thermokimya - emre yalamaç webpage

Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
THERMOKİMYA
ENERJİ ve KİMYA
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
İÇERİK
•
Sistem, Çevre ve İç enerji
•
Isı ve İş
•
Enerjinin Korunumu Yasası
•
Hal Fonksiyonları ve Yoldan Bağımsız Enerji Değişimi
•
Entalpi Reaksiyon Isısı ve Kimyasal Değişim
•
Kalorimetre Pratiği
•
Hess Yasası
•
Tepkimelerin Standart Entalpisi (Horxn)
•
Standart Oluşum Entalpisi
•
Standart Tepkime Entalpisinin Tepkenler ve Ürünlerin Oluşum
Entalpilerinden Belirlenmesi
•
Fosil Yakıtlar ve İklim Değişimi
1
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Enerji
• Thermokimya: fiziksel ve kimyasal değişimlerdeki ısıyla ilgilenir.
• Tüm enerjiler, potansiyel (cismin pozisyonundan) ve kinetik
(cismin hareketinden) enerjidir ve birbirleri arasında dönüşürler.
• Bir cisim yerden yukarı kaldırıldığında potansiyel enerjisi artar, ve
daha sonra ordan düştüğünde bu potansiyel enerji kinetik enerjiye
dönüşür ve yere çarptığında bu kinetik enerjinin bir bölümü
çarptığı yerdeki cisimleri hareket ettirerek işe bir bölümünüde
cisimleri ısıtarak ısıya transfer eder.
• Enerji bir cisimden diğerine aktarılırken, enerji iş ve ısı olarak
geçer.
Kinetik enerji  1  m(kg )  u(m / s)
2
2
iş  kuvvet  yol  m(kg ) a(m s - 2 )  d (m)


Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Sistem, Çevre ve İç Enerji
• Evrenin incelemek için seçilen bölümüne sistem adı verilir.
• Sistem ile arasında enerji ve madde değişimi gerçekleştiği
sistem dışında kalan evren parçasına ise çevre denir.
• Sistemin içindeki tüm parçacıkların kinetik ve potansiyel
enerjilerinin toplamı sistemin iç(internal) enerjisini (E=U)
verir.
• Kimyasal bir sistemde, tepkenler ürünlere dönüştüğünde ve
ürünler başlangıç sıcaklığına döndüğünde sistemin iç
enerjisi değişir.
E  Eson  E  E
E
ilk ürünler tepkenler
2
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Isı ve İş
Sistemdeki bir enerji değişimine daima bir zıt enerji değişimi çevrede eşlikeder.
Isı (termal enerji, q) enejisi, sistem ve çevre arasındaki sıcaklık farkından
kaynaklanarak aktarılır.
Diğer çeşit enerji akışlarında (mekanik, elektriksel) cisim bir kuvvet tarafından
hareket ettiriliyorsa enerji iş (w) olur.
Sistemin iç enerji değişimi toplamı enerjinin ısı ve iş olarak akışına eşittir.
E  q  w
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Enerjini sadece ısıl olarak transferi
3
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Enerjini sadece iş olarak transferi
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Enerjinin Korunumu Yasası
Sistem ve çevre arasında enerji kaybı ve kazanımı olur fakat enerji
yaratımı yada yok olması olamaz. Evrenin toplma enerjisi sabittir.
EEvren  ESistem  EÇevre
Termodinamiğin Birinci Yasası
SI Enerji Birimi : 1 Joule (J)= 1 kg m2 s-2
Kalori(cal): 1 g suyun sıcaklığını 1 derece(*C) artırmak için gerekli enerji miktarı
4
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
ÖRNEK
Benzin otomobil motorunda yandığında CO2 ve H2O ürünleri oluşur ve
ortaya çıkan ısı gazları genleştirir ve pistonu iter ve fazla ısı aracın soğutma
sistemi yardımıyla atılır. Genleşen gazlar pistonlar üzerinde 451 J iş yapar ve
sistem 325 J enerjiyi ısı olarak kaybeder. Sistemin enerji değişimini J, kJ ve
kcal olarak hesaplayınız?
Çözüm:
J’den kJ’e çevrim:
kJ’den kcal’ye çevrim:
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Hal Fonksiyonları ve Yoldan Bağımsız
Enerji Değişimi
İç enerji(E) bir hal fonksiyonudur ve sistemin belirli bir
hali(sıcaklık, hacim, basınç ve içerdiği madde miktarı) için belli
bir değeri olan özelliği ifade eder ve sistemin bu hale ulaşmak
için izlediği yola bağlı değildir.
