MADDENİN FİZİKSEL HÂLLERİ GAZLARIN GENEL ÖZELLİKLERİ

Transkript

1 MADDENİN FİZİKSEL HÂLLERİ GAZLARIN GENEL ÖZELLİKLERİ 1.MADDENİN GAZ HÂLİ: Bulunduğu hacmi doldurabilen ve bastırarak hacmi büyük ölçüde küçültülebilen akışkanlara GAZ denir. Gazların Genel Özellikleri: *Maddenin en düzensiz halidir. Gaz kelimesi Yunancada kaos anlamına gelir. *Maddenin en yüksek enerjili halidir. Bir gazın molekülleri birbirinden çok uzaktır ve gelişigüzel hareket halinde bulunurlar. *Belli hacmi ve şekilleri yoktur. İçinde bulundukları kabın hacmini ve şeklini alırlar. *Taneciklerin toplanmasından oluşan öz hacimleri serbest dolaşabildikleri toplam hacmi yanında sıfır sayılabilir. *Tanecikler arasındaki çekim kuvvetleri küçüktür. *Gazların tanecikleri sürekli hareket halindedir. Titreşim, dönme ve öteleme hareketi yaparlar. *Birbirine her oranda ve homojen olarak karışırlar. Gazların oluşturduğu karışımlar homojen olduğu için çözeltidir. *Bulundukları kabın her yerine aynı basıncı yaparlar. *Kolaylıkla sıkıştırılabilen akışkan maddelerdir. *Saydamdırlar. *Boşlukta ve diğer gazların arasında yayılabilirler. *Gazların sıcaklıkla genleşme katsayıları eşittir. *Gazların öz kütlesi, katı ve sıvıların öz kütlesinden küçüktür. 2.GAZLARIN SIKIŞMA VE GENLEŞME ÖZELLİĞİ: Silindir içinde bulunan gaz molekülleri basıncın etkisiyle sıkıştırılmıştır. Bu sıkıştırılma sonucunda CO 2 gazının bir süre sonra sıvılaştığı, He un ise gaz halde kaldığı görülüyor. Bu iki gazın göstermiş olduğu davranış farkı,ancak moleküller arası boşluklarla ve moleküller arası çekme kuvvetleri ile açıklanır. Ortam sıcaklığı ve basınç etkisiyle birbirine yaklaşan moleküllerin arasındaki çekme kuvvetinin etkin olduğu durumda gaz sıvı hale geçer. Moleküller arası etkileşimi olan ve moleküllerin birbirinden etkilendiği gazlara GERÇEK GAZLAR denir. Molekülleri arasındaki etkileşimlerin sonucunda gerçek gazlar basınçla sıvılaşabilir. Gerçek gazlarda moleküllerin hacmi ihmal edilemez. Molekülleri arasında birbirinin davranışından etkilenmeyen ve aralarında çekim kuvveti olmayan gazlara İDEAL GAZLAR denir. İdeal gazlarda toplam hacim yanında gaz moleküllerinin hacmi çok küçük olduğundan gaz moleküllerinin hacmi ihmal edilebilir. Oda sıcaklığında CO 2 in basınç uygulanarak sıvılaştığı, He un sıvılaşmadığı görülür. Bu durumda CO 2 gazını gerçek gaz, He gazını ideale yakın gaz olarak nitelendirebiliriz. Gerçek gazlar yüksek sıcaklık ve düşük basınçta idealliğe yaklaşır. He ve CO 2 gazlarının bulunduğu kapların sıcaklığı arttırıldığında sıcaklığı artan gaz molekülleri daha hızlı hareket eder. CO 2 ve He gazı moleküllerinin kinetik enerjileri sıcaklıkla doğru orantılı