Kalorimetri ve entalpi konusunu sıfırdan öğrenin
Bundan önce: Stokiyometri
1Isı ve sıcaklık
Isı (q), sıcak bir cisimden daha soğuk olana akan enerjidir. Joule (J) veya kilojoule (1 kJ = 1000 J) cinsinden ölçülür.
Sıcaklık bir şeyin ne kadar sıcak olduğunu söyler. Sıcaklığı değiştiren şey ısıdır.
1 kg suyu 10 °C ısıtmak, 1 kg demiri 10 °C ısıtmaktan daha fazla enerji gerektirir. Her maddenin kendi özgül ısısı c vardır: 1 g’ı 1 °C ısıtmak için gereken ısı.
Su için c = 4,18 J/(g·°C). Alüminyum için 0,897 J/(g·°C), kurşun için yalnızca 0,129 J/(g·°C). Suyu ısıtmak zordur, metalleri kolaydır.
Bir sıcaklık değişimi için gereken ısı:
q = m · c · ΔT
Burada m gram cinsinden kütle ve ΔT = Tfinal − Tinitial’dir. Pozitif q ısının alındığı, negatif q ısının verildiği anlamına gelir.
Kendini sına 100 g suyu 10 °C ısıtmak için ne kadar ısı gerekir (c = 4,18 J/(g·°C))?
- 0,418 kJ
- 4,18 kJ
- 41,8 kJ
- 418 J
Cevap: 4,18 kJ. q = 100 · 4,18 · 10 = 4180 J = 4,18 kJ. 418 J ΔT ile çarpmayı unutur, 41,8 kJ ise J’yi kJ’ye çevirirken 10 katı kaçırır.
2Kalorimetre: kaybedilen ısı = kazanılan ısı
Kalorimetre yalıtılmış bir kaptır. Hiç ısı çıkmaz, bu yüzden birinin verdiği tüm ısıyı diğeri alır.
Sıcak bir metal bloğu soğuk suya bırakın. Blok soğur, su ısınır; ikisi de aynı son sıcaklık Tf’ye ulaşana dek.
mm · cm · (Tm − Tf) = mw · cw · (Tf − Tw)
Sol taraf metalin kaybettiği ısıdır, sağ taraf suyun kazandığı ısı. İkisi de pozitif sayılar olarak yazılır.
Tf için çözmek, iki başlangıç sıcaklığının, her ağırlığın m · c olduğu, ağırlıklı ortalamasını verir:
Tf = (mmcmTm + mwcwTw) / (mmcm + mwcw)
Suyun m · c değeri büyük olduğu için Tf genellikle su sıcaklığına yakın çıkar.
Kendini sına Sıcak bir metal blok yalıtılmış bir kaptaki soğuk suya bırakılıyor. Son sıcaklık nerede olmalıdır?
- Metalin başlangıç sıcaklığının üstünde
- Suyun başlangıç sıcaklığının altında
- İki başlangıç sıcaklığının arasında
- İki başlangıç sıcaklığının tam ortasında
Cevap: İki başlangıç sıcaklığının arasında. Metal soğur ve su ısınır, ta ki buluşana dek; yani Tf ikisinin arasındadır. Tam ortada olması, yalnızca ikisinin m · c değeri aynıysa mümkündür; bu nadirdir.
3Tepkime entalpisi
Tepkimeler de ısı alır veya verir. Sabit basınçta bu ısı entalpi değişimi ΔH’dir, kJ cinsinden.
- Ekzotermik: ΔH negatiftir. Tepkime, yakıt yakmak gibi ısı verir.
- Endotermik: ΔH pozitiftir. Tepkime, soğuk paket gibi ısı alır.
Standart oluşum entalpisi ΔH°f, bir maddenin 1 molünü elementlerinden yapmanın ΔH’sidir. O₂ veya C gibi normal hâlindeki bir element için 0’dır.
Bir tablodan alınan bu değerlerle herhangi bir tepkimenin ΔH°’sini bulursunuz:
ΔH° = ΣΔH°f(ürünler) − ΣΔH°f(girenler)
Her ΔH°f değerini, denkleştirilmiş denklemdeki o maddenin katsayısıyla çarpın. Bu, Hess yasası sayesinde çalışır: toplam ΔH, başlangıçtan sona giden yola bağlı değildir.
Kendini sına CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(s) için ΔH°’yi bulun. ΔH°f kullanın: CH₄ −74,8, CO₂ −393,5, H₂O(s) −285,8 kJ/mol.
