📄 11. Sınıf Kimya: Sıvı çözeltilerde kimyasal tepkimeler ve enerji Çalışma Kağıdı

💡 Çözüm Adımları:

a) Tepkimenin entalpi değişimi (\(\Delta H\)) negatif olduğu için (-198 kJ/mol), bu tepkime ekzotermik bir tepkimedir. Ekzotermik tepkimeler, gerçekleşirken çevreye ısı verirler.
b) Tepkime denklemine göre, 2 mol \(SO_2\) gazı harcandığında 198 kJ ısı açığa çıkmaktadır (çünkü tepkime ekzotermiktir ve \(\Delta H\) negatiftir). Bu durumda 1 mol \(SO_2\) gazı harcandığında açığa çıkan ısı miktarı:
\(\frac{198 \text{ kJ}}{2 \text{ mol } SO_2}\) = 99 kJ ısı açığa çıkar.
c) Tepkime denklemine göre, 2 mol \(SO_3\) gazı oluştuğunda 198 kJ ısı açığa çıkmaktadır. Bu durumda 1 mol \(SO_3\) gazı oluştuğunda açığa çıkan ısı miktarı:
\(\frac{198 \text{ kJ}}{2 \text{ mol } SO_3}\) = 99 kJ ısı açığa çıkar.

💡 Çözüm Adımları:

Hess Yasası'na göre bir tepkimenin entalpi değişimi, ürünlerin molar oluşum entalpileri toplamından girenlerin molar oluşum entalpileri toplamının çıkarılmasıyla bulunur:
\(\Delta H_{tepkime} = \sum \Delta H_f^0 (ürünler) - \sum \Delta H_f^0 (girenler)\)
Verilen değerleri yerine koyalım:
Ürünler: \(CO_2(g)\) ve \(2H_2O(g)\)
\(\sum \Delta H_f^0 (ürünler) = \Delta H_f^0 [CO_2(g)] + 2 \times \Delta H_f^0 [H_2O(g)]\)
\(\sum \Delta H_f^0 (ürünler) = (-394 \text{ kJ/mol}) + 2 \times (-242 \text{ kJ/mol})\)
\(\sum \Delta H_f^0 (ürünler) = -394 \text{ kJ/mol} - 484 \text{ kJ/mol} = -878\) kJ/mol
Girenler: \(CH_4(g)\) ve \(2O_2(g)\)
\(\sum \Delta H_f^0 (girenler) = \Delta H_f^0 [CH_4(g)] + 2 \times \Delta H_f^0 [O_2(g)]\)
\(\sum \Delta H_f^0 (girenler) = (-75 \text{ kJ/mol}) + 2 \times (0 \text{ kJ/mol})\)
\(\sum \Delta H_f^0 (girenler) = -75\) kJ/mol
Şimdi tepkime entalpisini hesaplayalım:
\(\Delta H_{tepkime} = (-878 \text{ kJ/mol}) - (-75 \text{ kJ/mol})\)
\(\Delta H_{tepkime} = -878 \text{ kJ/mol} + 75 \text{ kJ/mol}\)
\(\Delta H_{tepkime} = -803\) kJ/mol
Sonuç olarak, metanın standart koşullarda yakılması tepkimesinin entalpi değişimi \(-803\) kJ/mol'dür. Bu, tepkimenin ekzotermik olduğunu gösterir.

💡 Çözüm Adımları:

Bir kimyasal tepkimenin kendiliğinden gerçekleşmesi (yani istemli olması) için iki temel faktör rol oynar: entalpi değişimi (\(\Delta H\)) ve entropi değişimi (\(\Delta S\)). Bu iki faktörün etkisini birleştiren Gibbs serbest enerjisi (\(\Delta G\)) kavramı ile tepkimenin istemliliği hakkında kesin yargıya varılır. Gibbs serbest enerjisi denklemi şöyledir:
\(\Delta G = \Delta H - T\Delta S\)
Burada T, mutlak sıcaklıktır (Kelvin cinsinden).
Tepkimenin kendiliğinden gerçekleşebilmesi için \(\Delta G\)'nin negatif olması gerekir (\(\Delta G < 0\)).

Olası durumlar şunlardır:
1. Ekzotermik ve Entropi Artışı: Eğer tepkime ekzotermik ise (\(\Delta H < 0\)) ve entropisi artıyorsa (\(\Delta S > 0\)), o zaman \(-T\Delta S\) terimi negatif olur. Bu durumda \(\Delta H\) negatif ve \(-T\Delta S\) negatif olacağından, \(\Delta G\) her zaman negatif olur ve tepkime her sıcaklıkta kendiliğinden gerçekleşir.
2. Endotermik ve Entropi Azalışı: Eğer tepkime endotermik ise (\(\Delta H > 0\)) ve entropisi azalıyorsa (\(\Delta S < 0\)), o zaman \(-T\Delta S\) terimi pozitif olur. Bu durumda \(\Delta H\) pozitif ve \(-T\Delta S\) pozitif olacağından, \(\Delta G\) her zaman pozitif olur ve tepkime hiçbir sıcaklıkta kendiliğinden gerçekleşmez.
3. Ekzotermik ve Entropi Azalışı: Eğer tepkime ekzotermik ise (\(\Delta H < 0\)) ancak entropisi azalıyorsa (\(\Delta S < 0\)), o zaman \(-T\Delta S\) terimi pozitif olur. \(\Delta G = \Delta H - T\Delta S\) denkleminde negatif \(\Delta H\) ve pozitif \(-T\Delta S\) terimleri bulunur. Tepkimenin istemliliği sıcaklığa bağlıdır. Düşük sıcaklıklarda \(\Delta H\) terimi baskın olacağından \(\Delta G\) negatif olabilir ve tepkime kendiliğinden gerçekleşir. Yüksek sıcaklıklarda ise \(T\Delta S\) terimi baskın olur ve \(\Delta G\) pozitifleşerek tepkimenin kendiliğindenliğini engeller.
4. Endotermik ve Entropi Artışı: Eğer tepkime endotermik ise (\(\Delta H > 0\)) ve entropisi artıyorsa (\(\Delta S > 0\)), o zaman \(-T\Delta S\) terimi negatif olur. \(\Delta G = \Delta H - T\Delta S\) denkleminde pozitif \(\Delta H\) ve negatif \(-T\Delta S\) terimleri bulunur. Tepkimenin istemliliği sıcaklığa bağlıdır. Düşük sıcaklıklarda \(\Delta H\) terimi baskın olacağından \(\Delta G\) pozitif olabilir ve tepkime kendiliğinden gerçekleşmez. Yüksek sıcaklıklarda ise \(T\Delta S\) terimi baskın olur ve \(\Delta G\) negatifleşerek tepkimenin kendiliğinden gerçekleşmesini sağlar.

Özetle, bir tepkimenin kendiliğindenliği sadece entalpiye değil, aynı zamanda entropi değişimine ve sıcaklığa da bağlıdır. Entropi, düzensizlik derecesini ifade eder ve genellikle gaz fazındaki tepkimelerde veya katıdan sıvıya/gaz fazına geçişlerde artar.