MADDENĠN YOĞUN FAZLARI (KATILAR-SIVILAR)

Transkript

1 MADDENĠN YOĞUN FAZLARI (KATILAR-SIVILAR) SIVILAR VE ÖZELLĠKLERĠ Gaz taneciklerinin bulunduğu ortamın sıcaklığı düşürülürse, taneciklerin kinetik enerjileri azalır ve sıvı hale geçerler. Sıvı halde tanecikler birbirine dokunacak kadar yakın olduğundan aralarındaki çekim kuvvetleri gazların tanecikleri arasındaki çekim kuvvetinden daha fazla olur. Taneciklerin sıvı haldeki hareketleri gaz fazındaki taneciklerin hareketlerine göre daha kısıtlıdır. Gaz tanecikleri gelişigüzel hareket edebilirlerken, sıvı tanecikleri titreşim hareketinin yanısıra öteleme hareketi de yapar. Yaptıkları hareketler sonucunda sıvılar doldurdukları kabın bulunduğu bölümünün şeklini alırlar. Sıvıların belirli bir hacmi vardır. Sıvı tanecikleri arasındaki çekim kuvvetleri gaz tanecikleri arasındaki çekim kuvvetlerine göre fazla olduğu için moleküller arası boşluklar gazlardakine göre daha azdır. Sıvılara basınç uygulandığında sıvı hacminde ölçülebilir bir değişiklik gözlenmez. Gazlar sıkıştırılabilme özelliğine sahip akışkan bir madde iken, sıvılar ise sıkıştırılamayan akışkanlardır. Sıvılar biraraya getirilerek karıştırıldığında biri diğerinin içerisinde zamanla yayılarak karışır. Gazlarda ise yayılma daha hızlı gerçekleşir. Çünkü gaz tanecikleri daha hızlı kareket ederler. Sıvıların daha yavaş hareket etmelerinin nedeni moleküller arasındaki boşlukların az olmasıdır. Sıvı tanecikleri boşluk az olduğu için diğer taneciklerle çok fazla çarpıştıkları için serbestçe hareket edemezler. Sıvıların Yüzey Gerilimi Bir madde sıvı hale geçtiğinde tanecikleri arasında çekim kuvveti oluşur. Sıvının iç kısımlarındaki tanecikler, çevrelerindeki diğer tanecikler tarafından, her taraftan eşit kuvvetlerle çekilirler. Böylece sıvı içerisinde taneciklere etki eden kuvvetler dengelenir. Yüzeydeki moleküller, her taraftan eşit kuvvetle çekilemezler. Yüzeydeki tanecikler üzerinde başka sıvı taneciği olmadığı için buradaki kuvvetler birbirini dengeleyemez. Yüzeydeki tanecikler içe doğru yönelirler. Sıvı damlacıklarının küresel bir yapı oluşturmaları yüzeydeki bu gerilim nedeniyledir. Sıvının yüzey alanını büyütmek ve yüzeydeki tanecik sayısını artırmak için içteki taneciklerin yüzeye doğru hareket ettirilmesi gerekir. Bunun için de enerji verilmesi gerekir. Bir sıvının yüzey alanını büyütmek için verilmesi gereken enerjiye yüzey gerilimi denir. Birimi N.m -1 veya J.m -2 dir. Bazı sıvıların yüzey gerilimi değerleri aşağıdaki tablodaki gibidir. Tablo. Bazı Sıvıların Yüzey Gerilim Değerleri Bileşiğin Adı ve Formülü Yüzey Gerilimi( 20 o C'de, J/m 2 ) Oktan, C 3H 8 2,16x10-2 Etanol, C 2H 5OH 2,68x10-2 Kloroform, CHCl 3 2,68x10-2 Benzen, C 6H 6 2,85x10-2 Su, H 2O 7,29x10-2 Cıva, Hg 46x10-2

2 Sıvı bir kabın içerisine konulduğunda, sıvı molekülleri arasındaki çekim kuvvetinin yanında kabın çeperleri ile sıvı molekülleri arasında da çekim kuvvetleri oluşur. Sıvı moleküllerinin kendi aralarında oluşturdukları çekim kuvvetlerine kohezyon kuvvetleri denir. Sıvı molekülleri ile kap çeperleri arasında oluşan kuvvetlere ise adhezyon kuvvetleri denir. Su, bir deney tüpü içerisinde adhezyon kuvvetleri kohezyon kuvvetlerinden fazla olduğu için iç bükey bulunur. Cıva ise kohezyon kuvvetleri adhezyon kuvvetlerinden büyük olduğu için dış bükey bulunur. Adhezyon kuvvetleri, kohezyon kuvvetlerinden büyük olursa sıvı cam bir boruda yükselir. Bu olaya kılcallık etkisi denir. Adhezyon kuvvetleri büyük olan sıvılar ıslatan sıvılar, kohezyon kuvvetleri büyük olan sıvılar ise ıslatmayan sıvılar olarak bilinirler. Yüzey gerilimini etkileyen faktörler 1. Sıcaklık: Sıvının sıcaklığı artırıldığında genleşir. Sıcaklığın etkisiyle tanecikler arası çekim kuvvetleri azalır. Sıcaklık arttıkça yüzey gerilimi azalır. Moleküller arası çekim kuvvetlerinin yok sayılabileceği kritik sıcaklık civarında çok küçük bir değere ulaşır. 2. Sıvıya, sıvı içerisinde çözünmeyen başka bir sıvı eklenirse yüzey gerilimi azalır. Bunun nedeni diğer sıvı molekülleri ile arasında gerçekleşecek zayıf etkileşimlerdir. 3. Sıvıya çözünen bir madde ilave edilirse, yüzey gerilimi eklenen maddenin cinsine bağlı olarak değişebilir ya da değişmez. Bazı maddeler suya eklendiğinde yüzey gerilimini azaltıcı etki yaparlar. Bu maddelere yüzey aktif maddeler denir. Suya, etil alkol, sabun, deterjan, asit ya da ester gibi maddeler eklendiğinde yüzey gerilimi azalır. Şeker, gliserin, organik asit tuzları suya katıldığında yüzey gerilimini değiştirmezler. Bu maddelere yüzey inaktif maddeler denir. 4. Sıvı üzerindeki gaz yoğunluğunun artırılması da yüzey gerilimini bir miktar azaltır. Viskozite Sıvıların akışkanlığa karşı gösterdiği dirence viskozite denir. Bir sıvının viskozitesi ne kadar büyükse o kadar yavaş akar. SI birim sisteminde birimi Paskal.saniye(Pa.s) dir. Sıvıların akmaya karşı gösterdiği direnç, moleküller arasındaki bağların bir göstergesidir. Mol kütlesi ve moleküllerinin geometrik şekli farklı olan sıvıların viskoziteleri de farklıdır.büyük kütleli ve doğrusal bir molekül yapısına sahip sıvıların viskozitesi, küçük ve küresel moleküllerden oluşan sıvının viskozitesinden çok daha yüksektir. Moleküller arası çekim kuvvetleri büyük olan sıvıların viskozitesi de büyüktür. Molekül şekli küçük ve küresel yapıdaki sıvıların akışkanlığı büyük, viskoziteleri küçüktür. sıcaklık arttıkça moleküller arasındaki çekim kyvvetleri azalacağından sıvının viskozitesi azalır ve akıcılığı artar. Başka bir deyişle, bir sıvının viskozitesi, molekülleri arasındaki çekim kuvvetine, molekülün büyüklüğü ve Ģekline, sıcaklığa bağlıdır. Moleküller arası kuvvetleri büyük olan sıvılar, moleküller arası kuvvetleri zayıf olan sıvılara göre daha yüksek viskoziteye sahiptir. Örneğin 20 o C sıcaklıkta suyun

