- Maddenin en düzensiz halidir.
- Birbirleriyle her oranda karışarak homojen karışımlar oluştururlar.
- Bulundukları kabın şeklini ve hacmini alırlar.
- Gaz tanecikleri arasında büyük boşluklar vardır. Bu boşluklardan dolayı gazlar bir kuvvetin etkisiyle sıvılaşana kadar sıkıştırılabilir.
- Tanecikleri arasında çekim kuvvetleri katı ve sıvılarınkine oranla çok azdır.
- Maddenin en yüksek enerjili halidir.
- Bulundukları kabı tümüyle doldururlar, çünkü sınırsız yayılma özellikleri vardır.
- Titreşim, yer değiştirme ve öteleme hareketi yaparlar.
- Tanecikler arası uzaklığın en fazla olduğu haldir.
- Akışkandırlar ve sıkıştırılabilirler.
- Yoğunlukları katı ve sıvılara göre daha düşüktür.
- Gaz tanecikleri birbirlerinden bağımsız devamlı hareket halindedir. Esnek olan doğrusal çarpışmalar yaparlar. Çarpışma sonunda birbirlerine yapışmazlar, hareket doğrultuları değişir, enerji kayıpları olmaz.
- Isıtıldıklarında bütün gazlar sıcaklık değişimi karşısında aynı oranda genleşirler. Bu nedenle genleşme katsayısı gazlar için ayırt edici değildir.
- Moleküller arası etkileşimin olmadığı (itme ve çekme kuvveti olmayan) ve moleküllerinin hacimlerinin ihmal edildiği gazlara ideal gaz denir. Gerçekte ideal gaz yoktur. Gazlar ancak bu ideal hale yaklaşabilirler. Gazlar düşük basınç ve yüksek sıcaklıkta en idealdirler. Mol kütlesinin küçük olması idealliği artırır.
Sigara dumanı mikroskopla incelenirse, sigara dumanını oluşturan küçük parçacıkların doğrusal ve zikzaklı hareket yaptıkları görülür. Küçük parçacıkların devamlı zikzaklı hareket yaptıkları ilk defa Robert Brown tarafından gözlendiğinden bu harekete Brown hareketi denir.
İdeal gazlarda;
- Gaz molekülleri arasındaki boşluklar ve moleküllerin hacimleri ihmal edilebilir.
- Gaz molekülleri arasında bir çekim kuvveti olmadığı kabul edilir.
- Aynı sıcaklıktaki gazların ortalama kinetik enerjileri eşittir. Taneciklerin anlık kinetik enerjileri farklı olabilir.
Gazlarda Basınç, Hacim, Mol Sayısı ve Sıcaklık İlişkisi
Gaz ve gaz karışımlarından oluşan sistemlerin daha iyi anlaşılabilmesi için gazların kimyasal özelliklerinden çok fiziksel özelliklerinin bilinmesi gerekir. Bunlar;
Basınç (P): Birim yüzeye uygulanan kuvvettir. Gaz basıncı birim zamanda birim yüzeye çarpan taneciklerin uyguladıkları kuvvetlerin toplamıdır. Gazın birim zamanda birim yüzeye yaptığı çarpma sayısı
𝒏.√𝑻 / √𝑴𝑨 .𝑽 bağıntısı ile ifade edilir.
Mol sayısı (n): Gazlarda madde miktarı genellikle mol sayısı ile belirtilir. Aynı sıcaklıkta mol sayısı büyük ise, gaz ya çok hacim kaplar ya da yüksek basınç yapar.
Hacim (V): Gazlar içinde bulundukları kabı doldurduklarından dolayı, gazların hacimleri içinde bulundukları kabın hacmine eşittir. Gaz hacmi m3, dm3 ve cm3 birimleri ile verilir.
1 dm3= 1 litre = 1000 mililitre= 1000 cm 1 mL = 1 cm3 1 dm3 = 10–3 m3
Sıcaklık (T): Bir maddenin taneciklerinin sahip olduğu ortalama kinetik enerjilerinin bir ölçüsüdür. Termometre ile ölçülür. Birimi Fahrenheit (°F), Reaumur (R), Celcius (°C) ve Kelvin (K) şeklindedir.
Gazlarda mutlak sıcaklık ifadesi kullanılırsa Kelvin sıcaklığı demektir.
0 Kelvin sıcaklığı -273°C yani K = 273 + °C demektir.
Gazlarla ilgili yapılan tüm hesaplamalarda oC sıcaklığı K sıcaklığına çevrilmelidir.
Açık Hava Basıncının Ölçülmesi
Dünyamız, kalınlığı yaklaşık 10 000 km kadar olan atmosfer dediğimiz bir hava katmanı ile çevrelenmiştir. Bu katman yeryüzüne doğru bir basınç uygular ki bu basınca açık hava basıncı denir.Açık hava basıncını ölçen aletlere de barometre denir. Açık hava basıncı ilk kez 1643 yılında İtalyan
Fizikçi Evangelista Torricelli tarafından ölçülmüştür. Basit birbarometre, bir ucu kapalı ve cıva ile doldurulmuş uzun bir cam tüpten ibarettir. Eğer bu tüp, içine hava girmeyecek şekilde bir cıva kabına ters olarak daldırılırsa, tüpteki bir miktar cıva, tüpün yukarısında bir boşluk bırakarak kaba akar. Tüpte kalan cıvanın ağırlığı, kaptaki cıvanın yüzeyine etki eden atmosfer basıncı tarafından dengelenir. Standart atmosfer basıncı (1 atm), deniz seviyesinde ve 0°C de, 760 mm (veya 76 cm) yükseklikte bir cıva sütununun basıncına eşittir. Basıncın SI (uluslararası birim sistemi) ya göre birimi newton / metrekare (N . m–2) veya Paskal (Pa) olarak tanımlanır. Diğer basınç birimleri ise bar, atm, mm Hg, Torr'dur.
1 paskal = 1 N.m–2 1 bar = 105 paskal 1 atm = 760 mm Hg 1 atm = 101325 Pa
Barometredeki h yüksekliği,
*Kullanılan cam borunun hacmine ve şekline bağlı değildir.
*Mutlak sıcaklık ile doğru orantılıdır.
*Barometrenin bulunduğu yerin deniz seviyesinden yüksekliğine yani açık hava basıncına bağlıdır.
*Sıvının yoğunluğu ile ters orantılıdır.
Bir sıvı sütununun yaptığı basınç; P = h . d . g ile hesaplanır.
h : Yükseklik d : Sıvı öz kütlesi g : Yer çekimi ivmesi
Farklı sıvılar kullanıldığında h1 . d1 = h2 . d2 eşitliği vardır.
*Barometre borusunun kesitine bağlı değildir.
*Sıvı eklenmesi ile değişmez.
*Gaz miktarına bağlıdır.
*Barometre borusunun kesitine bağlı değildir.
*Sıvı eklenmesi ile değişmez.
*Gaz miktarına bağlıdır.
