Cevap :
Cevap:
buyur
Açıklama:
GAZLAR
Giriş
Bir bisiklet tekerleği fazla şişirildiğinde patlayabilir. Bir aerosol tüpünün ateş içine atılması sakıncalıdır. Bir kuru buz parçasından çıkan karbondioksit gazı dibe çöker. Helyum gazı ya da sıcak havayla doldurulmuş bir balon havada yükselir. Bu bölümde bu tür gözlemler incelenecektir. Havadan hafif balonları yükselme gücünü anlamak, büyük ölçüde gaz yoğunlukları ve bunların kütle, sıcaklık ve basınca bağımlılıkları hakkında bilgi sahibi olmakla mümkündür.
6.1. Gazların Özellikleri
• Gaz hali genel olarak molekül ve atomların birbirinden uzak olduğu ve çok hızlı hareket ettiği bir haldir.
• Gaz molekülleri birbirine uzak olduğu için aralarında etkileşim yok denecek kadar azdır. Bu sebeple gaz molekülleri birbirinden bağımsız hareket ederler.
• Gazların hacim ve şekilleri işgal ettikleri kaba göre değişir. Bulundukları kabı doldururlar.
• Gazlar kolaylıkla sıkıştırılabilirler.
• Gazlar birbiriyle her oranda karışarak birinin yalnız başına işgal ettiği hacmi bu sefer beraberce doldururlar.
• Gazlar hızlı hareket ettiklerinden bulundukları kabın çeperine çarparlar ve bu çarpma neticesi kaba basınç uygularlar.
• Bulundukları kap içerisinde bütün yönlerde aynı basıncı uygularlar.
• Yoğunlukları katı ve sıvıya göre çok küçüktür.
• Isıtıldıklarında bütün gazlar sıcaklık değişimi karşısında aynı oranda genleşirler.
• Bir ortamda kolaylıkla yayılırlar.
• Gazların taneciklerinin oluşturduğu hacim, moleküller arasındaki boşluk yanında ihmal edilebilecek kadar küçüktür.
• Gaz molekülleri sabit bir hızla hareket ederken birbiriyle ya da bulundukları kabın duvarlarıyla çarpışırlar. Bu çarpışmalarda taneciklerin hızı ve doğrultusu değişebilir. Fakat çarpışmalar esnek olduğundan kinetik enerjide bir değişme olmaz.
• Gaz taneciklerinin sıcaklık değişimi ile hızları değişeceğinden ortalama kinetik enerjileri de değişir.
• Sıcaklıkları aynı olan bütün gazların ortalama kinetik enerjileri birbirine eşittir.
• Gaz molekülleri yüksek basınç düşük sıcaklıklarda sıvılaştırılabilirler.
6.2. Gaz Basıncının Ölçülmesi
Gaz basıncını ölçmeye yarayan aletlere manometre denir. Toriçelli deniz seviyesinde civa kullanarak yapmış olduğu deney sonucu açık hava basıncını hesaplamıştır. Sıvılar, basıncı her tarafa eşit olarak iletirler. Sıvı basıncı sıvının yüksekliğine ve yoğunluğuna bağlıdır. Cıvanın yoğunluğu 13.6 g/cm3, suyun yoğunluğu 1 g/cm3 tür.
Deneyde civa yerine su kullanarak yapılsaydı, borudaki su yüksekliği: 76 x 13,6 = 1033,6 cm olurdu.
Şekil 6.1:Toriçelli deneyi
Aynı deney farklı genişlikteki borularla yapıldığında cıva düzeyleri arasındaki farkın yine 76 cm olduğu görülüyor. Yani borudaki cıva yüksekliği borunun kesitine bağlı değildir. Toriçelli bu deneyi deniz seviyesinde ve 0 °C sıcaklıkta yapmıştır.
Şekil 6.2: Sıvıların basıncı sıvı cinsine ve yüksekliğe bağlıdır, kabın ve borunun şekline ve genişliğine vs gibi özelliklere bağlı değildir.