3 viskozitesi, gilserinin viskozitesinden küçüktür. Su aslında pek çok maddeden daha yüksek viskoziteye sahipken, gliserinden daha düşük viskoziteye sahip olmasının nedeni, gliserinin molekülleri arasındaki hidrojen bağı sayısının sudaki hidrojen bağı sayısından fazla olmasıdır. Ayrıca gliserin molekülleri doğrusal bir yapıya sahip olduğu için moleküllerin birbirinin yanından kayması güçleşir. Viskozite moleküller arası çekme kuvvetinden başka molekül biçimiyle de ilgilidir. Sıvılar ısıtıldıklarında viskoziteleri azalır. Viskozite, akmaya karşı gösterilen direnç olduğundan sıcaklık arttıkça sıvının akıcılığı da artar. gıda sanayinde sıcaklıkla viskozite değişiminden yararlanılarak şişeleme, yayma işlemleri yapılır. Sanayi ve inşaat boyalarının hem kolay sürülebilir hem de akışkan olmaması istenir. Yediğimiz ve içtiğimiz çoğu besin maddesi belirli bir viskozite aralığında olmalıdır. Dondurmanın akmaması, çorbanın belirli bir viskozite aralığında olması gerekir. Ekmeğe sürülecek reçel, bal veya yağın belirli bir viskozitesinin olması gerekir. HAL DEĞĠġĠMLERĠ Katı tanecikleri arasındaki çekim kuvvetleri, aynı maddenin sıvı ve gaz fazında iken tanecikleri arasındaki çekim kuvvetlerinden daha fazladır. Katı tanecikleri çok fazla hareketli değildir. Katı halin en önemli özelliği düzenli yapıya sahip olmasıdır. Katılarda tanecikler, bir arada kristal adı verilen belirli geometrik yapıları oluşturur. Sıvı tanecikleri ise katılara göre daha hareketlidir. Bu nedenle bir katı madde eritildiğinde hacmi genellikle büyür. Sıvıların, belirli hacimleri vardır; ama belirli bir şekilleri yoktur. Sıvılar bulundukları kabın şeklini alır. Sıvılar bazı bakımlardan katılara, bazı bakımlardan gazlara benzerler. Sıvılarda katılar gibi yoğundur ve basınç altında hacimleri pek küçülmez; sıkıştırılamazlar. Sıvılar akışkanlık özelliğiyle de gazlara benzerler. Sıvılarda gazlar gibi akışkandır ve üzerlerine bir basınç uygulandığında, bir yerden bir başka yere kolaylıkla akarlar. Sıvı tanecikleri katı fazdaki taneciklerle karşılaştırıldığında daha hareketli oldukları görülür. Gaz tanecikleri ise bulundukları hacim içerisinde sürekli hareket halindedirler. Katı molekülleri ise hemen hemen hiç hareket etmezler. Katı ve sıvı tanecikleri arasında boşluklar çok azdır ve birbirleriyle temas halinde olduklarından fazla sıkıştırılamazlar. Sıvılar, gazlara göre daha yoğundur. Maddenin sıvı ve katı hali ile gaz hali arasındaki en önemli fark tanecikler arasındaki boşluktur. Gaz tanecikleri arasındaki boşluklar katı ve sıvılara göre fazladır. Gaz tanecikleri düzensizdir ve sürekli hareket halindedirler. Bu hareketler sırasında tanecikler sürekli olarak birbirleriyle ve kabın çeperleriyle çarpışırlar. Çarpışmalarda taneciklerin hızları ve yönleri değişebilir. Gazlar üzerlerine basınç uygulandığında sıkıştırılabilirler. Bu nedenle belirli bir hacimleri ve şekilleri yoktur. Gaz tanecikleri bulundukları kabın her tarafına yayılarak kabın şeklini alırlar. Yandaki şekilde katı bir maddenin taneciklerinden biri alındığında o taneciğin tekrar yerine konulduğunda yeri bellidir(a). Sıvı içerisinden bir tanecik alındığında da tekrar yerine konulmak istenirse yaklaşık olarak taneciğin nereye konulacağı bilinir(b). Gaz fazındaki bir maddeden bir tanecik alındığında ise, taneciğin tekrar nereye konulacağı bilinmez(c). Katı haldeki bir arı maddenin sıvı hale gelebilmesi için,ona enerji vermek gerekir.katı madde erirken sıcaklığı değişmez. Katı halden sıvı hale geçişte, taneciklerin potansiyel enerjileri artar. Aynı durum sıvı haldeki arı maddenin gaz haline geçmesi sırasında da gerçekleşir. Bu durumda tanecikler birbirinden iyice uzaklaşırlar yani potansiyel enerjilerini artırırlar. Maddenin üç temel hali yanında başka halleri de vardır. Bunlardan biri de plazma halidir. PLAZMA Katı bir cismi oluşturan ve hareketleri çok az olan taneciklerin enerjisi herhangi bir yöntemle artırıldığında madde önce sıvıya sonra da gaza dönüştürülür. Eğer madde gaz fazına geçtikten sonra da enerji verilmeye devam edilirse gaz atomunun elektronu çekirdeğin çekiminden kurtulur. Geriye iyon halinde gaz kalır. Bu olay defalarca tekrarlanabilir,