Açık hava basıncı, deniz seviyesinden itibaren yükseldikçe her 10,5 metre için yaklaşık 1 mm (0,1 cm) düşer. Bu düşme yükseklere çıktıkça yavaşlar. Örneğin, Dünya'nın en yüksek tepesi olan Everest'te (8882 m) atmosfer basıncı sıfır olmayıp 250 mm Hg dolayındadır. Bu basınç altında saf su yaklaşık 70°C'de kaynar.
GAZ BASINCININ ÖLÇÜLMESİ
Kapalı kaplardaki gazların basıncını ölçmede kullanılan aletlere manometre denir. Manometreler U şeklindeki cam borulardır. Manometreler açık uçlu ve kapalı uçlu olmak üzere ikiye ayrılırlar.
Pistonlu Silindirlerde Gazın Basıncı
Serbest hareketli pistonlu kaplarda kap içerisindeki gaz basıncı ile açık hava basıncı birbirini dengeler.
Basınç – Hacim İlişkisi: Boyle-Mariotte Kanunu
1662 yılında İngiliz kimyacı Robert Boyle gazların davranışını sistematik olarak ve nicel yönleriyle incelemiştir. Robert Boyle, çalışmalarında hava basıncının hacim üzerindeki etkilerini gözlemlemek için aşağıdaki gibi bir düzenek kurmuştur. Şekildeki gazı göz önüne alacak olursak bu gaz bir silindir içinde ve ağırlığı olmayan, serbestçe hareket edebilen bir piston ile kapatılmış olsun. Gaz basıncı piston üzerindeki toplam ağırlığa bağlıdır. Piston
üzerindeki ağırlık 2 katına çıkarılırsa basınçta 2 katına çıkar ve gaz hacmi yarıya iner. Basınç ve hacim arasındaki bu ilişki aşağıdaki şekilde açıkça görülmektedir. Buna karşın eğer uygulanan basınç azaltılırsa, gazın hacmi artar. n ve T sabit olmak koşuluyla basınç ve hacim arasındaki bu ters orantıyı gösteren matematiksel ifade şöyledir.
Pα 1/V ve P.V= k1 k1: Sabit bir sayı olup madde miktarı ve sıcaklığa bağlıdır.
Verilen bir gaz örneği için, sıcaklık sabit tutulduğu ve gazın miktarı değişmediği sürece, basınç ve hacim değişmesine rağmen, P ile V nin çarpımı her zaman sabit bir değere eşittir. Böylece verilen gaz örneği için, sabit sıcaklıkta iki farklı koşul için, P1V1= k1= P2V2 veya P1V1= P2V2 yazılabilir.
Hava basıncı üzerindeki çalışmalarıyla gazların basınç altındaki davranışlarını inceleyen Robert Boyle İrlanda asıllı kimyacı ve fizikçidir.
Hacim–Sıcaklık İlişkisi: Charles Kanunu
Gazların hacimleri ile sıcaklıkları arasındaki ilişki ilk kez 1787 yılında Fransız fizikçi Jocques Charles tarafından keşfedilmiş ve bundan bağımsız olarak 1802 yılında başka bir Fransız fizikçi Joseph Gay Lussac tarafından yayınlanmıştır.
Yukarıdaki grafikte, bir gazın aynı basınç altında üç farklı sıcaklıktaki hacimlerinin değişimi gösterilmektedir. Buradan anlaşıldığı üzere gazın sıcaklığı arttıkça hacmi de artmaktadır. Gazın sıcaklığı düşürüldükçe hacmi küçülecek ve belirli bir sıcaklık değerinde sıvılaşmaya başlayacaktır. Sabit basınç altında ısıtılan bir gazın hacminin Santigrat sıcaklığıyla ve Kelvin sıcaklığı ile değişimi aşağıdaki grafiklerdeki gibidir.
Kuramsal olarak ulaşılabilecek –273°C ye mutlak sıfır noktası veya mutlak sıcaklık adı verilir. Charles Yasasına göre sabit basınçta belirli miktar gazın hacmi, mutlak sıcaklığı ile doğru orantılıdır.
T (Kelvin)= t °C + 273
Gaz hacminin sıcaklığa bağlılığı ise şu şekildedir. V α T ve V= k2 . T k2: Sabit bir sayı olup gazın basıncına ve miktarına bağlıdır. Sabit sıcaklıktaki basınç–hacim ilişkisinde olduğu gibi, sabit basınçtaki bir gaz örneğinin de iki farklı hacim-sıcaklık koşullarını karşılaştırabiliriz.
𝑉1/𝑇1 = k2= 𝑉1/𝑇2 𝑉1/𝑇1 = 𝑉2/𝑇2
Basınç-Sıcaklık İlişkisi: Gay–Lussac Kanun
Fransız bilim insanı Joseph Gay–Lussac yapmış olduğu çalışmalar sonucunda, Charles yasasına benzer bir ilişkinin madde miktarı (mol sayısı) ve hacmin sabit tutulduğunda, basınçla sıcaklık arasında da olduğunu söylemiştir. Sabit bir hacim ve sabit miktarda alınan bir gazın basınçsıcaklık (°C) grafiği şekilde verilmiştir.
Basınçla, mutlak sıcaklık arasında; P ∝ T veya P= k . T ifadesi yazılabilir. Burada "k" sabit olup, gazların miktarına ve hacmine bağlı olarak değişir. Yukarıdaki ifadeyi sabit hacim ve miktardaki farklı sıcaklık ve basınçlara sahip bir gaz örneği için;
*Basınç–mutlak sıcaklık grafiğindeki doğruların eğimlerinin karşılaştırılması; Mol sayısı sabitse eğim hacimler arasındaki ilişkiyi verir. Eğimi büyük olanın hacmi küçüktür.
*Hacim sabitse eğim mol sayıları arasındaki ilişkiyi verir. Eğimi büyük olanın mol sayısı da büyüktür.
Mol Sayısı–Hacim İlişkisi: Avogadro Kanunu
Miktarı artırılan bir gazın basıncı ve sıcaklığı sabit ise hacminde bir artış olur. Yani hacimdeki değişim miktarı, molekül sayısındaki değişim ile doğru orantılıdır. Bu oran V α n veya V= k.n (k= sabit) şeklinde ifade edilebilir.
Bir gazın iki farklı hacim ve miktarı arasındaki ilişki ise;
V1 / V2 =n1 / n2
şeklinde ifade edilir. Deneyler Normal Koşullarda, NK’da (0°C ve 1 atm basınçta) 1 mol (6,02.10^23 tanecik) ideal gazın 22,4 litre hacim kapladığını göstermiştir.
Mutlak sıcaklık sabitse eğim basınçlar arasındaki ilişkiyi verir. Eğimi büyük olanın basıncı küçüktür. P2 > P1
Hacim–mol sayısı grafiğindeki doğruların eğimlerinin karşılaştırılması; Basınç sabitse eğim mutlak sıcaklıklar arasındaki ilişkiyi verir. Eğimi büyük olanın mutlak sıcaklığı büyüktür. T2 > T1
şeklinde ifade edilir.