olarak artar. Hızın artmasıyla kabın çeperlerine çarpma sayısı da artar. Her çarpma itme gücünü arttıracağı için hareketli piston yukarı doğru itilir ve gaz moleküllerinin bulunduğu hacim büyür. Sıcaklığın artırılmasıyla gazların hacimlerinde meydana gelen bu değişime ISIL GENLEŞME denir. İlk defa 1827 yılında Robert Brown gaz moleküllerinin göstermiş olduğu doğrusal ve zigzaglı haraketler üzerine çalışmalar yapmıştır. Gaz moleküllerinin bu hareketlerine BROWN HAREKETLERİ adı verilmiştir. Gaz moleküllerinin arasındaki boşlukları ve etkileşimleri KİNETİK TEORİ olarak ortaya koydukları varsayımlar bilim adamları tarafından açıklanmıştır. 3.GAZLARIN KİNETİK TEORİSİ: 19. yüzyılın başlarında Ludwig Boltzman, James Clerk Maxwell ve diğer bilim insanlarının çalışmaları gazların kinetik teorisini ortaya koymuştur. Bu teoriye göre; 1.Bir kap içinde gaz molekülleri birbirinden çok uzaktadır. Gaz molekülleri arasındaki bu uzaklığın yanında moleküllerin hacmi ihmal edilebilir. 2.Gaz molekülleri, sürekli olarak gelişigüzel hareket ederken aynı zamanda birbirleriyle ve kabın çeperleriyle çarpışırlar(brown Hareketi). Bu çarpışmalar hızlı ve esnektir. 3.Moleküller arasında çarpışma sırasında oluşan zayıf kuvvetler dışında başka kuvvetlerin olmadığı kabul edilir. 4.Farklı gazların aynı sıcaklıkta moleküllerinin ortalama kinetik enerjileri birbirine eşit ve sıcaklıkla doğru orantılıdır. **Kinetik teori varsayımlarına uyan gazlara ideal gaz tanımlaması yapılır.

2 GRAHAM DİFÜZYON KANUNU: Aynı sıcaklıkta bulunan farklı gazların ortalama kinetik enerjisi birbirine eşittir. Kinetik enerji hareketli bir cismin oluşturduğu enerjidir ya da hareket enerjisidir. ( E K = ½ mv 2 ). Aralarında kimyasal tepkime vermeyen gazlar birbiri içinde her oranda karışarak homojen karışım oluştururlar. Gazların birbiri içinde karışma özelliği, taneciklerin boşlukta yayılmalarından ileri gelir. Bir gazın başka bir gaz içerisinde yayılması olayına DİFÜZYON denir. Kapalı kapta bulunan gaz moleküllerinin kapta açılan küçük bir delikten boşluğa yayılımına EFÜZYON denir. Gazların difüzyon hızları ile ilgili çalışmalar Thomas Graham tarafından 1826 yılında yapılmıştır. Graham, gazların efüzyon hızları üzerine bir seri deney yaparak; dışa efüzyon hızının, gazın mol kütlesinin karakökü ile ters orantılı olduğunu bulmuştur. Bu gözlem GRAHAM DİFÜZYON KANUNU olarak bilinir. Gazların kinetik teorisine göre, aynı sıcaklıktaki gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjileri eşittir. Buna göre, aynı sıcaklıkta bulunan A ve B gazları için; E KA = E KB olur. Bu eşitlik açıldığında, aşağıdaki formüller elde edilir. V ler gazların yayılma hızı