Soru:
CH₄(g) + 4Cl₂(g) → CCl₄(g) + 4HCl(g) tepkimesinde 0,1 mol CH₄ gazı harcandığında meydana gelen entalpi değişimi değeri kaç kJ’dür? Aşağıdaki bağ enerjileri verilmiştir:
| Bağ | Ortalama Bağ Enerjisi (kJ/mol) |
|---|---|
| C–H | 414 |
| Cl–Cl | 242 |
| C–Cl | 338 |
| H–Cl | 432 |
Çözüm:
Bu tür bağ enerjisiyle ilgili sorularda entalpi değişimini bulmak için şu formülü kullanırız:
1. Kırılan Bağlar (Reaktantlar):
-
CH₄ molekülünde 4 adet C–H bağı kırılıyor:
4 \, \text{C–H}4 \cdot 414 = 1656 \, \text{kJ} -
Cl₂ molekülünde 4 adet Cl–Cl bağı kırılıyor:
4 \, \text{Cl–Cl}4 \cdot 242 = 968 \, \text{kJ}
Toplam kırılan bağ enerjisi:
2. Oluşan Bağlar (Ürünler):
-
CCl₄ molekülünde 4 adet C–Cl bağı oluşuyor:
4 \, \text{C–Cl}4 \cdot 338 = 1352 \, \text{kJ} -
4 HCl molekülünde 4 adet H–Cl bağı oluşuyor:
4 \, \text{H–Cl}4 \cdot 432 = 1728 \, \text{kJ}
Toplam oluşan bağ enerjisi:
3. Entalpi Değişimini Hesaplayalım:
4. 0,1 Mol için Hesaplama:
1 mol CH₄ gazı için entalpi değişimi:
0,1 mol CH₄ gazı için entalpi değişimi:
Cevap:
Doğru seçenek B) -45,6 kJ.
Özet Tablo:
| Adım | Bağ Enerjisi (kJ/mol) | Hesaplama |
|---|---|---|
| Kırılan C–H bağları | 414 (4 bağ) | 414 \cdot 4 = 1656 |
| Kırılan Cl–Cl bağları | 242 (4 bağ) | 242 \cdot 4 = 968 |
| Oluşan C–Cl bağları | 338 (4 bağ) | 338 \cdot 4 = 1352 |
| Oluşan H–Cl bağları | 432 (4 bağ) | 432 \cdot 4 = 1728 |
| ΔH Hesaplama | \Delta H = 2624 - 3080 = -456 \, \text{kJ} | Sonuç: -456 kJ |
| 0.1 Mol için ΔH | -456 \cdot 0.1 | -45,6 \, \text{kJ} |
CH₄(g) + 4Cl₂(g) → CCl₄(g) + 4HCl(g) tepkimesinde 0,1 mol CH₄ gazı harcandığında entalpi değişimi kaç kJ’dır?
Cevap:
İçindekiler
1. Problemin Genel Bakışı
Bu soruda, verilen ortalama bağ enerjilerini kullanarak metan (CH₄) ve klor moleküllerinin (Cl₂) tepkimesinden karbon tetraklorür (CCl₄) ve hidrojen klorür (HCl) oluştuğunda açığa çıkan veya soğurulan entalpiyi (ΔH) hesaplayacağız. Sorunun sonunda 0,1 mol CH₄ için hesaplanmış değeri bulmamız isteniyor.
2. Bağ Enerjisi Kavramı
Bağ enerjisi, bir kimyasal bağın koparılması veya oluşumunda rol oynayan ortalama enerjidir. Reaksiyon entalpisi (ΔH), kırılan bağların toplam enerjisi ile oluşan bağların toplam enerjisi arasındaki farka eşittir:
$
\Delta H_{\text{reaksiyon}} = \sum(E_\text{kırılan bağlar}) - \sum(E_\text{oluşan bağlar})
$
Eğer bağların oluşumunda açığa çıkan enerji, kırılan bağlara harcanan enerjiden fazlaysa reaksiyon ekzotermik (ΔH < 0) olur; tersi durumda endotermik (ΔH > 0) gerçekleşir.
