GAZLARIN GENEL ÖZELLİKLERİ

Transkript

1 GAZLARIN GENEL ÖZELLİKLERİ Maddeler katı,sıvı ve gaz fazında olmak üzere üç halde bulunabilirler. Yüzyıllar boyunca kimya bilimi maddenin bu üç haliyle ilgilenmiştir. Son yıllarda ise maddenin dördüncü hali olan plazma hali de dikkate alınmaktadır. Etrafımızı çevreleyen hava bir gaz karışımıdır. Maddeler ister katı,ister sıvı,isterse gaz olsun, tanecikli yapıdadır. Katı ve sıvılarda tanecikler arasındaki uzaklıklar çok küçük, gazlarda ise tanecikler arasındaki uzaklık çok büyüktür. Maddenin üç halden herhangi birinde bulunması, sıcaklık ve basınca bağlıdır. Örneğin, demir oda koşullarında (5 0 C sıcaklık ve 1 atmosfer basınç) katı halde, su sıvı halde, oksijen ise gaz halindedir. Şekil. Maddenin a) katı hali b) sıvı hali c) gaz hali Maddenin gaz fazında tanecikler rastgele hareket halindedirler. Belirli bir basınçta tanecikler birbirlerinden yeteri kadar uzakta bulunurlar ve birbirleriyle ve kap çeperleriyle çarpışmaları haricinde doğrusal hareket yaparlar. Gaz taneciklerinin belirli bir şekil ve belirli bir hacmi yoktur. Taneciklerin kinetik enerjileri, tanecikler arasındaki çekim kuvvetlerine üstün geldikleri için bulundukları kap içerisinde her yöne serbestçe hareket edebilirler. Bu nedenle bulundukları kabın her tarafına yayılırlar ve şekilleri de kabın şekli olur. Gazlar bulundukları kabı dolduran akışkan özellikteki maddelerdir. Gazlar konuldukları kabın her tarafına homojen bir şekilde yayılır. Gazlar, birbirleriyle her oranda karışabilirler ve tek bir gazın yalnız başına işgal ettiği hacmi birlikte doldururlar. Gaz tanecikleri arasındaki uzaklıklar oldukça fazladır. Bu nedenle belirli bir hacim içerisinde bulunan gaz tanecikleri sayısı çok az olur. Bu nedenle birim hacme düşen kütle miktarı çok az olur. Başka bir deyişle özkütleleri çok düşüktür. Gaz tanecikleri arasındaki uzaklıklar çok fazla olduğu için bulundukları kabın büyük bir kısmı boşluktur. Üzerlerine bir basınç uygulandığında kolayca sıkıştırılabilirler. Katı ve sıvılar pratikte sıkıştırılamazken, gazlar sıkıştırılabilirler.bunun nedeni, tanecikler arasındaki uzaklığın çok büyük olmasıdır. Gazların sıkıştırılabilme özelliğinden dolayı hacimleri büyük değişime uğrar. Taneciklerin kinetik enerjilerindeki artış, tanecik hızlarının artmasına neden olur. Bulundukları kap esnek ise kabın çeperlerine yaptıkları çarpma sayısındaki artış nedeniyle genleşirler. Genleşme sırasında taneciklerin hacimleri değil, bulundukları kabın hacminde bir artış olur. Bunun için tanecikler arasındaki uzaklığın artmış olması gerekir. Gaz tanecikleri sürekli hareket halindedir. Hareket halindeki gaz molekülleri,birbirleriyle ve bulundukları kabın çeperleriyle esnek çarpışmalar yapar. Bu çarpışmalarda, gaz taneciklerinin kinetik enerjileri değişir. Başka bir deyişle, bir kısmının Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 1

2 kinetik enerjisi artarken, bir kısmının kinetik enerjisi azalır. Ancak sıcaklık sabit kaldığı sürece sistemin toplam kinetik enerjisi değişmez. Gaz tanecikleri bulundukları kabın çeperlerine çarpar. Burada ortaya çıkan kuvvet gaz basıncı olarak bilinir. Bu kuvvet, taneciklerin hızından yani kinetik enerjiden kaynaklanır. Bu nedenle, kap içerisindeki molekül sayısının fazlalığı ve moleküllerin kinetik enerjilerinin fazlalığı, gaz basıncını da o oranda fazlalaştırır. KİNETİK KURAM Gazların katı ve sıvılara göre farklı olan davranışlarının nedenini açıklamak için kinetik kuram önerilmiştir.bu kurama göre: 1. Gazlar atom ya da molekül denilen taneciklerden oluşurlar. Tanecikler arasında büyük boşluklar vardır. Bu boşluklar,o kadar büyüktür ki taneciklerin öz hacimleri, kapladıkları hacim yanında önemsenmeyecek kadar küçük kalır. Bu nedenle, gazlar büyük miktarda sıkıştırılabilirler.. Gaz molekülleri birbirinden çok uzakta olduğundan, moleküller arası çekim kuvvetleri önemsenmeyecek kadar küçüktür. 3. Gaz molekülleri,her yöne doğru çok hızlı doğrusal hareket yapar. Moleküller kendi aralarında ve bulundukları kabın çeperleriyle sürekli çarpışırlar. Çarpışmalar sırasında taneciklerin hızları ve hareket yönleri değişir. Çarpışmalarda momentum korunur. Sistemin kinetik enerjisi korunur. 4. Moleküllerin kinetik enerjileri sadece sıcaklığa bağlıdır. Molekülün büyüklüğü ile ilgisi yoktur. Mutlak sıcaklık ile kinetik enerji doğru orantılıdır. 5. Molekül kütlelerine bağlı olmaksızın, aynı sıcaklıktaki tüm gazların moleküllerinin ortalama kinetik enerjileri de aynıdır. Kinetik kuram varsayımlarına uyan gazlara ideal gaz tanımlaması yaparken bu varsayımlara ihmal edilebilir farkla uyan gazları ideale yakın gaz şeklinde nitelendirebiliriz. Kinetik kuramdan yola çıkarak, gazlar için elde edilen bulgular deneylerle de doğrulanmaktadır. GAZLARIN DİFÜZYONU (YAYILMA HIZI) Gazlar tepkime vermeden biraraya geldiklerinde her oranda karışarak homojen karışımlar oluştururlar. Gazların birbiri içinde karışma ya da birbiri içinde yayılma özelliğine difüzyon denir. Gaz moleküllerinin küçük bir delikten yayılmalarına ise efüzyon adı verilir. Her iki işlemde de yayılma gaz taneciklerinin hızına bağlıdır. Gaz tanecikleri hızlandıkça diffüzyon da, effüzyon da hızlanır. İskoçyalı kimyacı Scott Graham, her iki işlemle ilgili yapmış olduğu deneylerde, aynı sıcaklık ve basınçta farklı gazların yayılma hızlarını(hem difüzyon hem de effüzyon için) karşılaştırmış ve özkütlelerinin kareköküyle ters orantılı olduğunu bulmuştur. Yayılma hızı α Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa

3 Graham difüzyon(ya da efüzyon) yasası farklı gazların aynı sıcaklık ve basınçtaki yayılma hızlarını karşılaştırmak için kullanılmaktadır. A ve B gazlarının yayılma hızları aynı sıcaklık ve basınçta karşılaştırılmak istendiğinde aşağıdaki gibi bir oran kullanılabilir. Gaz molekülleri bulundukları ortamda her tarafa yayılırlar. Gazların kinetik kuramına göre, gazların kinetik enerjileri (Ek), sadece mutlak sıcaklığa bağlıdır. Kinetik enerji sıcaklığa bağlı olarak, Ek 3 kt bağıntısı ile hesaplanır. k Boltzmann sabiti, T ise Kelvin olarak ölçülen mutlak sıcaklıktır. k R olarak ifade edilir. R gaz sabitidir. 6,0x103 Tek bir molekülün sıcaklığını ölçmek mümkün değildir. Ölçülen sıcaklıklar ortalama değerdir. Eğer iki ayrı gazın mutlak sıcaklıkları eşitse, moleküllerin ortalama kinetik enerjileri toplamı da eşit ( Ek1 Ek ) olmalıdır. Ek 1 mv bağıntısına göre de gaz moleküllerinin kinetik enerjisi, gazın molekül kütlesi (M A) ile moleküllerin hızına (v) bağlıdır. Ek 1 mv Ek ve 3 kt bağıntılarını birbirine eşitlersek, 1 3 mv kt ve bu eşitlikten v v R 3kT bulunur. k yerine değeri yazılırsa, m 6,0x103 3RT 6,0x103.m elde edilir. 3 m, bir tane molekülün kütlesi, 6,0x10.m ise molekül kütlesi olduğundan hız için, v 3RT MA bağıntısı elde edilir. Buradaki hız, taneciklerin ortalama hızıdır. Bu eşitliğe göre,aynı sıcaklıkta, taneciklerin ortalama hızları, molekül (mol) kütlelerinin karekökü ile ters orantılıdır. Gazların molekül kütleleri, özkütleleriyle doğru orantılı olduğundan, aynı sıcaklıkta, iki ayrı gazın yayılma hızları arasındaki bağıntı, 1 1 m1v1 mv Başka bir deyişle, denklem m1v1 mv v1 v MA MA1 v1 v m şeklinde ifade edilebilir. m1 d şeklinde de yazılabilir. d1 Aşağıdaki şekilde, NH3 ve HCl gazlarının birleşerek NH4Cl katısını oluşturduğu(beyaz halkanın oluştuğu bölge) tepkimenin gerçekleştiği bölgenin, gazların yayılma hızına bağlı olarak HCl'ye yakın olduğu görülmektedir. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 3

4 Gazların yayılma hızı aynı sıcaklık ve basınçta molekül kütlelerinin kareköküyle ters orantılıdır. Düşük molekül kütlesine sahip olan gazların yayılma hızı, yüksek molekül kütlesine sahip gazların yayılma hızlarından büyüktür. Örneğin mol kütlesi gram olan hidrojen gazının yayılma hızı, mol kütlesi 16 gram olan CH4 gazından yüksek olur. Örnek 1: Aynı sıcaklıktaki He gazının SO gazına göre yayılma hızını hesaplayınız. (He=4 g/mol, SO =64 g/mol) Çözüm: vhe v SO MA(SO ) vhe v SO MA(He ) 64 4 vhe 4 v SO Bu sonuca göre, aynı sıcaklıktaki SO gazı molekülleri, birim zamanda 1 birim yol alırken He gazı molekülleri 4 birim yol almaktadır. Birim zamanda SO gazı molekülleri 1 birim hacmi doldururken He gazı molekülleri 4 birim hacmi doldurur.başka bir deyişle, He gazı moleküllerinin ortalama hızı SO gazı moleküllerinin ortalama hızının 4 katıdır. Örnek : Aynı sıcaklıkta X gazının yayılma hızı, CH4 gazının yayılma hızının yarısı olduğuna göre, X gazının mol kütlesi nedir? ( CH4 =16) Çözüm: vx v CH4 MA(CH4 ) MA( X) 1 16 MA( X ) MA( X) MA(X) = 64 g/mol Örnek 3: Aynı sıcaklıkta, eşit hacimli kaplarda bulunan, eşit kütlelerdeki H ve CO gazlarının moleküllerinin ortalama hızlarını karşılaştırınız.(h=, CO=44) Çözüm: Verilen gazlardan eşit kütleler alındığında, mol kütlesi küçük olan H gazının mol sayısı büyük olur. Aynı sıcaklıkta mol kütlesi küçük olan gazın moleküllerinin ortalama hızı büyük olur. Gazların ortalama kinetik enerjilerini karşılaştırırsak, aynı sıcaklıkta eşit oldukları görülür. Örnek: CH4 ve SO gazlarının ortalama hızları ile ilgili, I C sıcaklıktaki CH4, 5 C sıcaklıktaki SO den daha hızlıdır II. 100 C sıcaklıktaki CH4, 5 C sıcaklıktaki SO den daha hızlıdır. III. 100 C sıcaklıktaki CH4, 5 C sıcaklıktaki CH4 dan daha hızlıdır. yargılarından hangileri doğrudur? GAZ BASINCI VE ÖLÇÜLMESİ Gazların fiziksel davranışlarını, onların dört özelliği belirler. Bu özellikler; gazın miktarı, gazın hacmi, sıcaklık ve basınçtır. Gaz basıncı (P), gaz moleküllerinin bulundukları kabın çeperlerine yaptıkları çarpmalardan ileri gelir. Birim yüzeye çarpan taneciklerin yüzeye etki ettirdikleri kuvvetlerin toplamı o yüzeye yapılan basıncı verir. Gaz basıncı P ile gösterilir. Basınç veya P= şeklinde gösterilir Gaz molekülleri bulundukları kap içerisinde her yöne aynı ortalama hızla hareket ederler. Bu nedenle, kabın birim yüzeyine çarpan molekül sayısı her tarafta ve her an aynı olur.bu yüzden kapalı bir kapta bulunan gaz, kabın çeperlerindeki her noktaya aynı basıncı yapar. Gaz molekülleri Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 4

5 kabın çeperlerine ne kadar sık ve hızlı çarparlarsa, basınçta o kadar büyük olur. Gazlar moleküllerin hareketleri nedeniyle basınç uyguladıklarından, gaz basıncına kinetik basınç denir. Gazın basıncı, birim hacimdeki tanecik sayısı, tanecik hızı ve çarpışma sayısıyla orantılı olarak değişir. Basıncın SI(uluslar arası birim sistemi) birimi newton/metrekare(n/m ) veya Paskal olarak tanımlanır. 1 Paskal = 1 N/m = 1 kg.m -1.s - AÇIK HAVA BASINCININ ÖLÇÜLMESİ Atmosfer adını verdiğimiz hava katmanının yeryüzüne uyguladığı basınca açık hava basıncı denir. Etrafımızı çeviren hava dokunduğu her şeye bir basınç uygular. Açık hava basıncını ölçmek için kullanılan araçlara barometre denir. Civa ile oluşturulmuş bir barometre örneği yandaki şekilde verilmiştir. Gazların basıncı genellikle atmosfer (atm) birimi ile ifade edilir. Deniz seviyesinde 76 cm cıva derinliğindeki basınç 1 atmosfer olarak tanımlanır. Gazların basıncı cıva sütununun yüksekliği verilerek belirtilebilir. Bu durumda deniz düzeyinde açık hava basıncı 760 mm ya da 1 atmosferdir denebilir. Barometredeki 1 mm Hg seviyesine, barometreyi bulan İtalyan fizikçi Evangelista Torricelli anısına 1 torr da denir. 1 mm Hg = 1 torr Kapalı kaplardaki gazların basıncını ölçmek için kullanılan araçlara manometre adı verilir. Manometreler yapıları bakımından kapalı ve açık uçlu manometreler olmak üzere iki türdür.bir ucu basıncı ölçülecek gazın bulunduğu kaba bağlı,diğer ucu açık olan manometreye açık uçlu manometre denir. Bir ucu basıncı ölçülecek gazın bulunduğu kaba bağlı, diğer ucu kapalı olan manometreye kapalı uçlu manometre denir. 1 atm = 760 mm Hg 1 bar = 10 5 Paskal 1 atm = N m - = Pa = 760 mm Hg Örnek: Torriçelli, açık hava basıncını ölçmek için yapmış olduğu deneyde aşağıda verilen borulardan hangisini kullansaydı başarısız olurdu? Neden? Kapalı uçlu manometre Kapalı uçlu manometrede cıva üzerinde kalan bölgede,aksi belirtilmedikçe, boşluk vardır. Bu manometrede,gaz basıncı ile kapalı uçtaki cıva sütununun dibine etki eden basınç dengelenir. Kapalı uçlu manometredeki gaz basıncı, iki koldaki cıva seviyeleri arasındaki farka (h) eşittir. Bu fark cm ya da mm Hg cinsinden gaz basıncıdır. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 5