Özellikler: Deniz seviyelerinden yükseklere çıkıldıkça basınç azalır. Ortalama olarak her 10.5 m’de basınç 1 mm-Hg basıncı kadar azalır. Bu değer ilk 500 m için doğrudur. Açık hava basıncı havanın nemine ve sıcaklığına göre değişir.
a) Kullanılan sıvının öz kütlesi borda yükselen sıvının yüksekliğini (h) etkiler. Duyarlılığı artırmak için öz kütlesi küçük olan sıvılar kullanılır.
b) Deniz seviyesinden yükseklere çıkıldıkça h yüksekliği azalır.
c) Borunun üst kısmında bir gaz varsa h yüksekliği azalır.
d) Çekim ivmesi büyük ise h yüksekliği azalır.
e) Borunun biçimi ve kalınlığı h yüksekliğini değiştirmez.
f) Civanın kaptaki hacmi, h yüksekliğini değiştirmez.
g) h yüksekliği çekim ivmesine bağlıdır. Çekim ivmesi büyükse h yüksekliği küçüktür, çekim ivmesi küçükse h yüksekliği büyüktür.
h) Ortamın sıcaklığının değişmesi h yüksekliğini değiştirir. Sıcaklık arttıkça, sıvı genleşerek boruda yükseleceğinden h yüksekliği artar.
Bir barometrenin duyarlığı; küçük basınç değişikliklerinin barometrede ölçülmesidir. Barometrenin duyarlığını arttırmak için öz kütlesi küçük olan sıvılar kullanılmalıdır.
Örnek 6.1: 76 cm yükseklikte civa sütununun basıncına eşdeğer basıncı oluşturabilecek su sütununun yüksekliği ne olmalıdır?
Çözüm: Hg sütunu basıncı: hHg × dHg = 76 cm × 13.6 g/cm3
H2O sütunu basıncı: hH2O × dH2O = hH2O × 1 g/cm3
76 cm × 13.6 g/cm3 = hH2O × 1 g/cm3
hH2O =1.03 cm = 1.03 × 100 = 10.3 m
Sütun yüksekliği sıvı yoğunluğu ile ters orantılıdır.
6.2.1. Gazların Basıncı
(a)Kapalı manometre
(b)Açık uçlu manometrelerde
Şekil 6.4: Açık uçlu manometrelerde gaz basıncının ölçülmesi
Örnek 6.2: (Civa seviyesi gazın bulunduğu kolda daha fazla ise) manometre sıvı civa (d=13.6 g/cm3) ile dolduruluyor. Barometre basıncı 748.2 mmHg ve civa seviyeleri farkı 8.6 mmHg olduğunda gaz basıncı Pgaz ne kadardır?
Çözüm: Pgaz = Pbar + ?P
748.2 mmHg – 8.6 mmHg = 739.6 mmHg
6.3. Gaz Kanunları
Gazlar sıkıştırılabilen akışkanlar olarak tanımlanırlar. Yeryüzünü saran hava bir gaz karışımıdır. %78 Azot, %21 Oksijen ve diğer gazlardan oluşmaktadır. Ayrıca endüstride oksijen, hidrojen, azot, karbondioksit vb. gazlar çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Gazlar moleküllerden oluşmuştur. Moleküllerin ise, artan sıcaklığa bağlı olarak kinetik enerjileri dolayası ile hızları artmaktadır. Gaz akışkanları etkileyen diğer etmenler ise basınç ve hacimdir. Basınç, gaz moleküllerinin kap çeperlerine yapmış oldukları vuruş etkileridir. Moleküller bulundukları kapların çeperlerine dik etki yaparlar.
P: paskal olarak basınç,
V: kübik metre olarak hacim,
n: gazın mol sayısı
R gaz sabiti: (8.3145 J/mol·K)
T, Kelvin cinsinden sıcaklıktır.
