KİMYA VE ENERJİ

KİMYA VE ENERJİ
SİSTEM VE ORTAM
Termodinamik
Sistem
Çevre(Ortam)
Evren
Açık Sistem
Kapalı Sistem
İzole Sistem
İzotermal Sistem
İzokorik Sistem
İzobarik Sistem
Termo ısı demektir, dinamik ise hareket. Termodinamik ısı hareketini inceler
Olayların gerçekleştiği, üzerinde inceleme yapılan ve belirli sınırları bulunan yer
Sistemin dışında kalan her şey ortamı oluşturur
Sistem ve ortam birlikte evreni oluşturur.
Bulunduğu ortam ile hem madde hem de enerji alışverişi yapabilen sistemlerdir. insan
Bulunduğu ortam ile madde alışverişi yapmayan ancak enerji alışverişi yapan sistemdir.
Ortamla madde ve ısı alışverişi bulunmayan sistemlere izole sistem denir.
Sıcaklığı sürekli sabit tutulan sistemlerdir. Kombi, insan
Hacmi sürekli sabit olan sistemlerdir. Düdüklü tencere
Basıncı sürekli sabit olan sistemlerdir.
İÇ ENERJİ VE SİSTEM
İç Enerji
Bir sistemi oluşturan tüm taneciklerin sahip olduğu kinetik enerjilerin, potansiyel enerjilerin,
çekirdek enerjilerinin ve elektronik enerjilerinin toplamına iç enerji denir. U ile gösterilir.
Kinetik Enerji
Öteleme, dönme, titreşim ve yer değiştirme hareketlerinden kaynaklanır.
Tek atomlu gazlar olan soy gazlar sadece öteleme hareketi yapar.
Katılar sadece titreşim hareketi yaparlar.
Çok atomlu gazlar ve sıvılar öteleme, dönme ve titreşim hareketi yaparlar.
Potansiyel
Bir cismin konumundan kaynaklanan enerjidir.
Enerji
İtme-çekme kuvvetlerinden, konumundan ve bileşiminden kaynaklanır.
Isıl Enerji
Moleküllerin hareketinden dolayı sahip oldukları enerjidir.
Bir sistem ortamdan ısı aldığında iç enerji artar. Isısı artan taneciklerin hareketi de hızlanır.
Bir sistem ısı kaybettiğinde iç enerji azalır. Tanecik hareketliliği azalır.
İç enerji değişimi ∆U ile gösterilir. Aşağıdaki bağıntıyla hesaplanır.
∆U= Uson-Uilk
ISI DEĞİŞİMİ VE İŞ
Isı
İş
Mekanik
iş
Sistem ve ortam arasında sıcaklık farkından dolayı aktarılan enerji. Sıcaklık farkınaMadde
miktarınaMadde türüne bağlıdır.
Sıcaklık farkı olmaksızın sistemle ortam arasında aktarılan enerji.
Bir kuvvetin belirli bir yol alırken yaptığı iştir. Enerji iş olarak aktarılıyorsa buna mekanik iş denir.
İş(w)=kuvvet.yol
Joule çalışmaları sonucunda ısının bir enerji türü olduğunu ve ısı ile mekanik işin birbirine dönüşebileceğini
ispatladı.  Isı ve iş enerji türleridir ve birbirlerine dönüştürülebilir. (Enerjinin dönüşümü prensibi)
1 kal= 4,184 joule
Sabit basınçlı sistemlerde Isı ve İş
Sabit basınçta(izobarik) verilen ısı (Qp), sistemin iç enerjisindeki değişim ile yapılan işin toplamına eşittir.
Qp=∆U+w
Sabit hacimli sistemlerde ısı ve iş
Sabit hacimli sistemlerde(izokorik) verilen ısı enerjisi sadece sistemin iç enerjisini arttırır.
QV = ∆U
*Sabit hacimli ve sabit basınçlı sistemlerde aynı sıcaklıkta ve aynı mollerde bulunan aynı gazın sıcaklıklarını eşit
miktarda arttırmak için sabit basınçlı kaba daha fazla ısı verilmek zorundadır. Çünkü sabit basınçlı kaplarda
verilen ısının bir kısmı iş için kullanılmaktadır.
