Termokimya ve Isı Ölçümü

Konu Anlatımı

Termokimya ve Isı Ölçümü

Termokimya, kimyasal değişimlerin ısı yönünden incelenmesidir. Bağ kurulurken enerji açığa çıkar, bağ kırılırken enerji soğurulur; bu yüzden her kimyasal denklemin bir ısı değişimi vardır. Atölyede ve laboratuvarda bir tepkimenin ne kadar ısı verdiğini yalnız gözle değil sayısal olarak ölçmeyi bu konu öğretir.

Bu derste ne öğreneceğiz?

Isı miktarı, özgül ısı ve kalorimetri kavramlarını tanıyacak; ısı miktarı bağıntısıyla bir cismin sıcaklık artışı için gereken enerjiyi hesaplayacak; endotermik ile ekzotermik tepkimeleri karşılaştıracak; asit baz nötrleşiminde açığa çıkan ısıyı mol sayısı üzerinden bulacak ve deney kabından kaybolan ısının sonucu nasıl bozduğunu tartışacaksınız.

Ön bilgi

Sıcaklık ile ısı karıştırılmamalıdır. Sıcaklık bir durumu anlatan ölçülebilir büyüklüktür ve santigrat ya da kelvin ölçeğiyle belirtilir; ısı ise alınıp verilen enerjidir ve joule cinsinden ölçülür. Bir kalorimetrede gözlenen şey asıl olarak sıcaklık değişimidir; ısı miktarı bu değişimden kütlenin ve özgül ısının yardımıyla hesaplanır.

Deniz seviyesindeki 0 °C mutlak ölçekte 273,15 K değerine karşılık gelir. Kelvin ölçeğinde birim aralıklar santigratla aynı genişliktedir; yalnız sıcaklık farkı hesabı yapılırken bu eşdeğerlik doğrudan kullanılır. Sıcaklık farkı için 18 °C ile 18 K aynı büyüklüğü gösterir.

Isı Miktarı ve Özgül Isı

Bir cismin sıcaklığını belirli bir miktar artırmak için gereken ısı; cismin kütlesi, özgül ısısı ve sıcaklık değişiminin çarpımıdır. Bağıntı Q = m · c · ΔT biçiminde yazılır. Burada Q joule cinsinden ısı miktarı, m gram cinsinden kütle, c cismin özgül ısısı ve ΔT santigrat ya da kelvin cinsinden sıcaklık farkıdır.

Suyun oda sıcaklığındaki özgül ısısı 4,18 J/(g·K) kabul edilir ve termokimya hesaplarının omurgasıdır. Alüminyumun özgül ısısı 0,90 J/(g·K), bakırınki 0,39 J/(g·K) düzeyindedir. Aynı kütledeki bakırı ısıtmak, alüminyumu ısıtmaktan çok daha az enerji ister; çünkü özgül ısı değeri küçüktür.

Basit bir örnek: 200 g su 10 °C yükseltilirse gereken ısı 200 × 4,18 × 10 = 8360 J bulunur. Bu değeri hesaplayıp deneyde kullanılan miktarı gözlemle karşılaştırmak, kalorimetrenin doğru çalışıp çalışmadığının ilk kontrolüdür.

Endotermik ve Ekzotermik Tepkimeler

Isıyı çevreden alan tepkimelere endotermik, çevreye veren tepkimelere ekzotermik denir. Termokimyasal denklemde bu ayrım sağa yazılan ısının işaretiyle gösterilir: ısı alınan tepkimede entalpi değişimi pozitif, ısı veren tepkimede negatiftir. Kireç taşının kirece dönüşmesi ısı gerektirdiği için endotermiktir; parçanın pişirilmesinde alınan ısı tepkime harcanır.

Bağ enerjisi açısından kural nettir: bağ kırmak enerji ister ve katkı pozitiftir, bağ kurmak enerji verir ve katkı negatiftir. Tepkimenin toplam entalpi değişimi, kırılan bağların toplam katkısı ile kurulan bağların toplam katkısı arasındaki farkın işaretidir. Bu nedenle denklem denkleştirildikten sonra atom sayıları iki tarafta eşit olmalıdır.

Kalorimetri ve Deney Düzeni

Kalorimetre, ısı alışverişi için yalıtılmış bir kap ve karıştırıcıdır. En yaygın düzenek, ısı kapasitesi ihmal edilebilen termometreli bir ısı aletidir: tepkime bırakılan madde bu alette, sıcaklığı daha düşük bir su banyosunda yavaşça soğutulur; suyun sıcaklık değişiminden tepkimenin verdiği ısı bulunur.

Isı kaybını en küçük tutmak için sistem termometre çevresinde bekletilir. Karıştırma sıcaklığın kabın her yerinde eşit olmasını sağlar; karıştırılmadan tepkime yerinde gerçekleşir ve ölçüm hatalı çıkar. Kap ağzı bir yalıtkan kapakla kapatılır, ortam sıcaklığı deney sıcaklığına yakınsa ısı kaybı en az olur.