4 sonucunda serbest elektron ve iyon bulutları oluşabilir, bazı atomlar ise nötr kalmaya devam eder. Oluşan bu iyon, elektron ve nötr atom karışımına(iyonize olmuş ya da iyonlaşmış gaz) plazma adı verilir. Plazma sürekli hareket halinde olan ve birbiriyle etkileşimde bulunan yüklü parçacıklar topluluğudur. Plazma fazı elektriği iyi iletmesine rağmen nötral yapıdadır. Plazmadaki pozitif yüklerin sayısı negatif yüklerin sayısına eşittir. Günlük yaşamda kullanılan floresan lambalarda, neon lambalarında ve ateşte maddenin plazma haline rastlanabilir. HAL DEĞĠġĠM OLAYLARI VE ISI Maddenin hal değişimlerine ısı eşlik eder. Bu dönüşümler sırasında madde ısı alır ya da ısı verir. Bir katıyı ısıttığımız zaman katının molekül, atom veya iyonları gittikçe daha hızlı hareket eder. Komşu tanecikler ile arasındaki çekim kuvvetlerinin etkisinden kurtulur, koparak ayrılır. Çekim kuvvetlerinin etkisinden kurtulmak için enerji gerekir. Enerji iş yapabilme kabiliyetidir. Sıcak bir cisimden soğuk bir cisme aktarılan enerjiye ısı denir. Isının bir taraftan diğer tarafa akması sadece sıcaklıkta değişikliğe neden olmaz, sıcaklıkta değişme olmadığı halde maddenin halini de değiştirebilir. Madde hal değiştirirken ısı alır ya da ısı verir. Maddenin bir halden diğer haline dönüşmesine hal değişimi adı verilir. Yandaki şekilde bir maddenin hal değişimi ile ilgili bilgiler verilmiştir. ERĠME ve DONMA Bir katıyı oluşturan tanecikler, hareketlidirler. Katıyı oluşturan tanecikle titreşirken, sıcaklık artırılırsa titreşimin boyutları artar. Sıcaklık yeteri kadar artırıldığında, katıyı oluşturan taneciklerin dengesi bozulur ve tanecikler birbiri üzerinde kaymaya başlar yanı katı madde sıvılaşır. Maddenin bu şekilde katı halden sıvı hale geçmesine erime; erimenin gerçekleştiği sıcaklığa erime noktası denir. Bunun tam tersi gerçekleştiğinde; sıvının sıcaklığı düşürüldüğünde taneciklerin titreşimi azalır ve tanecikler arasındaki çekim kuvvetleri artar; tanecikler düzenli bir şekilde dizilirler. Başka bir deyişle, sıvı donmaya başlar. Bir maddenin sıvı halden katı hale geçmesine donma; donmanın gerçekleştiği sıcaklığa donma noktası denir. Her madde belli bir basınç altında erime sıcaklığı ya da erime noktası denilen sabit bir sıcaklıkta erir ve eridiği sıcaklıkta donar. Arı bir maddenin erime noktası daima donma noktasına eşittir ve erime ya da donma sırasında sıcaklık sabit kalır. Erime ve donma sırasında madde katı ve sıvı halini bir arada bulundurur. Bir mol katı maddenin sıvı hale geçebilmesi için gereken ısıya molar erime ısısı denir. Bir maddenin erime ısısı, donma ısısına eşittir. BUHARLAġMA ve YOĞUNLAġMA Sıvıları buharlaştırmak için tanecikleri arasındaki çekim kuvvetlerini yenmek amacıyla enerji verilmesi gerekir. Yeterli enerji ile tanecikler sıvı yüzeyinden kurtularak gaz hale geçerler. Bir sıvı maddenin yüzeyinden gaz moleküllerinin ayrılmasına buharlaģma denir. Bir sıvı buharlaşırken dışarıdan ısı alır. Bir gazın ya da buharın tekrar sıvı hale geçmesi sırasında ise madde çevreye ısı verir.bu olaya ise yoğunlaģma denir. Maddenin buharlaşması sırasında, buharlaşma sıvının her tarafında gerçekleşiyorsa ve madde sıvı halden gaz haline geçiyorsa buna kaynama denir. Kaynamanın gerçekleşebilmesi için sıvının buharının yaptığı basıncın dış basınca eşit olması gerekir. Kaynamanın gerçekleştiği sırada, saf maddeler için sıcaklık sabit kalır. Bu sıcaklığa o sıvının kaynama noktası ya da kaynama sıcaklığı denir. Kaynama 1 atmosfer basınçta gerçekleşiyorsa bu sıcaklığa o sıvının normal kaynama noktası denir. Örneğin,suyun 1 atmosfer basınç altında normal kaynama noktası C dir. Kaynama sıvının her tarafında, buharlaşma ise sadece sıvı yüzeyinde olur. Tüm sıvıların kaynadığı belirli bir sıcaklık olmasına rağmen, buharlaşma her sıcaklıkta gerçekleşir. Kaynama noktası dış basınca bağlıdır. Dış basınç artırıldığında sıvının kaynama noktası da yükselir. Deniz seviyesinden

