CHE1001 · 7. hafta · Standard Enthalpies of Formation. Calculating Standard Enthalpy Changes of Chemical Reactions.

Standart oluşum entalpileri, Hess yasası ve kimyasal bağa giriş

ΔH°f tanımı ve oluşum denklemleri, ΔH°tep = Σ ΔH°f(ürün) − Σ ΔH°f(reaktif), Hess yasasıyla denklem toplama; Lewis sembolleri, iyonik ve kovalent bağ, oktet kuralı.

standard statestandard enthalpy of formationformation reactionHess's lawstandard enthalpy of reactionLewis symbolvalence electronsoctet ruleionic bondcovalent bondlone pairbonding pairLewis structure

Geçen hafta $\Delta H$ ‘yi kalorimetreyle ölçtük. Her tepkimeyi ölçmek pratik değil; bu hafta tablolardan hesaplamayı öğreneceksin. İki yol var: oluşum entalpileri ile tek satırlık formül ve Hess yasası ile denklem toplama. İkisi de vize ve finalde garanti soru. Sayfanın ikinci yarısı yeni bir bölümün girişi: atomlar neden ve nasıl bağ yapar.

Altın kurallar:

Elementlerin standart hallerinde ΔH°f = 0. $\mathrm{O_2}$ , $\mathrm{N_2}$ , grafit sıfırdır.
Ürünler eksi reaktifler, her biri katsayısıyla çarpılarak.
Hess: denklemi ters çevirirsen işaret, çarparsan değer değişir.
Lewis yapısı toplam değerlik elektronu saymakla başlar.

Standart hal ve standart oluşum entalpisi

Entalpinin mutlak değeri ölçülemez, sadece değişimi ölçülür. Bu yüzden bir referans noktası seçilir: standart hal (standard state). Saf maddenin 1 bar basınçta ve belirtilen sıcaklıkta (tablolarda 25 °C) en kararlı halidir.

Standart oluşum entalpisi (standard enthalpy of formation, $\Delta H^\circ_f$ ): 1 mol bileşiğin, standart hallerindeki elementlerinden oluştuğu tepkimenin entalpi değişimi.

$\mathrm{C(grafit) + 2H_2(g) + \tfrac12 O_2(g) \rightarrow CH_3OH(l)} \qquad \Delta H^\circ_f = -238.7\ \text{kJ/mol}$

Oluşum denklemi yazarken kontrol listesi:

Sağda tam 1 mol ürün (solda kesir olabilir).
Solda sadece elementler, standart hallerinde: $\mathrm{H_2(g)}$ , $\mathrm{O_2(g)}$ , $\mathrm{Br_2(l)}$ , C(grafit), Na(s).
Elementlerin kendi oluşum entalpisi 0, çünkü “kendinden oluşmak” değişim değildir.

Madde	$\Delta H^\circ_f$ (kJ/mol)	Madde	$\Delta H^\circ_f$ (kJ/mol)
$\mathrm{CO_2(g)}$	−393.5	$\mathrm{NH_3(g)}$	−46.11
$\mathrm{CO(g)}$	−110.5	$\mathrm{NO(g)}$	+90.25
$\mathrm{H_2O(l)}$	−285.8	$\mathrm{CaCO_3(s)}$	−1206.9
$\mathrm{H_2O(g)}$	−241.8	$\mathrm{CaO(s)}$	−635.1
$\mathrm{CH_4(g)}$	−74.8	$\mathrm{SO_2(g)}$	−296.8
$\mathrm{C_3H_8(g)}$	−103.8	$\mathrm{SO_3(g)}$	−395.7

Negatif $\Delta H^\circ_f$ , bileşiğin elementlerinden daha kararlı (enerjisi daha düşük) olduğu anlamına gelir. $\mathrm{H_2O(l)}$ ve $\mathrm{H_2O(g)}$ arasındaki 44.0 kJ/mol fark buharlaşma entalpisidir.