Basınç–mol sayısı grafiğindeki doğruların eğimlerinin karşılaştırılması; Sıcaklık sabitse eğim hacimler arasındaki ilişkiyi verir. Eğimi büyük olanın hacmi daha küçüktür. V1 > V2
İDEAL GAZ ve GERÇEK GAZ
Tanecikleri arasında etkileşimin olmadığı varsayılan ve taneciklerinin hacmi gazın kapladığı hacim yanında sıfır kabul edilen gazlar ideal gazlardır. Gerçekte ideal gaz yoktur. Ancak gerçek gazlar ideal hale yaklaşabilirler.
*İdeal gazda, gaz tanecikleri hacmi olmayan fakat kütlesi olan tanecikler olarak kabul edilir.
*İdeal gaz taneciklerinin her türlü çarpışması esnek kabul edilir. Yani çarpışmadan önceki ve sonraki toplam enerji korunur.
*İdeal gaz tanecikleri arasında itme ve çekme kuvvetlerinin olmadığı kabul edilir.
*Gerçek gazlar yüksek sıcaklık ve düşük basınçta ideal gaza yakın davranışlar gösterir. Düşük sıcaklık ve yüksek basınç değerlerinde de ideallikten uzaklaşırlar.
*Aynı koşullarda bulunan gazlardan, tanecik kütlesi küçük olan ideale daha yakındır.
İdeal Gaz Denklemi
Basit gaz yasalarının üçü hacim değişikliklerine, diğer iki etkenin sabit kaldığı durumda, bir değişkenin etkisini anlatır. BoyleMariotte kanunundan V ∝ 1/P ilişkisi, Charles kanunundan V ∝ T ilişkisi, Avogadro yasasından V ∝ n ilişkisi anlaşılmaktadır. Buna göre V ∝ n.T/P yazılabilir. R ile gösterilen ve ideal gaz sabiti olarak adlandırılan orantı kat sayısı kullanılarak P.V = n.R.T eşitliği elde edilir. Bu eşitliğe ideal gaz denklemi denir. İdeal gaz sabiti (R) = 22,4/273 veya 0,082 atm.L/mol.K dir.
GAZLARDA KİNETİK TEORİ VE GERÇEK GAZLAR
Gazların Kinetik Teorisi
Gazların, katılara ve sıvılara göre farklılık gösteren davranışlarını açıklayabilmek için bir teori geliştirilmiştir. Kinetik teori adı verilen bu teori 19. yüzyılın başlarında Ludwig Boltzman (Ludvig Boltzman), James Clerk Maxwell (Ceyms Klark Maksvel) ve diğer bilim insanlarının çalışmaları ile ortaya konulmuştur. Bu teoriye göre;
 |
Gazlar sürekli her
yönde hareket eden
moleküllerden oluşur.
|
*Gaz molekülleri, sürekli olarak gelişigüzel hareket ederler (sabit hızlı, doğrusal ve üç boyutlu).
*Hareket halindeki gaz molekülleri birbirleri ve içinde bulundukları kabın çeperleri ile esnek çarpışmalar (Brown Hareketi) yapar. Çarpışmalar sırasında taneciklerin hızları ve hareket yönleri sürekli değişir.
*Gaz molekülleri arasındaki itme ve çekme kuvveti ihmal edilir. Yani moleküller arasında çarpışma sırasında oluşan zayıf kuvvetler dışında başka kuvvetlerin olmadığı kabul edilir.
*Aynı sıcaklıkta farklı gazların ortalama kinetik enerjileri birbirine eşit ve sıcaklıkla doğru orantılıdır.
Kinetik teoriye uyan gazlara ideal gazlar denir. Gerçekte hiçbir gaz tam anlamıyla ideal değildir. Sadece gazlar özellikleri bakımından ideal gaza yakın ya da uzak olabilirler.
Aynı sıcaklıktaki bir gazın taneciklerinin anlık kinetik enerjileri birbirinden farklı olabilir. Ancak ortalama kinetik enerjileri eşittir.
Graham Difüzyon Kanunu
Gazların kütleleri yerine molekül kütlelerini yazarsak
eşitliği elde edilir. Elde edilen eşitlik gazların yayılma hızlarının mol kütlelerinin karekökü ile ters olduğunu göstermektedir. Bu eşitlik 1828 - 1833 yıllarında yaptığı deneysel çalışmalar sonucunda, Thomas Graham (Tamıs Gıraham) tarafından bulunmuş ve Graham Difüzyon Kanunu adını almıştır. Aynı şartlarda molekül kütlesi yoğunlukla doğru orantılı olduğundan, molekül kütleleri yerine yoğunluklar kullanılarak
eşitliği elde edilir.
Ayrıca, molekül kütlesi küçük olan molekül daha kısa sürede yayılacağından, moleküllerin hızları yayılma süreleri ile ters orantılıdır.
Sıcaklıkla Difüzyon Hızı Arasındaki İlişki:
Herhangi bir X gazı için moleküllerinin kinetik enerjisi;
(k : sabit bir sayı, T : mutlak sıcaklık)
formülü ile ifade edilmektedir.
Bu iki kinetik enerji ifadesi eşitlendiğinde
eşitliği elde edilir. Bir gazın sıcaklığıyla hızı arasındaki bağıntı ise (m ve k aynı olduğundan)
şeklinde bulunur.
Gazların yayılma hızları, mutlak sıcaklığın karekökü ile doğru orantılıdır. Sıcaklıkları aynı olan gazların ortalama kinetik enerjileri de aynıdır. Mutlak sıcaklığı 2 katına çıkarılan bir gazın ortalama kinetik enerjisi de iki katına çıkar. Fakat ortalama hızı 2 katına çıkar.
Sabit basınçta kapalı bir kaptaki gazın küçük bir delikten, kabın iç basıncı dış basıncına eşit olana kadar, dışarıya doğru yayılmasına efüzyon (dışarı yayılma) denir. Difüzyon ve efüzyon ikisi de aynı anlama gelmektedir. Aralarındaki fark efüzyonda gaz küçük bir delikten kaçarak yayılır. Difüzyon için kullanılan ifadeler efüzyon için de geçerlidir.
Ortalama hız gazın molekül ağırlığına da bağlıdır. V2 α 1/MA
Buna göre molekül ağırlığı küçük olan gazın ortalama hızı (difüzyon hızı) büyük olur. O2: 32, He : 4,
CH4 : 16
VHe = 2 . V CH4
VHe = 2 √2 . VO2
VCH4 = √2 . VO2 olur.
Gazların Sıkışma ve Genleşme Özelliği
VCH4 = √2 . VO2 olur.
Gazların Sıkışma ve Genleşme Özelliği
Gazların sıkıştırılabilmeleri fiziksel bir özelliktir. Sıkıştırma ile gazlar birbirlerine daha çok yaklaşırlar ve aralarındaki uzaklık azalır. Böylece sıkıştırma maddenin fiziksel halinin değişmesine sebep olabilir. Gazlar sıcaklıkları azaltılıp basınçları arttırıldığında sıvılaşma özelliği kazanmaktadır. Sıvılaştırılmış gazlar ise hayatımızın çeşitli alanlarında kullanılmaktadır.