5 yukarılara çıkıldıkça açık hava basıncı düşeceğinden, yükseklerde sıvıların kaynama noktaları, normal kaynama noktalarına göre daha düşüktür. Düdükle tencerede dış basınç yüksek olduğu için su bu durumda 100 o C'nin üzerinde bir sıcaklıkta kaynar. SÜBLĠMLEġME ve KATILAġMA Katı maddelere de yeterli enerji verilirse buharlaşabilirler. Ancak sıvılara göre katı moleküller arası etkileşimler daha güçlü olduğundan, belli bir sıcaklıkta sıvılar kadar uçucu değillerdir. Maddenin ısıtıldığında katı halden hiç sıvılaşmadan geçmesine süblimleģme adı verilir. Maddenin gaz halinden hiç sıvılaşmadan katı hale geçmesine ise ya da katılaģma adı verilir. Gaz halindeki su moleküllerinin katı hale geçmesine ise kırağılaģma adı verilir. Madde miktarının az ya da çok olması ile ısı kaynağının gücü erime ve kaynama sıcaklığını değil, erime ve kaynama sürelerini değiştirir. Erime ve kaynama sıcaklıkları sabit kalır. Erime ve donma olaylarında hacimdeki değişiklik büyük değildir. Bu nedenle basıncın değiştirilmesi erime ve donma noktasını önemli ölçüde değiştirmez(suda basıncın artırılması donma noktasını bir miktar düşürür). Sıvı halden gaz haline geçişte ise maddenin hacmi yaklaşık olarak 1000 kat büyür. Bu nedenle basınç yükseltildiğinde kaynama güçleşir, yani sıvının kaynama noktası yükselir; basınç düştüğünde kaynama daha kolay gerçekleşir, kaynama noktası düşer. Bir maddeyi oluşturan tanecikler, madde içinde sürekli hareket halindedir. Bu nedenle hareket enerjileri vardır. Madde içerisinde yer alan taneciklerin çarpışmaları ve gelişigüzel etkileşmeleri sonucunda, taneciklerin her birinin hızı değişik olur. Bu yüzden bir maddedeki taneciklerin tek tek kinetik enerjileri de birbirinden farklı olur. Belli miktardaki madde içerisinde yer alan taneciklerin kinetik enerjilerinin toplamının, toplam tanecik sayısına bölünmesiyle ortalama hareket enerjisi (kinetik enerji) bulunur. Sıcaklık değişmediği sürece kinetik enerji de değişmez. Sıcaklık ortalama kinetik enerji ile orantılı bir büyüklüktür. Tanecik başına ortalama kinetik enerji ne kadar büyükse maddenin sıcaklığı o derece yüksektir. Maddelerin hal değişimleri sırasında sıcaklık sabit kalır. Bu yüzden kinetik enerji değişmez. Hal değişimleri sırasında madde ısı alır ya da verir. Bu durumda maddenin potansiyel enerjisi değişir. Erime ve kaynama olayında potansiyel enerji artar, donma ve yoğunlaşma olaylarında ise potansiyel enerji azalır. Daha öncede belirttiğimiz gibi sıvılar her sıcaklıkta buharlaşır. Sıvıların yüzeyinde sürekli olarak buharlaşma olur. Oluşan buharın yapmış olduğu basınca buhar basıncı denir. Sıcaklık yükseldikçe buharlaşma hızı ve buhar basıncı artar. Sıvının buhar basıncının açık hava basıncına eşit olduğu sıcaklıkta sıvı kaynamaya başlar. Açık hava basıncının 1 atmosfer olduğu bir ortamda suyun sıcaklığı C ye çıkartıldığında, buharının basıncı da 1 atmosfere yükselmiş olur ve su kaynamaya başlar. 1 atmosfer basınç altında tespit edilen kaynama noktası o sıvının normal kaynama noktası olur. Örneğin, açık hava basıncının 1 atmosferden küçük olması durumunda su, C den daha düşük bir sıcaklıkta kaynar. Genellikle maddelerin hal değişim ısıları bir mol madde için hesaplanır. Örneğin 1 mol sıvı suyu 100 o C sıcaklıkta su buharı haline getirmek için 40,7 kj enerji(suyun molar buharlaşma ısısı) gerekir. Ya da 1 mol su buharı aynı sıcaklıkta yoğunlaşırken dışarıya 40,7 kj enerji(suyun molar yoğunlaşma ısısı) verir. H 2O(s) H 2O(g) H 2O(g) H 2O(s) 1 mol buz süblimleşirken mol başına gerekli olan enerji, 1 mol suyun erime ısısı ile 1 mol suyun buharlaşma ısısının toplamına eşit olur. Suyun Hal DeğiĢimi Saf su 1 atmosfer basınçta 0 o C sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda katı(buz), 0 o C ile 100 o C arasında sıvı, 100 o C sıcaklığın üstünde ise gaz halindedir. Suyun ısınması sırasında aldığı ısıyı ya da soğuması sırasında verdiği ısıyı hesaplayabilmek için aşağıda verilen kavramların bilinmesi gerekir. Hal Değişim Isısı(L) : Bir maddenin 1 gramının bir fiziksel halden bir başka fiziksel hale geçmesi sırasındaki ısı değişimidir. Birimi J/gram'dır. Hal değişim ısısı, madde eriyorsa, erime ısısı(l erime), madde buharlaşıyorsa buharlaşma

6 ısısı(l buharlaşma) olarak adlandırılır. Erime sıcaklığındaki 1 mol maddenin erimesi için gerekli ısıya molar erime ısısı, kaynama noktasındaki 1 mol sıvının buharlaşması için gerekli olan ısıya molar buharlaşma ısısı adı verilir. Öz Isı(c) : Bir maddenin bir gramının sıcaklığını 1 o C artırmak için gereken ısı miktarına o maddenin öz ısısı denir. Birimi J.g -1. o C -1 'dir. Maddelerin katı sıvı ve gaz hallerindeki öz ısıları birbirinden farklı değerler alabilir. Hal değişimi sırasında erime, donma, kaynama ve yoğunlaşma süresince saf maddenin sıcaklığı değişmez. Alınan ya da verilen ısı tanecikler arasındaki bağları koparmak ya da oluşturmak için kullanılır ya da açığa çıkarılır. Bu durumda sıcaklık değişimi olmadığı için alınan ya da verilen ısı, Q(Isı) = m(kütle). L(erime ya da buharlaşma ısısı) formülüyle hesaplanır. Alınan ya da verilen ısılar sırasında madde hal değiştirmeden ısınıyor ya da soğuyorsa sıcaklığı değişiyor demektir. Bu durumda maddelerin aldığı ya da verdiği ısı aşağıdaki formülle hesaplanır. Q(Isı) = m(kütle). c(öz ısı). t(sıcaklık değişimi) formülüyle hesaplanır. Formüldeki t = t s - t i şeklinde hesaplanır. Bunun için maddenin ilk ve son sıcaklıkları bilinmelidir. Aşağıdaki grafikte -20 o C sıcaklıktaki 100 gram buzun 120 o C sıcaklıktaki su buharı haline gelene kadar gerçekleşen ısı sıcaklık değişimini gösteren bir ısınma eğrisidir. Hesaplama için gerekli olan değerler şu şekildedir:(c su = 4,184 J.g -1. o C -1, c buz = 2,06 J.g -1. o C -1, c buhar = 1,84 J.g -1. o C -1, = 6,020 kj/mol, = 40,7 kj/mol ve H 2O = 18 g/mol.) Bu ısınma grafiğinde -20 o C'den 120 o C'ye gelene kadar 5 farklı bölgede ısı alma gerçekleşmektedir o C'deki buzun 0 o C'deki buz haline gelmesi sırasında aldığı ısı(a'dan B'ye) Q 1 = m. c. t = (100 g)(2,06 J.g -1. o C -1 )(0-(-20) o C) = 4120 J = 4,12 kj 2. 0 o C sıcaklıkta buzun erimesi(b'den C'ye) Q 2 = m. L erime = 100 g.. = 33,4 kj 3. 0 o C'deki suyun 100 o C'ye ısınması(c'den D'ye) Q 3 = (100 g)(4,184 J.g -1. o C -1 )(100-0 o C) =41,800 J = 41,8 kj o C'de suyun kaynaması(d'den E'ye) Q 4 = m. L buharlaşma