Oluşum entalpilerinden tepkime entalpisi

Her tepkimeyi düşünce deneyi olarak iki adımda yap: reaktifleri elementlerine ayır, elementlerden ürünleri kur. Sonuç:

$\Delta H^\circ_{\text{tep}} = \sum n_p\,\Delta H^\circ_f(\text{ürünler}) - \sum n_r\,\Delta H^\circ_f(\text{reaktifler})$

Örnek 1. Amonyağın yükseltgenmesi (nitrik asit üretiminin ilk adımı):

$\mathrm{4NH_3(g) + 5O_2(g) \rightarrow 4NO(g) + 6H_2O(g)}$

ürünler:    4(+90.25) + 6(−241.8) = 361.0 − 1450.8 = −1089.8 kJ
reaktifler: 4(−46.11) + 5(0)      = −184.4 kJ
ΔH° = −1089.8 − (−184.4) = −905.4 kJ

Örnek 2 (besin enerjisi). Glukoz yanması $\mathrm{C_6H_{12}O_6(s) + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O(l)}$ , $\Delta H^\circ_f(\text{glukoz}) = -1273.3$ kJ/mol:

$\Delta H^\circ = [6(-393.5) + 6(-285.8)] - (-1273.3) = -2803\ \text{kJ/mol}$

Gram başına $-2803/180.16 = -15.6$ kJ/g. Geçen haftanın bomba kalorimetresi sorusundaki değerle uyumlu.

TUZAK · su hali. Soruda $\mathrm{H_2O(g)}$ yazıyorsa −241.8, $\mathrm{H_2O(l)}$ yazıyorsa −285.8 kullan. Yanma entalpisi tablolarında genelde sıvı su kabul edilir.

TUZAK · katsayıyla çarpmayı unutmak. Tablo değerleri mol başınadır. Denklemde 4 NO varsa 4 ile çarparsın. En sık puan kaybı budur.

Formül tersine de çalışır: tepkime ΔH’si ve diğer ΔH°f’ler biliniyorsa bilinmeyen tek bir ΔH°f çözülebilir (yanma entalpisinden oluşum entalpisi bulmak).

Hess yasası

Entalpi bir hal fonksiyonu olduğu için, tepkime tek adımda da olsa birkaç adımda da olsa toplam $\Delta H$ aynıdır. Hess yasası (Hess’s law): bir tepkime başka tepkimelerin toplamı olarak yazılabiliyorsa, $\Delta H$ ‘si de onların $\Delta H$ ‘lerinin toplamıdır.

Strateji:

Hedef denklemi yaz.
Hedefte olan her maddeyi, verilen denklemlerden sadece birinde geçiyorsa oradan yakala. O denklemi, maddenin hedefteki tarafına ve katsayısına göre ters çevir ya da çarp.
Uygulanan işlemi ΔH’ye de uygula.
Topla, iki tarafta olan ara maddeleri sadeleştir. Hedefi elde ettiğini kontrol et.

Örnek 3. Hedef: $\mathrm{S(s) + \tfrac32 O_2(g) \rightarrow SO_3(g)}$ . Verilenler:

$\text{(a) } \mathrm{S + O_2 \rightarrow SO_2} \quad \Delta H = -296.8\ \text{kJ} \qquad \text{(b) } \mathrm{2SO_2 + O_2 \rightarrow 2SO_3} \quad \Delta H = -197.8\ \text{kJ}$

S hedefte solda, 1 tane → (a) aynen:          S + O2 → SO2              −296.8
SO3 hedefte sağda, 1 tane → (b) × 1/2:        SO2 + 1/2 O2 → SO3         −98.9
topla (SO2 sadeleşir):                        S + 3/2 O2 → SO3          −395.7 kJ

Sonuç tablodaki $\Delta H^\circ_f(\mathrm{SO_3})$ ile aynı; olması gereken de bu.

İPUCU · sadece bir kez geçen maddeyle başla. O₂ gibi birçok denklemde geçen maddeler kendiliğinden ayarlanır; onları en sona bırak ve sadece kontrol et.

Kimyasal bağa giriş

Bir sonraki bölümün konusu molekül şekilleri ve polarlık. Hepsi bir soruya dayanıyor: atomlar elektronlarını nasıl paylaşıyor ya da aktarıyor?

Değerlik elektronları ve Lewis sembolleri

Bağa katılan elektronlar en dış kabuktaki değerlik elektronlarıdır (valence electrons). Ana grup elementlerinde sayısı grup numarasından okunur (grup 1-2: 1-2, grup 13-18: 3-8). Lewis sembolünde (Lewis symbol) element sembolünün çevresine her değerlik elektronu bir nokta olarak konur.