3. Adım Adım Çözüm
3.1. Tepkimede Kırılan Bağlar
Reaksiyonda giren maddeler:**
- 1 mol CH₄:
- CH₄ molekülünde 4 adet C-H bağı bulunur. Bağ enerjisi 414 kJ/mol.
- 4 mol Cl₂:
- Her Cl₂ molekülünde 1 adet Cl-Cl bağı vardır. Bağ enerjisi 242 kJ/mol.
- 4 mol Cl₂ → toplam 4 adet Cl-Cl bağı kırılır.
Kırılan Bağların Toplam Enerjisi
- C–H bağları: 4 × 414 = 1656 kJ
- Cl–Cl bağları: 4 × 242 = 968 kJ
Kırılan bağların toplam enerjisi:
$
E_{\text{kırılan}} = 1656 + 968 = 2624\ \text{kJ (1 mol CH₄ için)}
$
3.2. Tepkimede Oluşan Bağlar
Reaksiyon ürünleri:
- 1 mol CCl₄:
- CCl₄ molekülünde 4 adet C-Cl bağı vardır. Bağ enerjisi 338 kJ/mol.
- 4 mol HCl:
- Her HCl molekülünde 1 adet H-Cl bağı vardır. Bağ enerjisi 432 kJ/mol.
- 4 mol HCl → toplam 4 adet H-Cl bağı oluşur.
Oluşan Bağların Toplam Enerjisi
- C–Cl bağları: 4 × 338 = 1352 kJ
- H–Cl bağları: 4 × 432 = 1728 kJ
Oluşan bağların toplam enerjisi:
$
E_{\text{oluşan}} = 1352 + 1728 = 3080\ \text{kJ (1 mol CH₄ için)}
$
3.3. ΔH (Reaksiyon Entalpisi) Hesaplanması
Reaksiyon entalpisi:
$
\Delta H = E_{\text{kırılan}} - E_{\text{oluşan}}
$
$
\Delta H = 2624 - 3080 = -456\ \text{kJ (1 mol CH₄ için)}
$
Bu değer, 1 mol CH₄ reaksiyona girdiğinde ortaya çıkan entalpidir. Ancak soru, 0,1 mol CH₄ için entalpi değişimini istemektedir:
$
\Delta H_{\text{0,1 mol}} = -456\ \text{kJ/mol} \times 0,1\ \text{mol} = -45,6\ \text{kJ}
$
Bu da ekzotermik bir tepki olduğunu (enerji açığa çıktığını) gösterir.
4. Özet Tablo
| İşlem | Bağ Türü | Bağ Enerjisi (kJ/mol) | Miktar (Adet) | Toplam Enerji (kJ) |
|---|---|---|---|---|
| Kırılan Bağlar | C–H | 414 | 4 | 1656 |
| Cl–Cl | 242 | 4 | 968 | |
| Kırılan Bağlar Toplam | - | - | 2624 | |
| Oluşan Bağlar | C–Cl | 338 | 4 | 1352 |
| H–Cl | 432 | 4 | 1728 | |
| Oluşan Bağlar Toplam | - | - | 3080 | |
| Net Reaksiyon Entalpisi (1 mol CH₄) | - | - | 2624 − 3080 = -456 | |
| Net Reaksiyon Entalpisi (0,1 mol CH₄) | - | - | -45,6 |
5. Sonuç ve Değerlendirme
Bu hesaplamalar sonucunda, (CH₄ + 4Cl₂ → CCl₄ + 4HCl) tepkimesinde 1 mol CH₄ molekülü için ΔH = -456 kJ, 0,1 mol CH₄ için ise ΔH = -45,6 kJ bulunur. Soru, tepkime sırasında 0,1 mol CH₄ kullanıldığında reaksiyonun entalpi değişimini sorduğundan doğru cevap -45,6 kJ (yani seçenekte genellikle B) olur.
Özetle, bu tepkimedeki toplam kırılan bağ enerjisi (2624 kJ) ve oluşan bağ enerjisi (3080 kJ) farkı sonucu tepkimenin ekzotermik olduğu anlaşılır. Böylece, 0,1 mol CH₄ için -45,6 kJ entalpi değişimi hesaplanır.