7 = 100 g.. = 226 kj 5. Su buharının 100 o C'den 120 o C'ye ısınması(e'den F'ye) Q 5 = m. c. t = (100 g)(1,84 J.g -1. o C -1 )( o C) = 3680 J = 3,68 kj Toplam ısı(q T) = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 Q T = 4, ,4 + 41, ,68 = 309 kj Yukarıda verilen çözüm incelendiğinde en büyük ısı değişiminin suyun buharlaşması sırasında gerçekleştiği görülmektedir. Bunun nedeni tanecikler arasındaki kuvvetin tümüyle kopabilmesi için fazla miktarda enerji gerekmesidir. Hal DeğiĢimiyle Ġlgili Isı Hesaplamaları Maddelerin hal değişim grafikleri çizilirken ısı-sıcaklık grafiği ya da sıcaklık- zaman grafiği çizilebilir. Birim miktardaki bir maddenin erimesi ya da kaynaması için gereken ısı, özkütle, erime ve kaynama noktaları ayırt edici özelliklerdir. Bir katı, sıvı, ya da gazın aldığı veya verdiği ısı hesaplanırken öz ısı(c) yanında, kütle(m) ve sıcaklık değişimi( t) bilinmelidir. Aşağıda verilen 23 soru için parantez içerisindeki sabit değerleri kullanınız. (Buzun ısınma ısısı=0,5 kal/g. o C, suyun ısınma ısısı=1 kal/g. o C, su buharının ısınma ısısı=0,5 kal/g. o C, buzun erime ısısı=80 kal/g, suyun buharlaşma ısısı=540 kal/g) o C sıcaklıktaki 200 gram buzu +80 o C sıcaklıktaki su haline getirmek için kaç kkal ısı gereklidir?(34) C ve 60 o C sıcaklıklardaki sulardan kütlece hangi oranlarda karıştırılırsa, karışımın sıcaklığı 30 o C olur?(3) o C sıcaklıktaki m gram su ile 75 o C sıcaklıktaki kaç m gram su karıştırılırsa son sıcaklık 50 o C olur?(m) 4. t o C sıcaklıktaki 3m gram X sıvısı ile 3t o C sıcaklıktaki m gram X sıvısı ile karıştırılıyor. Karışımın son sıcaklığı 30 o C olduğuna göre, t sayısal değeri kaçtır?(20) o C sıcaklıktaki X sıvısı ile 50 o C sıcaklıktaki Y sıvısı karıştırılıyor. X sıvısının kütlesi Y sıvısının kütlesinin 4 katı, Y sıvısının ısınma ısısı X sıvısının ısınma ısısının 2 katı olduğuna göre, karışımın sıcaklığı kaç o C olur?(30) o C sıcaklıktaki 40 gram su, 2400 kalori ısı kaybederse son fiziksel hali ne olur?(0 o C sıcaklıkta 10 gram buz, 30 gram su) 7. Isıca yalıtılmış bir kabın içerisinde 0 o C sıcaklıkta 100 gram su vardır. 0 o C sıcaklıktaki bir miktar buz, suyun içine atılıp ısı dengesi sağlanıncaya kadar bekleniyor. Denge sağlandığında kaç gram buz erimiş olur?(buz kütlesinde değişme olmaz.) 8. 0 o C sıcaklıktaki 10 gram buz ile 10 o C sıcaklıktaki 10 gram su karıştırılırsa, denge sıcaklığı kaç o C olur?(0 o C sıcaklıkta 8,75 gram buz, 11,25 gram su) 9. Kütlesi 20 gram olan -20 o C sıcaklıktaki buzun sıcaklığının 120 o C'ye çıkarılması için gerekli ısı miktarı kaç kaloridir? (14800)