Element	Grup	Değerlik e⁻
Na	1	1
Mg	2	2
C	14	4
N	15	5
O	16	6
Cl	17	7

Oktet kuralı (octet rule): atomlar bağ yaparak çevrelerinde 8 değerlik elektronu (soy gaz düzeni) toplamaya yönelir. H için bu sayı 2’dir.

İyonik bağ

Metal (düşük iyonlaşma enerjisi) elektron verir, ametal (yüksek elektron ilgisi) alır. Oluşan zıt yüklü iyonlar elektrostatik çekimle bir arada durur: iyonik bağ (ionic bond). Formülde yükler toplamı sıfır olmalı:

Na· + ·Cl: (7 nokta)  →  Na+ [Cl]−          NaCl
Ca (2 e− verir) + 2 F (birer alır)  →  Ca2+ 2F−   CaF2
Al3+ ve O2−  →  ortak kat 6  →  Al2O3

İyonik katılarda molekül yoktur; her iyon zıt yüklü komşularla sarılı bir kristal örgüde bulunur. Örgüyü bir arada tutan enerjiye örgü enerjisi (lattice energy) denir: iyon yükleri büyüdükçe ve iyonlar küçüldükçe artar.

Kovalent bağ

İki ametal arasında elektron aktarımı enerji açısından elverişli değildir; bunun yerine elektron ortaklaşırlar. Ortaklaşılan her çift bir kovalent bağdır (covalent bond) ve bir çizgiyle gösterilir.

Bağ çifti (bonding pair): iki atom arasında paylaşılan çift.
Ortaklanmamış çift (lone pair): tek bir atoma ait, bağa katılmayan çift.
Tekli bağ 2, ikili bağ 4, üçlü bağ 6 elektron içerir. Bağ sayısı arttıkça bağ kısalır ve güçlenir.

Basit örnekler: $\mathrm{H_2O}$ ‘da O iki H’ye tekli bağla bağlı ve 2 ortaklanmamış çifti var. $\mathrm{NH_3}$ ‘te N üç bağ ve 1 ortaklanmamış çift taşır. $\mathrm{N_2}$ ‘de üçlü bağ var: N≡N.

Lewis yapısı yazmanın ilk adımı her zaman toplam değerlik elektronunu saymaktır; anyonlar için yük kadar elektron ekle, katyonlar için çıkar. Ayrıntılı tarif, biçimsel yük ve rezonans gelecek haftanın konusu.

Sık yapılan hatalar

Yanlış düşünce	Doğrusu
$\mathrm{O_2}$ ‘nin ΔH°f’si tablodan bakılır	Standart haldeki element: 0
Her elementin her formu 0	Sadece standart hal; $\mathrm{O_3}$ , elmas, H(g) sıfır değil
ΔH° = reaktifler − ürünler	Ürünler − reaktifler
Katsayıyla çarpma gerekmez	Her ΔH°f katsayısıyla çarpılır
$\mathrm{H_2O(l)}$ ve (g) aynı değer	−285.8 ve −241.8
Hess’te ters çevirince ΔH aynı kalır	İşaret değişir
Oluşum denklemi 2 mol ürün verebilir	Tam 1 mol; gerekirse kesirli katsayı
Mg ile N → MgN	Yükleri dengele: $\mathrm{Mg_3N_2}$
Değerlik e⁻ = atom numarası	Ana grupta grup numarasının son hanesi

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

Which substance has a standard enthalpy of formation equal to zero at 25 °C?

O3(g)
H2O(l)
O2(g)
C(diamond)

Cevabı göster

O2(g)

Standart halindeki (en kararlı formdaki) elementlerin $\Delta H^\circ_f$ 'si tanım gereği 0'dır. Oksijenin standart hali $\mathrm{O_2(g)}$ ; ozon değil. Karbonun standart hali grafittir, elmas değil ( $+1.9$ kJ/mol).

Soru 2orta

Which equation represents the standard formation reaction of $\mathrm{NH_3(g)}$ ?

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)
½N2(g) + 3/2 H2(g) → NH3(g)
N(g) + 3H(g) → NH3(g)
NH4+(aq) → NH3(g) + H+(aq)

Cevabı göster

½N2(g) + 3/2 H2(g) → NH3(g)

Oluşum denklemi: 1 mol bileşik, standart hallerindeki elementlerden oluşur. Kesirli katsayı serbesttir. İlk seçenek 2 mol üretir (ΔH = 2ΔH°f), üçüncüde atomlar standart hal değildir.

Soru 3orta

Using standard enthalpies of formation, calculate $\Delta H^\circ$ for $\mathrm{C_3H_8(g) + 5O_2(g) \rightarrow 3CO_2(g) + 4H_2O(l)}$ . ( $\Delta H^\circ_f$ : C₃H₈ −103.8, CO₂ −393.5, H₂O(l) −285.8 kJ/mol)

Cevabı göster

−2219.9 kJ

$\Delta H^\circ = [3(-393.5) + 4(-285.8)] - [(-103.8) + 5(0)]$ $= -1180.5 - 1143.2 + 103.8 = -2219.9$ kJ. $\mathrm{O_2}$ element olduğu için 0.

Soru 4kolay

Calculate $\Delta H^\circ$ for $\mathrm{CaCO_3(s) \rightarrow CaO(s) + CO_2(g)}$ . ( $\Delta H^\circ_f$ : CaCO₃ −1206.9, CaO −635.1, CO₂ −393.5 kJ/mol)

−178.3 kJ
+178.3 kJ
−2235.5 kJ
+1971.3 kJ

Cevabı göster

+178.3 kJ

$\Delta H^\circ = [-635.1 + (-393.5)] - [-1206.9] = -1028.6 + 1206.9 = +178.3$ kJ. Endotermik: kireç yakmak için fırın ısıtılır.

Soru 5kolay

Calculate $\Delta H^\circ$ for the thermite reaction $\mathrm{2Al(s) + Fe_2O_3(s) \rightarrow Al_2O_3(s) + 2Fe(s)}$ . ( $\Delta H^\circ_f$ : Al₂O₃ −1675.7, Fe₂O₃ −824.2 kJ/mol)

Cevabı göster

−851.5 kJ

Al ve Fe element: 0. $\Delta H^\circ = -1675.7 - (-824.2) = -851.5$ kJ. Çok ekzotermik; demiri eritecek kadar ısı çıkar.

Soru 6orta

Given: $\mathrm{C(s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)}$ , $\Delta H = -393.5$ kJ and $\mathrm{CO(g) + \tfrac12 O_2(g) \rightarrow CO_2(g)}$ , $\Delta H = -283.0$ kJ. Find $\Delta H$ for $\mathrm{C(s) + \tfrac12 O_2(g) \rightarrow CO(g)}$ .

Cevabı göster

−110.5 kJ

Birinci denklemi aynen al, ikinciyi ters çevir (CO sağa geçsin): $\mathrm{C + O_2 \rightarrow CO_2}$ (−393.5) ve $\mathrm{CO_2 \rightarrow CO + \tfrac12 O_2}$ (+283.0).
Topla: $\mathrm{CO_2}$ sadeleşir, $\mathrm{O_2}$ 'den yarısı kalır: $-393.5 + 283.0 = -110.5$ kJ.

Soru 7zor

Use the combustion data to find $\Delta H^\circ_f$ of acetylene, $\mathrm{C_2H_2(g)}$ :
(1) $\mathrm{C_2H_2(g) + \tfrac52 O_2(g) \rightarrow 2CO_2(g) + H_2O(l)}$ , $\Delta H = -1299.6$ kJ
(2) $\mathrm{C(s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)}$ , $\Delta H = -393.5$ kJ
(3) $\mathrm{H_2(g) + \tfrac12 O_2(g) \rightarrow H_2O(l)}$ , $\Delta H = -285.8$ kJ

Cevabı göster

+226.8 kJ/mol

Hedef: $\mathrm{2C(s) + H_2(g) \rightarrow C_2H_2(g)}$ .
(2)×2: −787.0. (3)×1: −285.8. (1) ters: +1299.6.
Toplam: $-787.0 - 285.8 + 1299.6 = +226.8$ kJ. $\mathrm{CO_2}$ , $\mathrm{H_2O}$ ve $\mathrm{O_2}$ sadeleşir.

