Gazlar ve Çözeltiler

GAZLAR

Gazların Genel Özellikleri

• Gazlar, maddenin en düzensiz halidir.
• Tanecikler arasındaki çekim kuvvetleri, katı ve sıvılara göre çok azdır.
• Gaz molekülleri arasındaki etkileşim neredeyse yok denecek kadar az olduğundan, moleküller birbirinden bağımsız hareket ederler.
• Gazlar, bulundukları kabın şeklini ve hacmini alırlar.
• Sıkıştırılabilir oldukları için düşük sıcaklık ve yüksek basınçta sıvılaşabilirler.
• Birbiriyle her oranda karışarak homojen karışımlar oluştururlar.
• Yoğunlukları katı ve sıvılara göre daha düşüktür.
• Gaz molekülleri öteleme, dönme ve titreşim hareketi yaparlar. Soygazlar monoatomik yapılı oldukları için sadece öteleme hareketi yaparlar.
• Ortalama kinetik enerjileri, mutlak sıcaklık ile doğru orantılıdır.
• Akışkandırlar.
• Genleşme katsayısı gazlar için ayırt edici bir özellik değildir.

Gazları Niteleyen Büyüklükler

Basınç (P)

• Gaz tanecikleri hem birbirine hem de bulundukları kabın yüzeyine çarparak bir kuvvet uygularlar. Bu kuvvete gaz basıncı denir.
• Gaz basıncı, gazın hacmine, miktarına ve sıcaklığına bağlıdır.
• Kapalı kaplardaki gaz basıncını ölçen aletlere manometre, açık hava basıncını ölçen aletlere ise barometre denir.
• Dış basınç $P_0$ ile gösterilir.
• $1 atm = 76 cmHg = 760 mmHg = 760 Torr$
• Basınç ölçümlerinde cıva yerine başka bir sıvı kullanıldığında cam borudaki sıvı yüksekliği: ${d<em>{Hg}} \cdot {h</em>{Hg}} = {d<em>{sıvı}} \cdot {h</em>{sıvı}}$

Hacim (V)

• Gazların hacmi, bulunduğu kabın hacmine eşittir.
• $1 L = 1 dm^3 = 1000 mL = 1000 cm^3$

Mol Sayısı (n)

• Gazlarda madde miktarı mol sayısı ile ifade edilir.
• $n = \frac{m}{M_A} = \frac{tanecik \ sayısı}{6,02 \cdot 10^{23}}$

Sıcaklık (T)

• Sıcaklık, bir maddenin taneciklerinin sahip olduğu ortalama kinetik enerjilerinin bir ölçüsüdür. Termometre ile ölçülür.
• Sıcaklık birimi olarak genellikle °C (Celcius) ve K (Kelvin) kullanılır.
• $K = °C + 273$

Sabit Hacimli Kap

• Bu kaplarda sıcaklık artışı veya gaz miktarının artması kabın hacmini değiştirmez, basıncın artmasına yol açar.

Sabit Basınçlı Kap

• İdeal pistonlu kaplar ve elastik balonlar sabit basınç kaplarıdır. Piston serbest kaldığı sürece ve elastik balon patlamadığı sürece içerideki gaz basıncı dış basınca eşittir.
• İdeal pistonlu kap örneği verilmiş ve üzerinde X gazı bulunmaktadır. Gaz basıncı, dış basınç ile Hg yüksekliğinin toplamına eşittir: $P<em>x = P</em>0 + h$.
• Başka bir örnekte ise dış basınç, X gazının basıncı ile Hg yüksekliğinin toplamına eşittir: $P<em>0 = P</em>x + h$
• Son örnekte ise X gazının basıncı dış basınca eşittir: $P<em>x = P</em>0$

Gaz Basıncı İlişkileri

• Kapalı bir kaptaki gaz basıncı ilişkileri örneklerle açıklanmış, manometrelerdeki cıva seviyelerine göre gaz basınçları arasındaki farklar ifade edilmiştir.
• $P<em>x = P</em>0 + h$ , $P<em>0 = P</em>x + h$, $P<em>x = P</em>0$

