GAZLAR 01. Gazların Özellikleri: Gazlar moleküller arası çekim kuvvetleri en az olan maddelerdir. Gaz molekülleri birbirinden bağımsız hareket ederler. Aralarındaki çekim kuvveti ancak ve sadece London çekim kuvvetidir. Büyük basınç ve düşük sıcaklıklarda sıvılaştırılabilirler. Gaz molekülleri bulundukları yeri her tarafına eşit oranda yayılarak doldururlar. Sonsuz oranda genişleyebilirler. Basınç altında yüksek oranda sıkıştırılabilirler. Yüksek basınçtan alçak basınca doğru çabucak akarlar. Sıcaklık ile basınç doğru orantılıdır. Düşük yoğunlukları vardır. Gazların fiziksel davranışlarını dört özellik belirler. Bunlar; Basınç (P), sıcaklık (T) ve hacim (V) gazların durumunu değiştirebilen etkenlerdir. Gazlar genellikle kokusuz ve renksizdirler. Bazılarının kokusu, rengi ve zehirliliği en belirgin özelliğidir. Br2 kahverengimsi kırmızı, I2 mor renkli, NO2 ve N2O3 kahve renkli, F2 ve C12 yeşilimsi sarı, NH3 keskin kokulu, oksijen, azot ve asal gazlar dışındakiler zehirlidirler. Basınç: Basınç, bir yüzeye uygulanan kuvvetin, o yüzeyin alanına bölünmesiyle bulunur. P(Pa) = F(N)/ A(m2) Atmosfer basıncı barometre ile ölçülür. Bir barometredeki civa yüksekliğine barometre basıncı denir. Atmosfer koşulları ve yükseklikle değişir. Standart atmosfer (atm), civa civa yoğunluğu 13,5951 g/cm3 (0 oC ) ve yerçekimi ivmesi g = 9,80665 ms-2 olduğu durumda, 760 mm yükseklikteki bir civa sütununun oluşturduğu basınç olarak tanımlanabilir. 1 atm = 760 mm Hg 1 atm= 760 torr 1 atm = 101,325 N/ m2 1 atm = 101,325 Pa 1 atm = 1,01325 bar 02. Basit Gaz Yasaları Boyle Yasası: Sabit sıcaklıkta, sabit miktardaki gazın hacmi, basıncı ile ters orantılıdır. P a 1/V yada PV = a (a sabit ) Orantı işareti (a) yerine eşitlik ve orantı sabitini koyarsak, sabit bir sıcaklık ve miktardaki gazın basınç ve hacim çarpımı bir sabite eşittir. Bu sabit değerde gazın miktarı ve sıcaklığına bağlıdır. Örnek : 30 litre bir gazın, basıncı 6 atmosferden 3 atmosfere düşürüldüğünde hacmi ne olur? Çözüm: Gazın sadece bir P1, V1 hali belli olması PxV sabitini bulmaya yeterlidir. P1 = 6 atm, V1 = 30 L P1.V1 = P2V2 6 (atm) x 30 (L) = 3 atm x V2 V2 = 180 L atm / 3 (atm) V2 = 60 L bulunur. Charles Yasası: Sabit basınçtaki, gazın hacmi sıcaklıkla doğru orantılıdır. V a T veya V = bT (b Sabit) T (K) = t (oC) + 273,15 Örnek:. 25°C de 50 cm3 gaz 0°C ye soğutulursa hacmi ne olur? Çözüm: Sıcaklık mutlaka mutlak sıcaklık cinsine çevrilmelidir: bağıntısı kullanılarak bağıntısı kullanılarak ve V1 = 50 cm3, T1 = 25°C + 273 = 298 K, T2 = 0°C + 273 K alınarak 50/293 =V2 (cm3) / 273 V2 = 46,6 cm3 elde edilir. Normal (ideal ) Basınç ve sıcaklık : Gazların özellik olarak sıcaklık ve basınca bağlı olması nedeniyle, normal sıcaklık ve basınç kavramları kullanılır. Gazlar için normal sıcaklık 0oC =273.15 K ve normal basınç 1 atm =760 mmHg dır. Avagadro Yasası: Sabit sıcaklık ve basınçta, bir gazın hacmi miktarı ile doğru orantılıdır. Bu kuram iki farklı şekilde ifade edilir. 