6 Açık uçlu manometre Şekil.Kapalı uçlu manometre ( Pgaz P civa(h ) ) Açık uçlu manometrelerde gaz basıncı ile cıva sütunu ve cıva sütunu üzerine etkiyen açık hava basıncının dengelenmesi esastır. Bu nedenle, açık uçlu manometrelerde cıva sütunu yüksekliğini üç farklı şekilde ele almak gerekir. Şekil. Açık uçlu manometreler 1. Manometrenin her iki kolundaki cıva seviyesi eşit ise gaz basıncı ( P gaz ) ile açık hava basıncı ( P hava ) eşittir. P gaz=p hava. Manometrenin açık uçlu kolunda cıva yükselmiş ise gaz basıncı açık hava basıncından daha büyüktür. Gaz basıncı, açık hava basıncından yükselen cıva sütununun tabana uyguladığı basınç kadar büyüktür. P gaz=p hava+p cıva(h) ifadesi gazın basıncını belirtir. 3. Manometrede gaz kabının bağlı olduğu kolda cıva yükselmiş ise, açık hava basıncı gaz basıncından daha büyüktür. Gaz basıncı, yükselen cıva sütununun tabana uyguladığı basınç kadar açık hava basıncından küçüktür. P gaz=p hava - P cıva(h) Örnek: Şekilde verilen gazın bulunduğu ortamdaki açık hava basıncı 756 mm Hg olduğuna göre kapalı kap içerisindeki gazın basıncı kaç mm Hg olur? Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 6

7 Örnek: N gazı ile doldurulmuş bir balon ve bu balona bağlı manometredeki cıva seviyesi şekildeki gibidir. Deneyin yapıldığı ortamdaki açıkhava basıncı 74 cm Hg olduğuna göre, N gazının basıncı kaç cm Hg dir? Örnek: X gazının basıncı manometre ile yandaki şekildeki gibi ölçülmektedir. Buna göre ölçümün yapıldığı ortamda açık hava basıncı kaç h dir? Örnek: Şekildeki kaplarda bulunan gazların basınçlarını bulunuz. 7h cıva Boş X gazı h cıva HACİM Belirli miktardaki gazın hacminden bahsedilebilmesi için gazın sıcaklığı ve basıncının bilinmesi gerekir. Gazların hacimleri, bulundukları ortamda sıcaklık ve basınçtan, katı ve sıvılara göre daha fazla etkilenir. Gaz taneciklerinin arasındaki boşluklar oldukça fazladır ve gazın bu durumda hacminden bahsediliyor olabilmesi için kapalı bir ortamda bulunuyor olması gerekir. Gazlar bulundukları her hacimde yayılabilirler ve kabın her tarafına dağılırlar. Bu durumda bir gazın hacmi doldurduğu kabın hacmi kadar olacaktır. Laboratuvar koşullarında gaz hacimleri belirli bir basınç ve sıcaklıkta kapalı kaplarla ölçülür. Gaz hacmi için kullanılan birimler cm 3, dm 3, litre(l) ve ml'dir. MOL SAYISI Aynı sıcaklık ve basınçta tüm gazların eşit hacimlerinde aynı sayıda tanecik bulunur. Tanecik sayısı 6,0x10 3 ise, bu sayıya Avogadro sayısı dendiğini daha önceki bölümlerde öğrenmiştik. Bu kadar sayıda tanecik 1 moldür. Bir mol atom ya da molekül içeren bir gazın kütlesine o gazın mol kütlesi denir. Gazların mol sayıları, kütlelerinin mol kütlesine oranlanmasıyla elde edilir. SICAKLIK Bir maddenin sıcaklığı, taneciklerinin ortalama kinetik enerjisi ile orantılıdır. Gaz taneciklerinin sıcaklıkları artırıldığında daha hızlı hareket ederlerken, soğutulduklarında hareketleri yavaşlar. Gazların basınçları ve hacimleri sıcaklığa bağlı olarak değişen değerlerdir. Gazlarla ilgili ölçümlerde basınç ve hacim ile ilgili değerlendirme yapılırken sıcaklığında bilinmesi gereklidir. Gazlar için kinetik enerji mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır. Sıcaklık taneciklerin ortalama kinetik enerjisinin ölçüsüdür ve Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 7

8 termometre ile ölçülür. Kullanılan termometre çeşitine göre sıcaklık birimi kullanılır. Gazlarla ilgili hesaplamalarda Kelvin(K) cinsinden sıcaklık değeri kullanılacaktır. Kelvin(K) = Celcius( o C) + 73 Kelvin cinsinden sıcaklık değeri bulunurken o C cinsinden sıcaklık değerine 73 eklenecektir. GAZLARDA BASINÇ-HACİM İLİŞKİSİ(BOYLE-MARIOTTE YASASI) Gaz molekülleri arasında büyük boşluklar bulunması nedeniyle, gazlar büyük miktarda sıkıştırılabilir. Kapalı bir kapta bulunan gazın kapladığı hacim,gaz miktarı ve sıcaklık değişmeden değiştirilirse, birim hacime düşen molekül sayısı, dolayısıyla birim yüzeye çarpan molekül sayısı değişir. Bu da basıncın değişmesi demektir. Kabın hacmi küçültülürse, birim hacimdeki tanecik sayısı artacağından basınç artar. Kabın hacmi artırıldığında ise, birim hacimdeki tanecik sayısı azalacağından basınç azalır. Aşağıdaki grafikte gazların hacminin basınçla değişimi görülmektedir. Grafik. Sabit sıcaklıkta bir gazın hacmi, basıncıyla ters orantılıdır. Basınç ile hacim arasındaki ilişki ilk defa 166 yılında Robert Boyle tarafından açıklanırken, aynı yıllarda bu ilişkiye Fransız E. Mariotte de benzer deneyler yaparak dikkat çekmiştir. Gazların bu genel davranışı Boyle-Mariotte Yasası ile özetlenmiştir. Bu yasaya göre, sabit sıcaklıkta, kütlesi değişmeyen belirli miktardaki gazın hacmiyle basıncının çarpımı sabittir. Basınç P, hacim V ile gösterilirse, P x V = k(sabit) olur. Bu ifadeye göre, sabit sıcaklıkta kütlesi değişmeyen bir gazın basıncı hacmiyle ters orantılıdır. Buradan 1 V P bağıntısı yazılabilir. Gazın birinci durumdaki basınç (P 1) hacim (V 1) çarpımı, ikinci durumdaki basınç (P ) hacim (V ) çarpımına eşittir. Sabit sıcaklıkta, aynı miktar gaz örneği için farklı basınçlardaki hacim değerleri, P 1. V 1 = P. V = P 3. V 3 =. = P n. V n bağıntısı olarak yazılabilir. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 8

