Sıvılar ve Katılar MÜHENDİSLİK KİMYASI DERS NOTLARI Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Sıcaklık düşürülürse gaz moleküllerinin kinetik enerjileri azalır. Bu nedenle, bir gaz yeteri kadar soğutulursa moleküllerarası çekim kuvvetlerinin etkisiyle gaz molekülleri yoğunlaşarak sıvı hale geçerler. Sıvı halde birbirine daha çok yaklaşmış bulunan moleküller, gaz halindeki moleküllere göre daha büyük çekm kuvvetlerine sahiptirler. Gaz Sıvı Katı Maddenin Halleri Sıvıların Özellikleri Sıvıların özelliklerini aşağıdaki genellemelerle özetleyebiliriz: Daha fazla soğutma, moleküllerin kinetik enerjilerini daha da azaltacağından sonunda bir katı ortaya çıkar. Kristal bir katıda bulunan moleküller kristal örgüde belirli noktalara yerleşip, o noktalar etrafında titreşirler. Sıvılar içinde bulundukları kabın şeklini alırlar. Basınç yükseltildiğinde sıvıların hacimleri ölçülebilir büyüklükte değişmez; Ancak sıcaklık yükseltildiğinde hacimleri az da olsa arttığından yoğunlukları düşer. Birbirleri içinde çözünebilen iki sıvı temasa geldiklerinde, az da olsa birbirlerinin içinde yayılırlar (difüzlenirler). Sıvılar akmaya karşı direnç gösterirler. Sıvıların yüzey gerilimleri vardır. Açık kaptaki sıvılar buharlaşırlar.
Viskozite Bir sıvının viskozitesi, onun (sıvının) akmaya karşı gösterdiği dirençtir. Tersine ise "akıcılık" adı verilir. Gliserinin (C 3 H 8 O 3 ) viskozitesinin suyunkinden çok yüksek olduğu hepimizin dikkatini çekmiştir. Öyleyse, sıvıların viskozitesi mol kütlesi, molekül yapıları ve moleküller arası kuvvetler ile yakından ilgilidir. Moleküller arası çekim kuvvetlerinin artması viskoziteyi arttırır. Yani sıvı içindeki kohezyon kuvvetleri, akış hızını düşüren bir "iç sürtünme" yaratır. Su ve etil alkol gibi düşük viskoziteye sahip sıvılarda, bu etki zayıftır. Bunlar kolay akarlar. Bal ve gliserin ise, çok daha yavaş akarlar. Bunlara ise "viskoz sıvılar" denir. Demek ki büyük ve gelişi güzel molekül yapısına sahip sıvıların viskozitesi, küçük ve küresel moleküllerden oluşan sıvıların viskozitesinden çok daha yüksektir. Yüzey Gerilimi Genellikle sıcaklık yükseldikçe viskozite düşer. Moleküllerin yüksek sıcaklıkta kinetik enerjileri arttığından, hareketleri hızlanır. Örneğin; suyun 00 C deki viskozitesi, 0 C daki değerinin altıda biridir. Dolayısıyla aynı miktar su, yüksek sıcaklıkta altı kez daha hızlı akar. Neden, gliserin sudan daha viskoz bir sıvıdır? Görüldüğü gibi, gliserin hem sudan daha büyük hem de molekülleri arasında birçok H bağının oluşumuna elverişli bir moleküldür. Bu nedenle gliserin oda sıcaklığında sudan çok daha viskozdur. Bir sıvının yüzeyini bir birim alanı (Ör. cm 2 ) kadar uzatmak veya arttırmak için gereken enerji miktarına "yüzey gerilimi" denir. Moleküller arasında kısa mesafede çekim kuvvetlerinin olduğu ve bu kuvvetler nedeniyle sıvı halin bulunduğu bilinmektedir. Yüzey ve ara yüzey gerilimi olgusu, bu kuvvetler aracılığıyla kolayca açıklanmaktadır. Sıvının iç kısmında bulunan moleküller, ortalama tüm yönlerden eşit kuvvetlerle çekilmektedir. Yüzeyde olanlar ise aşağıya doğru dengelenmemiş çekim kuvvetinin etkisi altındadır. 2