1. Aynı basınç ve sıcaklıkta, farklı gazların eşit hacimleri aynı sayıda molekül içerir. 2. Aynı basınç ve sıcaklıkta, farklı gazların aynı sayıdaki molekülleri eşit hacim kaplar. V a n veya V = c.n Normal koşullarda bir gazın 22.414 L’si 6,02x1023 molekül ya da 1 mol gaz bulunur. 1mol gaz = 22.4 L gaz (normal koşullarda) Birleşen Hacimler Yasası: Sıcaklık ve basıncın sabit olduğu tepkimelerde gazlar tamsayılarla ifade edilen basit hacim oranlarıyla birleşirler. 2 CO (g) + O2 (g) 2CO2 (g) 2L CO (g) + 1L O2 (g) 2 L CO2 (g) 03. İdeal Gaz denklemi Basit gaz yasalarından yararlanarak, hacim, basınç, sıcaklık ve gaz miktarı gibi dört gaz değişkenini içeren tek bir denklemde birleştirilerek ideal gaz denklemi elde edilir. 1. Boyle yasası, Basıncın etkisini tanımlar, P a 1/V 2. Charles yasası, Sıcaklık etkisini tanımlar, V a T 3. Avagadro Yasası, gaz miktarının etkisini tanımlar, V a n Bu gaz yasalarına göre, bir gazın hacmi, miktar ve sıcaklık ile doğru orantılı, basınç ile ters orantılıdır. Yani V a nT/P ve V= RnT/P Pv = nRT İdeal gaz denklemine uyan bir gaza idael veya mükemmel gaz ismi verilir. İdeal gaz denkleminde gaz sabitinin değeri ideal şartlardaki birimlerden yararlanarak bulunur. R = PV/ nT = 1 atm x 22,4140 L / 1 mol x 273,15K = 0,082057 L atm/mol K = 0,082057 L atm mol-1 K-1 elde edilir. SI sistemine göre R = PV/ nT = 101,325 Pa x 2,24140.10-2 m3 / 1 mol x 273,15K = 8.3145 m3 Pa mol –1 K-1 R = 8,3145 J mol-1 K-1 Örnek: 800 ml bir kapta 275 oC de 0.2 mol O2 nin oluşturduğu basınç ne kadardır ? PV = nRT P x 0,800 L = 0,2 x 0,082 L atm mol-1 K-1 x (273 + 275) K P = 11,2 atm Genel Gaz Denklemi: Bazı durumlarda gazlar iki farklı koşulda tanımlanır. Bu durumda ideal gaz denklemi, başlangıç ve son durum olmak üzere iki kere uygulanır. PiVi = ni R Ti R = PiVi / ni Ti PsVs = ns R Ts R = PsVs / ns Ts PiVi / ni Ti = PsVs / ns Ts bağıntısına genel gaz denklemi denir. Mol kütlesi tayini : Bir gazın sabit sıcaklık ve basınçta kapladığı hacim bilinirse, gaz miktarı (n), mol cinsinden, ideal gaz denklemiyle bulunur. Gazın mol sayısı, gaz kütlesinin (m) molekül ağırlığına (M) bölümüne eşit olduğundan, gaz kütlesi bilinirse n = m / M den yararlanarak mol kütlesi bulunabilir. PV = mRT/M Gaz Yoğunlukları: Bir gazın yoğunluğu bulunurken d = m/V yoğunluk denkleminden yaralanılır. İdeal gaz denkleminde n/V yerine P/RT konulur. d = m/V = MP/ RT Sıvı ve katı yoğunlukları arasında belirli farklar vardır. a. Bir gazın yoğunluğu mol kütlesi ile doğru orantılıdır. Katı ve sıvıların ise yoğunlukları ve mol kütleleri arasında kayda değer bir ilişki yoktur. b. Gaz yoğunlukları basınç ve sıcaklığa bağlıdır. Basınç ile doğru orantılı, sıcaklık ile ters orantılıdır. Katı ve sıvıların yoğunlukları ile mol kütleleri arasında kayda değer bir bir ilişki olmakla beraber, basınca çok az bağlıdır. 