Hidrojen birincil enerji kaynaklarından üretilen bir yakıt olup temiz bir enerji kaynağı olarak kullanılabilecek önemli bir elementtir. Benzinden iki kat daha verimlidir. Hidrojen kainatta en çok bulunan element olmasına rağmen dünyada serbest olarak bulunmamaktadır.
Şu an çok pahâlı olan hidrojen üretimi, su ve doğalgaz gibi elementlerdeki hidrojenin ayrıştırılmasıyla yapılmaktadır. Son yıllarda, Karadeniz in diplerinde bol miktarda bulunan ve son derece zehirli bir gaz olan hidrojen sülfür (H 2 S) gazından hidrojen üretilmesi ile ilgili çalışmalar yapılmaya başlanmıştır.
Hidrojen sülfürün son derece patlayıcı ve sıvılaştırılmasının oldukça zor olması, hidrojen sülfür gazından hidrojen üretiminin tehlikeli ve pahâlı olmasına neden olmaktadır. Yüksek hidrojen depolama kapasiteleri nedeniyle bazı metal hidrürlerden (özellikle sodyum bor hidrür) hidrojen elde edilmesi ile ilgili çalışmalar da yapılmakta olup bu maddeler hidrojen üretiminde büyük ümit vaat etmektedir.
Son yıllarda üretilen bazı otomobiller, hem benzin hem de hidrojenin kullanıldığı hibrid (melez) yakıt yöntemiyle çalışmaktadır. Hibrit otomobiller sayesinde, atmosferin kirletilmesine neden olan kirletici gazların miktarı %30-40 oranında azaltılabilmektedir. Avrupa da hidrojenin, 20 yıl içerisinde çok daha aktif olarak kullanılması için çok önemli çalışmalar yapılmaktadır.
Madde, kütlesi ve hacmi olan (evrende yer kaplayan) her şeye verilen genel bir addır.
Şekilde gösterilen madde örneğinde olduğu gibi gerekli basınç ve sıcaklık şartları sağlandığında birçok madde katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç temel hâlde bulunabilir. Maddenin bu üç hâlinin moleküler düzeyde görünümleri ve özellikleri birbirinden farklıdır.
Katılarda, tanecikler belli bir düzende sıkı şekilde bir arada tutulduğundan, maddenin katı hâlinin belli bir şekli ve hacmi vardır. Sıvılarda,çekim kuvvetleri tanecikleri birbirine yakın tutacak kadar kuvvetlidir, ancak tanecikler birbirlerinin üzerinden kayabildiğinden katılardan farklı olarak bulunduğu kabın şeklini alabilir. Gazlar ise tanecikler başka bir taneciğin çekimini çok az hissettiğinde serbestçe hareket ederler ve böylece bulundukları kabı tamamen doldurur.
Şekil 4.1.1 de görüldüğü gibi pek çok maddenin katı hâlinin tanecikleri, sıvı hâlin taneciklerine göre daha sık istiflenmiştir. Su bu maddelerden farklı davranır.
Şaşırtıcı bir şekilde suyun katı hâlinin (buz) tanecikleri arasındaki mesafe, sıvı hâlin tanecikleri arasındaki mesafeden daha fazladır. Suyun; +4 o C taki yoğunluğu, maksimum ve 1,00000 g/ml iken, 0 o C ta yoğunluğu 0,99987 g/ml ye düşer. Donma olduğunda ise 0 o C taki buzun yoğunluğu 0,917 g/cm 3 değerine kadar düşer. Bu nedenle suyun yoğunluğundan daha düşük yoğunluğa sahip buz ve bazı diğer maddeler suda yüzerler ama yoğunluğu sudan büyük olan maddeler batarlar. Suyun diğer maddelerden ayıran bu özelliği olmasaydı sulardaki canlı yaşamından bahsedemezdik. Çünkü sular dipten donacaktı.
Çevremizde birçok alanda karşılaştığımız maddelerin, bulunduğu koşullara göre katı, sıvı veya gaz hâllerinde bulunabilme özelliği canlı hayat, endüstri ve çevre için büyük öneme sahiptir. Hayatımızın birçok noktasında karşılaştığımız su ve suyun üç hâli canlılığın sürmesi için gerekli olan temel unsurların başında gelmektedir. Eğer su hayatımızı devam ettirdiğimiz koşullarda sıvı hâlde olmasaydı yaşamımız oldukça zor olurdu.