TERMODİNAMİĞİN BİRİNCİ KANUNU
Enerjinin korunumu kanunudur.Enerji vardan yok, yoktan var edilemez. Enerji dönüştürülebilir.
Bir olay gerçekleşirken sistem ve ortam arasında enerji alışverişi olur.Biri enerji verirken diğeri alır.Sistemin
kaybettiğini ortam,ortamın kaybettiğini ise sistem alır. Evrenin enerjisi sabit kalır. Enerjinin değişim miktarı
sabittir. Örneğin Sistemde azalan enerji miktarı ile ortamda artan enerji miktarı aynıdır.
∆Usistem=∆Uortam
∆Usistem+∆Uortam =
∆Eevren = 0
Bir kimyasal tepkimede sistemde meydana gelen enerji değişimi, ürünlerin iç enerjileri ile girenlerin iç
enerjilerinin farkına eşittir.
∆U =∆Uürünler-∆Ugirenler
Değişim sırasında toplam enerji korunuyorsa iç enerjideki değişim sistem ile ortam arasındaki yapılan ısı
değişimi ve meydana gelen işin toplamına eşit olacaktır.
∆U=Q+w
KİMYA VE ENERJİ
ENTALPİ
Bir maddenin yapısında depoladığı bütün enerjilerin
toplamına entalpi veya ısı kapsamı denir.
Entalpi iç enerji ile basınç hacim çarpımının
toplamına eşittir.
H = U + P.V
Maddelerin yapısında atomları bir arada tutan ve
bağ kuvvetlerinden oluşan depolanmış bir potansiyel
enerji bulunur. Bu enerji miktarına ısı kapsamı veya
entalpi denilmektedir.
Tepkime entalpileri için ürünler ve girenlerin
entalpileri arasındaki fark hesaplanır.
∆H = ∆Hürünler - ∆Hgirenler
Ekzotermik reaksiyonlar
Ürünlerin toplam potansiyel enerjisi girenlerin
toplam potansiyel enerjisinden küçüktür.
Maddelerin toplam potansiyel enerjileri azalır ve
açığa ısı çıkar
∆H<0
∆H=-1
C(k) + O2(g)  CO2 (g) + 94 Kj.mol
Sistemin iç enerjisiyle birlikte işi de içeren bir
kavramdır. H sembolü ile gösterilir.
∆H = ∆U + w
Sabit basınçlı bir ortamda entalpi değişimi ısı
değişimine eşit olacaktır.
Qp = ∆H
Fiziksel ve kimyasal tepkimeler sonucu bu ısı ısı
kapsamı yani entalpi değişir. Isı alınır veya verilir. Buna
tepkime entalpisi veya tepkime ısısı adı verilir.
∆H değerleri belirli sıcaklık ve basıçta ölçülmüştür.
Maddelerin fiziksel halleri ve miktarları ∆H
değerlerini değiştirir.
∆H işareti – veya + olabilir
Endotermik reaksiyonlar
Girenlerin toplam potansiyel enerjisi ürünlerin
toplam potansiyel enerjisinden küçüktür.
Maddelerin toplam potansiyel enerjileri artar ve bir
miktar ısı harcanır.
∆H>0
∆H=+
-1
CaCO3(k) + 288 Kj.mol  CaO(k) + CO2 (g)
BuharlaşmaSübllimleşmeErime Elektroliz
Ayrışma (analiz) tepkimeleriAtomların birinci
iyonlaşma enerjileriAmetallerin ikinci ve daha
sonraki elektron ilgileriAzotun yanmasıKatı ve
sıvıların suda çözünmesiBağ kırılması
DonmaKırağılaşmaYoğunlaşmaNötürleşme
Yanma olayları(N2 nin yanması hariç)Bütün
gazların suda çözünmesiBağ oluşumuPil
tepkimeleriBir çok sentez tepkimesiElementlerin
birinci elektron ilgileri
Kalorimetre
Kimyasal tepkimelerin ısı değişimlerini gözlemlemek için özel olarak hazırlanmış düzeneklere kalorimetre
denir. Reaksiyon yeterince hızlı olmalıdır.Tepkimeye giren maddeler tükenmelidir.Verim %100 e yakın
olmalıdır.Yan ürün oluşmamalıdır.Oluşan maddeler birbirleriyle reaksiyona girmemelidir.