8 o C sıcaklıktaki bir cisim, kendisine eşit kütleye sahip olan 0 o C sıcaklıktaki suya atıldığında son sıcaklık 10 o C olduğuna göre, cismin özısısının, suyun özısısına oranı kaçtır? (1/2) o C sıcaklıktaki m 1 gram su buharı, 0 o C sıcaklıktaki m 2 gram buzun üzerine gönderildiğinde ısı dengesi sağlanıyor ve ortamda yalnızca 0 o C sıcaklıkta su bulunuyor. Buna göre m 1/m 2 kaçtır?(1/8) o C sıcaklıktaki 100 gram su ile 0 o C sıcaklıktaki 100 gram buz karıştırılıp denge sağlandığında, son fiziksel durum ve sıcaklıkla ilgili ne söylenebilir?(0 o C sıcaklıkta 150 gram su, 50 gram buz) o C sıcaklıktaki 2m gram su ile 0 o C sıcaklıktaki m gram buz karıştırılıp ısı dengesi sağlandığında, son fiziksel durum ve sıcaklıkla ilgili ne söylenebilir?(20 o C sıcaklıkta su) o C sıcaklıktaki m gram su buharı, 0 o C sıcaklıktaki 4m gram buz karıştırılıp ısı dengesi sağlandığında, son fiziksel durum ve sıcaklıkla ilgili ne söylenebilir?(65 o C) o C sıcaklıktaki m gram su ile -10 o C sıcaklıktaki 2m gram buz karıştırılıp ısı dengesi sağlandığında, son fiziksel durum ve sıcaklıkla ilgili ne söylenebilir?(0 o C sıcaklıkta 11m/8 gram su, 13m/8 gram buz) 16. Bir kap içerisinde 60 o C sıcaklıkta 180 gram su bulunmaktadır. Su içerisine -20 o C sıcaklıktaki buzdan kaç gram atılırsa kap içerisinde son sıcaklık 10 o C olur? 17. Bir kap içerisinde 90 o C sıcaklıkta 200 gram su bulunmaktadır. Su içerisine -10 o C sıcaklıktaki buzdan kaç gram atılırsa kap içerisinde son sıcaklık 30 o C olur? (90 gram) 18. Bir kap içerisinde 100 o C sıcaklıkta bir miktar su bulunmaktadır. Su içerisine -20 o C sıcaklıktaki buzdan 10 gram atılırsa kap içerisinde son sıcaklık 50 o C oluyor. Buna göre başlangıçta kap içerisinde kaç gram su vardır? 19. Bir kap içerisinde -20 o C sıcaklıkta 64 gram buz bulunmaktadır. Buzun üzerine 120 o C sıcaklıktaki su buharından kaç gram gönderilirse kap içerisinde son sıcaklık 10 o C olur? (10) o C deki suyun 20 gramı ile 0 o C deki buzdan eşit kütleler alınarak ısıca yalıtılmış bir kapta karıştırılıyor. Bu karışım yeterince bekletilirse son fiziksel durum ve sıcaklık için ne söylenebilir? o C sıcaklıktaki kaç gram buza 475 kalori ısı verildiğinde, son durumda sıcaklık 10 o C olur? o C sıcaklıktaki su buharı soğutularak -5 o C sıcaklıkta buz elde ediliyor. Bu işlem sırasında açığa çıkan ısı kalori olduğuna göre, son durumda ortamda kaç gram buz vardır?(20) o C sıcaklıktaki 100 gram su buharı soğutuluyor. Bu işlem sırasında açığa çıkan ısı karori olduğuna göre son sıcaklık ve fiziksel durum için ne söylenebilir? (90 0 C) BUHAR BASINCI Bir kapta bulunan bir sıvının tüm molekülleri aynı enerjiye sahip değildir. Sıvı yüzeyinde bulunan taneciklerin bir kısmının kinetik enerjisi yükselir. Kinetik enerjisi yükselen tanecikler moleküller arasındaki kuvvetleri yenerek gaz fazına geçerler. Isı alarak(endotermik) gerçekleşen bu olaya buharlaģma denir.

9 Buharlaşmada, sıvı fazda kalan taneciklerin ortalama kinetik enerjisi,yani sıcaklığı düşer. Avuç içine dökülen kolonyanın serinlik hissi vermesi, kilden yapılan testilerin suyu soğuk tutması buharlaşma ile gerçekleşen olaylardır. Buharlaşma her sıcaklıkta gerçekleşir. Sıcaklık arttıkça buharlaşma hızı da artar. Buharlaşma sıvının yüzeyinden gerçekleştiği için, sıvı daha geniş bir kaba konulursa, yüzeyi artar ve buharlaşma hızı artar. Sıvının cinsine bağlı olarak buharlaşma hızı değişir. Havanın nem oranı ve rüzgar, buharlaşma hızını etkiler. Nem arttıkça buharlaşma hızı azalır. Rüzgar hızı arttıkça buharlaşma hızı artar. Şekilde görüldüğü gibi sıvı ve buharın bir arada bulunduğu kapalı bir kapta, buharlaşma ve yoğunlaşma aynı anda gerçekleşir. Bir behere yarısına kadar su doldurulunca ilk aşamada hızlı bir şekilde sıvı fazdaki tanecikler yüzeyden ayrılarak buhar fazına geçerler(a). Bu sırada su seviyesinde bir azalma gerçekleşir(b). Bir süre sonra(sıcaklığın ve basıncın sabit kaldığı durumda) su seviyesinin sabitlendiği ve zamanla hiç değişmediği görülür. Başlangıçta buharlaşma daha fazla olduğu için sıvı seviyesi azalmış, daha sonra ise buharlaşan taneciklerden bazıları tekrar sıvı faza dönmüş ve buharlaşma hızı ile yoğunlaşma hızı birbirine eşitlenmiştir(c). Gaz fazına geçen tanecikler sıvının yüzeyinde basınç oluşturur. Yüzeyden buharlaşan sıvı moleküllerinin kabın yüzeylerine uyguladığı basınca sıvı buhar basıncı denir. Sıvısıyla dengede bulunan bir buharın oluşturduğu basınca denge buhar basıncı denir. Sıcaklık değişmediği sürece buhar basıncı değişmez. Yandaki şekilde suyun, etil alkolün ve dietil eterin, belirli bir sıcaklıktaki buhar basınçlarının ölçümü gösterilmektedir. Sıvıların buhar basıncı madde miktarına, içinde bulunduğu kabın hacmine ve şekline bağlı değildir. Sıvının türüne bağlı olarak buhar basıncı da değişir.sıcaklık arttıkça sıvının buhar basıncı da yükselir. Sıvının safsızlığına bağlı olarak buhar basıncı da değişir. Saf bir sıvıda uçucu olmayan bir katı çözünmüşse, aynı sıcaklıkta çözeltinin buhar basıncı saf sıvınınkinden düşük olur. Aynı sıcaklıkta sıvıya kolay buharlaşabilen sıvı eklenirse, uçucu sıvı buharlaşarak karışımdan ayrılır. Uçucu sıvı, diğer sıvının kaynama noktasına etki etmez.