04. Gaz Karışımları: Bir gaz karışımında gazlardan her birinin kendi yaptığı basınca kısmi basınç ismi verilir. Dalton’un kısmi basınçlar yasasına göre bir gaz karışımının toplam basıncı karışımın bileşenlerinin kısmi basınçlarının topl----- eşittir. PT = PA + PB nA/nT = PA / PT = VA / VT = XA Burada nA / nT terimine A’ nın mol kesri XA ile gösterilir. Örnek: Bir su buharı-neon gaz karışımının toplam basıncı 0.593 atm dir Su buharının o sıcaklıktaki kısmi basıncı suyun o sıcaklıktaki buhar basıncına eşittir ve 29.3 Torr dur. Neonun kısmi basıncını bulunuz. Çözüm: P toplam = 0.593 atm = 0.593 atm x 760 Torr / atm = 450,68 Torr Psu buharı = 29.3 Torr Ptoplam = P su buharı + P neon 450,68 Torr = 29.3 Torr + Pneon Pneon = 450,68 - 29.3 = 421,38 Torr Pneon = 421,38 Torr / 760 Torr.atm-1 = 0.55 atm 05. Kinetik- Molekül Kuramı: Gaz moleküllerinin aralarında çok büyük boşluklar bulunması onların büyük oranda sıkıştırılabilmesini sağlar. Sıvılarda ve katılarda moleküller birbirine çok sıkışık durumdadırlar. Büyük basınçlarda bile çok az bir hacim değişmesi gözlenebilir, pratikçe sıkıştırılamazlar. moleküllerinin yere düşmeden havada asılı kalmaları onların birbirleri ile devamlı çarpışma halinde olmaları ile açıklanır. Gaz moleküllerin devamlı hareket halinde olmaları gazların kinetik teorisi ile açıklanır. Gazların kinetik teorisi aşağıdaki bilgileri ortaya koyar. 1. Gaz molekülleri arasındaki boşluklar o kadar büyüktür ki bu büyük boşluklar yanında gaz moleküllerinin hacimleri ihmal edilecek kadar küçük boyuttadır. 2. Gaz molekülleri neden havada asılı kalıyor yere düşmüyor sorusuna da bir cevap olarak gaz molekülleri devamlı hareket halinde ve birbirleri ile çarpışmaktadırlar. Bir gazın bir molekülü 25°C de l atmosferde bir saniyede yaklaşık 10 9 çarpışma yapar. Gaz moleküllerinin çeperlere çarpması ise gaz basıncını oluşturur. 3. Gaz molekülleri hareketli olduğundan dolayı sahip oldukları kinetik enerjileri sıcaklıkla orantılıdır. Bir cismin hızı arttıkça kinetik enerjisi de artar.Moleküllerin hızları farklı olmasından dolayı ortalama hız alınır. Sabit sıcaklıkta tüm farklı gaz moleküllerinin eşit kinetik enerjiye sahip olacağı düşünülürse yüksek molekül ağırlıklı bir gaz molekülünün, düşük molekül ağırlıklı gaz molekülüne göre daha düşük hızlı olacağı bulunur. 4. Gaz moleküllerinin kabın duvarları veya birbirleri ile çarpışmaları mükemmel elastiktir. Çarpışan moleküller arasında enerji alışverişi olabilir. Fakat çarpışan moleküllerin toplam enerjisi öncekinin aynısıdır. 06. Graham'ın Gazların Yayılma Kanunu: Yayılma (difüzyon), rastgele molekül hareketi sonucu moleküllerin göç etmesidir. İki yada daha fazla gazın yayılması, moleküllerin karışıp bulunduğu yerde homojen bir karşım oluşturması ile sonuçlanır. Dışa yayılma (efüzyon) gaz moleküllerinin bulundukları kaptaki bir delikten dışa doğru kaçmasıdır. İki değişik gazın dışa yayılma hızları mol kütlelerinin kare kökü ile ters orantılıdır. A nın dışa yayılma hızı /B nin dışa yayılma hızı = (ums)A / ( ums)B = ((3RT/MA) / (3RT/MB))1/2 = (MB/MA) 1/2 Graham yasası ancak bazı koşullarda uygulanabilir. Dışa yayılma için gerekli gaz basıncı moleküllerin bağımsız olarak kaçışına olanak sağlayacak şekilde yani fışkırmayacak biçimde çok küçük olmalıdır. Delikler moleküller geçerken çarpışma olamayacak şekilde küçük olmalıdır. Örnek: Bir delikten yayılan gaz miktarlarının karşılaştırılması. 