Bağ Enerjileri ve Hess Yasası

Ocaktaki doğal gazın çoğu metandır ($\text{CH}_4$). Yanarken havadaki oksijenle ($\text{O}_2$) tepkimeye girer ve ısı verir. Toplar atomlardır: siyah C, gri H, kırmızı O; çubuklar bağdır.

İki hidrojen atomu bir bağla birbirine tutunur: $\text{H}_2$ molekülü. Bağı bir yay gibi düşün: atomlar hep biraz titreşir ama yay onları bir arada tutar.

Atomları ayırmak için yayı germek gerekir; enerjiyi dışarıdan veririz (mor parçacıklar). Bağ koptuğunda mor sütun $436\ \text{kJ}$'e çıkmıştır. Bağ kırmak endotermiktir.

Ayrı iki H atomu yaklaşınca bağ yeniden kurulur ve aynı $436\ \text{kJ}$ ısı olarak çevreye yayılır (turuncu dalga). Bağ oluşumu ekzotermiktir: değer aynı, işaret ters.

Gaz hâlinde $1$ mol bağı kırıp atomlarına ayırmak için gereken enerjiye bağ enerjisi denir (kJ/mol). Bağ enerjisi büyük olan bağ daha sağlamdır. Çift ve üçlü bağlar genellikle daha güçlüdür.

Metan yanarken önce girenlerin bütün bağları kopar: $4$ C–H ($4 \cdot 413$) ve $2$ O=O ($2 \cdot 498$). Her kopan bağ mor sütunu yükseltir: toplam $2648\ \text{kJ}$ verilir.

Serbest atomlar $\text{CO}_2$ ve su olarak yeniden bağlanır: $2$ C=O ($2 \cdot 799$) ve $4$ O–H ($4 \cdot 463$). Her yeni bağ ısı verir; turuncu sütun $3450\ \text{kJ}$ aşağı iner.

Bağları kırmak için verilen enerji ile kurulurken çıkan enerjinin farkı tepkime entalpisidir. Metanda kurulan bağlar $802\ \text{kJ}$ daha güçlüdür; fark ısı olarak açığa çıkar (mavi ok).

Entalpiyi raf yüksekliği gibi düşün. Bir bilye $\text{C} + \text{O}_2$ rafından doğrudan $\text{CO}_2$ rafına iner, öteki önce $\text{CO}$ rafına uğrar. İkisinin düşüşü aynıdır: $\Delta H$ yola bağlı değildir.

Raflar arasındaki ok tepkimedir. $\text{CO}_2 \to \text{C} + \text{O}_2$ yazarsan ok yukarı döner: aynı $393{,}5\ \text{kJ}$ bu kez alınır. Tepkime ters çevrilince $\Delta H$'nin işareti değişir.

Denklemi $2$ ile çarparsan rafa iki kat madde dizilir ve raflar arası iki katına çıkar: $\Delta H$ de $2$ ile çarpılır. $\tfrac{1}{2}$ ile çarparsan yarıya iner.

Propanı elementlerinden doğrudan yapıp ısısını ölçemeyiz ama yakabiliriz. Elementlerin yanması $-2323{,}7$, propanınki $-2220\ \text{kJ}$. İki yol aynı rafta bittiği için aradaki kısa basamak propanın oluşum entalpisidir.

Su buharı yoğuşurken ısı verir: $\text{H}_2\text{O(g)} \to \text{H}_2\text{O(s)}$, $\Delta H = -44\ \text{kJ}$. Bu yüzden sıvı suyun rafı buharınkinden aşağıdadır: $-286$ ile $-242\ \text{kJ}$.

Bağ enerjileri gaz molekülleri içindir; metan hesabı su buharına kadar gelir: $-802\ \text{kJ}$. Ürün sıvı suysa $2$ mol buhar yoğuşur ve $2 \cdot (-44)$ eklenir (mavi şerit).

Bağ kırmak enerji ister, bağ kurmak verir: $\Delta H$ = kırılan − oluşan. Hess: $\Delta H$ yola bağlı değildir; ters çevir, işaret değişir; $k$ ile çarp, $\Delta H$ de $k$ katı. Sıvı ürün buhardan daha çok ısı verir.