V A M B d B t B M ler mol kütlesi = = = d ler gazların öz kütleleri V B M A d A t A t ler geçen süre 4.GAZLARDA BASINÇ, HACİM, MOL SAYISI VE SICAKLIK İLİŞKİSİ: BASINÇ: Birim yüzeye uygulanan kuvvete BASINÇ denir. Gazı oluşturan moleküller, bulundukları kap içinde her yöne hareket edip kabın yüzeylerine çarparlar. Kabın herhangi bir noktasından ölçülen basınç gazın basıncını verir. Açık hava basıncı barometre ile kapalı kaptaki gazların basıncı ise manometre ile ölçülür. Yaygın olarak mmhg, atmosfer, paskal, bar basınç birimleri kullanılmaktadır. mmhg; 760 mmhg basıncı, deniz seviyesinde normal atmosfer basıncıdır. 1 mmhg birimi yerine 1 Torr (Toriçelli adından dolayı) da kullanılabilir. ( 760 mmhg=760 Torr ) atm; 760 mmhg lik basınç, 1 atm lik basınca eşittir. Pa; 1 m 2 lik yüzeye 1 N luk kuvvetin dikey olarak etkilemesi sonucu oluşan basınçtır. ( 1 Pa = 1 N/m 2 ) bar; 1 mm 2 lik yüzeye 0,1 N luk kuvvetin dikey olarak etkilemesi sonucu oluşan basınçtır.(1 bar=0,1 N/mm 2 ) Basınç Birimleri; 1 bar = 10 5 Pa 1 atm = Pa 1 atm = 1,01325 bar 1 atm = 760 Torr 1 atm = 760 mmhg HACİM:Her yönde serbestçe hareket eden gaz molekülleri bulundukları kabın hacmini tam olarak kaplarlar. Bu durumda bir gazın hacmi, içinde bulunduğu kabın hacmine eşit olur. Ölçülen gazların hacimlerini miktar olarak belirtirken kullanılan birimler cm 3, dm 3, m 3 veya litre, mililitredir. 1 ml = 1 cm 3 1 L = 1 dm 3 1 dm 3 = 10-3 m 3 MOL SAYISI: 6, tane tanecik (atom ya da molekül) içeren madde miktarına 1 mol denir. Mol sayısı kütle cinsinden şu formülle de hesaplanır. Mol ile ilgili hesaplara geçmeden önce konuda kullanılan terimleri önce tanımlayalım. n = mol sayısı (mol) m = kütle (gram, g) M A = bir molün kütlesi (g / mol) V = hacim 22,4 L = NŞ'da 1 molün hacmi N = tanecik sayısı ( atom, molekül, iyon elektron...) N 0 = N A = Avogadro sayısı = 6,02x10 23 m n = M A

3 MOL VE AVOGADRO SAYISI: Atomlar ve moleküller en güçlü mikroskoplarla bile görülemeyecek kadar küçük taneciklerdir.bu taneciklerin oluşturduğu 6.02 x10 23 tanelik kümeye 1 mol denir.burada 6.02 x10 23 sayısının ne ifade ettiğini belirtmeden geçemiyeceğim.kuruyemişçiden bir kilo leblebi alım.saydığımızda ortalama 1000 tane leblebi olduğunu görürüz.peki 1 mol leblebi alsaydık kaç tane olurdu? 