9 Yukarıdaki şekilde verilen P ve V değerleri aynı sıcaklıkta ve aynı miktar gaz için verildiğine göre, her durumda P. V değerinin aynı olduğu görülür. Örnek: Sabit sıcaklıkta kütlesi sabit olan X gazının basıncı atmosfer hacmi ise 0 litredir. X gazı, sabit sıcaklıkta, hacmi 4 litre oluncaya kadar sıkıştırılıyor. Bu durumda X gazının basıncı kaç atmosfer olur? Örnek: Şekilde kaplar arasındaki musluk, sabit sıcaklıkta açıldığında, CH 4 gazının basıncı 1 atmosfer ölçüldüğüne göre, musluk açılmadan önceki CH 4 gazının basıncı kaç atmosferdir? 8 gram CH 4 Boş 0 litre 4 litre GAZLARDA SICAKLIK-HACİM İLİŞKİSİ(CHARLES YASASI) Sabit basınç altında sıcaklığı değişen bir gazın hacmi de sıcaklığa bağlı olarak değişir yani gazlar ısıtıldıklarında genleşirler. Farklı katı maddelerin ya da farklı sıvı maddelerin genleşmeleri birbirinden farklı olabildiği halde genleşme farklı gazlar için aynı oranda gerçekleşir. Bu nedenle genleşme gazlar için ayırt edici özellik olarak kullanılamaz. Sabit basınç altında gazların genleşme katsayıları 0 0 C deki hacimlerinin kadardır. Yani, 0 0 C sıcaklıkta hacmi 73 cm 3 yükselttiğimizde hacmi 1 cm 3 artar. Bir gazın sabit basınç altında çeşitli sıcaklıklarda hacmi belirlenirse aşağıda verilen grafikteki gibi bir eğri elde edilir.grafikten de anlaşılacağı gibi kuramsal olarak, C sıcaklığında gazın hacminin sıfır olması gerekir. Ancak gazlar bu sıcaklığa gelmeden sıvı ya da katı hale geçeceğinden gazlar için böyle bir gözlemin yapılabilmesi olanaksızdır. 1 ü 73 gelen gazın sıcaklığını 1 0 C ye Grafik. 1 atmosfer basınçta, belirli miktar gazın sıcaklık hacim ilişkisi Kuramsal olarak gazın hacminin sıfır olduğu sıcaklık başlangıç noktası alınırsa yanda belirtilen grafik elde edilir C sıcaklığa mutlak sıfır noktası denir. Bu sıcaklıkta hiçbir madde gaz halinde bulunamaz. Çünkü, bu sıcaklıkta gaz molekülleri hareketsiz duruma gelir,basınç sıfır olur. Bu sıcaklık derecesi Kelvin (K) ölçeği için başlangıç noktasıdır. Santigrat derece türünden sıcaklık (t) ile kelvin derecesi (T) arasında T=73+t bağıntısı vardır. Sabit basınç altında, bir gazın hacim-sıcaklık grafiği bir doğru olduğuna göre; gazın hacmi sıcaklıkla doğru orantılı değişmelidir. Gazların sıcaklık karşısındaki bu davranışı Charles Yasası ile özetlenmiştir. Bu yasaya göre, sabit basınç altında kütlesi değişmeyen bir gazın hacmi, mutlak sıcaklığı ile doğru orantılı olarak değişir. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 9

10 Gazın birinci durumdaki hacmi V1,mutlak sıcaklığı T1, ikinci durumdaki hacmi V, mutlak sıcaklığı T ise Charles yasası; V1 T1 V T V1 V T1 T veya Yukarıdaki örnekte görüldüğü gibi her durumda şeklindeki formülle ifade edilir. oranı aynı kalmaktadır. Örnek: 0 0 Hacmi 6 litre olan X gazının 0 C sıcaklıktaki basıncı 1, atmosferdir. Basınç sabit tutularak sıcaklık 17 C yapılırsa gaz hacmi kaç litre olur? Örnek: 3 Serbest hareketli pistonla kapatılmış silindir içerisine 16 gram X gazı konulduğunda, hacim 150 cm olmaktadır. Kap 3 içerisindeki gaz bir süre ısıtıldığında hacim 5 cm ölçüldüğüne göre, mutlak sıcaklıktaki değişme için ne söylenebilir? GAZLARDA SICAKLIK - BASINÇ İLİŞKİSİ Gaz miktarı ve gazın içinde bulunduğu kabın hacmi değişmeden sıcaklık yükseltilirse, moleküllerin kinetik enerjisi artar. Kinetik enerjinin artması hem moleküllerin kabın iç yüzüne daha sık çarpmasına, hem de her çarpmanın daha etkili olmasına neden olur.hacmi sabit bir kapta gerçekleşen bu olayda, gazın sıcaklığı yükseltildiğinde basıncı artar. Gay-Lussac yasasına göre, sabit hacimli bir kaptaki bir miktar gazın basıncı, mutlak sıcaklığı ile doğru orantılıdır. o Hacim sıcaklık ilişkisinde olduğu gibi sıcaklık azaldıkça basınç düşecek ve kuramsal olarak -73 C sıcaklıkta basınç sıfır olacaktır. Hacim-sıcaklık başlangıç ilişkilerinde noktası 0-73 C belirtildiği alınarak gibi mutlak sıcaklıkla basıncın ilişkisi yandaki gibi gösterilir. Gay-Lussac yasasının matematiksel ifadesi, P1 T1 P T veya P1 P şeklinde olur. T1 T Örnek: Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 10

11 Sabit hacimli bir kap içerisinde bulunan X gazının 7 0 C sıcaklıktaki basıncı atmosferdir. Gaz miktarı sabit tutularak, kap ısıtılıyor ve son sıcaklık 7 0 C ölçülüyor. Buna göre, gazın uyguladığı basınç kaç atmosfer olmuştur? KİNETİK TEORİ VE AVOGADRO HİPOTEZİ Basınç ve sıcaklık sabit tutularak, gazların değişik mol sayılarına karşılık gelen hacimler ölçülürse, mol sayısı ile doğru orantılı olarak değiştiği görülür. Aynı koşullarda (aynı sıcaklık ve basınçta) bulunan tüm gazların hacimlerinin eşit ölçüde artması için, mol sayılarının da eşit miktarda artması gerekir. Bir başka deyişle, aynı koşullardaki bütün gazların eşit hacimlerinde eşit sayıda molekül vardır. Bu ifade Avogadro Yasası olarak bilinir. Yanda görüldüğü gibi aynı sıcaklık ve basınçta verilen gazların eşit hacimlerindeki tanecik sayıları eşittir. Avogadro yasası, kimyasal olayların anlaşılmasına, pek çok maddenin molekül kütlesinin belirlenmesine yardımcı olmaktadır. Avogadro yasası, V1 n1 V veya 1 V V n n1 n şeklinde ifade edilir. Aynı koşullarda n 1=n ise, V 1=V olur. Gazların özellikleri basınç ve sıcaklığa bağlı olarak değiştiğinden belirli bir basınç ve sıcaklık değerinin belirtilmesi gerekir. Gazlar için belirtilen bu basınç ve sıcaklık koşulları standart(normal) koşul olarak adlandırılır. Bir mol ideal gaz için standart koşulda sıcaklık 0 o C(73 K), basınç 1 atmosferdir. Normal(standart) koşullarda, 1 mol gazın hacmi,4 litredir. Bu nedenle, Avogadro yasası, "Normal koşullarda 1 mol gazın hacmi,4 litredir." şeklinde de ifade edilebilir. Kinetik teori, iki gazın sıcaklıkları aynı ise bu gazların moleküllerinin ortalama kinetik enerjisinin de aynı olacağını belirtir. Gazın basıncı üzerinde, moleküllerin hızı kadar, kütlelerinin de etkisi vardır. Eğer iki gaz örneğinin kütleleri farklı ise, kinetik enerjilerinin aynı olabilmesi için hızlarının da farklı olması gerekir. Hafif olan moleküller hızlı hareket eder.hızlı hareket eden tanecikler,kabın çeperlerine yavaş hareket eden taneciklere göre daha fazla çarparlar. Çarpmaların daha sık olması nedeniyle,hafif taneciklerin çepere uyguladıkları daha düşük kuvvetlerin eksiğini tamamen karşılar. Bunun sonucunda gazlar Avogadro hipotezine uymuş olur. Aynı molekül sayısında ve aynı sıcaklıkta olan iki gaz, molekül kütleleri farklı olsa bile, aynı basıncı gösterir. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 11