Sabit basınç kalorimetresi
Sabit hacim kalorimetresi
Bir tane izole kap kullanılır. Bir çok yanma,
İzole kabın içerisinde bulunan başka bir kabın
nötralleşme tepkimelerinde kullanılır.
içerisinine su banyosu yerleştirilmiştir. İç enerji
Qp = ∆H
hesaplanır.
Qp = ∆U
Standart Oluşum Entalpisi
0
Bir mol bileşiğin standart şartlarda(1 atm ve 25 C) elementlerinden oluşmasından elde edilen entalpiye
0
denir.∆H f olarak gösterilir.Elementler en kararlı fiziksel halinde bulunmalıdır. Bu durumdaki elementlerin
standart oluşum entalpileri sıfır(0) kabul edilir.
0
0
0
∆H = ∑∆H f(ürünler) - ∑∆H f(girenler)
Tepkime Entalpilerinin Toplanılabilirliği(Hess Prensibi)
Ara basamaklardan oluşan bir tepkimenin entalpi değişimi, ara basamakların entalpi değişikliklerinin
toplamına eşittir. Tepkimelerde gerçekleştirilen taraf tarafa toplamada entalpilerde toplanır. Tepkimeler
katsayı ile çarpılırsa entalpilerde aynı katsayı ile çarpılır.Tepkimeler ters çevrilirse entalpiler üzerinde işaret
değişimleri uygulanır.
Bağ Enerjileri
Moleküler bir gazın bir molünün atomlarını bir arada tutan bağı standart şartlarda kırmak için gerekli olan
0
enerjidir. ∆H B ile gösterilir. Bağların kırılması ve yeniden başka bağların oluşması arasında açığa çıkan
enerjiye tepkimenin entalpi değişimi denilir.
0
0
0
∆H = ∑∆H B(KIRILAN) - ∑∆H B(OLUŞAN)
KİMYA VE ENERJİ
İSTEMLİLİK
Bazı olaylar kendiliğinden gerçekleşirken bazı olaylar ise dış etki ile gerçekleşir.
İstemli olay
İstemsiz olay
Bir dış etkinin yönlendirmesi olmaksızın
Bir dış etki ile gerçekleşen olaylardır.
kendiliğinden gerçekleşen olaylardır.
Futbol topunun yokuş yukarı yuvarlanması,pilin şarj
Nemli havada demirin paslanması,nehirin denize
edilmesi
doğru akması,parfüm kokusunun yayılması
Endotermik olayların hepsi istemsiz değildir.
Ekzotermik olayların hepsi istemli değildir
Sistemdeki enerji değişimine bakılarak istemli veya
Sistemin düzensizliğine bakılarak kara verilir.
istemsize karar verilemez
Tersinir olay
Tersinir olmayan olay
Geri dönüşümlü olaylardır.
Geri dönüşümü olmayan olaylardır
ENTROPİ
Kullanılamayan termal enerji bir olay sırasında işe dönüştürülemeyen termal enerjidir.
Düzensizliği artan maddelerin kullanılamayan enerjilerindede artış olacaktır.
-1
Kullanılamayan termal enerji entropi ile ifade edilir ve S sembolüyle gösterilir. Birimi J.K dir.
Entropi değişimi ∆S ile gösterilir.
Entropi artarsa ∆S>0
Entropi azalırsa ∆S<0 olur.
Maddenin düzensizliği artarsa entropide artar.
Erime, buharlaşma, süblimleşme, difüzyon, efüzyon, sıcaklığın artması, çözünme olaylarında ∆S>0
Donma, yoğunlaşma, geri süblimleşme, sıcaklığın düşmesi, çökelti oluşması olaylarında ∆S<0
Gerçekleşme olasılığı yüksek olan olayın entropisi daha yüksektir.Yani entropinin artması bir olayda olası
olmayan durumdan olası olan duruma doğru gitmesidir.
TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ KANUNU
Çevremizde gerçekleşen olayların istemli olup olmadığı konusunda bize bilgi verir.
