Isılkimya
Isılkimya, Bir kimyasal tepkime ya da evre değişikliği gerçekleştiğinde oluşan enerji değişikliklerini inceleyen fiziksel bilim dalı. Enerji değişikliği, çoğunlukla, bir tepkimede kimyasal bağın kopmasından ya da oluşmasından ileri gelir; bu enerji değişikliğine "tepkime ısısı" denir. Bir kimyasal bağ koptuğunda ısı soğurulur; bir kimyasal bağ oluştuğundaysa enerji açığa çıkar. Isı biçiminde enerji salan tepkimelere ısıveren tepkime, ısı soğuran tepkimelere ise ısıalan tepkime denir.
İş ile ısı arasındaki ilişki araştırıldığında, bunların her ikisinin de birer enerji biçimi olduğu ortaya konmuş, en önemli araştırmaları 1840-1850 arasında yürüten James Prescott Joule, mekanik işin ısıya çevrilebileceğini bulmuştur. Daha sonra ısı, kalori olarak ölçülmüş (kısaltması cal olan kalori, 1 gram suyun sıcaklığını 1 °C yükseltmek için gerekli ısı miktarı olarak tanımlanır) ve daha önce newtonmetre olan iş birimi, Joule'ün adıyla anılmaya başlanmıştır. Bu iki birim arasında şöyle bir ilişki vardır: 1 kalori = 4,184 joule. Ayrıca, Joule, enerjinin yok olmuş gibi göründüğü zaman bile gerçekte başka bir enerji biçimine dönüştüğünü de bulmuş, çalışmaları, enerjinin korunumu yasasının ortaya konmasına yol açmıştır. Bu yasaya göre, enerji ne yaratılabilir ne de yok edilebilir; ama başka biçimlere dönüştürülebilir. Enerjinin korunumu yasası, termodinamiğin birinci yasasını tanımlama yollarından biridir ve ısılkimyanın temel kavramlarına dayanak oluşturur.
Tepkime ısısı. Tepkimeye giren maddelerin tepkime sırasında saldıkları ya da soğurdukları ısı miktarına tepkime ısısı denir. Bir ısıölçerde doğrudan deneysel ölçümler yapılabilir. Isı değişikliği, (Delta)H simgesiyle gösterilir ve tepkime ısı salıyorsa (ısıverense) eksi işaretiyle, ısı soğuruyorsa (ısıalansa) artı işaretiyle belirtilir. Sözgelimi, hidrojen havada yanarak su oluşturur: H2(g) + 1/2 O2(g) -> H2O(l) (Delta)H = - 68,32 kcal.
Bu tepkime ısıverendir; her mol hidrojen (ya da su) için 68,32 kcal ısı üretir. Su, elektrolizle yeniden öğelerine ayrılsaydı, her mol için 68,32 kcal ısı soğurulurdu. Oluşma ısısı. Elementlerden bir bileşik oluştuğunda, bir mol oluşturan tepkimenin ısısı,"molar oluşum ısısı" (Delta H) diye adlandırılır. Bu nicelik, bileşiğin kararlılığının pratik bir göstergesidir. Bileşiklerin çoğunun oluşum ısıları eksidir; çünkü oluşmaları sırasında enerji açığa çıkar.
Eksi oluşum ısısı yüksek olan bileşikler çok kararlıdır. Oluşum ısısı (ister artı,ister eksi) düşük olan bileşikler genellikle kararsızdırlar ve çoğunlukla kolayca bozu-nur ya da kolayca tepkimeye girerler. Oluşum ısısı büyük ve artı olan bileşikler, şiddetle tepkimeye girebilir ya da patlamayla bozunabilirler; çünkü içlerinde büyük miktarlarda enerji depolanmıştır.
Yanma ısısı. Bir maddenin yanma ısısı (Delta HC), o maddenin bir molünün tam yanmasıyla açığa çıkan tepkime ısısıdır. Sözgelimi, hidrojenin yanma ısısı, suyun oluşum ısısıyla aynıdır, yani -68,32 kcal'dir. Çeşitli yakıtların yanma verileri, ısı/enerji sistemleri geliştiren mühendisler için önem taşır.
Tepkime ısısının belirlenmesi. Bir tepkimenin ısısını ya da (Delta)H entalpisi değişikliğini hesaplamak için, tepkimeye giren maddelerin ısı içeriği belirlenir ve ısı içeriklerinden çıkarılır. Havada yanarak su ve karbon dioksit oluşturan propan (C3 H8) ele alındığında, maddelerin ısı içeriği, oluşum ısılarının, tepkimeye giren her maddenin mol sayısıyla çarpımıdır.
Öbür ısılkimyasal değerler. Bir tepkimenin AS entropisindeki değişiklik, ürünlerin entropisinden tepkimeye giren maddelerin entropisi çıkarılarak bulunur. Yukardaki tepkime için, her maddenin entropisine ilişkin değerler termodinamik tablolarında bulunabilir ve bu değerler, cal/mol-derece olarak şöyledir: Propan, 64,50; oksijen, 49,00; karbon dioksit, 51,06; su, 16,72. Öyleyse, propanın yanmasıyla ilgili (Delta)S, -89,44 cal/molderecedir.
Bu tepkime için belirlenebilecek başka bir özellik de serbest enerji değişikliğidir. Bu niceliği ilk olarak 1875'te ABD'li fizikçi Josiah Willard Gibbs, bir sistemde (değişmez sıcaklık ve basınçta) yararlı işe dönüştürülebilen enerji miktarı olarak tanımlamıştır. Söz konusu miktar maddelerin en son ve başlangıçtaki serbest enerjileri arasındaki farklara ya da (Delta)G = H—T(Delta)S formülüne göre hesaplanabilir; burada T, mutlak sıcaklıktır (25 °C = 298K). Propanla ilgili örnekte (Delta) G, -530,61 - 298 (-0,08744) - -503,96 kcal/mol'dür. Bu sonucun anlamı, propanın yanmasıyla büyük miktarda iş elde edilebileceğidir. Genel olarak, serbest enerji değişikliği büyük ve eksi olan tepkimeler, kendiliğinden tepkimelerdir; yani, dışardan ek kimyasal enerji katılmadan oluşma eğilimi gösterirler.