ekzotermik bir tepkimede düşük sıcaklıkta ürünler aynı koşullardaki girenlerden neden daha kararlı?

Kısa cevap: Hayır, ekzotermik olması ürünlerin her zaman "daha kararlı" olduğu anlamına gelmez. Ekzotermik, yalnızca entalpinin düştüğünü (ΔH < 0) söyler. Bir tepkimenin kendiliğinden yürüyüp yürümediğine ve dengede hangi tarafın ağır bastığına ise Gibbs serbest enerjisi karar verir. İşte sıcaklık da burada devreye giriyor.

Kararlılığı ölçen büyüklük şu: ΔG = ΔH − TΔS. ΔG negatifse ürünler, aynı koşullardaki girenlerden termodinamik olarak daha kararlıdır. Yani "kararlı" derken aslında serbest enerjisi düşük olanı kastediyoruz, entalpisi düşük olanı değil.

Şimdi iki terime bakalım:

• ΔH < 0 (ekzotermik): Bu terim ΔG'yi negatife iter, yani ürünlerin lehine çalışır.
• −TΔS: Entropi artıyorsa (ΔS > 0) bu terim de negatiftir ve ürünlere yardım eder. Entropi azalıyorsa (ΔS < 0) bu terim pozitiftir ve sıcaklık arttıkça büyür, ΔG'yi pozitife çekmeye çalışır.

Sonuç olarak ekzotermik ama entropisi azalan bir tepkimede (örneğin birkaç molekülün birleşip tek molekül oluşturması) durum sıcaklığa göre değişir:

• Düşük sıcaklıkta TΔS küçüktür, ΔH baskındır, ΔG negatiftir. Ürünler daha kararlıdır.
• Yüksek sıcaklıkta TΔS büyür ve ΔH'yi geçebilir, ΔG pozitif olur. Bu durumda girenler daha kararlı hale gelir, tepkime tersine kayar.

Yani sorunuzdaki ifade "ekzotermik tepkimede düşük sıcaklıkta ürünler daha kararlıdır" şeklindeyse, bu her ekzotermik tepkime için değil, ΔS < 0 olanlar için geçerli bir sonuçtur. Eşik sıcaklık kabaca T = ΔH/ΔS noktasıdır, bu noktada ΔG = 0 olur ve denge her iki yöne de eşit eğilimlidir.

Bir de tersini düşünün: ekzotermik ve entropisi artan (ΔS > 0) bir tepkimede iki terim de aynı yöne çalışır, ΔG her sıcaklıkta negatiftir. Bu tepkimelerde sıcaklığı oynatmak ürünlerin kararlılığını bozmaz.

Mutfaktan tanıdık bir örnek vereyim, kafanızda otursun: jelatin ya da pektinin jel yapması. Dağınık zincirler birbirine bağlanıp düzenli bir ağ kurarken entropi düşer, ama bağ oluşumu enerji verir. Soğukta jel kararlıdır, ısıtınca TΔS ağır basar ve jel çözülür. Reçelin soğuyunca kıvam tutması, sıcakken akışkan olması bu yüzden. Kısacası "ekzotermik = hep kararlı" kuralı yok, sıcaklık terazinin diğer kefesine oturuyor.

Bir not daha: kararlılık (termodinamik) ile tepkimenin hızı (kinetik) ayrı konulardır. ΔG negatif olsa bile aktivasyon enerjisi yüksekse tepkime gözle görülür hızda yürümeyebilir.