Ünite 1: Gazlar

Giriş

Maddenin fiziksel hallerinden biri gaz halidir. Başta soluduğumuz hava olmak üzere, doğal gaz, asetilen, oksijen, helyum, argon, amonyak gibi gazlar günlük yaşamda, çeşitli endüstriyel üretimlerde ve bilimsel araştırmalarda kullanılmaktadır. Yaşam için mutlak gerekli olan ve dünyamızın atmosferini oluşturan hava, bir gaz karışımı olup %78 azot, %21 oksijen ve %1 diğer gazlardan oluşmaktadır.

Gazların Özellikleri

Gazlar, belli bir şekli ve belli bir hacmi olmayan, bulundukları kabın şeklini alan, kolayca sıkıştırılabilen veya genleştirilebilen ve tanecikleri gelişigüzel hareket eden akışkanlardır. Gazlarda tanecikler (atomlar veya moleküller) arasında çok fazla boşluk olması nedeniyle tanecikler arası etkileşimler (itme ve çekme kuvvetleri) çok düşüktür. Aynı zamanda gaz tanecikleri arasında çok fazla boşluk olması, gazların üzerine basınç uygulandığında kolayca sıkıştırılabilmelerinin (hacimlerinin küçülmesinin, basınçlarının artmasının) nedenidir. Benzer şekilde gazların üzerine uygulanan dış basınç düşürüldüğünde gazların hacmi artar yani kolayca genleşirler. Bu da gaz taneciklerinin bulundukları kapta gelişigüzel ve hızlı hareket etmelerinin sonucudur. Gazlar, sabit basınçta sıcaklıkları arttırıldığında genleşirler; soğutulduklarında ise büzülürler (hacimleri azalır). Gazların ısıl genleşmeleri gazın çeşidinden hemen hemen bağımsız olup, bütün gazlar aynı koşullarda aynı oranda genleşirler. Gazlar sıcaklıkları düşürülerek sıvılaştırılabilirler. Herhangi bir gazı belli bir sıcaklığın altında basıncını arttırarak da sıvılaştırmak mümkündür. Gazların diğer önemli bir özelliği de kolaylıkla yayılmalarıdır. Bu nedenle iki veya daha fazla gaz birbiri içinde kolaylıkla, her oranda ve homojen olarak karışır ve aynı hacmi bu kez karışım halinde doldururlar. Gazların kolaylıkla yayılmalarının ve birbirleri içinde karışmalarının nedeni de yukarıda ifade ettiğimiz gibi gaz taneciklerinin bulundukları kapta gelişigüzel ve hızlı hareket edebilmeleridir. Normal şartlar altında gazların viskoziteleri ve yoğunlukları sıvı ve katılara göre düşüktür.

Gazlar genellikle kokusuz ve renksiz olup düşük vizkoziteye ve düşük yoğunluğa sahiptirler. Gazların fiziksel özellikleri birbirine benzerlik göstermekle birlikte kimyasal özellikleri birbirlerinden oldukça farklıdır.

Gazların ölçülebilen (makroskopik) özellikleri basıncı (P), hacmi (V), miktarı (n) ve sıcaklığı (T) dır.

Gaz Basıncı

Basınç (P), birim yüzeye (A) etki eden kuvvet (F) olarak tanımlanır: P= F/A

Basıncın SI birimi; kg/m s ² veya N/m ² dir ve bu birim pascal (Pa) olarak adlandırılır.

1 kg/m s ² = 1 N/m ² = 1 Pa

Atmosfer basıncı : atmosfer tabakasının yeryüzüne uyguladığı basınçtır. Barometre ile ölçülebilir.

Standart atmosfer basıncı : deniz seviyesinde 760 mm yükseklikteki civa sütununun oluşturduğu basınçtır.