12 GENEL GAZ DENKLEMİ(BİRLEŞTİRİLMİŞ GAZ DENKLEMİ) Basınç-hacim, hacim-sıcaklık ve basınç-sıcaklık ilişkileri incelenirken gazın miktarının sabit tutulması yanında ya basınç, ya hacim, ya da sıcaklık sabit tutulur. Ancak miktar sabit tutularak, diğer faktörler değiştirilirse, Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 1

13 P 1.V T 1 1 P.V T bağıntısı elde edilir.bağıntıdan da anlaşılacağı gibi sıcaklık sabit tutulursa Boyle yasası,basınç sabit tutulursa Charles yasası,hacim sabit tutulursa Gay-Lussac yasası ele geçer. Örnek: Bir miktar ideal gaz 1140 mm Hg basınç ve 30 o C sıcaklıkta 0 litre hacim kapladığına göre, gazın normal koşullardaki hacmini hesaplayınız. Örnek: Sıcaklığın 17 o C ve basıncın 5,5 atm olduğu bir gölün dibinden hacmi ml olan küçük bir hava kabarcığı, sıcaklığın 0 o C ve basıncın 1 atm olduğu su yüzeyine çıkıyor. Kabarcığın içindeki havanın miktarı değişmediğine göre son hacmi kaç ml olur? İDEAL GAZ DENKLEMİ Gazlar için ileri sürülen varsayımlara ve gaz yasalarına uyan gazlara ideal gaz denir. İdeal gazlar, molekülleri arasında çekim kuvvetleri olmayan, yerçekiminden etkilenmeyen, çarpışmaları sırasında kinetik enerji kaybı olmayan gazlardır. Gerçekte hiçbir gaz tam anlamıyla ideal gaz değildir. Bütün gazlar, ideal gaz halinden az ya da çok sapma gösterir. Örneğin moleküllerin hacmi önemsenmeyecek kadar küçük olmayabilir. Moleküller arasında önemli ölçüde çekme kuvveti olabilir. Bu kuvvet, çarpışmaların yavaşlamasına neden olur. Gazlar, yüksek basınç ve düşük sıcaklıklarda ideal gaz davranışından saparlar. Çünkü bu koşullarda moleküller arası uzaklıklar küçülür. Moleküller arası çekme kuvveti büyür. Moleküller daha yavaş hareket ederler. Çok yüksek olmayan basınçlar ve çok düşük olmayan sıcaklıklarda bu sapma,pratikçe azdır. Bu nedenle,düşük basınç ve yüksek sıcaklıkta moleküller arasındaki etkileşim azalır; ideal gaz davranışına yaklaşılır. Gaz problemleri gazların ideal davrandığı varsayılarak çözülecektir. Gaz yasalarından yararlanarak gaz değişkenlerini V P 1 (Boyle yasası), V T (Charles yasası), V n (Avogadro yasası) biçiminde ifade edebiliriz. Buna göre, gazın hacmi (V); basınç(p), sıcaklık(t) ve mol sayısı(n) ile 1 V Tn şeklinde bir orantı kurulur. P Uygun bir orantı katsayısı (R) kullanılarak bu bağıntı eşitlik halinde yazılabilir. T.n V R ya da P.V = n.r.t P Elde edilen bu bağıntıya ideal gaz denklemi denir. İdeal gaz denkleminde R(gaz sabiti) değeri bulunurken,basıncın atmosfer, hacmin litre, sıcaklığın Kelvin cinsinden alınması gerekir. Gazların normal koşullardaki molar hacimleri,4 litre olduğundan ideal gaz denkleminden R'nin değeri hesaplanabilir. Normal koşullarda P=1 atm, V=,4 L, T=73 K ve n=1 mol alınırsa P.V R n.t 1 atm.,4 L R R= 0,08 atm L/mol K olur. 1 mol.73 K R sabitinin değeri SI sisteminde hacim m 3 cinsinden, basınç Pa cinsinden alındığında 8,314 J.mol -1.K -1 alınır. R'nin birimi kullanılış amacına göre farklı birimlerle ifade edilebilir. İdeal gaz denklemi kullanılarak gaz haldeki bir maddenin molekül kütlesi ve yoğunluğu da hesaplanabilir. İdeal gaz denkleminde mol sayısı yerine, gazın kütlesini m, molekül kütlesini M ile göstererek, Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 13

14 m m n yerine yazılırsa, P. V =. R. T eşitliği elde edilir. M M m d olduğuna göre, m=d. V olur. Denklemde m yerine d. V yazılırsa, V d P M R T bağıntısı elde edilir.bu bağıntıya göre, bir gazın özkütlesi basınçla doğru, mutlak sıcaklıkla ters orantılıdır. Örnek: Aşağıdaki tabloda soru işaretli yerleri doldurunuz. GAZLARIN KISMİ BASINCI Hava başta azot ve oksijen olmak üzere CO, Ar ve başka gazları içeren bir gaz karışımıdır. Yer kabuğunda oluşan, endüstride kullanılan gazların çoğu da bir gaz karışımı halindedir. Çevremizdeki gazların çoğu da hava örneğinde olduğu gibi karışımlar halindedir. Bir gaz karışımında bulunan gazların herbirinin basıncının biraraya gelmesiyle kaptaki toplam basınç elde edilir. Aşağıdaki şekilde aynı sıcaklıkta tek tek basınçları ölçülmüş A, B ve C gazlarının teker teker ölçülen basınçlarının toplamı, aynı kapta, aynı sıcaklıkta biraraya geldiklerinde ölçülen toplam basıncı oluşturmuştur. Birbiriyle tepkimeye girmeyen gazların oluşturduğu karışımdaki gazlardan birinin basıncı,aynı koşullar altında,aynı hacimde tek başına bulunduğu zaman yaptığı basınca eşittir. Bu basınca, o gazın kısmi basıncı denir. İdeal gaz denklemine göre, hacmi ve sıcaklığı sabit tutulan bir gazın basıncı, mol sayısı ile doğru orantılı olarak değişir. Eğer eşit hacimde ve eşit sıcaklıkta olan ve üç ayrı kapta bulunan gazların mol sayıları eşitse,bulundukları kaplara yapacakları basınçlar da eşit olacaktır. Aşağıdaki şekilde aynı sıcaklıkta eşit hacimli kaplarda bulunan farklı gazların mol sayıları birbirine eşitse yaptıkları basınçlarında birbirine eşit olacağı gösterilmiştir. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 14

15 Birbiri ile tepkime vermeyen gazların oluşturduğu karışımın toplam basıncı, o karışımda bulunan gazların kısmi basınçları toplamına eşittir. Bu durumdaki basınca toplam basınç denir. Toplam basınç (PT), PT = P1 + P Pn şeklinde gösterilebilir. DALTON KISMİ BASINÇ YASASI 1801 yılında Dalton, bir gaz karışımına ait toplam basıncın, karışımdaki her bir gazın kısmi basınçlarının toplamına eşit olduğunu belirledi. Bu yasa Dalton'un kısmi basınçlar yasası olarak bilinir. Bir gaz karışımının basıncı, karışımı oluşturan gazların kısmi basınçları toplamına eşittir. PT = P1 + P Pn Mol kesri, gaz karışımındaki bir gazın mol sayısının, karışımdaki bütün gazların mol sayıları toplamına oranıdır. Karışımdaki herhangi bir gazın mol kesri(x) aşağıdaki gibi gösterilir. n, gazın mol sayısı, nt ise toplam mol X = sayısıdır. Bir karışımda bulunan gazların her birinin mol kesirlerinin toplamı 1'e eşittir. XT = X1 + X+.. + Xn = 1 Yandaki şekilde kırmızı ve sarı renkli taneciklerden oluşan bir karışımdaki kırmızı taneciklerin mol kesri verilmiştir. Bir karışımı oluşturan gazların hacimleri ve sıcaklıkları aynı olacağına göre, gazların kısmi basınçları oranı, mol sayılarının oranına eşit olacaktır. Buna göre, P1 n1 P n bağıntısı elde edilir. n tane gazdan oluşan bir karışım için, PT = P1 + P Pn ve nt = n1 + n nn yazılabilir. PT ve nt birbirine oranlanırsa, PT P1 P P... n nt n1 n nn Mustafa Atalay bağıntısı elde edilir. mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 15