Örneğin; denizler, göller sıvı hâlde olmazdı ve bu nedenle sulardaki canlı yaşamından bahsedemezdik. Bitkiler, ihtiyaçları olan suyu kökleri ile topraktan alamazlardı. Bu nedenle tarım ve tarımsal ürünlerden bahsetmemiz çok zor olurdu. Bizler suyu içmek, temizlenmek vb. ihtiyaçlarımız için kullanmakta zorlanırdık. İnsanlık tarihinin gelişiminin temelinde de suyun önemli bir rolü olmuştur.
Eğer ırmaklar, denizler ve okyanuslar sıvı hâlde olmasaydı, tarih boyunca medeniyetler kıtalar arası ulaşım yapamadıkları için birbirleriyle sosyal, kültürel ve ekonomik etkileşim de kuramayacaklardı.
Su polar, ucuz ve zehirsiz olma özelliği nedeniyle önemli bir çözücüdür. Su içme suyu, evsel kullanım ve tarımsal sulamanın yanı sıra bilim ve sanayide de önemli miktarda kullanılmaktadır.
Buharlı makinelerden (Resim 4.1.2), hidroelektrik santrallere, otomobil üretiminden, çelik üretimine, petrolün rafine edilmesinden, kumaş üretimine (baskılı boya), ilaç yapımından tekstile ve kozmetiğe kadar birçok alanda kaynak olarak suyun farklı hâlleri kullanılmaktadır. Ayrıca su buharı, termik ve nükleer santrallerin türbinlerini döndürmesi gibi son derece geniş kullanım alanına sahiptir. Su, sanatçılara da ilham vermiş; Leonardo Da Vinci Mona Lisa yı yaparken Ara Güler çektiği eşsiz fotoğrafları basarken suyu kullanmıştır (Resim 4.1.3).
Resim 4.1.4 ve şekil 4.1.3 te görüldüğü gibi su çeşitli doğa olayları ile bir hâlden diğerine dönüşür. Su döngüsü adı verilen bu döngü dünyadaki hayat için son derece önemlidir.
Örneğin, yeryüzündeki su güneş enerjisinin etkisiyle buharlaşır ve bu buharlaşan su yükseklerde maruz kaldığı düşük sıcaklıkların etkisi ile sıvılaşarak veya katılaşarak yağmur, dolu, kar veya kırağı şeklinde dünya yüzeyine geri döner. Bir kısmı yer altı sularına karışır ama büyük bir kısmı yüzeyde kalır ve aynı işlemler tekrarlanarak döngü devam eder. Bu döngü de suyun, uygun sıcaklık ve basınçta her üç hâlde bulunabildiğine ve işlevlerinin farklı olduğuna dikkat ediniz. Su döngüsü bu nedenle canlı hayatı için çok önemlidir.
Gaz Hâlindeki Maddelerin Hâl Değişimlerinin Hayatımızdaki Önemi Maddenin fiziksel olarak farklı hâllerinin son derece pratik kullanım alanları vardır. Özellikle sıvılaştırılmış gazlar hayatımızda önemli yer tutar. LPG (sıvılaştırılmış petrol gazı), LNG (sıvılaştırılmış doğal gaz), deodorantlarda kullanılan itici gazlar ve soğutucularda kullanılan gazların maddenin hâl değiştirme özelliğinden faydalanılır.
LPG (Liquid Petroleum Gas) (Sıvılaştırılmış Petrol Gazı) Gazlar normal şartlarda çok büyük hacim kapladıklarından depolanmaları nerdeyse imkansızdır. Ancak gazlar, yüksek basınç ve düşük sıcaklıklarda kolaylıkla sıvılaştırılabilir. Bunlardan LPG, yani sıvılaştırılmış petrol gazı, ham petrolün rafinerilerde damıtılması esnasında veya petrol yataklarının üzerinde bulunan doğal gazın ayrıştırılması ile elde edilen ve basınç altında sıvılaştırılan, renksiz, kokusuz, havadan ağır ve yanıcı bir gazdır.