Kaplar içindeki CO2 ve He gazları basınçla sürtünmesiz piston sayesinde sıkıştırılmaktadır. Basınç arttıkça CO2 ve He gazlarının molekülleri arasındaki uzaklık azalır. Bunun sonucunda CO2 gazı, moleküller arasındaki çekim kuvvetinin artmasıyla sıvılaşır. Ama uygulanan basınç He'un sıvılaşmasını sağlayamaz. Bu durumda CO2 gazını gerçek gaz, He gazını ise ideale yakın gaz olarak nitelendirebiliriz. 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 etkileşim (çekim kuvveti) olmayan, moleküllerinin davranışları birbirinden etkilenmeyen ve moleküllerinin hacmi çok küçük olduğundan toplam hacim yanında ihmal edilebilen gazlara ideal gaz denir. Doğada bulunan gazların hiçbiri ideal gaz değildir. Ancak gerçek gazlar yüksek sıcaklık ve düşük basınçta idealliğe yaklaşır.,
Yukarıdaki şekillerde de görüldüğü gibi CO2 ve He gazlarının sıcaklığı arttıkça, moleküllerin ortalama kinetik enerjileri artar ve daha hızlı hareket etmeye başlarlar. Kabın çeperlerine çarpma sayıları da artar. Çarpma sonucunda oluşan itme kuvvetlerinin etkisiyle sürtünmesiz piston yukarı doğru hareket eder. Kabın hacmi de artmış olur. Sıcaklığın artmasıyla gaz moleküllerinin hareketliliğinden kaynaklanan hacim değişimine ısıl genleşme adı verilir. CO2 gazındaki ısıl genleşme, He gazındaki ısıl genleşmeden daha az olmuştur. Bunun sebebi He gazının ideale daha yakın olmasıdır.
• İdeal gazlarda;
*Gaz tanecikleri hacmi olmayan fakat kütlesi olan tanecikler olarak kabul edilir.
*Gaz taneciklerinin her türlü çarpışması esnek kabul edilir. Gaz tanecikleri arasında itme ve çekme kuvvetlerinin olmadığı kabul edilir.
*Aynı koşullarda bulunan gazlardan tanecik kütlesi küçük olan ideale daha yakındır.
*Gerçek gazlar, düşük sıcaklık ve yüksek basınç değerlerinde ideallikten uzaklaşırlar
İdeal Gaz Durumundan Sapmalar
* Genellikle gerçek gazlar her koşulda PV = nRT formülüne tam olarak uyamazlar. 1 mol ideal gaz için PV = nRT eşitliği uygulandığında PV/RT = 1 olur. Yandaki grafik değişik sıcaklıklarda CH4 gazınınPV/RT oranının basınçla değişimini göstermektedir. İdeal gazlar için PV/RT oranı her sıcaklık ve basınçta 1'dir.
*Bu oranın 1'den sapması ise gazın ideallikten sapmamiktarını gösterir. O halde basıncın yüksekliği, sıcaklığın düşüklüğü oranında gazlar ideal davranıştan saparlar
*.Gerçek bir gazın ideal gaz denkleminde hesaplanan sonuçtan sapması gazın cinsi (molekülün polarlanabilirliği), basınç ve sıcaklık gibi nedenlere bağlıdır.
*Kinetik teoriye göre, gaz moleküllerinin sahip olduğu toplam hacim, bulunduğu kabın hacmi yanında ihmal edilecek kadar küçüktür. Bu nedenle mutlak sıfır sıcaklığı civarında ideal bir gazın hacmi sıfıra yaklaşır. Gerçek gazların hacmi ise sıfırdan farklıdır ve basınç ne kadar yükseltilirse yükseltilsin, geride moleküllerin hacminden kaynaklanan bastırılamayan bir hacim kalır. Bu durumda basınçla sıkıştırılamayan hacmin ihmal edilmesi önemli bir hataya neden olmaz.
*İdeal gazlarda, moleküller arasındaki etkileşimlerde ihmal edilir. Yüksek sıcaklıklarda gaz
molekülleri çok hızlı hareket ettiklerinden moleküller arasındaki çekme kuvvetleri moleküllerin kinetik enerjileri yanında ihmal edilebilecek kadar küçüktür.
*Düşük sıcaklıklarda ise çekim kuvvetleri molekülleri birbirine yaklaştırır ve basınç ideal gaz
denkleminden hesaplanan basınçtan daha düşük olur.
*Moleküller arası çekim kuvvetleri küçük olan gazlar, moleküller arası çekim kuvveti büyük olan gazlara göre daha idealdir. Örneğin CH4 gazının molekülleri arasında zayıf London kuvvetleri varken, H2S molekülü polar olduğu için molekülleri arasında dipol – dipol etkileşimleri görülür. Buna göre molekülleri arası etkileşimi daha küçük olan CH4 gazı, H2S gazına göre daha ideal bir gazdır.
Moleküller Arası Bağlar ve Gerçek Gazların Sıvılaşması Maddelerin hal değiştirme sıcaklıkları ve tanecikleri arasındaki çekim kuvvetlerinin büyüklüğüne göre belirlenir.
FAZ DİYAGRAMI
Birbiriyle temasta olan birkaç kısımdan oluşan bir sistemin her bir homojen olan kısmına faz denir. Faz diyagramı ile arı bir maddenin belirli dış basınç ve sıcaklıktaki fiziksel hali belirlenir. Aşağıda saf su ve CO2'nin faz diyagramları verilmiştir.
AB, AC ve AD eğrileri düzlemi üç bölgeye ayırır. Maddenin sıcaklık ve basıncının kesiştiği nokta hangi bölgeye düşerse, madde o fiziksel haldedir.
AB eğrisi : Katı - sıvı denge durumunu belirler. Bu eğri üzerindeki noktalar maddenin çeşitli basınçlardaki donma noktalarını (veya erime
noktalarını) gösterir.
AC eğrisi : Sıvı - gaz denge durumunu belirler. Bu eğri üzerindeki noktalar maddenin çeşitli basınçlardaki kaynama noktalarını (veya
yoğunlaşma noktalarını) gösterir.
AD eğrisi : Katı - gaz denge durumunu belirler. Bu eğri üzerindeki noktalar maddenin çeşitli basınçlardaki süblimleşme noktalarını (veya
kırağılaşma noktalarını) gösterir.
A noktası : Üçlü nokta denir. Maddelerin katı, sıvı ve gaz hallerinin tümünün aynı ortamda bir arada bulunabildiği sıcaklık ve basınç değerine
üçlü nokta denir.
Suyun faz diyagramında katı - sıvı eğrisi biraz sola yatıktır. Eğri incelendiğinde dış basınç arttıkça suyun donma noktasının düştüğü görülür. CO2'nin faz diyagramında katı - sıvı eğrisi biraz sağa yatıktır. Eğri incelendiğinde dış basınç arttıkça donma noktasının yükseldiği görülür.
Tüm maddelerin faz diyagramında katı - sıvı eğrisi, sıcaklık eksenine dike yakındır. Bu nedenle basıncın donma noktasına etkisi çok azdır.
JOULE THOMSON OLAYI
Herhangi bir maddeyi soğutmanın yollarından birisi kendisinden daha soğuk başka bir maddenin içine koymaktır. Buz, sıvı hava, kuru buz (katı CO2), aseton - alkol veya aseton - eter karışımı bu amaçla kullanılan soğutucu maddelerdendir. Bu konu hakkında ilk defa çalışan bilim insanları James Prescott Joule ve William Thomson'dur.