İdeal Gaz Yasası

• Tanecikler arasında itme ve çekme kuvvetlerinin olmadığı, çarpışmaların esnek kabul edildiği, çarpışmalardan dolayı bir enerji kaybının olmadığı ve taneciklerin öz hacminin sıfır kabul edildiği gazlara ideal gaz denir.
• $P \cdot V = n \cdot R \cdot T$
  • P: basınç (atm)
  • V: hacim (L)
  • n: mol sayısı
  • R: Rydberg sabiti ($\frac{22,4}{273} \frac{atm \cdot L}{mol \cdot K}$ = 0,082 $\frac{atm \cdot L}{mol \cdot K}$)
  • T: mutlak sıcaklık (K)
• Normal koşullar altında (0° C ve 1 atm) 1 mol ideal gaz, 22,4 litre hacim kaplar.
• Oda koşullarında (25° C ve 1 atm) 1 mol ideal gaz, 24,5 litre hacim kaplar.

Gaz Yasaları

Boyle Yasası (Basınç-Hacim İlişkisi)

• Sıcaklık ve mol sayısı sabit olan bir gazın basıncı ile hacmi ters orantılıdır.
• $P<em>1 \cdot V</em>1 = P<em>2 \cdot V</em>2$

Gay-Lussac Yasası (Basınç-Sıcaklık İlişkisi)

• Sabit hacimde mol sayısı sabit olan bir gazın mutlak sıcaklığı ile basıncı doğru orantılı olarak değişir.
• $\frac{P<em>1}{T</em>1} = \frac{P<em>2}{T</em>2}$

Charles Yasası (Hacim-Sıcaklık İlişkisi)

• Basınç ve mol sayısı sabit tutulan bir gazın hacmi mutlak sıcaklıkla doğru orantılı olarak değişir.
• $\frac{V<em>1}{T</em>1} = \frac{V<em>2}{T</em>2}$

Avogadro Yasası (Hacim-Mol İlişkisi)

• Basıncı ve sıcaklığı sabit olan gazların hacimleri mol sayısı ile doğru orantılıdır.
• $\frac{V<em>1}{n</em>1} = \frac{V<em>2}{n</em>2}$

Dalton Yasası (Basınç-Mol İlişkisi)

• Hacim ve sıcaklığı sabit olan bir gazın basıncı mol sayısıyla doğru orantılıdır.
• $\frac{P<em>1}{n</em>1} = \frac{P<em>2}{n</em>2}$

Birleşik Gaz Denklemi

• $\frac{P<em>1 \cdot V</em>1}{n<em>1 \cdot T</em>1} = \frac{P<em>2 \cdot V</em>2}{n<em>2 \cdot T</em>2}$

Gazların Yoğunluğu

• Sabit basınçlı kapta bulunan bir gaz örneği için ideal gaz denkleminden, gazların yoğunluğu ile ilgili aşağıdaki bağıntı türetilir.
• $P \cdot M_A = d \cdot R \cdot T$
  • P: basınç (atm)
  • $M_A$: gazın mol kütlesi (g/mol)
  • d: yoğunluk
  • R: Rydberg sabiti
  • T: mutlak sıcaklık (K)

Sabit Basınçlı ve Sabit Hacimli Kaplarda Gaz Özelliklerinin Değişimi

• Sabit Basınçlı Kap: Sıcaklığı artırmak/azaltmak değiştirmemektedir. Kaba He gazı ilave etmek azaltır, kaptan Argon gazı çekmek azaltır, kaba $CH_4$ gazı ilave etmek azaltır.
• Sabit Hacimli Kap: Sıcaklığı artırmak basıncı artırır, sıcaklığı azaltmak basıncı azaltır, kaba He gazı ilave etmek basıncı artırır, kaptan Argon gazı çekmek değiştirmez, kaba $CH_4$ gazı ilave etmek değiştirmemektedir.

Gazlarda Kinetik Teori

• Gaz tanecikleri sürekli ve gelişigüzel hareket ederler.
• İdeal gazın tanecikleri arasında itme ve çekme kuvvetleri yok kabul edilir.
• Aynı sıcaklıkta farklı gazların ortalama kinetik enerjileri aynıdır.
• Gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjileri mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır.
• Gaz taneciklerinin hızları mutlak sıcaklığın karekökü ile doğru orantılıdır.
• Difüzyon: Bir gazın, aynı ya da farklı türdeki gaz tanecikleri arasında yayılmasına denir.
• Efüzyon: Bir gazın, bulunduğu kapta açılan küçük bir delikten boşluğa yayılmasına denir.
• Gazların difüzyon ve efüzyon hızları, mol kütlelerinin karekökü ile ters orantılıdır.
• Gazların difüzyon hızı ile difüzyon süreleri ters orantılıdır.