Bir sızıntı durumunda, gaz kaçağının hemen anlaşılması amacıyla rafineriler tarafından özellikle kokulandırılmıştır. Yanması sırasında yüksek enerji açığa çıkardığından, tercih edilen bir enerji kaynağıdır. Ülkemizde kullanılan LPG nin bileşimi genelde %70 bütan, %30 propan dır. LPG, kullanım şartlarına uyulduğunda, güvenle kullanabilen ve diğer enerji kaynaklarına göre çevreci bir yakıttır Şu anda petrole alternatif olarak kullanılmaktadır ve ülkemizde her 10 araçtan 4 ü LPG kullanmaktadır (Resim 4.1.5).
Bir litre sıvı LPG, gaz hâline getirildiğinde, normal şartlarda yaklaşık 250 litrelik gaz hacmine ulaşır. LPG nin sıvı hâli gaz hâline göre daha az yer kapladığından sıvı hâlde taşınması ve depolanması tercih edilir. LPG nin sıvılaştırılarak taşınması sırasında hâl değişiminden yararlanılır.
LNG (Liquid Natural Gas) (Sıvılaştırılmış Doğal Gaz) LNG (Sıvılaştırılmış Doğal Gaz), kokusuz, renksiz ve zehirsiz bir sıvıdır. LNG, atmosferik basınçta yaklaşık olarak -163 C ta yoğunlaştırılarak sıvı hâle geçirilmiş doğal gazdır. Çakmaklarda kullanı-lan gaz LNG dir. Bir birim (hacim) LNG buharlaştırıldığında, 600 birim (hacim) doğal gaz elde edilir. LPG de olduğu gibi, LNG nin de gaz hâlinin hacmi sıvı hâlinin hacminden yaklaşık 600 kat büyük olduğundan, doğal gazın boru hatları ile taşınmasının teknik ve ekonomik anlamda mümkün olmadığı yerlere gemi ve tanker vb. araçlarla taşınması ve depolanması esnasında sıvı hâle geçirilmesi tercih edilir.
(Resim 4.1.6). Bu örnek de hâl değişiminin bize sağladığı olumlu yönlerden biridir.
Sıvı-buhar dönüşümünün en pratik kullanımlarından biri de spreylerde kullanılan itici gazlardır. 1941 yılında, böcek ilaçlarını püskürtmek amacıyla ABD ordusunun laboratuvarlarında geliştirilen sprey (aerosol) kapları, günümüzde dezenfektanlardan köpüklü kremlere, böcek ilaçlarından boyaya kadar değişen çok çeşitli ürünler için kullanılmaktadır. Bu spreylerde kullanılan itici gazlar ve sprey içeriği aerosol karışım oluşturur. Bu gazlar, LPG ve LNG de olduğu gibi sıkıştırılarak kolaylıkla sıvılaştırılabilir ve üstündeki basınç kaldırılınca tekrar gaz hâline geçerek büyük bir hızla ileriye doğru püskürtülür. Dolayısıyla bunlar spreylerin (örneğin bir sinek ilacının) geniş bir alana yayılmasında son derece kullanışlıdır. Eğer sıvılaştırılmış itici gazlar atmosferde hemen gaz hâline geçmeseydi deodorantların, spreylerin kullanımı zorlaşırdı.
1950 lerde spreylerde itici gaz olarak kullanılan florokloro karbon gazları o zamanlar son derece popülerdi. Ancak, son yıllarda bu gazların güneşten gelen son derece zararlı ultraviyole ışınlarını süzen ozon tabakasına büyük zarar verdiği ve ayrıca küresel ısınmaya neden olan sera gazlarından biri olduğu anlaşıldığından birçok ülkede kullanımı yasaklanmıştır (Resim 4.1.7). Günümüzde üreticiler, aerosol kaplarında florokloro karbon yerine hidrokarbonlar, diazot monoksit ve karbondioksit kullanmaya başladılar. Bir yandan da, itici gaz yerine, el pompalarının ürettiği basınçlı havayla çalışan aerosol kapları geliştirmeye başladılar.
Soğutucular Bildiğimiz gibi tabiatta bazı olaylar kendiliğinden olur. Örneğin, sıcak bir cisim ortamın sıcaklığını alana dek kendiliğinden soğur ya da soğuk bir cisim kendiliğinden ortamın sıcaklığını alana dek kendiliğinden ısınır. Ama asla soğuk bir cisim kendiliğinden daha da soğumaz veya daha da ısınmaz. Bunun için mutlaka bir dış etki yapmak gerekir.