Joule ve Thomson yaptıkları deneyin sonucunda hızla genleştirilen gazların farklı davrandıklarını, bazı gazların sıcaklığında değişiklik olmadığı, bazı gazların ısındığı, bazı gazların ise soğuduğunu gözlemlemişlerdir. Gazlar genleştirildiklerinde, moleküller birbirinden uzaklaşırlar ve bundan dolayı gazların hacimlerinin artmasıyla moleküller birbirinden ayrılarak ortalama hızları düşer. Genişleyen gazın molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerinin yenilmesi için gereken enerji dış ortamdan alınamayacağından dolayı gaz moleküllerinin öz ısıları kullanılarak karşılanır. Bu şekilde genleştirilen gazlar hızla soğurlar. Soğuyan gaz bulunduğu ortamı da soğutur. Bu gözleme Joule - Thomson olayı adı verilir. Joule - Thomson olayının uygulamalarına buzdolabı, klima ve derin dondurucuların soğutulması, bisiklet sibobunda soğuma, pompada sıkışan gazın ısınması gibi örnekler verilebilir.
Joule - Thomson olayı sonucunda genleşme sırasındaki sıcaklık değişimi ne kadar küçük ise gaz ideale o kadar yakındır.
*Kritik sıcaklık, maddenin kimlik özelliklerinden biridir.
*Madde kritik sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda buhar, kritik sıcaklığın üstündeki sıcaklıklarda gaz halde bulunur.
Gaz, Buhar ve Kritik Sıcaklık
Bulunduğu sıcaklıkta, hiçbir basınç altında sıvılaştırılamayan sıkıştırılabilir akışkanlara gaz denir. Gazların sıcaklığı arttıkça, sıvılaştırılmaları zorlaşır ve basınç uygulanması gerekir. Ancak gazlar için bazı sıcaklıklar vardır ki, bu sıcaklığın üstünde ne kadar basınç uygulanırsa uygulansın sıvılaştırılamazlar. Her gaz için ayrı olan bu sıcaklığa kritik sıcaklık adı verilir. Kritik sıcaklık, bir gazın basınç uygulanarak sıvılaştırılabileceği en yüksek sıcaklıktır ve TK ile gösterilir. Gazlar gibi davrandıkları halde, bulundukları sıcaklıkta basınçla sıvılaştırılabilen akışkanlara buhar adı verilir. Buhar ile gaz arasında bir dönüşüm yoktur. Buhar özelliğinin ortadan kalkarak gaz özelliğinin başladığı sıcaklık, kritik sıcaklıktır. Buharlaşırken ortamdan ısı alarak bulunduğu ortamın soğumasına sebep olan maddelere soğutucu akışkanlar denir. Soğutucu akışkan olarak kullanılacak maddenin basınçla sıvılaştırılabilmesi ve üzerindeki basınç kaldırıldığında buhar hale geçmesi gerekmektedir.
Soğutucu akışkanların sahip olması gereken bazı özellikler aşağıda verilmiştir.
*Kritik sıcaklığı yüksek olmalıdır.
*Çevreye zarar vermemelidir.
*Daha az enerji tüketmelidir.
*Ucuz ve kolay temin edilebilmelidir.
*Yanıcı ve zehirli olmamalı, kimyasal yönden metallerle tepkimeye girmemelidir.
*Normal basınçta düşük kaynama noktasına sahip olmalıdır.
*Uygulanabilir basınç altında buharlaşmalı ve sıvılaşmalıdır.
H2O oda şartlarında sıvı halde bulunduğu için yani basınçla sıvılaştırılamadığı için soğutucu akışkan olarak kullanılamaz.
NH3'ün kaynama noktası düşük ve kritik sıcaklığı yüksek olduğu için oda koşullarında buhar halde bulunur. Basınçla sıvılaştırılabilir, soğutucu akışkan olarak kullanılabilir.
GAZ KARIŞIMLARI
Hayatımızın devam etmesi için sürekli solumak zorunda olduğumuz hava, başta azot ve oksijen olmak üzere karbondioksit, argon ve başka gazları içeren bir gaz karışımıdır. Doğal gaz, hava gazı, LPG (sıvılaştırılmış petrol gazı)
Dalton Kısmi Basınçlar Kanunu
Birbiri ile tepkime vermeyen gazlar karıştırıldıklarında homojen olarak aralarındaki boşluklara dağılır. Her gaz kapta sanki diğer gaz yokmuş gibi davranışlarını devam ettirir. Bir gaz karışımında bulunan gazlardan her birinin uyguladığı basınca o gazın kısmi basıncı denir. Bir gazın kısmi basıncı, o gazın, aynı hacimde tek başına bulunduğu zaman yaptığı basınca eşittir. Gazların kısmi basınçlarının toplamı ise karışımın toplam basıncını oluşturur. Bu kurala Dalton Kısmi Basınçlar Kanunu denir. Dalton, bir gaz karışımındaki toplam basıncın, gaz moleküllerinin yapısına değil, gazların toplam mol sayısına bağlı olduğunu ifade etmiştir.
Yandaki kapta bulunan A ve B gazlarının kısmi basınçları sırasıyla PA ve PB'dir. Karışımın toplam basıncı ise PT = PA + PB olur. Gazların mol sayıları nA ve nB ile gösterildiğinde ise karışımın toplam mol sayısı nT = n A + nB olur. Karışımı oluşturan gazların hacimleri ve sıcaklıkları aynı olacağına göre, kısmi basınçları oranı mol sayıları oranına eşittir.
Daha önce öğrendiğimiz 𝑃1 / 𝑃2 = 𝑛1 / 𝑛2 eşitliği gazların kısmi basınçları ve mol sayıları ile karışımın toplam basıncı ve mol sayısına uygulandığında
𝑃𝐴 / 𝑃𝑇 =𝑛𝐴 / 𝑛𝑇 ve 𝑃𝐵 / 𝑃𝑇 = 𝑛𝐵 / 𝑛𝑇 bağıntıları elde edilir.
Mol Kesri
Bir gaz karışımındaki gazlardan birinin mol sayısının, toplam mol sayısına oranına o gazın mol kesri denir ve X ile gösterilir. Örneğin A ve B gazlarından oluşan karışım için XA=𝑛𝐴 / 𝑛𝑇 XB=𝑛𝐵 / 𝑛𝑇 XA+ XB =1 dir. Buna göre; A gazının kısmi Basıncı PA=𝑛𝐴 / 𝑛𝑇 𝑋 𝑃𝑇 𝑦𝑎𝑑𝑎 PA = XA . PT formülü ile hesaplanır. Bir gaz karışımında gazların mol kesirlerinin toplamı 1'dir.
GAZLARIN SU ÜZERİNDE TOPLANMASI
Dalton'un kısmi basınç kanununun diğer bir uygulaması, bir kaptaki su üstünde toplanan ve suda çözünmeyen bir gazın basıncının hesaplanmasıdır. 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.