Ortamın Entropi Değişimi
Evrenin Toplam Entropi Değişimi
Sistemde ekzotermik olay olduğunda ortama ısı
Sistem ve ortamın entropisindeki değişim evrenin
vereceği için ortamın entropisi artar. Bunun
entropisinde de değişime neden olur.
Evrenin entropi değişimi (∆Sevren, ∆Stop) sistemin
tersindede entropi azalır.
Sabit basınçtaki olaylarda ısı değişimi entalpi
entropi değişimi ile ortamın entropi değişiminin
değişimine eşittir.Bu durumda entropideki
toplamına eşit olacaktır.
değişimde(∆Sort) sistemin entalpi değişimi(∆Hsis) ile
∆Sevren = ∆Sort + ∆Ssis
∆Sevren olayın kendiliğinden(istemli) olup
orantılıdır.
olmayacağının bir göstergesidir.
∆Sort α ∆Hsis
Ortamın sıcaklığı fazla ise ekzotermik tepkimelerde Termodinamiğin ikinci kanunu evrenin entropisi ile
istemlilik arasındaki ilişkiyi açıklar.
sistemin verdiği sıcaklık entropiyi fazla
Her istemli olayda evrenin entropisi artar. Böylece
etkilemez.Ancak ortamın sıcaklığı az ise verilen ısı
evren zaman içinde termodinamik bir dengeye ulaşır.
ortamın entropisinde büyük değişikliğe sebep
∆Sevren > 0 ise olay istemlidir.
olacaktır.
∆Sevren = 0 ise olay dengededir.
Dolayısıyla ortamın entropisi ortamın sıcaklığıyla
∆Sevren < 0 ise olay istemsizdir.
ters orantılı olacaktır.
∆Sort
TERMODİNAMİĞİN ÜÇÜNCÜ KANUNU
o
Mutlak sıfır noktasında(0K ya da -273 C) bütün saf maddelerin mükemmel kristallerinin entropisi sıfırdır.
Gerçekte hiçbir maddenin entropisi sıfır olamaz bu nedenle maddelerin sıcaklığı mutlak sıfıra düşürülemez.
Standart Entropi
Standart Entropi Değişimi
Saf bir maddenin 1 molünün 250C sıcaklıkta ve 1
Bir tepkimede meydana gelen entopi değişimi
o
atm basınçta sahip olduğu entropidir. S ile gösterilir.
ürünlerin standart entropilerinin toplamı ile
girenlerin standart entropileri toplamı arasındaki
o
farka eşittir. ∆S ile gösterilir.
o
o
o
∆S tep = ∑ S (ürünler) - ∑ S (girenler)
Gibbs Serbest Enerjisi
Maksimum Düzensizlik ve Minimum Enerjiye Eğilim
Evrendeki entopi değişimi ortamdan bağımsız
Fiziksel veya kimyasal olayların evrendeki entropiyi
sadece sisteme bağımlı olarak hesaplanabilir. Gibbs
yani düzensizliği arttırma yönündeki isteğine
tarafından bulunan bu serbest enerji ∆G ile gösterilir.
Maksimum enerjiye eğilim denir.Bu tepkimelerde
İş yapmaya hazır enerji anlamına gelir.
entropi sıfırdan büyüktür. ∆S>0
Fiziksel veya kimyasal olaylarda bir sistemin
Standart koşullarda gerçekleşen kimyasal
enerjisini azaltma isteğine minimum enerjiye eğilim
tepkimelerde serbest enerji değişimlerine tepkime
o
standart serbest enerjisi denir. ∆G la gösterilir.
denir. Sistem enerji kaybettiğinden ∆H < 0 olur.
o
o
∆G = ∆H sis – T. ∆Ssis
Bu iki durum kıyaslanarak istemlilik hakkında
∆G < 0 ise olay istemlidir. Kendiliğinden gerçekleşir.
yorum yapıla bilir.
Bu iki eğilim zıt ve birbirine baskın değilse sistem
∆G = 0 ise sistem dengededir.
dengededir.
∆G > 0 ise olay istemsizdir. Kendiliğinden olmaz.
Birisi baskınsa tepkime o yönde istemlidir.
İkisi de aynı yönlü ise istemlilik artar.
KİMYA VE ENERJİ