İşte buz dolaplarında da yapılan budur. Dışarıdan bir etki yaparak (yani buzdolabının fişini prize takarak) soğuk cisimden ısı çekilir ve çekilen ısı daha sıcak ortam olan mutfağa verilir. Bu soğutma sisteminde olduğu gibi ısının bir ortamdan alınıp başka bir ortama verilmesinde soğutucu akışkanlar kullanılır.
Bir sıvı örneği buharlaşırken çevreden ısı alır, gaz örneği ise yoğunlaşırken (sıvı hâle geçerken) dışarıya ısı verir. Soğutucu akışkanlar da, ısı alış verişini genellikle sıvı hâlden buhar hâline (ısı alarak) veya buhar hâlden sıvı hâle dönüşerek (ısı vererek) sağlarlar. Bir kompresör motoruna (bir akışkanı veya gazı, gereken basınca göre sıkıştırmaya yarayan alet) bağlı olan kanalların içinde azot, freon, amonyak gibi gazlar bulunur. Bu kanallar, motorun bir ucundan çıkıp buzdolabının dışındaki rezistansı (çevrime istenilen değerde ek direnç katmak için kullanılan düzen), dolabın iç yüzeyini ve buzluğunu dolaşıp motorun diğer ucuna geri döner.
(Şekil 4.1.4). Motora gelen gaz, (örneğin azot) basınçla sıkıştırılarak ısısını dışarıya vererek soğur (sıvı azotun sıcaklığı da 0 o C 'tan düşüktür). Sıvı hâle geçen gaz sıvılaşırken daha sonra motorun basıncıyla buzdolabı içindeki kanallara itilir ve burada dolaşırken buzdolabının içini soğutur ve emdiği ısıyla tekrar buharlaşarak buzdolabının arkasındaki motora geri döner. Bu şekilde sürekli bir döngü ile buzdolabının içinden alınan ısı, dış ortama verilerek buzdolabı soğur ve soğuma belli bir değere geldiğinde termostat sistemi devreye girerek motoru durdurur. Sıcaklık belli değere kadar artınca da yine termostat devreye girerek motoru çalıştırır.
Havadan Oksijen ve Azot Eldesi
Havadan Oksijen ve Azot Eldesi
Gaz, maddenin üç hâlinden biridir. Gaz ve buhar kavramları çoğu zaman bir arada bazen de birbirinin yerine kullanılır. Gaz terimi, normal sıcaklık (0 o C) ve basınçta (1 atm) gaz hâlinde bulunan maddeler için kullanılır. Buhar ise normal sıcaklık ve basınçta bir sıvı veya katının gaz şeklidir. Bu nedenle, 25 o C ve 1 atm basınçta, su buharından ve oksijen gazından bahsederiz.
Gazların tamamı aşağıdaki fiziksel özelliklere sahiptir. Gaz molekülleri arasında büyük boşluklar bulunduğundan bu büyük boşluklar yanında gaz moleküllerinin hacimleri ihmal edilecek kadar küçük boyuttadır. Çok küçük hacimlere sıkıştırılabilir ve birbirileri içerisine yayılarak (difüzyon) homojen karışımlar oluştururlar. Bulundukları kabın hacmini tamamen doldururlar ve şeklini alırlar. Sıvı ve katılardan daha düşük yoğunluğa sahiptir.
Gazları Tanımlayan Özellikler Gazları tanımlamak için dört özellikten faydalanılır: a) Basınç b) Hacim c) Gaz miktarı d) Sıcaklık
Kapalı bir kapta bulunan gaz örneğinin hareketli tanecikleri hem birbirleriyle hem de bulundukları kabın çeperlerine çarpar. Rastgele hareket eden bu taneciklerin birim alana uyguladıkları kuvvete gaz basıncı denir (Şekil 4.1.6).
Basınç (P ile gösterilir) ve gaz moleküllerinin yüzeye çarparken birim alana uyguladığı kuvvettir (F). SI birim sisteminde kuvvetin birimi Newton (N) ve alanın birimi ise metrekaredir (m 2 ). Birim yüzeydeki basıncın birimi ise N/m 2 dir ve Paskal (Pa ile gösterilir) adını alır.