10 Moleküller arası çekim kuvveti büyük olan sıvıların buhar basıncı düşük, kaynama noktaları yüksektir. Kaynama noktası ile buhar basıncı ters orantılıdır. Aynı sıcaklıkta kaynama noktası büyük olan sıvının buhar basıncı düşüktür. Kolay buharlaşabilen uçucu sıvıların buhar basınçları yüksek, kaynama noktaları düşüktür. Buharlaşma her sıcaklıkta, kaynama ise belli bir sıcaklıkta olur. Oda sıcaklığında, buhar basıncı verilen birkaç sıvının incelemesi yapıldığında, buhar basıncı yüksek olan sıvının; kaynama noktasının düşük olduğu tanecikleri arasındaki çekim kuvvetlerinin daha zayıf olduğu daha uçucu olduğu görülür. Yandaki grafikte görüldüğü gibi etanol, su ve dietil eterin normal kaynama noktaları sırasıyla 78,3 o C, 100 o C ve 34,6 o C'dir. Alkol 1 atmosfer basınca 78,5 0 C de ulaşırken su100 o C de, dietil eter ise 34,6 o C de ulaşmaktadır. Buna göre dietil eterin basıncı 1 atmosfer iken, suyun ve etanolün buhar basınçları 1 atmosferin altındadır. Etanolün basıncı 1 atmosfer iken, suyun buhar basıncı yine 1 atmosferin altındadır. Çünkü suyun 1 atmosfere ulaşabilmesi için sıcaklığın 100 o C olması gerekir. BAĞIL NEM İçerisinde su buharı bulundurmayan havaya kuru hava adı verilir. Nemli hava ise içerisinde su buharı ve kuru havanın bulunduğu havadır. Etrafımızdaki hava hacimce %4'e varan oranda su buharı içerir. Dalton'un kısmi basınçlar yasasına göre atmosferdeki havanın toplam basıncı, kuru havanın ve su buharının kısmi basınçlarının toplamına eşittir. Havada bulunabilecek su buharına nem adı verilir. Bir hava örneğindeki su buharının oranı(nem oranı) sıcaklık arttıkça artar. Bir hava kütlesinin bulunduğu sıcaklık derecesine göre alacağı nem miktarının bir sınırı vardır. Bu sınıra havanın doygunluk noktası denir. Doygunluk noktasına gelen hava daha fazla nem almaz. Hava nem yönünden doygunluğa ulaştığında sıcaklık da düşükse yağış başlar. Örneğin suyun 25 o C sıcaklıktaki buhar basıncının alabileceği en yüksek değer 23,8 mm Hg'dir. Havadaki su buharı basıncı 23,8 mm Hg'nin üzerine çıkamayacağı için fazladan oluşan su buharı yoğunlaşarak yağış olarak geri döner. 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, herhangi bir sıcaklıkta hava içinde bulunan nem miktarının aynı sıcaklıkta o havanın bulundurabileceği maksimum nem miktarına oranı olarak da tanımlanabilir. Bağıl Nem = AMORF VE KRĠSTAL KATILAR Sıvı haldeki bir maddenin sıcaklığı yeterince düşürüldüğünde, taneciklerinin kinetik enerjisi düşerek moleküller arası kuvvetler maddeye düzenli bir yapı kazandırır. Katı maddeleri sıvı ve gazlardan ayıran en önemli özelliklerden birisi düzenli yapıya sahip olmalarıdır. Doğada katılar iki türlüdür. Sert ve sıkıştırılamaz oldukları halde belirli bir geometrik şekilleri olmayan katılara, şekilsiz anlamına gelen amorf katılar adı verilir. Sert, sıkıştırılamaz ve belirli geometrik şekilleri olan katılara ise kristal katılar adı verilir.

11 Amorf Katılar Amorf katılarda tanecikler, düzensiz bir şekilde gelişigüzel istiflenmiştir. Kesilmedikleri ve eritilmedikleri sürace belirli bir şekilleri yoktur. Cam, lastik, plastik, tereyağı gibi katılar amorf katılardır. Kristal katılar belirli bir sıcaklıkta erirken, amorf katılar ısıtıldıklarında, belirli bir sıcaklık aralığında yumuşayarak akıcılık kazanırlar. Yumuşamanın başladığı sıcaklık derecesine o maddenin camsı geçiģ sıcaklığı adı verilir. Cam ısıtılınca, önce yumuşar, daha sonra daha akıcı hale gelir. Akıcı hale gelen cama çeşitli şekiller verilir ve soğutulursa, cam molekülleri komşu taneciklerle kalıcı bağlar kurarak sabit hale gelirler. Tanecikler, kristal yapıdaki gibi düzenli, değil gelişigüzel bir şekilde istiflenmiş olarak dizilirler. Bu nedenle bu tür maddelerde düzgün yüzeyler oluşmaz. Amorf maddeler sert özellikte olma haricindeki özellikleriyle sıvılara benzerler. Örneğin, cam kırıldığında düzlemler yerine, iç içe daireler şeklinde kıvrımları olan bir yüzey oluşur. Bu özellik bakımından sıvılara benzerler. Kristal Katılar Kristal katıda atom, iyon veya moleküller düzenli bir şekilde dizilirler. Kristal katılar kararlı bir yapıya sahiptir. Bu kararlılık maddelerin tanecikler arasındaki iyonik bağlar, kovalent bağlar, van der Waals kuvvetleri, hidrojen bağları gibi etkileşimlerle sağlanır. Doğadaki maddelerin birçoğu kristal yapıdadır. Kristallerin büyüklüğü ve şekli, kristallenme ortamına ve kristallenme süresine bağlı olarak değişir. Kristal katılar sert maddelerdir; ancak her sert madde kristal katı değildir. Örneğin, cam sert olmasına rağmen kristal bir katı değildir. Kristal katıların yapısı, erime noktaları, yoğunluk, sertlik gibi fiziksel özellikleri, yapıdaki tanecikleri birarada tutan kuvvetlerine bağlıdır. Tanecikler arasındaki etkileşim kuvvetlerine göre kristal katıları dört gruba ayırabiliriz. 1. İyonik Kristaller(Sofra tuzu gibi) 2. Moleküler Kristaller(H 2O gibi) 3. Kovalent Kristaller(C(elmas) gibi) 4. Metalik Kristaller