2.2 x 10-4 mol N2(g) küçük bie delikten 105 saniye dışa yayılmaktadır. Aynı delikten 105 saniyede ne kadar H2(g) dışa yayılır? H2 molekülleri N2 den daha az kütleye sahiptir. Gazlar aynı sıcaklıkta karşılaştırıldığında H2 molekülleri daha büyük hıza sahiptir. x mol H2 / 2.2x10-4 mol N2 = (MN2 /MH2) 1/2 = ( 28.014 / 2.016) 1/2 =3.728 x mol H2 = 3.728 x 2.2x10-4 = 8.2 x 10-4 mol H2 Örnek: Dışa yayılma zamanlarının mol kütleler ile ilişkisi. Küçük bir delikten bir Kr(g) örneği 87.3 s de kaçar ve aynı koşullarda bilinmeyen bir gaz için bu süre 42.9 s dir. Bilinmeyen gazın mol kütlesi nedir? bilinmeyen dışa yayılma zamanı / Kr nin dışa yayılma zamanı = 42.9 s / 87.3 s = (Mx / MKr ) 1/2 = 0.491 Mx = ( 0.491)2 x MKr = (0.491)2 x 83.80 = 20.2 g/mol 07. Gerçek ( İdeal olmayan) Gazlar İdeal gaz bağıntısı tanıtılırken gerçek gazlarında uygun koşullarda ideal gaz yasasına uyduğu belirtilmişti. Bir gazın ideal gaz koşulundan ne kadar saptığının ölçüsü sıkıştırılabilirlik faktörü olarak belirlenir. Bir gazın sıkıştırılabilirlik faktörü PV/nRT oranıdır. İdeal gaz bağıntısından (PV = nRT ) bir ideal gaz için bu oranın PV / nRT =1 olduğunu biliyoruz. Gerçek bir gaz için deneysel olarak belirlenen PV /nRT oranının 1'e yakınlığı gazın ne kadar ideal davrandığının ölçüsüdür. Bütün gazlar yeterince düşük basınçlarda ( 1atm den düşük) ideal davranırlar. Fakat artan basınçlarda saparlar. Çok yüksek basınçlarda ise sıkıştırılabilirlik faktörü daima 1 den büyüktür. * Gerçek gazlar yüksek sıcaklık ve düşük basınçlarda idealliğe yaklaşırlar. * Gerçek gazlar düşük sıcaklık ve yüksek basınçlarda ideallikten uzaklaşırlar. Van der Waals denklemi Gerçek gazlar için bir kaç denklem çıkarılmıştır. Bunlar ideal gaz denkleminden çok daha geniş bir sıcaklık ve basınç aralığında kullanılabilirler. ( P + n2a/V2) ( V-nb) = nRT Örnek: 1.00 mol Cl2 (g) 273 K de 2.00 L lik bir hazcim kaplıyor. Basıncı van der Waals denklemini kullanarak hesaplayınız. a= 6.49 L2 atm mol-2 ve b= 0.0562 L mol -1 P = nRT/ ( V-nb) - n2a/V2 n = 1.00 mol V = 2.00 L T = 273K R =0.08206 L atm mol-1 K-1 n2 a = ( 1.00)2 mol 2 x 6.49 L2atm/mol2 = 6.49 L2 atm nb = 1.00 mol x 0.0562 L mol -1 = 0.0562 L P = 1.00 mol x 0.08206 L atm mol -1 K -1 x 273 K /( 2.00 -0.0562)L - 6.49 L2 atm / (2.00)2 L2 P = 11.5 atm - 1.62 atm = 9.9 atm Maddenin Gaz Hali : Sıvı içerisinde bulunan gaz kabarcıkları sıvı yüzeyine yaklaştıkça hacimleri büyür, neden? Sıvı içerisinde bulunan gaz kabarcıkları yüzeye yaklaştıkça hacimleri büyür. Çünkü sıvının tabanında gaza yapılan basınç yüzeye yaklaştıkça azalır bundan dolayı gazın haçmi büyür. Arabaların fren sisteminde neden gaz yerine sıvı kullanılır ? Arabalarda gaz yerine sıvı kullanılmasının nedeni gazların sıkışabilirliğidir. Sıvıların