Nötrleşim Isısının Hesaplanması

Güçlü asit ile güçlü bazın nötrleşiminde açığa çıkan ısı, oluşan su miktarına bağlıdır ve 57 kJ/mol düzeyindedir. Hesap iki adımda yürür: önce nötrleşen asit veya bazın madde miktarı bulunur, sonra bu miktar mol başına düşen nötrleşim ısısıyla çarpılır.

Örnek: 100 mL 0,1 M hidroklorik asit çözeltisine 100 mL 0,1 M sodyum hidroksit çözeltisi karıştırılırsa nötrleşen madde miktarı 0,1 × 0,1 = 0,01 mol olur. Bu miktar için açığa çıkan ısı 0,01 × 57 = 0,57 kJ değerindedir.

Zayıf asit kullanıldığında iyonlaşma için enerji harcanır ve açığa çıkan ısı güçlü asit durumundan daha az olur. Bu yüzden nötrleşim ısısını yalnız maddelerin adına bakarak değil, ölçümle belirlemek gerekir.

Basit örnek

100 g alüminyum blok 40 °C yükseltilecektir. Alüminyumun özgül ısısı 0,90 J/(g·K) olduğuna göre gereken ısı 100 × 0,9 × 40 = 3600 J bulunur. Aynı kütledeki su için bu değer çok daha büyük olurdu; suyun özgül ısısı alüminyumunkinden yaklaşık dört kat fazladır.

İleri örnek

Bir laboratuvar öğrencisi 50 mL 0,2 M sodyum hidroksit çözeltisini ısı aletine yerleştirdikten sonra 25 °C sıcaklığında 50 mL 0,2 M hidroklorik asit eklemiştir. Sıcaklık 25 °C den 32 °C ye çıkmıştır. Önce nötrleşen madde miktarı bulunur: 0,05 L × 0,2 mol/L değeri 0,01 mol verir. Toplam çözelti kütlesi 100 g kabul edilirse alınan ısı 100 × 4,18 × 7 = 2926 J olur. Deneyle ölçülen değer teorik değerden küçükse bunun nedeni kap ve termometreden ısı kaybıdır.

Adım adım çözülmüş örnek

Adım 1: Verilenleri listele. 200 g su, özgül ısı 4,18 J/(g·K), sıcaklık değişimi 10 °C.

Adım 2: Bağıntıyı yaz. Isı miktarı, kütle ile özgül ısının ve sıcaklık değişiminin çarpımıdır.

Adım 3: Yerine koy. 200 × 4,18 × 10 = 8360 J.

Adım 4: Sonucu yorumla. Suyun ısı kapasitesi yüksektir; küçük bir sıcaklık değişimi için binlerce joule gerekir. Kap çevreden ısı aldığı için ölçülen değer bu teorik değerden daima küçüktür.

Kavram karşılaştırma tablosu

Sık Yapılan Hatalar

• Hata: Sıcaklık ile ısıyı aynı sayıyoruz. Doğrusu: Sıcaklık bir durum ölçüsüdür, ısı ise enerjidir; ısı miktarı joule cinsinden verilir.
• Hata: Isı alan tepkimenin de ısı verdiğini sanıyoruz. Doğrusu: Isı alan tepkime endotermiktir, çevre ısınır; ısı veren tepkime ekzotermiktir.
• Hata: Denkleştirilen tepkimede atom sayılarının eşit olmadığını fark etmiyoruz. Doğrusu: Denklem denkleştirildikten sonra her elementin atom sayısı iki tarafta eşit olmalıdır.
• Hata: Kap çevreden ısı aldığı için ölçülen değeri tam kabul ediyoruz. Doğrusu: Ölçülen değer teorik değerden küçüktür; fark ısı kaybından gelir.
• Hata: Sıcaklık farkı hesabında mutlak ölçeğe geçmeyi ihmal ediyoruz. Doğrusu: Sıcaklık farkı için °C ile K eşdeğerdir; mutlak sıcaklık gerekiyorsa 273,15 eklenir.
• Hata: Nötrleşim ısısını tüm asitler için aynı kabul ediyoruz. Doğrusu: Güçlü asit ve baz için değer yüksektir; zayıf asitte iyonlaşma enerjisi yüzünden daha az ısı açığa çıkar.
• Hata: Karıştırmadan tepkimeyi başlatıyoruz. Doğrusu: Karıştırma hem hızı hem ölçüm doğruluğunu artırır.

Özet

Isı miktarı, kütle ile özgül ısının ve sıcaklık değişiminin çarpımıdır. Suyun özgül ısısı 4,18 J/(g·K) alınır. Isı çevreden alınıyorsa tepkime endotermik, çevreye veriliyorsa ekzotermiktir. Nötrleşimde açığa çıkan ısı, nötrleşen madde miktarı ile mol başına nötrleşim ısısının çarpımıdır. Kalorimetrede ölçülen değer daima teorik değerden küçüktür; fark kap, termometre ve çevreden kaybolan ısıyı gösterir.

Kendini dene

Üç açık uçlu görev bu konunun başarısını ölçer: birincisinde kalorimetri hesabı yaparak ısı miktarını bulacak, ikincisinde endotermik ile ekzotermik tepkimeleri gerekçesiyle karşılaştıracak, üçüncüsünde bir deney hatasını bulup düzeltme önerisi sunacaksınız. Her görevde puanlama anahtarı açıkça yazılıdır.