16 Örnek: İki tank kapalı bir muslukla birleştirilmiştir. Tanklarda bulunan gazların aynı sıcaklıktaki basınçları şekildeki gibidir. a) Musluk açılarak gazların aynı sıcaklıkta karışmaları sağlandığında, karışımı oluşturan gazlarının herbirinin kısmi basıncı kaç atm olur? b) Karışımdaki herbir gazın mol kesrini bulunuz. İdeal gaz karışımında bulunan gazların kısmi basınçlarının toplam basınca oranıyla, kısmi hacimlerinin toplam hacme oranı birbirine ve mol kesrine eşittir. Yukarıdaki eşitliğe bakıldığında, ideal gaz karışımlarıyla yapılan çalışmalarda mol kesrinin, hacim yüzdesi, basınç yüzdesi veya mol yüzdesi olarak da verileceği görülür. Örnek: Yandaki şekilde görülen kaplarda bulunan gazlar aynı sıcaklıktadır. Kapların hacimleri ve içerde bulunan gazların basınçları şekilde verildiği gibidir. Kaplar arasındaki mıusluklar açılarak gazların karışması sağlanıyor. Sıcaklık değişimi olmadığı varsayıldığına göre, son durumda, a) Her bir gazın kısmi basıncını bulunuz. b) Her bir gazın mol kesrini bulunuz. c) Toplam basıncı bulunuz. Örnek: Yanda görülen kaplar arasındaki vana açıldığında, sabit sıcaklıkta gazların karışması sonucunda oluşan son basınç kaç torr olur? BUHAR BASINCI Sıvılarda da moleküller hareket halindedir.moleküller bu hareket sırasında sürekli çarpışırlar. Çarpışan moleküllerin hızları ve kinetik enerjileri sürekli değişir. Hızı büyük olan moleküller sıvı yüzeyinden ayrılabilirler. Bu olaya buharlaşma denir. Sıvının bulunduğu kap açıksa, buharlaşma sıvı tükeninceye kadar devam eder. Sıvının bulunduğu kap kapalıysa, sıvı buharı, kabın içinde kalır. Gaz halindeki bu moleküllerden sıvı yüzeyine yakın ve hızları küçük olanlar yeniden sıvıya dönerler. Bu olaya yoğunlaşma denir. Buharlaşma hızı yoğunlaşma hızına eşitse, sıvı, buharıyla dengededir. Denge durumunda, buharlaşan molekül sayısı yoğunlaşan molekül sayısına eşittir. Bu durumda sabit bir buhar basıncı vardır. Bu basınca denge buhar basıncı denir.denge buhar basıncı, sıvının türüne ve sıcaklığa bağlıdır. Buhar basıncı sıvının bulunduğu kabın hacmine bağlı değildir. Yalnız sıcaklıkla değişir. Sıcaklık arttıkça buhar basıncı da artar. Etrafımızdaki hava hacimce %4'e varan oranda su buharı içerir. Bir hava örneğindeki su buharının oranı sıcaklık arttıkça artar. Havanın su buharı içeriği genellikle bağıl nem kavramı ile ifade edilir. Bağıl nem, su buharı kısmi basıncının aynı sıcaklıkta suyun buhar basıncına oranıdır ve % olarak bulunur. Bağıl Nem = GAZLARIN SU ÜZERİNDE TOPLANMASI Su üzerinde gaz toplama yöntemi karışımlardaki gazları saf olarak elde etmek için kullanılır. Gazın su üzerinde toplanabilmesi için suyla tepkime vermemesi ve suda çözünmemesi gerekir. Örneğin H ve O ve N gibi gazlar, hem suda çözünmez kabul edilebilirler, hem de tepkimeye girmezler. Daltonu'un kısmi basınçlar yasası, su üzerinde toplanan gazların kısmi basıncının hesaplanmasında da kullanılır. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 16

17 Şekil. Gazların su üzerinde toplanması Bir kapta su üstünde bir gaz toplandığında ölçülen basınç, sadece gazın basıncı değildir. Bu basınç, gaz fazında bulunan su buharının basıncı ile gazın kısmi basıncının toplamıdır. P T = P gaz + P su buharı Su buharının basıncı sıcaklığa bağlıdır. Toplam basınç hesaplanırken o sıcaklıktaki suyun buhar basıncı bilinmelidir. Yandaki şekilde, KClO 3 katısının yüksek sıcaklıkta ısıtılarak bozunması sırasında oluşan oksijen gazının su üzerinde toplanması işlemi gösterilmektedir. Su üzerindeki basınç, oksijen gazı ve su buharının kısmi basınçlarının toplamı kadar olacaktır. Örnek: Bir miktar oksijen gazı örneği 15 o C sıcaklıkta su üzerinde toplandığında ölçülen basınç 738 torr ve hacmi 316 ml olduğuna göre, a) toplanan oksijen gazının kısmi basıncını bulunuz. b) toplanan oksijen gazının normal koşullardaki hacmini hesaplayınız. (15 o C sıcaklıktaki suyun buhar basıncı 1,8 torr.) KAYNAMA Bir sıvının her yerinden buharlaşması haline kaynama denir.sıvılar her sıcaklıkta buharlaşırlar.kaynama dışındaki buharlaşmalar yüzey buharlaşmasıdır. Ağzı açık bir kapta ısıtılan sıvının içinde oluşan buhar kabarcıkları sıvı yüzeyine çıkıyorsa sıvı kaynıyor demektir. Sıvının yüzeyine açık hava tarafından uygulanan basınç,sıvının içinden gelen buhar kabarcığını sıkıştırır. Kabarcığın içindeki basınç (denge buhar basıncı), dış basınca eşit olursa kabarcık yüzeye çıkabilir. Çıkamadığı durumda ise patlar ve tekrar sıvıya dönüşür. Denge buhar basıncı,sıvının yüzeyine etki eden dış basınca eşit olunca sıvı kaynamaya başlar. Bu eşitliğin sağlandığı sıcaklığa kaynama noktası denir. Dış basınç artarsa, denge buhar basıncının dış basınca ulaşması için sıcaklığın artması gerekecektir. Dış basınç yükselirse kaynama noktası yükselir. Deniz seviyesinden yukarılara çıkıldıkça açık hava basıncı azalır. Kaynama noktası düşer. Sıvıların yüzeyine etkiyen dış basınç değiştirilebilir. 100 o C sıcaklıkta suyun denge buhar basıncı 1 atmosferdir. Bu yüzden, dış basınç 1 atmosfer iken su 100 o C sıcaklıkta kaynar.sıvıların kaynama noktası, sıvının türüne ve yüzeyine gelen dış basınca bağlıdır. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 17