sıkıştırılma özelliği olmadığı için fren tertibatında kullanılmaktadır. Sıvılara sıkıştırılmak üzere bir etki yapıldığında bunu aynen bulunduğu sistemin çeperlerine iletir. Arabalarda bu özellik kullanılarak fren tertibatındaki balataların sıkıştırılması sağlanır. Yüksek tansiyonun sebebi nedir ? Yüksek tansiyonu olan bir kişinin nasıl bir yerde yaşaması gerekir ? Yüksek tansiyonun sebebi insan vucudundaki kan basıncının dış basınca göre daha yüksek olmasından dolayıdır.Dış basınc ile kan basıncının eşit olmaması halinde rahatsızlıklar meydana gelir. Kan basıncı yüksek olan kişiler hava basıncının yüksek olduğu yerlerde yaşamak zorundalar. Buralar da deniz kenerlarıdır. Ellerinizi sıvı azotla (73 Kelvin derece veya -196C0 ) hiç zarar görmeden yıkamanız mümkünmüdür ? Kızgın bir tavaya bir damla su damlatırsanız,su damlasının tavada hızla gezinerek çok uzun süre kaldığını görürüz.Sıvı azotun kaynama noktası (1atm.basınçta) teninizin ısısından 230C0 daha azdır. Derinin"aşırı"sıcaklığı sıvıyı hızla kaynatır ve deriyle soğuk sıvı arasında bir gaz tabakası oluşur.Gaz tabakası deriyi soğuk sıvıdan yalıtır.Tava ne kadar sıcaksa,su damlaları o kadar uzun süre kalır.Yüksek ısı daha iyi bir gaz tabakası oluşturur ve ısının damlaya iletilmesini yavaşlatır.Kızgın tavada su damlalarının hızla hareketinin sebebi de altlarında oluşan su buharından kaynaklanır. Süt bir karışımdır. Sütün taşmasına sebep nedir? Ayrıca taşmasını önlemek için neler yapılabilir? Çoğunluğu sudan oluşan sütün içinde ayrıca biraz yağ, protein, laktoz ve bazı mineraller vardır. Sütün içerisindeki yağ, küçük kürecikler şeklinde bulunur. Bu yağ küreçikleri yukarı doğru yükselirler ve erime noktalarına yakın bir değer de (yaklaşık 50 o C ) sıcak süt üzerinde bir tabaka oluştururlar. Isınan sütün içerisinde oluşan su buharı kabarcıklarının yüzeye ulaşmaları bu katman tarafından engellenir; kabarcıklar kabuğun altın da toplanırlar. Sayıları artan ve birleşen bu kabarcıklar, bir an gelir kabuğu ittirebilecek kadar yüksek bir basınca sahip olurlar. Bu durumda da süt taşmış olur. Sütü karıştırmak kabuğun oluşmasını engellemiyeceğinden basınç oluşmaz. Dolayısı ile süt taşmaz. Maddenin Gaz Hali : Moleküllerin birbirleri üzerine çekim uygulamadıkları düşünülen ve kabul edilen gaza ideal gaz denir. İdeal gaz kavr----- uyan gazlar pek azdır.(H2, He gibi). Gerçek gazlar ideal gaz kavramından az yada çok saparlar. Gazlar yüksek sıcaklık ve düşük basınçta ideal davranırlar. Barometre : Açık hava basıncını ölçen aletlerdir. Deniz seviyesinde 76 cm Hg sütununun yüksekliğine yada yaptığı basınca 1 atmosfer denir. h yüksekliği kullanılan sıvının cinsine ve atmosfer basıncına bağlıdır. Borunun çapına bağlı değildir. Civa yerine ( d=13,6 gr/cm3) su kullanılsaydı (d=1gr/cm3) okunacak değer, h1.d1=h2.d2 76.13,6 = 1.h2 den h2= 1033 cm yani 10,33 metre olurdu. Bu kadar yüksek bir değerle uğraşmak yerine civa ile daha küçük bir değerle hesap yapmak daha kolaydır. Suyun buharlaşma özelliği bulunduğundan borunun üzerindeki boşluğu doldurarak basıncın yanlış okunmasına sebep olabilir fakat civa metaldir ve kolay buharlaşmaz. Manometre : Kapalı kaplardaki gazların basıncını ölçen aletlerdir. İki çeşittir. 