12 Ġyonik Kristaller İyonik kristallerde iyonlar, iyonik bağlarla bir arada bulunurlar. Zıt yüklü iyonların elektrostatik çekim kuvveti ile birbirini çekmesi sonucu bir araya gelirler. İyonik katılarda, NaCl'de olduğu gibi Na + ve Cl - gibi tek yüklü basit yapılar olduğu gibi karmaşık yapılar da vardır. Sodyum klorür bileşiğinde, her bir sodyum iyonu 6 klor iyonuyla ve herbir klor iyonu da 6 sodyum iyonu ile çevrilmiştir. Bu dizilim sürekli tekrarlanarak NaCl kristal yapısını oluşturur. Sezyum klorür(cscl) bileşiğinde, 8 adet klor iyonu bir küpün köşelerine yerleşirken, sezyum katyonu küpün merkezine yerleşerek kristal yapıyı tamamlar. Böylece oluşan kristal yapıda diziliş NaCl'den farklı olur. Yanda görüldüğü gib farklı iyonik maddelerde iyonların dizilimleri birbirinden farklı olabilmektedir. İyonik katılar, iyonları bir arada tutan güçlü etkileşimlerden dolayı çok yüksek erime noktasına sahiptirler. İyonik katılarda iyonlar sabit konumda bulunduklarından hareket etmezler. Bu nedenle katı halde elektriği iletmezler. İyonik katılar eritildiklerinde ya da sulu çözeltilerinde iyonlaşırlar ve iyonlar serbest hareket edebildikleri için elektriği iletirler. Moleküler Kristaller Moleküler kristtalleri birarada tutan etkileşimler van der Waals kuvvetleri veya hidrojen bağlarıdır. Moleküler kristallere örnek olarak H 2O, SO 2, S 8, P 4 gibi maddeler gösterilebilir. Yandaki şekilde S 8 ve P 4 kristalleri görülmektedir. Buzun kristal yapısı moleküller arası hidrojen bağlarıyla sağlanır. Hidrojen bağlarından bazıları buz eridiği zaman kopar ve düzenli yapıda bozulma olur. Moleküller daha yoğun bir şekilde ve düzensiz olarak istiflenirler. Buzdağı açık ağ örgüsünün erime sırasında bozulması ve sıvıdaki daha sık yerleşim nedeniyle hacim küçülür; bu nedenle, suyun yoğunluğu buzun yoğunluğundan büyük olur. Van der Waals ve hidrojen bağları, kovalent ve iyonik bağlara göre oldukça zayıf etkileşimlerdir. Bu nedenle bu etkileşimlerle bağlı olan kristaller kolay bozulur; erime ve kaynama noktaları da düşük olur.

13 Kovalent Kristaller Kovalent kristallerde atomlar kovalent bağlarla ağ yapısında birarada bulunmaktadırlar. Kovalent kristallerde,moleküler kristallerde olduğu gibi farklı atomlardan oluşan moleküller yoktur. En çok bilinen kovalent kristaller, karbon atomunun allotropları olan elmas ve grafittir. Elmasta herbir karbon atomu 4 karbon atomuyla kovalent bağ yapmıştır. Karbonlar arasındaki kovalent bağlar elmasın çok sert ve yüksek erime noktasına sahip bir madde olmasını sağlar. Grafitin kristal yapısında karbon atomları altıgen halkalar şeklinde dizilmiştir. Grafitte p orbitalinde bulunan elektronların serbestçe hareket edebilmesinden dolayı grafit elektriği iletir. Grafitte tabakalar arasında zayıf van der Waals kuvvetleri bulunur. Kuartz(SiO 2) da kovalent kristallere örnek olarak verilebilir. Kuartzdaki Si atomlarının dizilişi, karbonun elmastaki dizilişine benzer. Sertlik ve yüksek erime noktası gibi birçok özellik bakımından da SiO 2 elmasa benzer özellikler gösterir. Metalik Kristaller Metal kristallerinin büyük bir kısmı, soygaz elektron düzenindeki artı yüklü iyonlardan oluşmuştur. Metalin kristal yapısı, diğer kristal yapılara göre daha basittir. Metaldeki değerlik elektronları, metal atomları tarafında kuvvetli bir şekilde tutulmadıklarından, katı içerisinde her yöne doğru kolaylıkla akabilen bir elektron bulutu oluştururlar. Serbestçe hareket edebilen elektron bulutu ya da elektron denizi içerisinde düzenli bir şekilde yerleşmiş artı yüklü iyonların oluşturduğu bu kristal yapıya metalik kristal yapı adı verilir. Metaldeki bağ elektronları tüm kristal boyunca yayılmış durumdadır. Bu dağılımdan kaynaklanan büyük kuvvetler metallerin sertliklerini ve dayanıklılıklarını belirler. Bu özellik metal bağ elektronlarının ya da değerlik elektronlarının sayısı arttıkça artar. Örneğin, değerlik elektron sayısı 1 olan sodyum 97,6 o C'de erirken, değerlik elektron sayısı 3 olan aluminyumun erime noktası 666 o C'dir. Değerlik elektronları boş orbitallerde serbestçe hareket edebildikleri için metaller ısı ve elektriği iyi iletirler. Tel ve levha haline getirilebilirler.

14 Kristal türleri ve özellikleri aşağıdaki tabloda özetlenmiştir. Tablo. Kristal Çeşitleri Kristal Çeşiti Kristal yapıyı oluşturan Çekim kuvvetleri Örnek Özellikleri parçacıklar İyonik Pozitif ve negatif iyonlar Zıt yüklü iyonlar arasındaki çekimler NaCl, CaCl 2, NaNO 3 Sert ve kırılgandırlar. Erime noktaları yüksektir. Katı halde elektriği iletmezler. Eritildiklerinde elektriği iletirler. Moleküler Atomlar veya moleküller Dipol-dipol etkileşimler, London kuvvetleri, hidrojen bağları Kovalent(Ağ örgülü) Atomlar Atomlar arası kovalent bağlar Metalik Pozitif iyonlar Elektron bulutu içerisinde yer alan elektronlarla pozitif iyonlar arasındaki etkileşimler HCl, SO 2, N 2, Ar, CH 4, H 2O Elmas, grafit, SiC(zımpara), SiO 2(kuartz, kum) Cu, Ag, Hg, Fe, Na Yumuşak, erime noktaları düşük, iletken olmayan maddelerdir. Çok sert, çok yüksek erime noktasına sahip, grafit hariç elektriği iletmeyen maddelerdir. Kimi sert, kimi yumuşaktır. Erime noktaları da düşükten yükseğe geniş bir aralığa yayılmıştır. Katı ve sıvı halde elektriği iletirler. Metalik parlaklıkları vardır.