6.3.1. Boyle Mariotte Kanunu
Sabit kütleli, sabit sıcaklıkta bir gaz maddenin hacmi ile basıncı ters orantılıdır. Yani basıncı arttıkça hacmi azalır, hacmi arttıkça da basıncı azalmaktadır. Basınç ile hacminin çarpımı da sabittir.
P · V = k
P1 · V1 = P2 · V2 = …= PnVn = sabit
P paskal olarak basınç, V kübik metre olarak hacim, k gaz sabiti (8.3145 J/(mol K).
Şekil 6.5: Gazların hacmi ile basıncı ters orantılıdır.
Örnek 6.3: Bir silindir 5.25 atm’de bir gaz içermektedir. Gaz genişlemeye bırakıldığında hacim 12.5 litreye ulaşırken basınç 1.85 atm’e düşer. Gazın ilk hacmi nedir?
Çözüm: P1 · V1 = P2 · V2 = …= PnVn = sabit
P1 · V1 = P2 · V2
5.25 × V1 = 1.85 × 12.5
= 4.40 L
6.3.2. Charles Kanunu
Bir gazın sıcaklığı değiştirilirse o gazın ya hacmi, ya basıncı ya da her ikisi de değişebilir. Gazların sabit kütlede ve sabit basınçta sıcaklığı ile hacmi doğru orantılı olarak değişmektedir. Bir gazın çeşitli sıcaklıklarda hacimleri seri deneylerle tayin edilerek, bir grafik çizilecek olursa düzgün doğru elde edilir.
Elde edilen doğrunun eğimi deneyde kullanılan gazın hacmine bağlıdır. İncelenirse nokta ile gösterilen kısım ölçü yapılması mümkün olmayan sıcaklıklar sınırıdır. Sıcaklık sıfır olduğu zaman gazın hacmi sıfır değildir. Uzatılan doğru sıcaklık eksenini –273°C’de keser. Bu nokta erişilebilen en düşük sıcaklık olup, bu sıcaklıkta gazın molekülleri arasındaki hacmi sıfır olmaktadır. Yani –273°C’de hiç bir madde gaz halinde bulunamaz.
Charles kanununda sabit kütlede ve sabit basınçta bir gazı sıcaklığı ile hacmi doğru orantılı olarak değişir (Şekil 6).
http://www.chemistrytutorials.org/images/stories/gases/charles_law.png
Şekil 6.6: Gazların hacimlerinin sıcaklıkla doğru orantılı olduğunu gösteren grafikler.
V1/T1 = V2/T2 = …= Vn/Tn = sabit
Örnek 6.4: Sabit kütlede ve sabit basınçta bir gaz birincide hacmi 750 cm3'te ve 80 K’dir. Hacmi 850 cm3'e çıkarılırsa sıcaklığı ne olur?
Çözüm: V1 / T1 = V2 / T2
750 / 80 = 850 / T2
T2 = 90.6 K
6.3.3. Gay – Lussac Kanunu
Kütlesi ve hacmi sabit olan gazların basınçları, sıcaklıkla doğru orantılı olarak değişir. Bu ilke Gay-Lussac kanunu olarak bilinir. Kapalı bir çelik kaptaki gazın sıcaklığı arttırılsa gaz moleküllerinin kinetik enerjileri artar. Kinetik enerjinin artması, gaz moleküllerinin hızlarının artmasından ileri gelir. Birim zamanda birim yüzeye çarpan molekül sayısı artar ve gaz basıncı artmış olur. Sıcaklığı azaltılan gazların basınçları azalır. Bir kap içinde bulunan gazın basıncı gaz ısıtılırsa artar. Basınç ve sıcaklık arasındaki matematiksel bağıntı, hacim ve sıcaklık arasındaki bağıntıya benzer. Hacim sabit tutulduğunda, bir gazın basıncı doğrudan mutlak sıcaklık ile değişir (Şeki 7).
charles kanunu
Şekil 6.7: Gazların basınçları sıcaklık ile doğru orantılıdır.
