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 farkınaMadde miktarınaMadde 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) BuharlaşmaSübllimleşmeErime Elektroliz Ayrışma (analiz) tepkimeleriAtomların birinci iyonlaşma enerjileriAmetallerin ikinci ve daha sonraki elektron ilgileriAzotun yanmasıKatı ve sıvıların suda çözünmesiBağ kırılması DonmaKırağılaşmaYoğunlaşmaNötürleşme Yanma olayları(N2 nin yanması hariç)Bütün gazların suda çözünmesiBağ oluşumuPil tepkimeleriBir çok sentez tepkimesiElementlerin 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