18 GERÇEK GAZLAR Kinetik kurama göre gazların davranışlarını açıklayabilmek için, gaz taneciklerinin öz kacimlerinin bulunduğu kap hacmi yanında önemsenmeyecek kadar küçük olduğunu ve gaz tanecikleri arasındaki çekim kuvvetlerinin yok denecek kadar az olduğunu varsaymak gerekir. Tanecikleri arasında çekim kuvveti olmayan ve öz hacimleri bulundukları kabın hacmi yanında önemsenmeyecek kadar küçük varsayılan gazlar ideal kabul edilirler. Düşük basınçta ve yüksek sıcaklıkta gazlar ideal gaz koşullarına yaklaşırlar. Yüksek basınç ve düşük sıcaklıkta ise gazlar ideal gaz varsayımından uzaklaşırlar. Gaz yasaları, kinetik kuram varsayımları ile uyumludur. Deneysel bulgular gazların ideale ne kadar yaklaşabileceklerini gösteren değerleri verirler. İDEAL GAZ VARSAYIMINDAN SAPMALAR İdeal gaz denklemi PV=nRT olduğuna göre 1 mol gaz için PV/RT = 1 dir. İdeal gazlar farklı sıcaklık ve basınç koşullarında da bu eşitliği doğrular. Ancak gerçek gazlar her koşulda bu eşitliği sağlamaz. Aşağıdaki grafik değişik sıcaklıklarda N gazının PV/RT oranının basınçla değişimini göstermektedir. Grafik incelendiğinde, sıcaklık azaldıkça ve basınç arttıkça N gazının idealden sapma miktarının da arttığı görülmektedir. Şekil 1. N gazının değişik sıcaklıklarda PV/RT oranının basınçla değişimi ve ideal gaz denkleminde hesaplanan değerden sapması PV/RT = 1 değerindeki sapma miktarı gazın ideal gaz denkleminde hesaplanan sonuçtan ne kadar farklı olduğunu gösterir. Gerçek bir gazın ideal gaz denkleminde hesaplanan sonuçtan sapması Gazın cinsi (polar ya da apolar özellikte olması) Basınç Sıcaklık gibi nedenlere bağlıdır. Aşağıdaki grafik farklı gazların belirli bir sıcaklıktaki idealden sapma durumlarını göstermektedir. Şekil. Farklı gazların davranışına basıncın etkisi. Farklı gazların 300 K sıcaklıktaki(co gazı 300 K sıcaklıkta yüksek basınçta sıvılaştığı için 313 K sıcaklıkta) PV/RT oranının basınçla değişimi ve ideal gaz denkleminde hesaplanan değerlerden sapmaları Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 18

19 Düşük basınçta gaz taneciklerinin öz hacminin kabın hacmi yanında ihmal edilmesi büyük bir hataya neden olmaz. Ancak mutlak sıfır noktasına yaklaşıldığında ve gaz üzerindeki basınç arttırıldığında hacmin sıfıra yaklaşması gerekir. Gerçek gaz taneciklerinin öz hacmi sıfır olamayacağı için bu mümkün değildir. Yüksek basınçta tanecikler birbirine çok yaklaşır ve taneciklerin öz hacimleri ihmal edilemeyecek kadar önemli olur. Bu nedenle gerçek bir gazın ölçülen hacmi ideal gaz denklemiyle hesaplanan değerden daha büyük olur. Farklı gaz moleküllerinin öz hacimleri birbirinden farklı olduğu için, her gazın idealden sapma miktarı da farklı olur. Moleküllerin hacmi büyüdükçe idealden sapma miktarı da farklı olur. İdeal gazlarda moleküller arasındaki etkileşimlerde ihmal edilir. Gerçek gazlar ise sıcaklıkları düşürüldüğünde sıvılaşırlar. Yüksek sıcaklıklarda gaz molekülleri çok hızlı hareket ettiklerinden moleküller arasındaki çekme kuvvetleri çok küçüktür. Düşük sıcaklıklarda ise çekme kuvvetleri tanecikleri birbirine yaklaştırır. Tanecikler arasındaki çekim kuvvetlerinin fazla olması, kabın çeperlerine çarpan tanecikleri etkiler ve çepere çarpan taneciklerin daha düşük bir kuvvet uygulamasına neden olur. Bu durumda ortaya çıkan gaz basıncı gerçek değerden daha az olur. Ölçülen gaz basıncının ideal gaz denklemiyle hesaplanan değerden sapma miktarı az ise gaz ideale yakın olur. Gazların kaynama sıcaklığı moleküller arası etkileşimlere bağlıdır. Moleküller arasındaki etkileşimin şiddeti arttıkça gaz daha yüksek sıcaklıklarda sıvılaşır. Gaz molekülleri arasındaki etkileşim kuvvetleri azaldıkça gaz ideale yaklaşır. Etkileşim şiddeti arttıkça madde gaz halden sıvı hale geçeceği için idealden uzaklaşır. Şekil. a) Düşük derişim olduğunda tanecikler arası etkileşim az olduğu için kabın duvarlarına uygulanan basınç ideale yakın olur. b) Gaz derişimi arttığında tanecikler arası etkileşim artacak ve taneciklerin duvara uyguladıkları basınç beklenenden az olacaktır. Bu durumda gaz idealden uzaklaşmış demektir. Joule-Thomson Olayı Isı transferi ya da iş üretimi olmaksızın gazların genleşmesi sırasında ısılarının değişmesi olayıdır. Normal basınç ve ısı altında, hidrojen ve helyum dışındaki bütün gazlar, genleşme sırasında gaz atomlarının çekim gücüne karşı yapılan iş nedeniyle soğurlar. Bu süreçten, gazların sıvılaştırılmasında yararlanılır. Joule-Thomson etkisi, çağdaş soğutma tekniklerinin de çıkış noktasıdır. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 19