Bu da, çok sayıda molekülün sıvı içine gitmesi ve az sayıda molekülün yüzeyde kalmasıdır. Bu durum, sıvı yüzeyinin küresel bir şekil alarak küçülmesine neden olur. Şekilden de görüldüğü gibi sıvı içindeki moleküller, çevresindeki diğer moleküller tarafından, her yöne moleküller arası kuvvetlerle, eşit olarak çekilirler. Oysa sıvının yüzeyindeki moleküller yaızca sıvının iç kısmına ve yanlara doğru çekilirler. Komşu moleküllerin çekiminin artışı, içerdeki molekülleri yüzeydeki moleküllerden daha düşük enerji düzeyinde tutar. Sıvıların yüzey alanlarını küçültmeye doğal olarak eğilimli olmaları, havada asılı duran bir sıvı damlacığının küresel oluşundan açıkça görülmektedir. Sıvıların yüzey alanlarını büyütmek için, dışardan enerji vermek gerekir. Sıcaklığın artması, sıvının yüzey gerilimini düşürür. Çünkü artan moleküler hareket, moleküller arası çekim kuvvetlerinin etkisini azaltır. Bir sıvı bir yüzey boyunca bir film halinde yayılırsa, bu sıvının yüzeyi ıslattığı söylenir. Su; kağıt, cam ve bazı kumaşlarla etkileşime girer, yani su bunları ıslatır. Su ve cam gibi maddeler arasındaki çekim sonucu, sıvılar dar borularda yükselirler ve bu olaya "kapiler etki" denir. Kapiler etkiyi iki kuvvet meydana getirir. Kohezyon kuvvetleri Adhezyon kuvvetleri Benzer moleküller arasındaki çekim kuvvetlerine "kohezyon kuvvetleri", benzer olmayan moleküller arasındaki çekim kuvvetlerine de "adhezyon kuvvetleri" denir. Dar borularda, adhezyon kuvvetleri yeterince büyükse, sıvı kendiliğinden yükselir. Bir süngerin suyu çok iyi emmesinin nedeni, süngerde bulunan kılcal borular içinde suyun kolayca yükselmesidir. 3
Buhar Basıncı Bir sıvının buhar basıncı, sıvı ile dengede bulunan buharın basıncıdır.her sıvının belli bir sıcaklıkta buhar basıncı vardır. Herhangi bir sıcaklıkta sıvı içindeki bir molekül, ısısal hareketler nedeniyle yeteri kadar enerji alabilir ve etrafındaki diğer moleküllerin çekiminden kurtularak sıvı fazdan ayrılabilir ve gaz fazına geçer. Gaz fazına geçmiş moleküller sıvının yüzeyi ile çarpışmalar yaparlar. Çarpışma sırasında bazı moleküller enerjilerini kaybeder ve sıvı yüzeyine yakalanırlar. Yani buharlaşma ve yoğunlaşma olayları olur. buharlaşma.swf Sıvıların Buhar Basınçları Clausius-Clapeyron Eşitliği Sıvıların buhar basınçları sıcaklığa bağlıdır. Bu Clausius-Clapeyron Denklemi ile verilmektedir. P= Buhar basıncı T= Mutlak sıcaklık H= Buharlaşma Entalpisi R = Gaz sabiti = P R T T 2 4
Buharlaşma Isıları Örnek Sıvı Su Benzen Etilalkol Karbontetraklorür Kloroform Karbonsülfür Dietileter Buharlaşma Isısı Normal Kaynama Noktası ( C) 00 80. 78.5 76.7 6.3 46.3 34.6 Molar buharlaşma ısısı : [J/mol], [cal/mol] Özgül buharlaşma ısısı : [J/g], [cal/g] Buharlaşma Isısı H b (kj/mol) 40.7 30.8 38.06 30.0 29.4 26.8 26.0 Kloroformun normal kaynama noktası 334 K dir. 328 K de kloroformun buhar basıncı 0.824 atm olduğuna göre bu sıcaklık aralığında kloroformun buharlaşma ısısı kaç J/mol dür? = P R T 0.824 H b = 29387 J/mol H buh = 8.34 328 334 Örnek Normal kaynama sıcaklığı 58 C ve özgül buharlaşma ısısı 94 J.g - olan brom için 0.75 atm deki kaynama sıcaklığını bulunuz. Br : 80 Örnek CS 2 ün 30 K deki buhar basıncı 0.526 atm dir. CS 2 nin 273 K deki buhar basıncı nedir? Bu sıcaklık aralığında H b =27.6 kj/mol dür. = P R T H b =(94 J/g).(59.8 g/mol) Hb=300.2 J/mol = P R T 0.526 27600 = P 8.34 273 30 0.75 300.2 = 8.34 33 T 2 = 322.75 K P = 0.697 atm 5
Faz Dönüşümü Erime ve Kaynama Noktaları buharlaşma vaporization yoğunlaşma condensation0 erime melting donma freezing Suyun Isınma Eğrisi 6