Isı ve İş izlenen
yola bağlı olarak
değişir.
Hal fonsiyonu
değiller.
5
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Entalpi Reaksiyon Isısı ve Kimyasal Değişim
E değişimi, ısı ve işin ölçülmesiyle belirlenir. İki önemli iş çeşiti; elektriksel iş
ve PV iş (gaz genişlemesiyle yapılan)tir.
Sabit basınçtaki reaksiyonlarda, PV işi ayrı
olarak hesaba katmamak için kullanılan
termodinamik değişkene Entalpi(H) denir.
Entalpi değişimi (H) iç enerji değişimi ve sabit
basınçtaki hacim değişiminin toplamına eşittir.
Sabit Basınçta
Entalpideki değişim, sabit basınçta ısı
kazanım yada kaybına eşittir.
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Endotermik ve Ekzotermik İşlemler
E, P ve V hal fonsiyonu olduğu için Entalpide(H) hal fonsiyonudur.
Entalpi değişimine, reaksiyon ısısı(H) denir.
H  H Son  H İlk  H ürünler  H tepkenler
6
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Kalorimetri: Reaksiyon Isısının
Laboratuvar Ölçümü
Her cismin kendine has bir ısı kapasitesi vardır ve
bu 1K derece sıcaklığını değiştirmek için gerekli
ısı miktarıdır.
Özgül ısı kapasitesi ise 1 g maddenin sıcaklığını
1 K değiştirmek için gerekli ısı miktarıdır.
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Kalorimetre Pratiği
• Bir fiziksel yada kimyasal proseste ısı salınımını
(yada emilimini) ölçmede kalorimetre kullanılır.
• Sabit basınç ve sabit hacim kalorimetresi olmak
üzere iki çeşittir.
7
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Sabit Basınç Kalorimetresi
Isı akışını ölçer, en yaygın olarak su içinde çözünmeyen bir katının özgül ısı
kapasitesinin belirlenmesinde kullanılınır.
Katı tartılır ve bellirli bir sıcaklığa kadar ısıtılır,
sıcaklığı ve kütlesi bilinen suyun içine atılır.
Karıştırıldıktan sonra suyun dolayısıyla katının
son sıcaklığı belirlenir.
 qsistem   qkatı ve  qçevre   qsu
 qkatı  q su
 (c katı  kütlekatı  Tkatı )  (csu  kütlesu  Tsu )
ckatı  
Kahve Kabı
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
(csu  kütlesu  Tsu )
(kütlekatı  Tkatı )
ÖRNEK
150,0 g’lık kurşun örneği kaynar su sıcaklığına (100,0oC) kadar ısıtılır. Isıya
karşı yalıtılmış bir behere 50,0 g su konur ve sıcaklığı ölçülür (22,0oC). Sıcak
kurşun 22oC’deki su içine atılır ve kurşun-su karışımının son sıcaklığı 28,8oC
olarak ölçülür. Kurşunun özgül ısısını hesaplayınız?
Çözüm:
qsu  50,0 g su 
4,18 J
 28,8  22,0  o C  1,4  103 J
o
g su C
qkursun  qsu  1,4 103 J
q kursun  150,0 g kursun  kursunun ozgul ısısı 28,8 - 100,0o C
Kursun 
- 1,4  10 3 J
 0,13 J g -1 o C -1
o
150,0 g kursun  -71,2 C
8
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Sabit Hacim Kalorimetresi
Kalorimetre bombası, sabit hacim
kalorimetresi olarak dizayn edilmiştir
ve çok kesin olarak yanma
Tepkimelerinde ortaya çıkan ısıyı ölçer.
Kalorimetre sisteminin tamamının
ısı kapasitesi bilinmelidir.
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Termokimyasal Denklemlerin
Stokiyometrisi
Bir termokimyasal denklem eşitlenmiş bir denklemdir ve tepkime ısısını
Hrxn içerir. Bu değer (Hrxn) maddelerin miktarı (mol) ve maddelerin
durumunu gösterir.
1. İşaret: H işareti tepkimenin ekzotermik(-) ve endotermik (+) oluşuna
göre değişir.
2 mol suyun bozunma tepkimesi:
2 mol suyun sentezlenme tepkimesi:
2. Büyüklük: H büyüklüğü tepkimeye giren madde miktarı ile orantılıdır.
9
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Termokimyasal Denklemlerin
Stokiyometrisi
Dünyada önemli bir alüminyum kaynağı boksittir. Boksitin ısı ile bozunması
sonucu alüminyum elde edilir.
1,000x103 kJ ısı transfer edilirse kaç gram alüminyum elde edilir?
Cevap:
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Hess Yasası
Bir işlem(tepkime) basamaklar ya da kademeler şeklinde
yürüyorsa, toplam net işlemin entalpi değişimi, tek tek
basamakların ya da kademelerin entalpi değişimleri
toplamına eşittir.
1. Hedef denklem tanımlanır (Entalpisi bilinmeyen basamak), tepkenlerin
ve ürünlerin mol sayıları not edilir.
2. H entalpisi bilinen denklemlerin mol sayıları ayarlanarak hedef denklemin
mol değerlerine getirilir.
- Denklemi tersine yazmak gerekirse H işaret değiştirir.
- Çarpma yada bölme yapılıyorsa aynı işlem H değeri içinde yapılır.
3. Ayarlama yapılan denklemler toplanır hedef denklemin tepken ve ürünleri
dışındaki maddeler silinir ve bu denklemlerin H değerleride toplanır.
10
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Hess Yasası
Kükürtün(S) oksidasyonu sonucu kükürt trioksit(SO3) oluşumunu
Rx1:
Rx2:
Rx3:
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Standart Tepkime Entalpisi (Horxn)
Reaksiyon ısısı (Hrxn) ölçülürken tüm tepkenler ve ürünler
kendi standart durumlarında iseler, buna reaksiyonun
(tepkimenin) standart entalpisi (Horxn) denir.
Standart durumlar: Belirli koşullar ve konsantrasyonlardır.
• Bir gaz için; standart durum 1 atm basınç ile ideal olarak
davranmasıdır.
• Bir sulu çözeltideki madde için standart durum 1M
konsantrasyondur.
• Saf bir madde için standart durum genelde 1 atm basınç
ve ilgili sıcaklıkta en kararlı halidir sıcaklık genelde
25oC’dir
11
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
 
Standart Oluşum Entalpisi H o
f
Oluşum denklemi; 1 mol bileşiğin elementlerinden oluşmasıdır.
Standart oluşum entalpisi ise tüm maddelerin kendi standart
durumlarında iken, oluşum denklemindeki entalpi değişimidir.
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Standart Oluşum Entalpisi
Saf elementlerin standart
durumlarında standart
oluşum entalpileri 0 dır.
Bir çok bileşiğin oluşum
entalpisi negatiftir. Yani,
çoğunun oluşum reaksiyonu
ekzotermiktir(dışarı ısı
verilir) standart koşullarda.
12
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Standart Tepkime Entalpisinin Tepkenler ve
Ürünlerin Oluşum Entalpilerinden Belirlenmesi
Hess Yasası kullanılarak herhangi bir reaksiyon için Standart
Tepkime Entalpisi Standart Oluşum Entalpi değerlerinden
belirlenebilir.
Bunun için yapılması gereken reaksiyonun hayali iki basamaktan
oluştuğunu varsaymaktır.
1.Basamak: Her tepken kendisini oluşturan elemenetlere
bozunur. Bu da her tepken için oluşum reaksiyonun tersidir.
Dolayısıyla standart entalpi değişimi
 H o
f
2. Basamak: Her ürün kendisini oluşturan elemenetlerden oluşur.
Bu da her ürün için oluşum reaksiyonudur.Dolayısıyla standart
entalpi değişimi
H o
f
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Standart Tepkime Entalpisinin Tepkenler ve
Ürünlerin Oluşum Entalpilerinden Belirlenmesi
13
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Standart Tepkime Entalpisinin Tepkenler ve
Ürünlerin Oluşum Entalpilerinden Belirlenmesi
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
ÖRNEK: Reaksiyon Entalpisinin,
Oluşum Entalpilerinden Hesaplanması
Nitrik asit dünyada yıllık 10 milyar kilogram üretimi olan ve boya,
patlayıcı ve gübre gibi bir çok ürünün içeriğinde mevcuttur. Üretiminde
ilk basamak amonyumun oksidasyonudur. Reaksiyon ve Oluşum
Entalpilerini hesaplayınız?
H orxn H o
f
Cevap:
14
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ
Fosil Yakıtlar ve İklim Değişimi
15