20 Gazların bulundukları ortamın sıcaklığından daha düşük sıcaklıklara kadar nasıl soğutulacağını araştıran bilim adamları James Joule ve William Thomsondur. Joule ve Thomson yaptıkları deneyin sonucunda hızla genleştirilen bazı gazların sıcaklığında değişiklik olmadığını, bazı gazların ısındığını, bazı gazların ise soğuduğunu gözlemlemişlerdir. Gazın sıcaklığı arttırıldığında kinetik enerjisi artar(ke=3/ kt). Sıcaklık azaltıldığında ise kinetik enerjisi azalır. Gazların kinetik enerjisini düşürmek için gaz moleküllerine bir iş yaptırmak gerekir. Gaz molekülleri düşük sıcaklıkta düşük ortalama hıza sahip olduklarına göre molekülleri yavaşlatmak, gazı soğutmak anlamına gelir. Gazlar genleştirildiğinde moleküller birbirinden uzaklaşır ve ortalama hızları düşer. Gaz tanecikleri genleşirken kendi aralarındaki çekim kuvvetini yenmeye çalışırlar. Bunun için gerekli olan enerji, sistem yalıtılmış olduğu ve dışarıdan alınamayacağı için, taneciklerin öz ısılarından sağlanır. Bu durumda hızla genleştirilen gaz soğur. Soğuyan gaz bulunduğu ortamı da soğutur. Genişleme sırasındaki sıcaklık değişimi ne kadar küçükse gaz ideale o kadar yakın olur. Bu konuda çalışma yapan bilim adamlarının anısına bu gözleme Joule-Thomson genleşmesi denir. GAZ, BUHAR ve KRİTİK SICAKLIK Bulunduğu sıcaklıkta, hiçbir basınç altında sıvılaştırılamayan sıkıştırılabilir akışkanlar gaz olarak tanımlanır. Gaz molekülleri birbirine yaklaştığında etkin olan çekme kuvvetleri, moleküllerin hareketini kısıtlar. Ancak sıcaklık düşürüldüğünde moleküllerin kinetik enerjileri azalır ve moleküller arası çekim kuvvetleri daha etkin bir hale gelerek sıvılaşma sağlanır. Yüksek basınç ve düşük sıcaklıktaki gazlar, ideal gaz davranışından çok büyük oranda saparak sıvı hale gelir. Bir gazın sıcaklığı ne kadar yüksekse sıvılaşması o kadar zordur ve gazı sıvılaştırmak için gereken basınç da o kadar yüksektir. Her bir gaz için farklı değerde olan öyle bir sıcaklık vardır ki bu sıcaklığın üzerinde bulunan gaz hiçbir basınç altında sıvılaştırılamaz. Her gaz için farklı olan bu sıcaklığa kritik sıcaklık adı verilir. Kritik sıcaklık bir gazın basınç uygulanarak sıvılaştırılabileceği en yüksek sıcaklıktır. Kritik sıcaklık değeri maddenin ayırt edici özelliklerinden birisidir. Gazlar gibi davrandıkları halde, bulundukları sıcaklıkta basınçla sıvılaştırılabilen akışkanlara buhar adı verilir. Katı ile sıvı, sıvı ile buhar arasında geri dönüşümlü bir geçiş sözkonusu olduğu halde buhar ile gaz arasında bir dönüşüm yoktur. Buhar özelliğinin ortadan kalkarak gaz özelliğinin başladığı sıcaklık, kritik sıcaklıktır. Gaz ve buhar, fiziksel olarak temelde benzer özellikler gösterirler. Bu nedenle buhar haldeki maddeler için gaz terimi kullanılabilir. Ancak gazlar basınç etkisi ile sıvılaşmadığından buhar olarak adlandırılamazlar. Buharlaşırken ortamdan ısı alarak ortam sıcaklığının düşmesine neden olan maddelere soğutucu akışkanlar denir. Soğutucu akışkan olarak kullanılacak maddenin basınçla sıvılaştırılabilmesi ve üzerindeki basınç kaldırıldığında genleşerek buhar haline geçmesi gerekmektedir. Helyumun kaynama noktası ve kritik sıcaklık değerleri oldukça düşüktür. Ayrıca Joule-Thomson genleşmesi ile soğumaz. Çünkü oda koşullarında He ideal gaza en yakın gazdır. H O nun kritik sıcaklık değeri oldukça yüksektir ancak kaynama noktasının da yüksek olması oda koşullarında sıvı halde bulunmasına neden olur. H O oda koşullarında sıvı halde bulunduğu için bu koşulları sağlayamaz ve soğutucu akışkan olarak kullanılamaz. Bir maddenin soğutucu akışkan olarak kullanılabilmesi için kritik sıcaklığının yüksek, kaynama noktasının ise düşük olması gerekir. Soğutucu akışkanlar; Uygulanabilir basınç altında buharlaşmalı ve sıvılaşmalı, Kritik sıcaklığı yüksek olmalı, 1 atm de mümkün olduğunca düşük kaynama noktasına sahip olmalı, Zehirli ve yanıcı olmamalı, Metallerle tepkimeye girmemeli, Çevreye zarar vermemeli, Kolay temin edilmeli, Üretim maliyeti düşük olmalı, Daha az enerji tüketmelidir. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 0

21 GAZ STOKİYOMETRİSİ Kimyasal tepkimelerin birçoğunda gaz oluşumu gerçekleşir. Örneğin hidrokarbonların yeterli miktarda oksijenle yüksek sıcaklıklarda yakılması sonucunda karbondioksit gazı ve su buharı oluşumu gerçekleşir. Örneğin oktan gazının yakılması tepkimesinin denklemi aşağıdaki gibidir. C8H18(g) + 5 O(g) 16 CO(g) + 18 HO(g) Başka bir kimyasal tepkime örneği, arabalardaki hava yastıklarında bulunan NaN 3 katısının kazalar sırasında çok hızlı bozunması sonucunda N gazı oluşur ve hava yastığı şişer. 1 mol gazın normal koşullar altında,4 litre hacim kapladığını daha önce belirtmiştik. Bu bilgi gazlarında ter aldığı kimyasal tepkimelerin çözümlenmesinde fazlasıyla kullanılabilmektedir. Örnek: Laboratuvarda KClO3 katısının MnO(mangan(IV)oksit) katalizörlüğünde ısıtılmasıyla az miktarda oksijen gazı üretilmektedir. Isıtma işlemi sonucunda oksijen gazı üretilirken KCl katısı oluşmaktadır. Tepkime denklemi aşağıdaki gibidir. ( ) ( ) ( ) Üretilen oksijen gazı su üzerinde toplanıyor. Su o üzerindeki toplam basınç C sıcaklıkta 754 mm Hg olarak ölçülüyor ve gazın hacmi de 0,65 litre o bulunuyor. C sıcaklıkta suyun buhar basıncı 1 mm Hg olduğuna göre, bozunan KClO3 kütlesi kaç gramdır?(kclo3 = 1,5 g/mol) Kimyasal tepkime denklemlerinin kullanıldığı problem çözümlerinde maddelerin belirli kütle oranlarında ya da belirli mol oranlarında birleşerek ürünleri oluşturduklarını biliyoruz. Gaz yasalarını kimyasal tepkime denklemlerine uyarladığımızda gazların kimyasal tepkimelere belirli hacim oranlarında girdiklerini de görebiliriz. Örneğin, hacimlerin aynı sıcaklık ve basıçta ölçüldüğü koşullarda, bir hacim hidrojen gazı her zaman 1 hacim klor gazı ile birleşerek iki hacim hidrojen klorür gazı oluşturur. H(g) + Cl(g) HCl(g) 1 hacim 1 hacim hacim Yukarıda verilen denklemlerde hacimlerin hangi birimle ifade edildiklerinin bir önemi yoktur. Hepsi aynı birimle ifade edilirler çünkü burada bir sabit birleşme oranından bahsediyoruz. Gazların sabit hacim oranlarında birleştiklerini belirten bu yasaya Gay-Lussac'ın Birleşen Hacim Oranları Yasası adı verilir. Aynı sıcaklık ve basınçta, bir kimyasal tepkimede, tepkimeye giren gazların hacimleri basit tamsayılı bir oranla ifade edilir. Aşağıda sabit hacim oranlarını gösteren çeşitli örnekler verilmiştir. N(g) + 3 H(g) NH3(g) 1 hacim + 3 hacim hacim CH4(g) + O(g) 1 hacim + hacim S(k) + O(g) 1 hacim CO(g) + HO(g) 1 hacim + hacim SO(g) 1 hacim 4 NH3(g) + 5 O(g) 4 NO(g) + 6 HO(g) 4 hacim + 5 hacim 4 hacim + 6 hacim Örnek: Aynı koşullardaki 3 litre N gazı ile 1 litre H gazının tepkimesi sonucunda en çok kaç litre NH3 gazı elde edilebilir? N(g) + 3 H(g) NH3(g) o Örnek: 500 C sıcaklıkta 1 litre NH3 gazı, 0 litre oksijen gazı içerisinde yakılıyor. Tüm gazların aynı koşullarda olduğu varsayıldığına göre tepkime sonunda en çok kaç litre NO gazı oluşur? Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 1

22 4 NH 3(g) + 5 O (g) 4 NO(g) + 6 H O(g) Örnek: Normal koşullarda 8,96 litre O gazı üretilebilmesi için kaç gram KNO 3 katısı ısıtılarak bozunmalıdır? (KNO 3 = 101 g/mol) KNO 3(k) KNO (k) + O (g) Örnek: 60,15 gram saf olmayan KNO 3 ısıtılıyor ve yapısındaki tüm KNO 3 bozunduğunda normal koşullarda 6,7 litre O gazı üretiliyor. Buna göre başlangıçtaki maddenin kütlece % kaçı KNO 3'tür? (KNO 3 = 101 g/mol) KNO 3(k) KNO (k) + O (g) Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa