Bağ Enerjileriyle Tepkime Entalpisinin Hesaplanması

Bağ Enerjisi Kavramı

Standart koşullarda gaz hâlinde bulunan taneciklerde 1 mol kimyasal bağın kırılması için gereken enerjiye bağ enerjisi denir. Bağ enerjisi kJ/mol veya kkal/mol birimleriyle ifade edilir. Atomlar, daha düşük enerjiye ve daha kararlı bir duruma ulaşmak için aralarında bağ oluştururlar; bu nedenle bağ enerjisi, bir molekülün kararlılığının önemli bir göstergesidir.

Bağ oluşumu sırasında atomlar bağ yapacak şekilde bir araya gelir ve enerji açığa çıkar. Bağ kırılması ise enerji isteyen bir olaydır ve bu olay sırasında çevreden enerji alınır. Bir kimyasal bağı kırmak için gereken en düşük enerji miktarı, aynı bağın oluşumu sırasında açığa çıkan enerji miktarına eşittir. Bağ enerjisi maddenin gaz fazında ölçülür; gaz fazında tanecikler arasındaki etkileşimler çok düşük olduğundan ölçülen enerji değişimi sadece bağ enerjisini gösterir. Bu bağlamda fotosentez sürecinde güneş ışığındaki enerji, glikoz ve oksijen moleküllerindeki bağlarda depolanırken; solunum sürecinde bu bağların kırılmasıyla enerji açığa çıkar.

Entalpi ve Tepkime Entalpisi Kavramları

Bir sistemin toplam enerjisini ifade eden kavrama entalpi denir ve H ile gösterilir. Bir maddenin atom ve moleküller arası elektriksel kuvvetleri ile atom çekirdeğindeki kuvvetlere potansiyel enerji; taneciklerin öteleme, dönme ve titreşim hareketlerine bağlı olarak sahip olduğu enerjiye ise kinetik enerji denir. Kinetik ve potansiyel enerjilerin toplamı, maddenin entalpisini (ısısını) oluşturur. Sabit basınç altında gerçekleşen tepkimelerdeki ısı değişimi entalpi değişimi ile ifade edilir; sabit basınç altında kimyasal bir tepkimedeki ısı değişimine tepkime entalpi değişimi denir ve ΔH_Tepkime ile gösterilir:

• ΔH > 0 ise tepkime endotermiktir (çevreden ısı alan).
• ΔH < 0 ise tepkime ekzotermiktir (çevreye ısı veren).

Bağ Enerjilerinden Tepkime Entalpisinin Hesaplanması

Bir tepkime gerçekleşirken tepkenlerdeki bağlar kırılır ve ürünlerde yeni bağlar oluşur. Tepkime entalpisi (ΔH), bir tepkimede bağların kırılması sırasında alınan toplam enerji ile bağların oluşumu sırasında verilen toplam enerji arasındaki farka eşittir. Buna göre gaz fazında gerçekleşen tepkimelerde tepkime entalpisi ile kırılan ve oluşan bağ enerjileri arasındaki bağıntı şu şekildedir:

ΔH_Tepkime = ΣKırılan bağ enerjisi − ΣOluşan bağ enerjisi

Örneğin H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O(g) tepkimesinin entalpi değişimi, H-H (436 kJ/mol), O-H (464 kJ/mol) ve O=O (498 kJ/mol) bağ enerjileri kullanılarak şöyle hesaplanır: ΔH = (436 + 1/2 × 498) − (2 × 464) = −243 kJ/mol. Sonucun negatif olması tepkimenin ekzotermik olduğunu gösterir.

Endotermik ve Ekzotermik Tepkimelerde Bağ ve Potansiyel Enerji İlişkisi

Atomlar, daha kararlı hâle geçmek ve düşük enerjili moleküller meydana getirmek için aralarında bağ yaparlar; bu sırada ortama, bağ enerjisine eş değer bir enerji verirler. Bu enerjinin büyüklüğü bağın kararlılığının bir göstergesidir: bağ enerjisi yüksek olan bağlar daha kararlı bağlardır.

Endotermik tepkimelerde: ΣKırılan bağların enerjisi > ΣOluşan bağların enerjisi; ΣTepkenlerin potansiyel enerjisi < ΣÜrünlerin potansiyel enerjisi. Kırılan bağların enerjisi oluşan bağların enerjisinden yüksek olduğundan tepkenlerin kararlılığı ürünlere göre fazla, potansiyel enerjisi azdır. Tepkenlere verilen enerji bağların kırılmasını sağlar ve yüksek potansiyel enerjili kararsız ürün tanecikleri oluşur; tepkenler daha yüksek enerjili ürünlere dönüşürken çevresinden enerji alır ve ΔH'nin işareti (+) olur.

Ekzotermik tepkimelerde: ΣKırılan bağların enerjisi < ΣOluşan bağların enerjisi; ΣTepkenlerin potansiyel enerjisi > ΣÜrünlerin potansiyel enerjisi. Oluşan bağların enerjisi kırılan bağların enerjisinden yüksek olduğundan ürünlerin kararlılığı tepkenlere göre fazla, potansiyel enerjisi azdır. Yüksek potansiyel enerjili tepkenlerdeki bağların kırılması ile düşük potansiyel enerjili kararlı ürün tanecikleri oluşur; tepkenler daha düşük enerjili ürünlere dönüşürken çevresine enerji verir ve ΔH'nin işareti (−) olur.

Özet

• Bağ enerjisi, gaz hâlindeki 1 mol kimyasal bağın kırılması için gereken enerjidir; bağ kırılması enerji ister (endotermik), bağ oluşumu enerji açığa çıkarır (ekzotermik).
• Entalpi (H), bir sistemin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamıdır; sabit basınçtaki ısı değişimi tepkime entalpisi (ΔH) ile ifade edilir: ΔH>0 endotermik, ΔH<0 ekzotermiktir.
• Tepkime entalpisi ΔH_Tepkime = ΣKırılan bağ enerjisi − ΣOluşan bağ enerjisi formülüyle hesaplanır; endotermik tepkimelerde kırılan bağ enerjisi toplamı oluşandan büyük (tepkenler daha kararlı), ekzotermik tepkimelerde ise oluşan bağ enerjisi toplamı kırılandan büyüktür (ürünler daha kararlı).