💡 11. Sınıf Kimya: Tepkimelerde meydana gelen enerji değişimi Çözümlü Örnekler
11. Sınıf Kimya: Tepkimelerde meydana gelen enerji değişimi Çözümlü Örnekler
Kimyasal tepkimeler gerçekleşirken dışarıdan ısı alabilir veya dışarıya ısı verebilirler. Buna göre, aşağıda verilen olaylardan hangileri endotermik (ısı alan), hangileri ekzotermik (ısı veren) olaylara örnek olarak gösterilebilir?
- I. Suyun donması
- II. Azot gazının (\( N_2 \)) yanması
- III. Sodyum metalinin suda çözünmesi
- IV. Suyun elektroliz edilmesi
Maddelerin fiziksel ve kimyasal değişimlerindeki enerji alışverişini inceleyelim:
- I. Suyun donması: Sıvı halden katı hale geçişte madde dışarıya ısı verir. Bu nedenle ekzotermik bir olaydır.
- II. Azot gazının yanması: Genellikle yanma tepkimeleri ekzotermiktir ancak azot gazının (\( N_2 \)) yanması istisnai olarak ısı alan yani endotermik bir olaydır.
- III. Sodyum metalinin suda çözünmesi: Aktif metallerin suyla tepkimesi ve çözünmesi dışarıya büyük miktarda ısı verir. Bu nedenle ekzotermik bir olaydır.
- IV. Suyun elektroliz edilmesi: Suyun bileşenlerine (\( H_2 \) ve \( O_2 \) gazlarına) ayrışması için elektrik enerjisi (ısı) verilmesi gerekir. Bu nedenle endotermik bir olaydır.
✅ Özetle:
Endotermik olaylar: II ve IV
Ekzotermik olaylar: I ve III
Standart şartlarda gerçekleşen aşağıdaki tepkimenin standart entalpi değişimini (\( \Delta H^\circ \)) hesaplayınız.
\[ C_3H_8(g) + 5O_2(g) \rightarrow 3CO_2(g) + 4H_2O(g) \]
Bileşiklerin standart oluşum entalpileri (\( \Delta H_f^\circ \)):
- \( C_3H_8(g) \) için: \( -104 \) kJ/mol
- \( CO_2(g) \) için: \( -393 \) kJ/mol
- \( H_2O(g) \) için: \( -242 \) kJ/mol
⚠️ Not: Standart şartlarda elementlerin en kararlı hallerinin oluşum entalpileri sıfır kabul edilir.
Tepkimenin standart entalpi değişimini hesaplamak için ürünlerin toplam oluşum entalpisinden girenlerin toplam oluşum entalpisini çıkarırız:
\[ \Delta H^\circ = \sum \Delta H_{f,\text{ürünler}}^\circ - \sum \Delta H_{f,\text{girenler}}^\circ \]
Adım adım hesaplayalım:
- 1. Ürünlerin Toplam Oluşum Entalpisi:
Ürünlerde 3 mol \( CO_2 \) ve 4 mol \( H_2O \) bulunmaktadır.
\( \sum \Delta H_{f,\text{ürünler}}^\circ = [3 \times (-393)] + [4 \times (-242)] \)
\( \sum \Delta H_{f,\text{ürünler}}^\circ = -1179 + (-968) = -2147 \) kJ - 2. Girenlerin Toplam Oluşum Entalpisi:
Girenlerde 1 mol \( C_3H_8 \) ve 5 mol \( O_2 \) bulunmaktadır. Element halindeki \( O_2 \)'nin oluşum entalpisi sıfırdır.
\( \sum \Delta H_{f,\text{girenler}}^\circ = [1 \times (-104)] + [5 \times 0] = -104 \) kJ - 3. Tepkime Entalpisi (\( \Delta H^\circ \)):
\( \Delta H^\circ = -2147 - (-104) \)
\( \Delta H^\circ = -2147 + 104 = -2043 \) kJ
✅ Tepkimenin standart entalpi değişimi -2043 kJ olarak bulunur. Tepkime ekzotermiktir.