Örnek 6.5: Bir çelik kap içinde 380 mmHg basıncında, –73°C sıcaklıkta He gazı vardır. Bu gazın basıncını, 570 mmHg basıncına çıkardığımızda sıcaklığı kaç °C olur?
Çözüm: P1 / T1 = P2 / T2
T1 = 273 – 73 = 200 K
380 / 200 = 570 / T2
T2 = 300 K
t = 300 – 273 = 27°C
6.3.4. Avogadro Kanunu
Aynı şartlardaki (basınç ve sıcaklıkları aynı) gazların hacimleri ile mol sayıları doğru orantılıdır. Bir başka deyişle sabit sıcaklık ve basınçta gazların eşit hacimleri eşit sayıda molekül (ya da tanecik) içerir.
V1 / n1 = V2 / n2 = … = sabit; V ∞ n
Standart şartlarda (0°C ve 1 atm) 1 mol gaz 22.4 litre hacim kaplar.
Örnek: Belirli bir sıcaklık ve basınçtaki bir kapta 0.3 mol N2 gazı 7.0 litre hacim kaplamaktadır. Sıcaklık ve basınç değiştirilmeden kaba 50.8 gram daha N2 ilave edilirse hacim ne olur? (AN = 14 g/mol)
Çözüm: Öncelikle 50.8 gram N2'nin kaç mol ettiğini bulmak gerekir:
n = g / MA eşitliğinden
n = 50.8 / (2×14) = 50.8 / 28 = 1.8 mol
n1 = 0.3 mol, V1 = 7 litre, n2 = 0.3+1.8 mol, V2 = ?
V1 / n1 = V2 / n2; 7.0 / 0.3 = V2 / (0.3+1.8); V2 = 49 litre.
6.4. İdeal Gaz
Öz hacmi olmayan, moleküller arasında hiçbir itme ve çekme kuvveti bulunmayan ve gaz moleküllerinin birbiriyle çarpışmasında hiçbir kinetik enerji kaybı olmayan bir hayali gaz örneğine ideal gaz denir. Tabiattaki gazlar gerçek gazlardır. Gerçek gazlar yüksek sıcaklık ve düşük basınçta ideale yaklaşırlar. Farklı gazların ideal olmaları karşılaştırmasında ise; yoğunlaşma noktası düşük olan, molekül ağırlığı küçük olan gazlar diğerlerine göre daha idealdir, yorumu yapılabilir.
6.4.1. İdeal Gaz Denklemi
İdeal gaz denklemi aşağıdaki gibidir:
P · V = n · R · T (PV = nRT)
P: Basınç (atm), 76 cm Hg = 760 mm Hg = 1 atm
V: Hacim (Litre, L), n: Mol sayısı
R: Rydberg gaz sabiti olup bütün gazlar için 0.082 litre·atm/mol·K
T: Sıcaklık birimi olarak daima kelvin kullanılır. Kelvin derecesi ile Celcius derecesi arasında (T) = °C + 273 eşitliği vardır.
Örnek 6.7: 2 mol H2 gazının 5.6 litrelik bir kapta 8 atm basınç yapması için sıcaklığı kaç °C olmalıdır?
Çözüm: PV = nRT denkleminden;
8 × 5.6 = 2 × 0.082 × T
T= 273 K çıkmalıdır.
Kaç derece olduğu sorulduğundan K = °C + 273 eşitliğinden, gazın sıcaklığı 0°C olacaktır.
6.5. Gazların Genel Denklemi
Gazların genelde en çok karşılaşılan durumu basınç, sıcaklık ve hacim değişkenlerin her üçünün de değişimidir. Bu durum aşağıdaki eşitlikle ifade edilir. Birinci durumdaki toplam değer, ikinci durumdaki toplam değerle aynıdır. Sadece değişen basınç, hacim ve sıcaklık değerleridir.
cardimage_3657645_1021762071348233598968
Genel gaz denklemi Gay- Lusac, Boyle ve basınç kanunlarının en son şeklidir.