PT = Pgaz + P su buharı
Sıvısı ile dengede bulunan buharın sıvı yüzeyine yaptığı basınca denge buhar basıncı denir. Suyun buhar basıncı sıcaklığa bağlıyken suyun miktarına, bulunduğu kabın hacmine ve şekline bağlı değildir. Gazın su üzerinde toplanabilmesi için suda çözünmemesi ve suyla tepkime vermemesi gerekir.
Şekildeki kapta bir miktar saf su ve suyun üzerinde suda çözünmeyen X gazı varken;
PT = PX + PH2O olur. Sabit sıcaklıkta piston Y noktasına itilirse
*Buhar molekülleri sayısı azalır. *Sıvı molekülleri sayısı artar.
*Suyun buhar basıncı değişmez. *X gazının kısmi basıncı artar.
*Birim hacimdeki buhar molekülleri sayısı değişmez. *Toplam basınç 2 katına çıkmaz.
Bağıl Nem
Havanın su buharı içeriği genellikle bağıl nem terimi ile ifade edilir. Bağıl nem, su buharı kısmi basıncının, aynı sıcaklıkta suyun buhar basıncına oranıdır ve yüzde ile verilir. Yani belli bir sıcaklıkta havadaki buharlaşma ve yoğunlaşma dengesine denir. Örneğin, bağıl nem %100 ise su, buharı ile dengede demektir. Bağıl nem %100 den küçük bir değerdeyse buharlaşma, büyük bir değerdeyse yoğunlaşma gerçekleşir. Bağıl nem en fazla ülkemizde Karadeniz Bölgesi'nde görülmektedir.
Örneğin, 25°C'ta havadaki su buharının kısmi basıncı 12,2 mm Hg, suyun buhar basıncı 23,8 mm Hg ise;
Bağıl nem =𝑆𝑢 𝑏𝑢ℎ𝑎𝑟𝚤𝑛𝚤𝑛 𝑘𝚤𝑠𝑚𝑖 𝑏𝑎𝑠𝚤𝑛𝑐𝚤 / 𝑆𝑢𝑦𝑢𝑛 𝑏𝑢ℎ𝑎𝑟 𝑏𝑎𝑠𝚤𝑛𝑐𝚤 x 100 ,
Bağıl nem =12,223,8 x 100 --> % 51,3 Bağıl nem %100'den küçük olduğu için buharlaşma olur.
TEPKİME VERMEYEN GAZLARIN KARIŞTIRILMASI
Aşağıda verilen farklı kaplardaki aynı veya birbiri ile tepkime vermeyen farklı gazlar aynı sıcaklıkta karıştırıldığında gazların mol sayılarında bir değişiklik olmayacağından toplam mol sayısı nT = n1 + n2 olur. İdeal gaz denkleminden de n = P . V / R . T olduğundan
PT . VT = P1 . V1 + P2 . V2 olur. Bu eşitliğe de Birleşik Gaz Denklemi denir.
İçerilerinde aynı veya farklı gazların bulunduğu kaplar, musluk yardımıyla birbirine bağlanmışsa bu tür kaplara bileşik kaplar adı verilir. Bileşik kaplarda musluk açıldığında gazların hacmi kapların hacimleri toplamıdır.
Sisteme sabit sıcaklıkta X gazı ile tepkime vermeyen Y gazı eklendiğinde;
*Y gazının mol kütlesi, X gazınınkine eşitse kaptaki gaz yoğunluğu değişmez.
*Y gazının mol kütlesi, X gazınınkinden büyükse kaptaki gaz yoğunluğu başlangıca göre artar.
*Y gazının mol kütlesi, X gazınınkinden küçükse kaptaki gaz yoğunluğu başlangıca göre azalır.
TEPKİME VEREN GAZLARIN KARIŞTIRILMASI
Kimyasal tepkime sırasında, molce birleşmeler gereği, tepkimeye girenlerle ürünlerin toplam mol sayıları arasında fark varsa, tepkime sabit sıcaklıkta ve sabit hacimde oluşsa bile, tepkime sırasında basınç değişir. Basınç sabit tutulursa hacim değişir.
Yukarıdaki sistemde mol sayıları ve basıncı verilen X2 ve Y2 gazları arasında sabit sıcaklıkta tam verimle XY3 gazı oluşturulmak istendiğinde
X2 + 3Y2 --> 2XY3
başlangıçta: 0,3 0,3 -
reaksiyona giren: -0,1 -0,3 0,2
reak.sonra 0,2 - 0,2
Tepkime sonunda X2 ve XY3 gazlarının mol sayıları eşit olduğundan kısmi basınçlarıda eşittir. Tepkime sonunda manometredeki cıva seviyesi farkı; 0,6 mol 3h ise 0,4 mol 2h olacağı için 2h yükseklik olacaktır.
Yukarıdaki şekillerde de görüldüğü gibi CO2 ve He gazlarının sıcaklığı arttıkça, moleküllerin ortalama kinetik enerjileri artar ve daha hızlı hareket etmeye başlarlar. Kabın çeperlerine çarpma sayıları da artar. Çarpma sonucunda oluşan itme kuvvetlerinin etkisiyle sürtünmesiz piston yukarı doğru hareket eder. Kabın hacmi de artmış olur. Sıcaklığın artmasıyla gaz moleküllerinin hareketliliğinden kaynaklanan hacim değişimine ısıl genleşme adı verilir. CO2 gazındaki ısıl genleşme, He gazındaki ısıl genleşmeden daha az olmuştur. Bunun sebebi He gazının ideale daha yakın olmasıdır.
• İdeal gazlarda;
*Gaz tanecikleri hacmi olmayan fakat kütlesi olan tanecikler olarak kabul edilir.
*Gaz taneciklerinin her türlü çarpışması esnek kabul edilir. Gaz tanecikleri arasında itme ve çekme kuvvetlerinin olmadığı kabul edilir.
*Aynı koşullarda bulunan gazlardan tanecik kütlesi küçük olan ideale daha yakındır.
*Gerçek gazlar, düşük sıcaklık ve yüksek basınç değerlerinde ideallikten uzaklaşırlar
İdeal Gaz Durumundan Sapmalar
* Genellikle gerçek gazlar her koşulda PV = nRT formülüne tam olarak uyamazlar. 1 mol ideal gaz için PV = nRT eşitliği uygulandığında PV/RT = 1 olur. Yandaki grafik değişik sıcaklıklarda CH4 gazınınPV/RT oranının basınçla değişimini göstermektedir. İdeal gazlar için PV/RT oranı her sıcaklık ve basınçta 1'dir.
*Bu oranın 1'den sapması ise gazın ideallikten sapmamiktarını gösterir. O halde basıncın yüksekliği, sıcaklığın düşüklüğü oranında gazlar ideal davranıştan saparlar
*.Gerçek bir gazın ideal gaz denkleminde hesaplanan sonuçtan sapması gazın cinsi (molekülün polarlanabilirliği), basınç ve sıcaklık gibi nedenlere bağlıdır.
*Kinetik teoriye göre, gaz moleküllerinin sahip olduğu toplam hacim, bulunduğu kabın hacmi yanında ihmal edilecek kadar küçüktür. Bu nedenle mutlak sıfır sıcaklığı civarında ideal bir gazın hacmi sıfıra yaklaşır. Gerçek gazların hacmi ise sıfırdan farklıdır ve basınç ne kadar yükseltilirse yükseltilsin, geride moleküllerin hacminden kaynaklanan bastırılamayan bir hacim kalır. Bu durumda basınçla sıkıştırılamayan hacmin ihmal edilmesi önemli bir hataya neden olmaz.