Bir gazın basıncı, sıvı basıncıyla kıyaslayarak dolaylı yoldan ölçülür. Sıvı basıncı sadece sıvı sütünün yüksekliğine ve yoğunluğuna bağlıdır. O hâlde yukarıdaki eşitlik sıvılar için, Burada, g=yerçekimi ivmesi (g = 9,81 m/s 2 ), h=sıvının yüksekliği (m), d=sıvının özkütlesidir.
Açık Hava (Atmosfer) Basıncının Ölçülmesi (Barometre Basıncı) Paskal, pek çok kimyasal ölçüm için uygun bir basınç birimi değildir. Bu nedenle, milimetre cıva (mmhg) veya atmosfer (atm) ve bar gibi alternatif basınç birimleri daha sık kullanılır.
Deniz seviyesinde normal atmosfer basıncı tam olarak 760 mmhg (76 cmhg) olarak tanımlanır. 760 mmhg (76 cmhg)= 1 atmosferdir (1 atm). Basınç birimleri arasındaki ilişki şu şekildedir:
a) 720 torr =...0,95.. atm =...720... mmhg b) 10 atm = 760.. cmhg c) 200 cmhg = 2000.. mmhg
Bir gazın hacmi denildiğinde, bulunduğu kabın hacmi anlaşılır. Herhangi bir hacim birimi kullanılabilir. İdeal gaz kanunu ile ilgili eşitliği kullanırken hacim birimi litre (L) olmalıdır.
Gazların madde miktarı, genellikle mol sayısı ile belirtilir. Mol sayısı, maddelerde miktar bildiren bir niceliktir. Kimyasal hesaplamalarda miktarın ölçüsü olarak mol sayısı kavramları kullanılır. Tam 12,000 gr saf 12 C izotopunda bulunan 6,02x10 23 tane tanecik içeren madde miktarına bir mol (n ile gösterilir) denir. 6,02x10 23 sayısına Avogadro sayısı denilmiştir. Avogadro sayısı N A ile gösterilir.
Sıcaklık ta basınç, hacim ve gaz miktarı gibi gazları tanımlamak için kullanılan önemli özelliklerden biridir. Gazı oluşturan taneciklerin hareketi (kinetik enerji) sıcaklıkla doğru orantılı olarak artar. Sıcaklık termometre ile ölçülür.
Çoğu zaman kavram olarak karıştırdığınız ısı ise kalorimetre kabı ile ölçülür ve birimi bir enerji birimi olan kaloridir. Isı bir enerji birimidir. Sıcaklık bu enerjinin ortaya çıkardığı etkidir.
Gaz sıcaklığı ölçülürken en çok kullanılan sıcaklık birimleri Celsius (selsiyus, o C ile gösterilir), Fahrenhayt (F) ve Kelvin (K) dir. Gazları tanımlarken en çok kullanılan sıcaklık birimi ise Kelvin olup T ile gösterilir. Kelvin ile belirtilen sıcaklık, mutlak sıcaklık olarak bilinir.
o C birimi cinsinden verilen sıcaklık K birimine aşağıdaki gibi çevrilir.
Gazlar, katı ve sıvılardan farklı olarak, kimyasal yapıları ne olursa olsun benzer fiziksel davranışlar gösterirler. Gazları tanımlamak için kullanılan basınç (P), sıcaklık (T), hacim (V) ve miktar veya mol sayısı (n) olmak üzere dört değişkenin özelliklerini öğrendik. Bu dört değişken arasındaki özel ilişkiler gaz yasaları olarak bilinir ve davranışı bu kanuna uyan gazlar ideal gaz olarak tanımlanır.
Gazların en önemli özelliklerinden biri genleştirilebilmeleri veya sıkıştırılabilmeleridir. Bir gazın hacmi ile basıncı arasındaki ilişkiyi ilk inceleyen kişi 1660 yılında İngiliz bilim insanı Robert Boyle olmuştur (Resim 4.1.10).
Hareketli pistonu hacmi azaltmak üzere aşağı doğru ittiğinizde bir dirençle karşılaşırsınız. Çünkü silindir içindeki gazın basıncı artacaktır.