6.6. Gazların Yoğunluğu
Gazların yoğunluğu basınç ve sıcaklık değişimi ile değişir.
PV = nRT denkleminde;
Mol sayısını gram cinsinden yazarsak, gazın mol sayısı; gaz kütlesinin, gazın mol ağırlığına oranına eşittir. (n = m /MA, d = m / V )
P × MA = d × R × T formülü çıkarılabilir.
(MA: Gazın molekül ağırlığı)
Örnek 6.8: Oksijen gazının (O2) 298 K ve 0.987 atm’deki yoğunluğu nedir? (O:16)
Çözüm :
P × MA = d × R × T
d = (0.987 atm × 32 g/mol) / (0.082 L·atm/mol·K × 298K)
d = 1.29 g/L
6.7. Gazların Karıştırılması
Farklı kaplarda bulunan gazların yeni bir kapta karıştırılması ya da musluklarla birbirine bağlı olan kapların musluğunun açılması ile gazların birbirine karıştırılması şeklindeki soru tipleri bu başlıkta incelenecektir. Karıştırılan gazlar birbiriyle reaksiyon verebilir ya da vermeyebilir.
Gazlar sabit sıcaklıkta karıştırılıyorsa;
PV = nRT denklemine göre;
T sabit ise, PV değeri, mol sayısı (n) ile doğru orantılıdır.
Gazlar karıştırıldığında;
Pson × Vson =P1 × V1 + P2 × V2 + … Pn × Vn
formülünden yararlanarak işlemler yapılır.
6.7.1. Kısmi Basınç
Bir kap içerisinde birden fazla gaz mevcut ise, yani bir gaz karışımı var ise, her bir gazın ayrı ayrı yaptığı basınca (ya da toplam basınca yaptığı katkıya) kısmi basınç denir. Kapalı kabın hacmi (V) ve sıcaklığı (T) sabit olacağından, basınç mol sayısıyla doğru orantılı olacaktır. Bir gazın kısmi basıncı gaz karışımının toplam basınca arasında aşağıdaki denge söz konusudur:
PA / PT = nA / nT
PA: A gazının kısmi basıncı, nA: A gazının mol sayısı, nT: Toplam mol sayısı, PT: Toplam basınç
Her bir gazın yapmış olduğu kısmi basınçların toplamına toplam basınç denir. Kısmi basıncı, karışımdaki her bir gazın tek başına o kabı doldurduğunda yapacağı basınç olarak da tarif edebiliriz.
Örnek 6.9: 4 mol H2, 3 mol CO2 ve 2 mol He gazının bulunduğu kabın toplam basıncı 1.8 atm’dir. Buna göre He’un kısmi basıncı nedir?
Çözüm: Kısmi basınç sorularında aynı kapta birden fazla gazın bulunması söz konusudur. Dolayısıyla her bir gaz için hacim (V) ve sıcaklık (T) aynıdır.
PA / PT = nA / nT PHe / PT = nHe / nT
nT = 2 + 3 + 4 = 9 mol, nHe = 2 mol; PT = 1.8 atm
PHe / 1.8 = 2 / 9
PHe = 1.8 (2 / 9) = 0.4 atm
6.8. Gazların Sıvılaştırılması
Gazların sıcaklığı düşürülüp basıncı artırılırsa belli bir basıncın üzerinde ve sıcaklığın altında gazlar sıvılaşabilir. Basınç artırılıp, sıcaklık azaltıldığında gazın hacmi küçülür, gaz molekülleri birbirlerine yaklaşır, moleküller arası etkileşimler artar ve sıvılaşma gerçekleşir. Ancak, gazları sıvılaştırabilmek için basınç ne kadar artarılırsa artırılsın sıcaklık belli bir derecenin altına düşmezse gazlar sıvılaşmaz. Bu sıcaklığa kritik sıcaklık denir. Kritik sıcaklık her gaz için farklıdır. Kritik sıcaklık değerinde gazı sıvılaştırmak için uygulanan basınca da kritik basınç denir. Sonuç olarak gazları sıvılaştırmak için sıcaklığı kritik sıcaklığa düşürmek, basıncı ise kritik basınca kadar artırmak gerekir. Örneğin, oksijen gazının kritik sıcaklık ve kritik basınç değerleri sırasıyla, 154 K ve 49.7 atm'dir. Bu değerler He için 5.3 K ve 22.6 atm, N2 için 126 K ve 33.5 atm, CO2 için 304 K ve 72.8 atm'dir.