1- Açık uçlu Manometreler :Bu tür manometrelerde sistem atmosfer basıncına açıktır. a) Gazın basıncı atmosfer basıncından Büyükse : Civa açık kolda yükselir ve gazın basıncı atmosfer basıncıyla h yüksekliğinin topl----- eşittir. b) Gazın basıncı atmosfer basıncından küçükse :Civa gaza doğru yükselir. Gazın basıncı, Atmosfer basıncından h yüksekliği çıkarılarak bulunur. c) Gazın basıncı atmosfer basıncına eşitse civa seviyeleri eşit olur. 2-Kapalı uçlu Manometreler: Bu tür manometrelerde sistem atmosfer basıncına kapalıdır. Civa seviyeleri arasındaki fark gazın basıncına eşittir. P ile V ilişkisi: gazların sabit mol sayıda ve sabit sıcaklıkta basınçlarıyla hacimleri ters orantılıdır. P1V1=P2V2 P1/T1=P2/T2 V1/T1=V2/T2 P1/n1=P2/n2 V1/n1=V2/n2 Sıcaklık : Bir maddenin ortalama kinetik enerjisidir. Gaz hesaplamalarında kesinlikle oC ile hesaplama yada yorum yapılmaz. Verilen CC 0K cinsinden sıcaklığa çevrilmelidir. T= t 0C + 273 Farklı iki gazın sıcaklıkları eşitse ortalama kinetik enerjileri de eşittir. Kinetik enerji sadece sıcaklığa bağlıdır. Gazların yayılma hızları molekül ağırlıklarının kareköküyle ters orantılıdır. (Graham Difüzyon Kanunu) Yayılma hızı sıcaklığa ve molekül ağırlığına bağlıdır. İki niceliğin eşit olduğu şartlarda moleküllerin hızları da eşittir. Örneğin sıcaklıkları eşit olan CO2 (44) ve N2O ( 44) gazlarının ortalama hızları birbirine eşittir. Gazların Özkütlesi : 1. N.Ş.A da Özkütle : Normal şartlar altında bir gazın özkütlesi molekül ağırlığının 22,4 e bölünmesiyle bulunur. d= MA/22,4 2. Herhangi bir şarttaki özkütle: İdeal gaz denklemi: PV=nRT (paran varsa ne rahatsın) (P=atm, V=litre R=22,4/273=0,082 T= kelvin cinsinden sıcaklık) PV=m/MA.R.T ve m=d.V dir. m yerine yazılırsa, PV=(d.V/MA).R.T P.MA=dRT Gazların Kısmi Basıncı : Karışım halinde bulunan gazların her birinin tek başına yaptığı basınca kısmi basınç denir. Gazların kısmi basınçları toplamı her zaman toplam basınca eşittir. Pt=P1 + P2 + P3 +...............Pn Pgaz= Ptoplam . (ngaz/ntoplam) Gazların kısmi basınçları eşitse mol sayıları da eşittir. Mol sayısı büyük olan gazın kısmi basıncı da büyüktür. Birleşik Kaplarda Son Basıncı Bulma: Birleşik kaplarda musluklar açıldıktan sonraki basıncı hesaplamak için, P1V1 + P2V2 + P3V3 + PnVn = PsonVson bağıntısı kullanılır. Gazların Kullanım Alanlarına Örnekler Metan Gaz aletleri test gazı, motor testleri, reaktör soğutucu, yakıt Karbonmonoksit Katalizör geri kazanımı ve indirgeyici atmosfer oluşturmak Propan İtici gaz, yakıt, sınai soğutucu, termostat dolumları Bütan Yakıt, itici gaz, organik kimya sanayi Neon Lambalar, elektron tüpleri, plazma işleri, kriyojenik soğutma Sülfürhekzaflorür Elektrik sanayi, cam izolasyon, kaçak kontrolu Ksenon Aydınlatma, kalibrasyon gazı olara