Boyle, gazların bu davranışını Boyle yasası ile ifade etmiştir. Boyle yasasına göre, sabit sıcaklıkta belli bir miktar gazın hacmi, basıncıyla ters orantılıdır (Grafik 4.1.1). P 1/V Eşitlik, gazın sabit sıcaklığı ve miktarı için geçerli olan k 1 orantı sabitine bağlı olarak,
Buradaki orantı sabiti k 1, gazın sıcaklığına ve miktarına bağlıdır. Bu eşitlikte, sabit sıcaklık ve basınçtaki P 1 : İlk basınç, P 2 : İkinci basınç, V 1 : İlk hacim ve V 2 : İkinci hacimdir. Bu eşitlik, Boyle yasası olarak bilinir.
Freon-12 (CCl 2 F 2 florokloro karbonun genel adıdır) soğutma sistemlerinde çok kullanılan bir gazdır. Fakat günümüzde ozon tabakasına zarar verdiği anlaşıldığı için başka bileşikler kullanılmaya başlanmıştır. CCl 2 F 2 gaz örneği 56 mmhg basınçta 1,5 L hacim kapladığına göre, sabit sıcaklıkta basınç 150 mmhg ya çıkartılırsa a) Hacim artar mı azalır mı? b) Gazın son hacmi ne olur?
P 1 V 1 =P 2 V 2 a) Basınç arttığına göre Boyle yasasının öngördüğü şekilde hacim azalmalıdır.
0,750 atm * 360 ml = 1 atm * V 2 V 2 = 0,750 atm 360 ml 1 atm = 270 ml = 0,27 L
635 mmhg * 1,50 L = P 2 * 2 L P 2 = 635 mmhg 1,50 L 2 L = 476,25 mmhg
720 mmhg * 600 ml = 540 mmhg * V 2 V 2 = 720 mmhg 600 ml 540 mmhg = 800 ml
2 atm * 2 L = P 2 * 5 L P 2 = 2 atm 2 L 5 L = 0,8 atm
Gazın hacmi ile sıcaklığı arasındaki ilişkinin bulunması için Boyle den sonra 100 yıl geçmesi gerekti. Boyle yasası, sıcaklığın ve madde miktarının sabit olmasına dayanır. Peki sabit basınçta belli miktar bir gazın, sıcaklığındaki değişim hacme nasıl etki eder? 1787 yılında İngiliz bilim insanı Charles; oksijen, azot, hava, karbondioksit gibi gazların aynı sıcaklıklara ısıtıldıklarında eşit miktarda genleştiklerini gözlemledi. Charles yaptığı çalışmalarda sabit basınçtaki belli bir miktar gazın ısıtıldıkça hacminin arttığını ve soğudukça hacminin azaldığını göstermiştir.
Charles bu ilişkiyi, Sabit basınçtaki belli bir miktar gazın hacmi doğrudan onun mutlak sıcaklığıyla orantılı olarak değişir. şeklinde ifade etmiştir. Kelvin olarak gaz sıcaklığı artırılırsa hacim artar; gaz sıcaklığı azaltılırsa hacim azalır (Grafik 4.1.2). Gazların bu özelliği sıcak hava balonlarının neden havada yükseldiğini açıklar (Resim 4.1.11).
P 1 P 2 = T 1 T 2 P 1 = 760 mmhg P 2 =? mmhg T 1 = 0 o C + 273 = 273 K T 2 = 273 o C + 273 = 546 K 760 mmhg P 2 = 273 K 546 K P 2 = 760 mmhg*2 = 1520 mmhg
1 atm ve 298 K de 2 mol O 2 gazı 15 L hacim kaplamaktadır. Aynı sıcaklık ve basınçta 0,5 mol O 2 gazının hacmini hesaplayınız. V 1 V 2 = n 1 n 2 15 L V 2 = 2 mol 0,5 mol
İdeal gaz, teorik olduğu varsayılan ve gaz yasalarına tam olarak uyan gazdır.
P = 380 mmhg = 0,5 atm V = 89,6 L n = 2 mol T =? o C P.V = n.r.t T = P.V n.r 22,4 L.atm R= 273 mol.k T = 0,5 atm. 89,6 L 22,4 L.atm 2 mol. 273 mol.k T = 273 K = 0 o C