Aşağıda bazı tepkimeler ve bu tepkimelere ait entalpi değerleri verilmiştir:
\[ 1) \quad C(k) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g) \quad \Delta H_1 = -393 \text{ kJ} \]
\[ 2) \quad CO(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow CO_2(g) \quad \Delta H_2 = -283 \text{ kJ} \]
Buna göre, Hess Yasası'nı kullanarak aşağıdaki tepkimenin entalpi değişimini (\( \Delta H \)) hesaplayınız:
\[ C(k) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow CO(g) \]
Hedef tepkimemizi elde etmek için verilen ara basamak tepkimelerini düzenleyelim:
- Hedef Tepkime: \( C(k) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow CO(g) \)
- 1. Tepkime: \( C(k) \) girenler tarafında olmalıdır. Birinci tepkimede \( C(k) \) zaten girenlerdedir. Bu tepkimeyi aynen alırız:
\( C(k) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g) \quad \Delta H_1 = -393 \) kJ - 2. Tepkime: Hedef tepkimede \( CO(g) \) ürünler tarafında olmalıdır. İkinci tepkimede ise girenlerdedir. Bu yüzden ikinci tepkimeyi ters çeviririz. Tepkime ters çevrilince entalpi değerinin işareti değişir:
\( CO_2(g) \rightarrow CO(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \quad \Delta H_2' = +283 \) kJ - Tepkimelerin Toplanması:
İki tepkimeyi taraf tarafa topladığımızda \( CO_2(g) \) molekülleri birbirini götürür ve girenlerdeki \( O_2 \) miktarından ürünlerdeki \( \frac{1}{2}O_2 \) çıkarılarak net tepkime elde edilir:
\( C(k) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow CO(g) \) - Net Entalpi Hesaplaması:
\( \Delta H = \Delta H_1 + \Delta H_2' \)
\( \Delta H = -393 + 283 = -110 \) kJ
✅ Hedef tepkimenin entalpi değişimi -110 kJ olarak hesaplanır.
Aşağıda bazı kimyasal bağlar ve bu bağların ortalama bağ enerjileri verilmiştir:
- \( H-H \): \( 436 \) kJ/mol
- \( Cl-Cl \): \( 242 \) kJ/mol
- \( H-Cl \): \( 431 \) kJ/mol
Buna göre, gaz fazında gerçekleşen aşağıdaki tepkimenin entalpi değişimini (\( \Delta H \)) bağ enerjilerini kullanarak hesaplayınız:
\[ H_2(g) + Cl_2(g) \rightarrow 2HCl(g) \]
Bağ enerjileri kullanılarak tepkime entalpisi hesaplanırken, kırılan bağların toplam enerjisinden oluşan bağların toplam enerjisi çıkarılır:
\[ \Delta H = \sum \text{Kırılan Bağlar} - \sum \text{Oluşan Bağlar} \]
- 1. Kırılan Bağlar (Girenler):
Girenlerde 1 mol \( H-H \) bağı ve 1 mol \( Cl-Cl \) bağı kırılmaktadır.
\( \sum \text{Kırılan Bağlar} = (1 \times 436) + (1 \times 242) = 678 \) kJ - 2. Oluşan Bağlar (Ürünler):
Ürünlerde 2 mol \( H-Cl \) bağı oluşmaktadır.
\( \sum \text{Oluşan Bağlar} = 2 \times 431 = 862 \) kJ - 3. Tepkime Entalpisi (\( \Delta H \)):
\( \Delta H = 678 - 862 = -184 \) kJ
✅ Tepkimenin entalpi değişimi -184 kJ olarak hesaplanır.
Metan gazının (\( CH_4 \)) standart yanma entalpisi \( -890 \) kJ/mol'dür. Standart şartlarda 3,2 gram \( CH_4 \) gazı yeterli miktarda oksijen gazı ile tamamen yakılıyor.
Buna göre;
- a) Tepkime sonucunda açığa çıkan ısı kaç kJ'dür?
- b) Tepkimenin entalpi değişimi (\( \Delta H \)) kaç kJ'dür?
(Mol kütleleri: \( C = 12 \) g/mol, \( H = 1 \) g/mol)
Soruyu adım adım çözelim:
- 1. Adım: Metan gazının mol kütlesini bulalım:
\( MA(CH_4) = 12 + (4 \times 1) = 16 \) g/mol - 2. Adım: Yakılan metan gazının mol sayısını hesaplayalım:
\( n = \frac{m}{MA} = \frac{3,2}{16} = 0,2 \) mol \( CH_4 \) yakılmıştır. - 3. Adım: Açığa çıkan ısıyı hesaplayalım (a şıkkı):
1 mol \( CH_4 \) yandığında \( 890 \) kJ ısı açığa çıkıyorsa;
0,2 mol \( CH_4 \) yandığında \( Q \) kadar ısı açığa çıkar.
\( Q = 0,2 \times 890 = 178 \) kJ ısı açığa çıkar. - 4. Adım: Tepkime entalpisini hesaplayalım (b şıkkı):
Yanma tepkimeleri ekzotermik olduğundan entalpi değişiminin işareti negatiftir.
\( \Delta H = -178 \) kJ'dür.
✅ Cevaplar:
a) Açığa çıkan ısı 178 kJ'dür.
b) Tepkime entalpisi \( \Delta H = -178 \) kJ'dür.
Bir kimyasal tepkimenin potansiyel enerji diyagramı incelendiğinde girenlerin toplam potansiyel enerjisinin \( 40 \) kJ, ürünlerin toplam potansiyel enerjisinin ise \( 110 \) kJ olduğu görülmektedir. Tepkimenin aktifleşmiş kompleksinin enerjisi ise \( 150 \) kJ'dür.