6.02 x10 23 tane olurdu.bu sayıyı açık bi şekilde yazarsak, tanedir. Bu sayıyı okuyabilirseniz bravo...bahsettiğimiz sayının ne kadar büyük olduğunu artık tahmin edebiliyorsunuz herhalde. Kısaca bütün elementlerin 1 molü 6.02 x10 23 tanedir. MOL KÜTLESİ 1 mol demir(fe) alsak bu 6.02 x10 23 tane demir atomu demektir.biz buna Avagadro sayısı diyoruz. MOL: Avagadro sayısı ( 6, ) kadar atom yada molekül içeren maddeye 1 mol denir. Örnek : 1 mol HF 6, tane HF molekülüdür. Yine bu molekülün içerisinde 1 mol H atomu (6, tane) ve 1 mol F atomu (6, tane) vardır. ATOM AĞIRLIĞI: 12C izotopu standart seçilerek diğer elementlerin bu izotopla kıyaslanması sonucu hesaplanan kütlelerdir. Örneğin, H=1 O=16 N=14 S=32 MOLEKÜL AĞIRLIĞI: Bileşiği oluşturan elementlerin gram cinsinden kütlelerinin toplamına denir. Örnek : 1 mol C 6 H 12 O 6 (glikoz) kaç gramdır? (C=12 O=16 H=1) 6.12 = 72 gram C 12.1 = 12 gram H 6.16 = 96 gram O 1 mol C 6 H 12 O gram olur. Bir Tane Molekülün Kütlesi : Bir tek molekülün kütlesi, molekül ağırlığının Avagadro sayısına bölümüyle bulunur. (M A =Molekül ağırlığı) 1 tek molekülün kütlesi = M A /6, Örnek : 1 tane H 2 O molekülü kaç gramdır? (H=1 O=16) 1 tane H 2 O = 18/ = gramdır. Bir Tane Atomun Kütlesi : Atom ağırlığının Avagadro sayısına oranıdır. ( A.A :Atom Ağırlığı) 1 tek atomun kütlesi = A.A./ 6, Örnek : 1 tane C atomu kaç gramdır? (C=12) 1 tane C atomu = 12/ = gramdır. N.Ş.A da Hacim : Bütün gazların bir molü N.Ş.A da ( 0 0 C ve 1 atmosfer de) 22,4 litredir. (N.Ş.A=Normal Şartlar Altında) Mol Hesaplama Yöntemleri : Örnek : 23 gram C 2 H 5 OH kaç moldür? (C=12 O=16 H =1) M A = = 46 gram/mol n=23/46 = 0,5 mol

4 Örnek : N.Ş.A da 2,8 litre olan CO 2 gazı kaç mol ve kaç gramdır?(c=12 O=16) n=2,8/22,4 = 0,125 mol. 1 mol CO 2 44 gram olduğuna göre 0,125 mol CO 2 0,125.44= 5,5 gramdır. 22,4 litre = 1 mol ; 11,2 litre= 0,5 mol ; 5,6 litre = 0,25 mol ;2,8 Litre = 0,125 mol Örnek : 3, tane C 2 H 4 molekülü kaç gramdır? (C=12 H=1) n=3, /6, = 0,5 mol 1 mol C2H4 28 gram ise 0,5 mol C 2 H 4 14 gram olur. SICAKLIK: Sıcaklık, maddeyi oluşturan taneciklerin kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür. Gazların sıcaklığı artırıldığında gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi ve buna bağlı olarak ortalama hızları artar. Sıcaklık termometre ile ölçülür. Gazlar için kinetik enerji mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır. Celcius ( C ) Kelvin ( K ) Fahrenheit ( F ) Reomür ( R ) Mutlak sıcaklık şu formülle hesaplanır. T (K) = t ( C ) İDEAL GAZ DENKLEMİ: Tanecikleri arasında etkileşim olmayan, tanecik hacimleri bulundukları hacme göre ihmal edilen gazlara İDEAL GAZ denir. İdeal gazların özellikleri şunlardır: *İdeal gazlarda moleküller arası çekim kuvveti yoktur. *Gazlar son derece küçük moleküllerden oluşur, bu hacim gazın içinde bulunduğu kabın hacmi yanında ihmal edilir. *İdeal gaz molekülleri birbirleriyle ve bulundukları kabın çeperlerine çarparken gaz molekülleri arasında enerji alış verişi olur. Ancak toplam kinetik enerji değişmez. *İdeal gazların ortalama kinetik enerjileri mutlak sıcaklıkla doğru orantılı olarak değişir. Doğada ideal gaz yoktur, gerçek gaz vardır. Ancak gerçek gazlar; Yüksek sıcaklık Düşük basınç Koşullarında ideal gaz davranışı gösterirler. İdeal gazların davranışı ideal gaz denklemi ile ifade edilir. 