*İdeal gazlarda, moleküller arasındaki etkileşimlerde ihmal edilir. Yüksek sıcaklıklarda gaz
molekülleri çok hızlı hareket ettiklerinden moleküller arasındaki çekme kuvvetleri moleküllerin kinetik enerjileri yanında ihmal edilebilecek kadar küçüktür.
*Düşük sıcaklıklarda ise çekim kuvvetleri molekülleri birbirine yaklaştırır ve basınç ideal gaz
denkleminden hesaplanan basınçtan daha düşük olur.
*Moleküller arası çekim kuvvetleri küçük olan gazlar, moleküller arası çekim kuvveti büyük olan gazlara göre daha idealdir. Örneğin CH4 gazının molekülleri arasında zayıf London kuvvetleri varken, H2S molekülü polar olduğu için molekülleri arasında dipol – dipol etkileşimleri görülür. Buna göre molekülleri arası etkileşimi daha küçük olan CH4 gazı, H2S gazına göre daha ideal bir gazdır.
Moleküller Arası Bağlar ve Gerçek Gazların Sıvılaşması Maddelerin hal değiştirme sıcaklıkları ve tanecikleri arasındaki çekim kuvvetlerinin büyüklüğüne göre belirlenir.
FAZ DİYAGRAMI
AB, AC ve AD eğrileri düzlemi üç bölgeye ayırır. Maddenin sıcaklık ve basıncının kesiştiği nokta hangi bölgeye düşerse, madde o fiziksel haldedir.
AB eğrisi : Katı - sıvı denge durumunu belirler. Bu eğri üzerindeki noktalar maddenin çeşitli basınçlardaki donma noktalarını (veya erime
noktalarını) gösterir.
AC eğrisi : Sıvı - gaz denge durumunu belirler. Bu eğri üzerindeki noktalar maddenin çeşitli basınçlardaki kaynama noktalarını (veya
yoğunlaşma noktalarını) gösterir.
AD eğrisi : Katı - gaz denge durumunu belirler. Bu eğri üzerindeki noktalar maddenin çeşitli basınçlardaki süblimleşme noktalarını (veya
kırağılaşma noktalarını) gösterir.
A noktası : Üçlü nokta denir. Maddelerin katı, sıvı ve gaz hallerinin tümünün aynı ortamda bir arada bulunabildiği sıcaklık ve basınç değerine
üçlü nokta denir.
Suyun faz diyagramında katı - sıvı eğrisi biraz sola yatıktır. Eğri incelendiğinde dış basınç arttıkça suyun donma noktasının düştüğü görülür. CO2'nin faz diyagramında katı - sıvı eğrisi biraz sağa yatıktır. Eğri incelendiğinde dış basınç arttıkça donma noktasının yükseldiği görülür.
Tüm maddelerin faz diyagramında katı - sıvı eğrisi, sıcaklık eksenine dike yakındır. Bu nedenle basıncın donma noktasına etkisi çok azdır.
JOULE THOMSON OLAYI
Herhangi bir maddeyi soğutmanın yollarından birisi kendisinden daha soğuk başka bir maddenin içine koymaktır. Buz, sıvı hava, kuru buz (katı CO2), aseton - alkol veya aseton - eter karışımı bu amaçla kullanılan soğutucu maddelerdendir. Bu konu hakkında ilk defa çalışan bilim insanları James Prescott Joule ve William Thomson'dur.
Joule ve Thomson yaptıkları deneyin sonucunda hızla genleştirilen gazların farklı davrandıklarını, bazı gazların sıcaklığında değişiklik olmadığı, bazı gazların ısındığı, bazı gazların ise soğuduğunu gözlemlemişlerdir. Gazlar genleştirildiklerinde, moleküller birbirinden uzaklaşırlar ve bundan dolayı gazların hacimlerinin artmasıyla moleküller birbirinden ayrılarak ortalama hızları düşer. Genişleyen gazın molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerinin yenilmesi için gereken enerji dış ortamdan alınamayacağından dolayı gaz moleküllerinin öz ısıları kullanılarak karşılanır. Bu şekilde genleştirilen gazlar hızla soğurlar. Soğuyan gaz bulunduğu ortamı da soğutur. Bu gözleme Joule - Thomson olayı adı verilir. Joule - Thomson olayının uygulamalarına buzdolabı, klima ve derin dondurucuların soğutulması, bisiklet sibobunda soğuma, pompada sıkışan gazın ısınması gibi örnekler verilebilir.
Joule - Thomson olayı sonucunda genleşme sırasındaki sıcaklık değişimi ne kadar küçük ise gaz ideale o kadar yakındır.
*Kritik sıcaklık, maddenin kimlik özelliklerinden biridir.
*Madde kritik sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda buhar, kritik sıcaklığın üstündeki sıcaklıklarda gaz halde bulunur.
Gaz, Buhar ve Kritik Sıcaklık
Bulunduğu sıcaklıkta, hiçbir basınç altında sıvılaştırılamayan sıkıştırılabilir akışkanlara gaz denir. Gazların sıcaklığı arttıkça, sıvılaştırılmaları zorlaşır ve basınç uygulanması gerekir. Ancak gazlar için bazı sıcaklıklar vardır ki, bu sıcaklığın üstünde ne kadar basınç uygulanırsa uygulansın sıvılaştırılamazlar. Her gaz için ayrı olan bu sıcaklığa kritik sıcaklık adı verilir. Kritik sıcaklık, bir gazın basınç uygulanarak sıvılaştırılabileceği en yüksek sıcaklıktır ve TK ile gösterilir. Gazlar gibi davrandıkları halde, bulundukları sıcaklıkta basınçla sıvılaştırılabilen akışkanlara buhar adı verilir. Buhar ile gaz arasında bir dönüşüm yoktur. Buhar özelliğinin ortadan kalkarak gaz özelliğinin başladığı sıcaklık, kritik sıcaklıktır. Buharlaşırken ortamdan ısı alarak bulunduğu ortamın soğumasına sebep olan maddelere soğutucu akışkanlar denir. Soğutucu akışkan olarak kullanılacak maddenin basınçla sıvılaştırılabilmesi ve üzerindeki basınç kaldırıldığında buhar hale geçmesi gerekmektedir.
Soğutucu akışkanların sahip olması gereken bazı özellikler aşağıda verilmiştir.
*Kritik sıcaklığı yüksek olmalıdır.
*Çevreye zarar vermemelidir.
*Daha az enerji tüketmelidir.
*Ucuz ve kolay temin edilebilmelidir.
*Yanıcı ve zehirli olmamalı, kimyasal yönden metallerle tepkimeye girmemelidir.
*Normal basınçta düşük kaynama noktasına sahip olmalıdır.
*Uygulanabilir basınç altında buharlaşmalı ve sıvılaşmalıdır.
H2O oda şartlarında sıvı halde bulunduğu için yani basınçla sıvılaştırılamadığı için soğutucu akışkan olarak kullanılamaz.