Buna göre aşağıdaki değerleri hesaplayınız:
- a) Tepkimenin entalpi değişimi (\( \Delta H \))
- b) İleri aktifleşme enerjisi (\( E_{ai} \))
- c) Geri aktifleşme enerjisi (\( E_{ag} \))
Verilen değerleri listeleyelim:
- Girenlerin enerjisi (\( H_g \)) = \( 40 \) kJ
- Ürünlerin enerjisi (\( H_u \)) = \( 110 \) kJ
- Aktifleşmiş kompleksin enerjisi (\( H_{ak} \)) = \( 150 \) kJ
İstenen değerleri formüller yardımıyla hesaplayalım:
- a) Tepkimenin Entalpi Değişimi (\( \Delta H \)):
\( \Delta H = H_u - H_g \)
\( \Delta H = 110 - 40 = +70 \) kJ (Tepkime endotermiktir) - b) İleri Aktifleşme Enerjisi (\( E_{ai} \)):
\( E_{ai} = H_{ak} - H_g \)
\( E_{ai} = 150 - 40 = 110 \) kJ - c) Geri Aktifleşme Enerjisi (\( E_{ag} \)):
\( E_{ag} = H_{ak} - H_u \)
\( E_{ag} = 150 - 110 = 40 \) kJ
💡 Kontrol: \( \Delta H = E_{ai} - E_{ag} = 110 - 40 = +70 \) kJ. Sonucumuz doğrudur.
Sporcuların sakatlanma anlarında ani soğuk kompres yapmak amacıyla kullandıkları soğuk jel paketleri (cold packs) içerisinde amonyum nitrat (\( NH_4NO_3 \)) katısı ve ayrı bir bölmede su bulunur. Paket sıkıştırılarak içindeki su bölmesi patlatıldığında amonyum nitrat suda çözünmeye başlar ve paket hızla soğur.
Buna göre, soğuk jel paketlerinde gerçekleşen bu olay kimyasal tepkimelerdeki enerji değişimi açısından nasıl açıklanır?
Bu olay, kimyasal ve fiziksel süreçlerdeki enerji değişiminin günlük hayattaki en güzel örneklerinden biridir:
- Endotermik Çözünme: Amonyum nitrat (\( NH_4NO_3 \)) tuzunun suda çözünmesi endotermik (ısı alan) bir olaydır.
- Isı Alışverişi: Çözünme olayı gerçekleşirken sistem (tuz ve su), çevresinden (yani paketin dış çeperinden ve dolayısıyla uygulandığı vücut bölgesinden) ısı absorbe eder (alır).
- Sıcaklık Düşüşü: Çevreden ısı çekilmesiyle birlikte paketin sıcaklığı hızla düşer ve soğuk kompres etkisi yaratır.
✅ Sonuç: Soğuk jel paketleri, maddelerin endotermik çözünme özelliğinden yararlanılarak tasarlanmış bir teknolojidir.
Bir laboratuvarda iki farklı beherde aşağıdaki deneyler gerçekleştiriliyor:
- 1. Beher: Oda sıcaklığındaki suya bir miktar sodyum hidroksit (\( NaOH \)) katısı eklenip karıştırıldığında behere dokunan öğrenci beherin ısındığını fark ediyor.
- 2. Beher: Oda sıcaklığındaki suya bir miktar amonyum klorür (\( NH_4Cl \)) katısı eklenip karıştırıldığında behere dokunan öğrenci beherin dış yüzeyinde buğulanma olduğunu ve beherin soğuduğunu fark ediyor.
Buna göre, bu deneylerden yola çıkarak yapılan aşağıdaki yorumlardan hangisi yanlıştır?
A) 1. beherde gerçekleşen çözünme olayı ekzotermiktir.
B) 2. beherdeki çözeltinin sıcaklığı zamanla azalmıştır.
C) 1. beherdeki olayın entalpi değişimi (\( \Delta H \)) sıfırdan küçüktür.
D) 2. beherde gerçekleşen olayda sistem dışarıya ısı vermiştir.
Deney gözlemlerini bilimsel olarak analiz edelim:
- 1. Beher Analizi: Beher ısındığına göre dışarıya ısı verilmiştir. Bu olay ekzotermiktir. Ekzotermik olaylarda entalpi değişimi sıfırdan küçüktür (\( \Delta H < 0 \)). Dolayısıyla A ve C seçenekleri doğrudur.
- 2. Beher Analizi: Beher soğuduğuna göre sistem çevreden ısı almıştır. Bu olay endotermiktir. Endotermik olaylarda sistem dışarıdan ısı alır, dışarıya ısı vermez. Bu nedenle çözeltinin sıcaklığı zamanla azalır (B seçeneği doğrudur).
- Hatalı Seçenek: D seçeneğinde "2. beherde gerçekleşen olayda sistem dışarıya ısı vermiştir" denmektedir. Aksine, sistem dışarıdan ısı almıştır.
✅ Doğru Cevap: D
Daha Fazla Soru ve İçerik İçin QR Kodu Okutun
https://www.eokultv.com/atolye/11-sinif-kimya-tepkimelerde-meydana-gelen-enerji-degisimi/sorular