22,4 P.V = n.r.t R= = 0,082 L.atm/mol.K Mutlak sıcaklık(k) 273 Basınç mol gaz (atm) sayısı sabiti R= 8,314 J/mol.K Hacim (L.atm/molK) (L) ÖRNEK: 0 C sıcaklık ve 2 atm basınç altındaki 4 mol CH 4 gazı için aşağıdaki soruları cevaplayınız. ( CH 4 =16 g/mol ) a)hacmi kaç litredir? a) P.V = n.r.t b)öz kütlesi kaç g/l dir? 22,4 89,6 T=0 C = 273 K 2. V = V = 89,6 V= = 44,8 L P= 2 atm n=4 mol M A =16 g/mol b) P. M A = d. R. T V=? ve d=? 22, = d d = = 1,428 g/l ,4

5 Gazlarda Yoğunluk Birim hacimdeki madde miktarına yoğunluk denir. d=m/v veya şartlara bağlı olarak P.M A =d.r.t formülüyle ifade edilir. Pistonlu Kaplarda Yoğunluk *Piston yukarı çekilirse, yoğunluk azalır. *Piston aşağıya itilirse, yoğunluk artar. *Piston sabit tutulup madde miktarı artırılırsa, yoğunluk artar. *Piston sabit tutulup madde miktarı azaltılırsa, yoğunluk azalır. *Piston sabit tutulup sıcaklık artırılırsa, yoğunluk değişmez. *Piston sabit tutulup sıcaklık azaltılırsa, yoğunluk değişmez. GAZ KANUNLARI 1.BOYLE-MARIOTTE KANUNU: Basınç ile hacim arasındaki ilişki ilk defa 1662 yılında Robert Boyle (Rabırt Boyle) tarafından açıklanırken aynı yıllarda bu ilişkiye, Fransız bilgini E.Mariotte (Mariotte) benzer deneyler yaparak dikkat çekmiştir. Sabit sıcaklıkta bir miktar gaz örneği pistonla kapatılmış silindir içine konulur. Silindirde bulunan gaz üzerine değişik basınç değerleri uygulandığında hacimde meydana gelen değişiklikleri incelendiğinde; Sabit sıcaklıkta, belli bir miktar gazın basıncıyla hacmi ters orantılıdır. P ile V nin çarpımı sabittir. Bu bağıntı; P 1 V 1 = P 2 V 2 = P 3 V 3 = = k şeklinde yazılabilir.

6 2.CHARLES KANUNU: 1787 yılında Fransız fizikçi Jocques Charles(JakÇarls) gazların hacmiyle sıcaklığı arasındaki bu ilişkiyi ortaya çıkarmak için alt taraftaki çalışmaya benzer denemeler yapmıştır. Charles gazların sabit basınç altında sıcaklıkları yükseltildiğinde hacimlerinin de arttığını gözlemlemiştir. Şekilden de anlaşıldığı gibi belli bir miktar gazın, sabit basınçta, hacmi mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır. Gay-Lussac Kanunu: Sabit hacimde belirli miktarda gazın basıncı ile sıcaklığı arasında da bir ilişki vardır. Bu ilişkiyi Gay-Lussac (GayLussak) gazlar üzerinde yaptığı çalışmalar sonucunda ortaya koymuştur. Buna göre; Sabit hacimde bir gazın basıncı sıcaklık arttırıldığında artar, azaltıldığında azalır.