UYARI: Difüzyon hızı madde miktarına bağlı değildir.

• $\frac{V<em>x}{V</em>y} = \sqrt{\frac{M<em>y \cdot T</em>x}{M<em>x \cdot T</em>y}} = \frac{d<em>y}{d</em>x} = \frac{t<em>y}{t</em>x} = \frac{x<em>y}{x</em>x}$
  • d: yoğunluk
  • t: yayılma (difüzyon) süresi
  • x: alınan yol

Gaz Karışımları

Kısmi Basınç

• Yandaki sistemde aynı sıcaklıkta cam balonlar birbirine bağlanmıştır, musluklar açıldığında şu bağlantı kurulur:
• $n<em>1 + n</em>2 + n<em>3 = n</em>t$
• $P<em>1V</em>1 + P<em>2V</em>2 + P<em>3V</em>3 = P<em>sV</em>s$
• Bir gaz karışımındaki her bir gazın tek başına uyguladığı basınca "kısmi basınç" denir.
• Bir gaz karışımında bulunan gazların hacimleri ve sıcaklıkları aynıdır.
• Bir gaz karışımındaki herhangi bir gazın mol sayısının, karışımın toplam mol sayısına oranına o gazın mol kesri" denir, 'x' ile gösterilir.
• Bir gaz karışımındaki herhangi bir gazın kısmi basıncı, o gazın mol sayısı ve mol kesri ile doğru orantılıdır.
• X gazının kısmi basıncı:$P<em>x = x</em>y \cdot P_T$
  • $X<em>x = \frac{n</em>x}{n_T}$ (X'in mol kesri)
• Y gazının kısmi basıncı:$P<em>y = x</em>y \cdot P_T$
  • $X<em>y = \frac{n</em>y}{n_T}$ (Y'nin mol kesri)

Buhar Basıncı ve Gazların Su Üstünde Toplanması

• Ağzı kapalı bir kapta bulunan su, sıvı olduğu her sıcaklıkta buharlaşır.

• Bir süre sonra kaptaki buhar moleküllerinin sayısı artar.

• Düşük kinetik enerjili buhar molekülleri de yoğuşur. Kapta buharlaşma hızı yoğuşma hızına eşit olduğunda dinamik denge kurulur.

• Denge sonrası $H<em>2O$ sıvı ve $H</em>2O$ buhar molekülleri sayıları sabittir.

• Aynı sıcaklıkta sıvısı ile denge halinde bulunan buharın yaptığı basınca 'denge buhar basıncı denir. Buhar basıncı; sıvının cinsine, sıcaklığına, saflığına bağlıdır.

• Su üzerinde, suda çözünmeyen ve su ile tepkimeye girmeyen bir gaz toplanırsa su yüzeyindeki toplam gaz basıncı;

• $P<em>T = P</em>{Ne} + P<em>{H</em>2O}$

• Piston sabit sıcaklıkta hareket ettirilirse suyun buhar basıncı değişmez. Ancak diğer gazın kısmi basıncı değişebilir.

Gerçek Gazlar

• Moleküller arası etkileşimi ve öz hacimleri olan gazlara 'gerçek gaz' denir.
• Gerçek gazları yüksek sıcaklık, düşük basınç, küçük mol kütlesi, apolar taneciklere sahip olma koşullarında ideale yaklaşırlar.
• 1 mol ideal gaz için $\frac{P \cdot V}{R \cdot T} = 1$ 'dir.
• Grafikte farklı sıcaklıklarda ve basınçlarda ideal gaz ve gerçek gazların davranışları karşılaştırılmıştır. İdeal gazlar için eğri düz bir çizgi iken gerçek gazlar için sıcaklık arttıkça ideale yaklaştığı görülmektedir.

Faz Diyagramları

• Bir maddenin belirli koşullarda bir fiziksel halden başka bir fiziksel hale geçişine hal değişimi (faz geçişi)" denir.
• Maddenin üç fiziksel halinin bir arada bulunduğu noktaya "üçlü nokta" denir.
• B noktası; bir gazın basınç uygulanarak sıvılaştırılabileceği en yüksek sıcaklık noktasıdır.
• Kritik nokta, buhar-sıvı geçişinin sonlandığı noktadır. Bu sıcaklığın üzerinde ne kadar basınç uygulansa madde sıvılaşamaz.

