Tepkimelerde Isı Değişimi ve Oluşum Entalpisi

Kapalı bir kürenin içinde hidrojen ($\text{H}_2$) ve oksijen ($\text{O}_2$) molekülleri birleşip su ($\text{H}_2\text{O}$) oluşturuyor. Her birleşmede turuncu bir dalga yayılıyor: bu, açığa çıkan ısıdır. Çevredeki su ısınır, termometre yükselir.

Tepkimeye giren ve oluşan maddeler sistemdir (ortadaki küre). Geri kalan her şey, burada çevredeki su, ortamdır. Isı sistemden ortama geçerse ortam ısınır; ortamdan sisteme geçerse ortam soğur.

Soldaki kaptan çevreye ısı okları çıkıyor, termometre yükseliyor: ekzotermik (ısı veren) tepkime. Sağdaki kap çevreden ısı çekiyor, termometre düşüyor: endotermik (ısı alan) tepkime.

Bir maddenin sabit basınçtaki ısı içeriğine entalpi ($H$) denir. $\text{N}_2 + 3\text{H}_2$ üst rafta, $2\text{NH}_3$ alt rafta: ürünlerin entalpisi daha düşük. Aradaki aşağı ok tepkime entalpisidir; tepkime ısı verir.

$2\text{NH}_3 \to \text{N}_2 + 3\text{H}_2$ tepkimesinde girenler alt raftadır. Ok yukarı döner: $\Delta H = +92\ \text{kJ}$, tepkime ısı alır. Ters çevirince $\Delta H$'nin büyüklüğü aynı kalır, yalnız işareti değişir.

Tepkime ilerlerken tanecikler önce bir enerji tepesini aşar; tepedeki kararsız yapıya aktifleşmiş kompleks denir. Bilye soldaki girenler düzlüğünden ($50\ \text{kJ}$) tepeyi aşıp sağdaki ürünler düzlüğüne ($20\ \text{kJ}$) iniyor.

$\Delta H$ yalnız iki düzlüğün farkıdır: $20 - 50 = -30\ \text{kJ}$. Tepe yükselirse aktifleşme enerjisi ($E_a$) büyür, ama $\Delta H$ oku aynı kalır.

$\Delta H$, denklemdeki mol sayıları içindir: $1$ mol sıvı su oluşurken $286\ \text{kJ}$ ısı açığa çıkar. Burada her ½ mol su bir ısı paketi ($143\ \text{kJ}$) bırakıyor; mol sayısı kaç katına çıkarsa ısı da o kadar katına çıkar.

Kütle verilirse önce mol sayısını bul: $9$ g su $n = \dfrac{9}{18} = 0{,}5$ mol eder. Sonra orantı kur: $0{,}5 \cdot 286 = 143\ \text{kJ}$. Kalorimetrede tek bir ısı paketi oluşuyor.

$25\,^\circ\text{C}$ ve $1\ \text{atm}$'de bir elementin en kararlı hâli onun standart hâlidir: $\text{H}_2(\text{g})$, $\text{O}_2(\text{g})$, $\text{C}(\text{grafit})$, $\text{Br}_2(\text{s})$. Bunların oluşum entalpisi sıfır kabul edilir; ozon, elmas ve brom buharı sıfırın üstünde asılı.

Standart hâldeki elementlerinden 1 mol bileşik oluşurken gerçekleşen entalpi değişimine standart oluşum entalpisi ($\Delta H^\circ_{\text{ol}}$) denir. Sıvı suyun sütunu sıfır zemininden $-285{,}8$'e iner: su oluşurken ısı verir.

Her bileşik sıfır zemininden $\Delta H^\circ_{\text{ol}}$ kadar uzanan bir sütundur. Çoğu bileşik ısı vererek oluşur, sütunu aşağı iner; $\text{C}_2\text{H}_4$ ve $\text{NO}$ yukarı çıkar. Suyun sıvısı ($-285{,}8$) ile gazının ($-241{,}8$) değeri farklıdır.

$\text{CH}_4$ yanmasında girenler sütunu $-75$'e iner; $\text{O}_2$ element olduğu için sıfırdadır. Ürün sütunları uç uca eklenir: $-394 + 2(-286) = -966$. İki uç arasındaki fark tepkime entalpisidir.

Ekzotermik: $\Delta H < 0$, ortam ısınır; endotermik: $\Delta H > 0$. $\Delta H = H_{\text{ürünler}} - H_{\text{girenler}}$; mol sayısı $k$ katına çıkarsa $\Delta H$ da çıkar, ters çevirince işaret değişir. Standart hâldeki elementler sıfırdadır.