Soru 8zor

The enthalpy of combustion of liquid ethanol is −1366.8 kJ/mol: $\mathrm{C_2H_5OH(l) + 3O_2(g) \rightarrow 2CO_2(g) + 3H_2O(l)}$ . Find $\Delta H^\circ_f$ of ethanol.

Cevabı göster

−277.6 kJ/mol

$\Delta H^\circ_{\text{yan}} = [2(-393.5) + 3(-285.8)] - \Delta H^\circ_f(\text{etanol})$ $-1366.8 = -1644.4 - x \Rightarrow x = -1644.4 + 1366.8 = -277.6$ kJ/mol.

Soru 9orta

Using $\Delta H^\circ_f$ values (CH₄ −74.8, CO₂ −393.5, H₂O(l) −285.8 kJ/mol), how much heat is released when 1.00 kg of methane burns completely to $\mathrm{CO_2(g)}$ and $\mathrm{H_2O(l)}$ ?

Cevabı göster

5.55 × 10^4 kJ

$\Delta H^\circ_{\text{yan}} = [-393.5 + 2(-285.8)] - [-74.8] = -890.3$ kJ/mol. $1000/16.043 = 62.33$ mol. $62.33 \times 890.3 = 5.55\times10^4$ kJ açığa çıkar.

Soru 10kolay

How many valence electrons does a phosphorus atom have, as shown in its Lewis symbol?

Cevabı göster

P grup 15'te: $3s^2 3p^3$ , 5 değerlik elektronu. Lewis sembolünde P'nin çevresine 5 nokta konur. 15 toplam elektron sayısıdır.

Soru 11orta

What is the formula of the ionic compound formed between magnesium and nitrogen?

MgN
Mg2N3
Mg3N2
MgN2

Cevabı göster

Mg3N2

Mg 2 elektron verir: $\mathrm{Mg^{2+}}$ . N 3 elektron alır: $\mathrm{N^{3-}}$ . Yükler dengelenmeli: $3(+2) + 2(-3) = 0$ → $\mathrm{Mg_3N_2}$ .

Soru 12orta

In the Lewis structure of $\mathrm{CO_2}$ , how many valence electrons are there in total, and how many lone pairs are on each oxygen?

Cevabı göster

16 electrons; 2 lone pairs on each O

Toplam: $4 + 2(6) = 16$ . Yapı O=C=O: iki çift bağ 8 elektron kullanır, kalan 8 elektron her O'ya 2 ortaklanmamış çift olarak dağılır. Her atomda oktet tamam.

Doğrulama: Bütün sayısal cevaplar node ile hesaplandı (verify/CHE1001/07.mjs); ΔH°f değerleri (kJ/mol, 298 K) dosyadaki tablodan: CO2(g) −393.5, H2O(l) −285.8, H2O(g) −241.8, CH4(g) −74.8, C3H8(g) −103.8, NH3(g) −46.11, NO(g) +90.25, CaCO3(s) −1206.9, CaO(s) −635.1, Fe2O3(s) −824.2, Al2O3(s) −1675.7.

Deftere not kartı

Standart hal: 1 bar, belirtilen T (genelde 25 °C), en kararlı form ΔH°f: 1 mol bileşik, standart haldeki ELEMENTLERDEN elementlerin ΔH°f = 0 O2(g), N2(g), H2(g), C(grafit), Br2(l), Hg(l) → 0; O3, C(elmas), H(g) → 0 DEĞİL ΔH°tep = Σ n·ΔH°f(ürünler) − Σ n·ΔH°f(reaktifler) katsayıyla çarp! Hess: ΔH yol bağımsız → denklemleri topla, ΔH'leri topla Ters çevir → işaret değiştir; × k → ΔH × k Hedef denklemde istenen tarafta olmayan türleri ters çevirerek sadeleştir Lewis sembolü: değerlik e− = grup no (ana grup, 1-2, 13-18'de son hane) İyonik bağ: metal e− verir, ametal alır; formülde yükler toplamı 0 Kovalent bağ: ametaller e− ortaklaşır; oktet: 8 e− (H: 2) Lewis yapısı adım 1: toplam değerlik e− say (anyon +, katyon −)