Gazları sıvılaştırmak için önce ısıl olarak yalıtılmış bir sisemde yüksek basınç uygulanarak gaz sıkıştırılır, arkasından basınç aniden kaldırılarak gazın genleşmesi sağlanır. Ani genleşme ile gaz soğur (genleşme esnasında gaz molekülleri arasındaki çekim kuvvetini yenmek için gereken enerji gaz moleküllerinden sağlanır ve böylece gaz soğur). Bu işlem art arda tekrarlanarak gazın sıcaklığı kritik sıcaklığına altına kadar düşürülür. Bu olaya Joule-Thomson olayı denir. Sonra tekrar basınç uygulanarak sıvılaştırılır.
Joule-Thomson olayından günümüzde pekçok soğutma sisteminde faydalanılmaktadır. Mesela, buzdolaplarının soğutması bu olaya dayanır: Buzdolaplarında soğutma amacıyla kloroflorohidrokarbonlar (CFC, örneğin freon) kullanılır. Endüstriyel ölçekli soğutma sistemlerinde ise çoğunlukla amonyak kullanılır. İlk buzdolabı Alman mucit Karl von Linde (1842-1934) tarafından 1920 yılında yapılmıştır.
Hava ve diğer gazlar Joule-Thomson olayı ile sıvılaştırılabilmekte, havadan oksijen ve azot gazları saf olarak elde edilmekte ve sıvıaştırılarak çelik tüplerde muhafaza edilmektedir. Havadan O2 ve N2 gibi gazları sıvılaştırmak için kullanılan sistemlere Linde cihazı denir. Pek çok hastane ya da endüstriyel tesis bu şekilde sıvı ve saf bir şekilde kendi oksijen, azot gibi gazlarını elde etmektedirler (Şekil 6.8).
Şekil 6.8. Bir hastanenin kendi oksijen gazını havadan elde etmek için kurduğu sistem.
Uygulamalar
1.İki balon şişirip birini sıcak, diğeri soğuk ortama koyun ve olayları gözlemleyin.
2.Spor ayakkabıların neden diğer ayakkabılara oranla rahat olduğunu araştırın.
3.Elinize parfüm şişesini alın ve bulunduğunuz yere sıkın. Parfüm kokusunun yoğunluğundaki değişimi inceleyin.
4.Amedeo Avogadro (1776-1856) hakkında bilgi edininiz.
Uygulama Soruları
1.Gazların sıcaklıkla basınç arasındaki ilişkisi nasıldır?
2.Gazların basınçla hacim arasındaki ilişkisi nasıldır?
3.Gazların yayılmasını açıklayınız.
4.Avogadro sayısı nedir ve nasıl hesaplanır?
5.Suyun Antalya’da 100°C’de, Erzurum’da ise 95°C civarında kaynadığı gözlenmiştir. Bunun sebebi ne olabilir?
6.Yaylalarda yemek pişirme süresinin şehir merkezlerine göre daha uzun olduğu tespit edilmiştir. Bunun sebebi nedir? (Aynı yemek göz önüne alınacak).
Bölüm Özeti
Bu bölümde gazların özelliklerini, sıkıştırılarak sıvı hale geçebileceklerini inceledik. Gaz kanunlarını bulunuş tarihleri ve keşfeden bilim insanlarıyla beraber inceledik. Gazların nicelikleri dört şeye bağlıdır: Sıcaklık, basınç,hacim, mol. Bu dört kavramın tanımını yaptık pekişmesi için sorular çözdük.