NH3'ün kaynama noktası düşük ve kritik sıcaklığı yüksek olduğu için oda koşullarında buhar halde bulunur. Basınçla sıvılaştırılabilir, soğutucu akışkan olarak kullanılabilir.
GAZ KARIŞIMLARI
Hayatımızın devam etmesi için sürekli solumak zorunda olduğumuz hava, başta azot ve oksijen olmak üzere karbondioksit, argon ve başka gazları içeren bir gaz karışımıdır. Doğal gaz, hava gazı, LPG (sıvılaştırılmış petrol gazı)
Dalton Kısmi Basınçlar Kanunu
Birbiri ile tepkime vermeyen gazlar karıştırıldıklarında homojen olarak aralarındaki boşluklara dağılır. Her gaz kapta sanki diğer gaz yokmuş gibi davranışlarını devam ettirir. Bir gaz karışımında bulunan gazlardan her birinin uyguladığı basınca o gazın kısmi basıncı denir. Bir gazın kısmi basıncı, o gazın, aynı hacimde tek başına bulunduğu zaman yaptığı basınca eşittir. Gazların kısmi basınçlarının toplamı ise karışımın toplam basıncını oluşturur. Bu kurala Dalton Kısmi Basınçlar Kanunu denir. Dalton, bir gaz karışımındaki toplam basıncın, gaz moleküllerinin yapısına değil, gazların toplam mol sayısına bağlı olduğunu ifade etmiştir.
Daha önce öğrendiğimiz 𝑃1 / 𝑃2 = 𝑛1 / 𝑛2 eşitliği gazların kısmi basınçları ve mol sayıları ile karışımın toplam basıncı ve mol sayısına uygulandığında
𝑃𝐴 / 𝑃𝑇 =𝑛𝐴 / 𝑛𝑇 ve 𝑃𝐵 / 𝑃𝑇 = 𝑛𝐵 / 𝑛𝑇 bağıntıları elde edilir.
Mol Kesri
Bir gaz karışımındaki gazlardan birinin mol sayısının, toplam mol sayısına oranına o gazın mol kesri denir ve X ile gösterilir. Örneğin A ve B gazlarından oluşan karışım için XA=𝑛𝐴 / 𝑛𝑇 XB=𝑛𝐵 / 𝑛𝑇 XA+ XB =1 dir. Buna göre; A gazının kısmi Basıncı PA=𝑛𝐴 / 𝑛𝑇 𝑋 𝑃𝑇 𝑦𝑎𝑑𝑎 PA = XA . PT formülü ile hesaplanır. Bir gaz karışımında gazların mol kesirlerinin toplamı 1'dir.
GAZLARIN SU ÜZERİNDE TOPLANMASI
PT = Pgaz + P su buharı
Sıvısı ile dengede bulunan buharın sıvı yüzeyine yaptığı basınca denge buhar basıncı denir. Suyun buhar basıncı sıcaklığa bağlıyken suyun miktarına, bulunduğu kabın hacmine ve şekline bağlı değildir. Gazın su üzerinde toplanabilmesi için suda çözünmemesi ve suyla tepkime vermemesi gerekir.
Şekildeki kapta bir miktar saf su ve suyun üzerinde suda çözünmeyen X gazı varken;
PT = PX + PH2O olur. Sabit sıcaklıkta piston Y noktasına itilirse
*Buhar molekülleri sayısı azalır. *Sıvı molekülleri sayısı artar.
*Suyun buhar basıncı değişmez. *X gazının kısmi basıncı artar.
*Birim hacimdeki buhar molekülleri sayısı değişmez. *Toplam basınç 2 katına çıkmaz.
Bağıl Nem
Havanın su buharı içeriği genellikle bağıl nem terimi ile ifade edilir. Bağıl nem, su buharı kısmi basıncının, aynı sıcaklıkta suyun buhar basıncına oranıdır ve yüzde ile verilir. Yani belli bir sıcaklıkta havadaki buharlaşma ve yoğunlaşma dengesine denir. Örneğin, bağıl nem %100 ise su, buharı ile dengede demektir. Bağıl nem %100 den küçük bir değerdeyse buharlaşma, büyük bir değerdeyse yoğunlaşma gerçekleşir. Bağıl nem en fazla ülkemizde Karadeniz Bölgesi'nde görülmektedir.
Örneğin, 25°C'ta havadaki su buharının kısmi basıncı 12,2 mm Hg, suyun buhar basıncı 23,8 mm Hg ise;
Bağıl nem =𝑆𝑢 𝑏𝑢ℎ𝑎𝑟𝚤𝑛𝚤𝑛 𝑘𝚤𝑠𝑚𝑖 𝑏𝑎𝑠𝚤𝑛𝑐𝚤 / 𝑆𝑢𝑦𝑢𝑛 𝑏𝑢ℎ𝑎𝑟 𝑏𝑎𝑠𝚤𝑛𝑐𝚤 x 100 ,
Bağıl nem =12,223,8 x 100 --> % 51,3 Bağıl nem %100'den küçük olduğu için buharlaşma olur.
TEPKİME VERMEYEN GAZLARIN KARIŞTIRILMASI
Aşağıda verilen farklı kaplardaki aynı veya birbiri ile tepkime vermeyen farklı gazlar aynı sıcaklıkta karıştırıldığında gazların mol sayılarında bir değişiklik olmayacağından toplam mol sayısı nT = n1 + n2 olur. İdeal gaz denkleminden de n = P . V / R . T olduğundan
PT . VT = P1 . V1 + P2 . V2 olur. Bu eşitliğe de Birleşik Gaz Denklemi denir.
İçerilerinde aynı veya farklı gazların bulunduğu kaplar, musluk yardımıyla birbirine bağlanmışsa bu tür kaplara bileşik kaplar adı verilir. Bileşik kaplarda musluk açıldığında gazların hacmi kapların hacimleri toplamıdır.
Sisteme sabit sıcaklıkta X gazı ile tepkime vermeyen Y gazı eklendiğinde;
*Y gazının mol kütlesi, X gazınınkine eşitse kaptaki gaz yoğunluğu değişmez.
*Y gazının mol kütlesi, X gazınınkinden büyükse kaptaki gaz yoğunluğu başlangıca göre artar.
*Y gazının mol kütlesi, X gazınınkinden küçükse kaptaki gaz yoğunluğu başlangıca göre azalır.
TEPKİME VEREN GAZLARIN KARIŞTIRILMASI
Yukarıdaki sistemde mol sayıları ve basıncı verilen X2 ve Y2 gazları arasında sabit sıcaklıkta tam verimle XY3 gazı oluşturulmak istendiğinde
X2 + 3Y2 --> 2XY3
başlangıçta: 0,3 0,3 -
reaksiyona giren: -0,1 -0,3 0,2
reak.sonra 0,2 - 0,2
Tepkime sonunda X2 ve XY3 gazlarının mol sayıları eşit olduğundan kısmi basınçlarıda eşittir. Tepkime sonunda manometredeki cıva seviyesi farkı; 0,6 mol 3h ise 0,4 mol 2h olacağı için 2h yükseklik olacaktır.