- +890,3 kJ
- −1039,9 kJ
- −604,5 kJ
- −890,3 kJ
Cevap: −890,3 kJ. Ürünler: −393,5 + 2 · (−285,8) = −965,1. Eksi girenler: −965,1 − (−74,8) = −890,3 kJ. −604,5 suyun katsayısı 2’yi unutur, +890,3 ise çıkarmayı ters yönde yapar.
4Adım adım yöntem
Isıtma:
- q = m · c · ΔT yazın ve verilenleri yerine koyun. Birimler c ile uyuşsun diye kJ’yi J’ye çevirin (× 1000).
- Bilinmeyen için çözün: q, ΔT, m veya c.
Kalorimetre:
- Sıcak cismin kaybettiği ısı = soğuk cismin kazandığı ısı yazın.
- Her iki sıcaklık farkında da Tf kullanın: sıcak eksi Tf ve Tf eksi soğuk.
- Tf için çözün ve iki başlangıç sıcaklığının arasında olduğunu kontrol edin.
Oluşum entalpisi:
- Her ΔH°f değerini katsayısıyla çarpın. Elementler 0 sayılır.
- ΔH° = ürünlerin toplamı − girenlerin toplamı.
- Verilen bir kütleden gelen ısı için kütleyi mole çevirin ve ΔH°’yi o miktara ölçekleyin.
5Çözümlü bir örnek
Her adımı izleyin. Açmadan önce bir sonrakini tahmin etmeye çalışın.
Çözümlü örnek110 °C’deki 100 g’lık bir alüminyum blok (c = 0,897 J/(g·°C)), yalıtılmış bir kapta 20 °C’deki 200 g suya (c = 4,18 J/(g·°C)) bırakılıyor. Son sıcaklık Tf’yi bulun.
1Alüminyum: 100 · 0,897 = 89,7 J/°C. Su: 200 · 4,18 = 836 J/°C.
Su derece başına çok daha fazla ısıya ihtiyaç duyar, yani Tf 20 °C’ye yakın olacaktır.
2Alüminyumun kaybettiği ısı = suyun kazandığı ısı.
89,7 · (110 − Tf) = 836 · (Tf − 20)
39867 − 89,7·Tf = 836·Tf − 16 720
Tf = (9867 + 16 720) / (89,7 + 836) = 26 587 / 925,7 = 28,7 °C
4Alüminyumun kaybettiği ısı: 89,7 · (110 − 28,7) ≈ 7290 J. Suyun kazandığı ısı: 836 · (28,7 − 20) ≈ 7290 J. Eşittirler.
Ve 28,7 °C, beklendiği gibi su sıcaklığına yakın olarak 20 °C ile 110 °C arasındadır.
6Sık yapılan hatalar
- J ile kJ’yi karıştırmak. Özgül ısılar J cinsindendir, bu yüzden önce kJ’yi J’ye çevirin.
- Yanlış kütleyi kullanmak; örneğin metalin kütlesini suyun özgül ısısıyla.
- ΔT’yi ilk eksi son olarak yazmak. O zaman q’nun işareti yanlış olur.
- Kalorimetrede iki tarafı da Tf eksi başlangıç olarak yazmak. O zaman bir taraf negatif olur ve denge bozulur.
- Oluşum entalpilerini toplarken katsayıları unutmak.
- Girenler eksi ürünler hesaplamak, bu da ΔH°’nin işaretini çevirir.
Kendini sına 400 g suya 78 kJ ısı ekleniyor (c = 4,18 J/(g·°C)). Sıcaklık artışı nedir?
- 0,0214 °C
- 0,0467 °C
- 195 °C
- 46,7 °C
Cevap: 46,7 °C. ΔT = q / (m · c) = 78 000 / (400 · 4,18) = 46,7 °C. q’yu kJ bırakmak 0,0467 °C verir, c’yi unutmak 78 000 / 400 = 195 °C verir, kesri ters çevirmek ise 0,0214 °C verir.
7Sınav soruları nasıl görünür
- Kolay: q = m·c·ΔT ile ısıtma. Suyu iki sıcaklık arasında ısıtmak için gereken ısıyı veya verilen bir ısıdan sıcaklık artışını bulun.
- Orta: kalorimetre. Soğuk suda sıcak bir metal blok; kaybedilen ısı = kazanılan ısı ile son sıcaklığı bulun.
- Zor: oluşum entalpisi. Bir tablodan bir yanmanın ΔH°’sini veya verilen bir kütle yandığında açığa çıkan ısıyı bulun.
Zor bir soru örneği: etanol ΔH° = −1366,7 kJ/mol ile yanar. 50 g etanol (M = 46,07 g/mol) 1,085 moldür, yani 1,085 · 1366,7 ≈ 1483 kJ açığa çıkarır.
Uygulamada adım adım öğreninUygulamada adım adım öğrenin