkime entalpisi için tahmini değerler elde etmek için kullanabiliriz. Bunu yapmak için de, aşağıdaki adımları izleyebiliriz:

1. Adım: Tepkimeye giren maddelerdeki hangi bağların kırılacağını belirleyin ve bağ entalpilerini bulun.

2. Adım: Kırılan bağların bağ entalpisi değerlerini toplayın.

3. Adım: Elde edilen ürünlerde hangi yeni bağların oluştuğunu belirleyin ve negatif bağ entalpilerini listeleyin. Bağ oluştuğunda açığa çıkan enerjiyi bulmak için bağ entalpisi değerlerinin işaretlerini değiştirmeniz gerektiğini unutmayın.

4. Adım: Elde edilen ürünlerdeki bağlar için bağ entalpisi değerlerini toplayın.

5. Adım: Bağların kırılması (2. Adım) ve bağların oluşturulması (4. Adım) için elde edilen toplam değerleri tepkime entalpisini bulmak için toplayın.

Örnek: Propenin hidrojenasyonu

Makalenin başındaki örneğimiz olan propenin hidrojenasyonun tepkime entalpisini bulalım.

1. Adım: Kırılan bağları belirleyin

Bu tepkimede, bir start text, C, end text, equals, start text, C, end text bağı ve bir start text, H, end text, minus, start text, H, end text bağı kırılır.

Referans tablosunu kullanarak, bir start text, C, end text, equals, start text, C, end text bağının bağ entalpisinin 610, start text, k, J, slash, m, o, l, end text, bir start text, H, end text, minus, start text, H, end text bağının bağ entalpisinin ise 436, start text, k, J, slash, m, o, l, end text olduğunu bulabiliriz.

2. Adım: Bağları kırmak için gereken toplam enerjiyi bulun

Birinci adımda elde ettiğimiz değerleri toplamak bize şu sonucu verir:

start color #1fab54, start text, B, a, g, with, \u, on top, l, a, r, ı, space, k, ı, r, m, a, k, space, i, ç, i, n, space, e, k, l, e, n, e, n, space, e, n, e, r, j, i, end text, end color #1fab54, equals, 610, start text, k, J, slash, m, o, l, end text, plus, 436, start text, k, J, slash, m, o, l, end text, equals, 1046, start text, k, J, slash, m, o, l, end text

bu, propen ve hidrojen gazındaki bağları kırmak için ihtiyaç duyulan toplam enerji miktarıdır.

3. Adım: Kurulan bağları belirleyin

Bu tepkimede, yeni bir tane start text, C, end text, minus, start text, C, end text bağı ve yeni iki tane start text, C, end text, minus, start text, H, end text bağı kurulur.

Referans tablosunu kullanarak, bir start text, C, end text, minus, start text, C, end text bağının, bağ entalpisinin 346, start text, k, J, slash, m, o, l, end text ve bir start text, C, end text, minus, start text, H, end text bağının bağ entalpisinin de 413, start text, k, J, slash, m, o, l, end text olduğunu görebiliriz. Bu bağlar kurulurken açığa çıkan enerjiyi bulmak için, bağ entalpilerini minus, 1 ile çarpmamız gerekir. Ayrıca, iki tane start text, C, end text, minus, start text, H, end text bağı olduğundan, start text, C, end text, minus, start text, H, end text bağının, bağ entalipisi değerini de 2 ile çarpmamız gerekecek.

4. Adım: Yeni bağlar kurulduğunda açığa çıkan toplam enerjiyi bulun

3. Adımda elde ettiğimiz değerleri toplayınca aşağıdaki sonuca ulaşırız:

start color #aa87ff, start text, B, a, g, with, \u, on top, space, k, u, r, u, l, d, u, g, with, \u, on top, u, n, d, a, space, a, ç, ı, g, with, \u, on top, a, space, ç, ı, k, a, n, space, e, n, e, r, j, i, end text, end color #aa87ff, equals, minus, 346, start text, k, J, slash, m, o, l, end text, plus, left parenthesis, 2, times, minus, start text, 413, end text, start text, k, J, slash, m, o, l, end text, right parenthesis, equals, minus, 1172, start text, k, J, slash, m, o, l, end text

bu, yeni bağlar kurulurken açığa çıkacak olan toplam enerji miktarıdır.

5. Adım: Kırılan ve kurulan bağlar için gerekli enerji değerlerini toplayın

2. Adım ve 4. Adımda bağları kırmak için gereken enerjinin 1046, start text, k, J, end text, bağlar kurulurken açığa çıkan enerjinin de minus, 1172, start text, k, J, end text olduğunu bulduk. Bu iki değeri topladığımızda tepkime entalpisini elde ederiz:

$\begin{aligned}\Delta\text H_{\text{tepkime}}&=\text{tepkimeye giren maddelerin bağlarını kırmak için eklenen enerji}+\text{ürün bağları kurulurken açığa çıkan enerji}\\ \\ &=1046\,\text{kJ/mol}+(-1172\,\text{kJ/mol})\\ \\ &=-126\,\text{kJ/mol}\end{aligned}$

Propenin hidrojenasyonu için tepkime entalpisi negatif olduğundan, bu tepkimenin ekzotermik olduğunu da söyleyebiliriz.

Özet

Bağ entalpisi ve tepkime entalpisi, kimyasal bir sistemin tepkime sırasında enerjiyi nasıl kullandığını anlamamıza yardımcı olur. Bağ entalpisi, bir bağı kırmak veya krumak için ne kadar enerjinin gerekli olduğunu belirler ve aynı zamanda bağ gücü için de bir ölçü olarak kullanılır. Bir tepkime sırasında kırılan ve oluşturulan tüm bağların bağ entalpisi değerlerini topladığımızda, sabit basınçtaki bir tepkime için delta, start text, H, end text, start subscript, start text, t, e, p, k, i, m, e, end text, end subscript olarak da göserilen, bir sistemin potansiyel enerjisindeki toplam değişimi hesaplamak da mümkündür. Tepkime entalpisinin pozitif veya negatif olmasına bağlı olarak bir tepkimenin endotermik mi yoksa ekzotermik mi olduğunu anlayabiliriz.

[Özellikler ve referanslar]

Sıralama ölçütü:

Tartışmaya katılmak ister misiniz?

Giriş Yap

Henüz gönderi yok.

İngilizce biliyor musunuz? Khan Academy'nin İngilizce sitesinde neler olduğunu görmek için buraya tıklayın.