7 GAZ KANUNLARI İLE İLGİLİ SORULAR: 1) 1 atm basınçta hidrojen gazı ile doldurulan meteoroloji balonunun hacmi 200 L dir. Bu balon deniz seviyesinden yüksekliğe götürüldüğünde hacmi 200 L olarak ölçülüyor. Bu yükseklikte sıcaklığın sabit kaldığı düşünülürse basınç kaç atm dir? P 1 =1 atm P 1.V 1 = P 2.V 2 V 1 =150 L = P P 2 =? 150 V 2 =200 L P 2 = = 0,75 atm 200 2)Sıcaklığı -23 C, hacmi 5 L olan bir gaz, sabit basınç altında ısıtılarak sıcaklığı 127 C ye çıkarılıyor. Bu gazın son hacmi kaç L olur? V 1 V 2 5 V 2 V 1 =5 L = = T 1 =-23 C = 250 K T 1 T V 2 =? T 2 =127 C = 400 K 250.V 2 = V 2 = = 8 L 250 3)Sabit hacimli bir kapta 27 C de 1 atm basınç yapan gaz bulunmaktadır. Bu gazın basıncının 3 katına çıkması için sıcaklığı kaç C olmalıdır? P 1 P P 1 =1 atm = = T 1 = 27 C = 300 K T 1 T T 2 P 2 = 3 atm T 2 =? T 2 = = 900 K t = = 627 C Birleştirilmiş Gaz Denklemi: edilir. Belirli bir miktar gaz için Boyle Mariotte, Charles ve Gay Lussac Kanunları birleştirilirse gaz kanunu elde P 1.V 1 P 2.V = bağıntısı elde edilir. Buna Birleştirilmiş Gaz Denklemi denir. T 1 T 2 Miktarı sabit tutulan gaz farklı basınç, hacim ve sıcaklık değerlerine sahip olabilir. ÖRNEK: - 23 C de ve 2 atm basınçta 125 L hacim kaplayan bir gaz 127 C de hacmi 62,5 L ye indirildiğinde basıncı kaç atm olur? P 1 =2 atm P 1.V 1 P 2.V P 2.62,5 V 1 =125 L = = T 1 = -23 C = 250 K T 1 T P 2 =? V 2 =62,5 L ,5.P 2 = T 2 = 127 C = 400 K P 2 = P 2 = = 6,4 atm Mutlak Sıcaklığın Molekül Hızlarının Dağılımına Etkisi Gazların kinetik teorisi de sıcaklıkla taneciklerin hızları arasındaki ilişkiyi, taneciklerin ortalama kinetik enerjisi olarak ifade eder. Tek bir taneciğin kinetik enerjisi mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır. Taneciğin ortalama kinetik enerjisi;

8 3 Bir gazın bir molünün toplam kinetik enerjisi ise R.T şeklinde ifade edilir. 2 Bu denklemde gaz moleküllerinin hızının;sıcaklığa ve molekül kütlesine bağlı olarak değiştiği görülmektedir. Gaz moleküllerinin belirli bir andaki hızları birbirinin aynı olmadığı gibi bir molekülünde değişik anlardaki hızı aynı değildir. O halde gaz moleküllerinin hızları birbirinden farklı olacağından moleküller bir hız dağılımı meydana getirebilir. Grafikte üç farklı sıcaklıktaki bir gazın hız dağılım eğrileri görülmektedir. Grafikte aynı sıcaklıkta üç farklı gazın hız dağılım eğrileri görülmektedir. Eğrinin tepe noktası en fazla sayıdaki moleküllerin hızını ifade eder. Sıcaklık arttıkça eğri düzleşmeye başlar ki bu durum daha fazla sayıda molekülün daha hızlı hareket ettiğini gösterir. 3.AVOGADRO KANUNU: Amedeo Avogadro gazların miktar hacim ilişkisini incelemiştir. Aynı koşullarda ( sabit basınç ve sıcaklıkta ) bulunan gazların eşit hacimlerinde eşit sayıda molekül bulunduğunu saptamıştır. eşitliği yazılır. Gazın hacim ve miktarı arasındaki ilişkiye benzer bir ilişki de gazın sıcaklığı ve hacmi sabit tutularak basıncı ve miktarı arasındaki ilişkidir. Sabit sıcaklık ve basınçta belli miktar gaz belli hacim kaplar. Bu hususta ilk çalışmaları Amedeo Avogadro yapmış ve "eşit hacimde, eşit sayıda tanecik bulunur teorisini ortaya atmıştır. Sabit sıcaklık ve basıncı ifade etmek için NK veya NŞ kavramları kullanılmaktadır. Normal Şartlar( NŞ ) 0 C sıcaklık ve 1 atm basınç Oda Şartları 25 C sıcaklık ve 1 atm basınç