DİKKAT: Bulunduğu sıcaklıkta hiçbir basınç altında sıvılaştırılamayan akışkana gaz denir.

Kritik Sıcaklık - Kritik Basınç - Buhar - Gaz

• Bir gazın basınç uygulanarak sıvılaştırılabileceği en yüksek sıcaklığa 'kritik sıcaklık' denir.
• Kritik sıcaklıkta sıvılaştırma için gereken minimum basınca "kritik basınç" denir.
• Bulunduğu sıcaklıkta basınç uygulandığında sıvılaştırılabilen akışkana "buhar", hiçbir basınç altında sıvılaştırılamayan akışkana 'gaz" denir.

Joule-Thomson Olayı

• Isıca yalıtılmış bir sistemde yüksek basınç ile hızlı bir şekilde sıkıştırılan bir gaz aniden genişletilirse soğur. Gazın ani genişleyerek soğuması olayına "Joule-Thomson olayı" denir.
• Bir gaz ideale ne kadar yakınsa Joule-Thomson genişlemesi sırasında sıcaklık değişimi o kadar az olur.
• Buzdolabı, klima gibi soğutucularda soğutma işlemi bu olay ile açıklanır.
• Bu amaçla kullanılan akışkanlara "soğutucu akışkanlar" denir.

Soğutucu Akışkanların Özellikleri

• Buharlaşırken ortamdan ısı alarak ortamın soğumasını sağlayan akışkanlara 'soğutucu akışkan' denir.
• Soğutucu akışkanların;
  • Kritik sıcaklığı yüksek, kaynama noktası düşük olmalı,
  • Uygulanan basınç altında buharlaşmalı ve sıvılaşmalıdır.
  • Çevreye zararı olmamalı,
  • Zehirli olmamalı,
  • Üretimi ucuz ve kolay elde edilebilir olmalı.
• Geçmişte soğutucu akışkan olarak amonyak kullanılmış, zehirli etkisinden dolayı daha sonra Freon-12 kullanılmıştır.
• Freon-12 de ozon tabakasına zararlarından dolayı çoğu ülkede yasaklanmıştır.
• Günümüzde Freon-12 yerine püron, soğutucu akışkan olarak kullanılmaktadır.

Sıvı Çözeltiler ve Çözünürlük

• Bir maddenin başka bir madde içerisinde gözle görülemeyecek kadar küçük parçacıklar halinde homojen olarak dağılması olayına çözünme" denir.
• Çözünme olayında dağılan maddeye 'çözünen", içinde dağıldığı (dağıtan) maddeye de çözücü denir.
• Bir maddenin su molekülleri tarafından kuşatılmasına 'hidratasyon, su dışında çözücü molekülleri ile kuşatılmasına ise 'solvatasyon' denir.
• Çözünme olayı için genel kural, benzer benzeri çözer ilkesidir.
• Polar çözücüler polar çözünenleri, apolar çözücüler ise apolar çözünenleri çözer. Bu durum moleküller arası etkileşimler ile açıklanır.

Değişim Birimleri

Kütlece % Derişim

• 100 gram çözeltide çözünen maddenin kütlesine denir.
• $Kütlece \$
• Karışımların Kütlece % Derişimi:
• $m<em>1 \cdot$
• Bir çözelti seyreltilirken ya da derişimi arttırılırken;
• $m<em>1 \cdot$
• Farklı kütlece yüzde derişime sahip çözeltiler karıştırıldığında;
• $m<em>1 \cdot$

Hacimce Derişim

• Sıvı Çözeltiler için kullanılır. Bir çözeltinin 100 ml'sinde çözünen maddenin hacmidir.
• $Hacimce \$

Molarite

• 1 Litre çözeltide çözünen maddenin mol sayısına denir.
• Çözelti hazırlanırken;
  • Çözünen madde balon jojeye konulur.
  • Hacmi 1 Litreye tamamlanır.
• 1 Litrenin üzerine katı eklenmez.
• $m = \frac{\% \cdot d \cdot 10}{M_A} = \frac{n}{V}$