Gazların basıncı manometre ile ölçülür. Atmosfer basıncından daha düşük basınca sahip gazların basıncını ölçmek amacıyla genellikle kapalı uçlu manometreler kullanılırken, atmosfer basıncından daha büyük basınca sahip gazların basıncını ölçmek için açık uçlu manometreler tercih edilir. Açık uçlu manometrelerle atmosfer basıncından daha düşük basınca sahip gazların basıncını da ölçmek mümkündür. Genellikle manometrelerde cıva kullanılmaktadır ancak manometrede kullanılan sıvı civadan farklı bir sıvı olabilir. Bu durumda bu sıvıya ait sütunun (h yüksekliğinin) basıncını (P _h ) hesaplamak gerekir. Bir sıvı sütununun tabanına uyguladığı basınç, hidrostatik basınç (P _h ) olarak bilinir. Hidrostatik basınç, sıvı sütununun yüksekliği (h), sıvının yoğunluğu (d) ve yerçekimi ivmesi (g) kullanılarak aşağıdaki bağıntı yardımıyla hesaplanır.

P _h =hdg

Gaz Yasaları

Gazların fiziksel durumunu belirleyebilmek için sıcaklık (T), basınç (P), hacim (V) ve madde (gaz) miktarı (n) olmak üzere dört değişkenden üçünün bilinmesi gerekmektedir. Özellikle bu değişkenlerin ikisi sabitken diğer ikisi arasındaki bağıntılar gaz yasaları olarak ifade edilmiştir.

Boyle Yasası

Basınç-Hacim İlişkisi; Sabit sıcaklıkta belli bir miktar gazın hacmi basıncıyla ters orantılı olarak değişir. Boyle Yasası; sabit sıcaklıkta bir gazın basıncı (P) ile hacminin (V) çarpımı sabittir şeklinde de ifade edilebilir.

P ₁ /V ₁ = P ₂ /V ₂ = P ₃ /V ₃ = ...... = P _n /V _n = sabit (n ve T sabit)

Sabit sıcaklıkta belli miktar bir gazın basıncı ile hacmi arasındaki ilişki grafiksel olarak gösterildiğinde (Şekil 6.3), V ye karşı P grafiğinin hiperbolik, 1/V ye karşı P grafiğinin ise doğrusal olduğu görülür.

Charles Yasası

Hacim-Sıcaklık İlişkisi; sabit basınç altında belli bir miktar gazın hacmi (V) mutlak sıcaklıkla (T) doğru orantılı olarak değişir.

Charles Yasası matematiksel olarak şu şekilde ifade edilebilir: Son eşitlikten sabit basınçta bir gazın hacimsıcaklık (V/T) oranının daima sabit olacağı görülür. Buna ilişkin bağıntı aşağıda verilmiştir:

V ₁ /T ₁ = V ₂ /T ₂ = V ₃ /T ₃ = ..... = V _n /T _n = sabit (n ve P sabit)

Mutlak Sıcaklık : Belli bir miktardaki gazın, hacim sıcaklık ilişkisi grafiğinde, ortaya çıkan doğrular x-eksenini yani sıcaklık eksenini -273,15 °C’de kesmektedir. Bu sıcaklık Kelvin birimi cinsinden sıfır (0 K) olarak tanımlanır ve mutlak sıcaklık olarak adlandırılır.

K ve C arasındaki dönüşüm ise şu şekildedir;

K = (°C + 273,15 °C ) (1 K/ 1 °C )

Charles Yasası aynı zamanda gazların sabit hacimde basınç-sıcaklık ilişkisine de uygulanabilir. Buna göre miktarı ve hacmi sabit tutulan bir gazın basıncı mutlak sıcaklıkla doğru orantılı olarak değişir.

P ₁ / T ₁ = P ₂ / T ₂ = P ₃ / T ₃ = ..... = P _n /T _n = sabit (n ve V sabit)

Avogadro Yasası

Hacim-Miktar İlişkisi; aynı sıcaklık ve basınçta bulunan iki farklı gazın eşit hacimleri, eşit sayıda atom veya molekül içerir. Diğer bir deyişle, aynı sıcaklık ve basınçta eşit sayıda atom veya molekül içeren gazların hacimleri de eşittir.

Avogadro Yasası sabit sıcaklık ve basınçta bir gazın hacmi, madde miktarı ile doğru orantılı olarak değişeceğini ifade eder.

V ₁ / n ₁ = V ₂ / n ₂ = V ₃ / n ₃ = .... = V _n / n _n = sabit (P ve T sabit)

Birleşik Gaz Yasası

Boyle ve Charles yasalarının birleşiminden meydana gelmiştir.

P ₁ V ₁ / T ₁ = P ₂ V ₂ / T ₂ = P ₃ V ₃ / T ₃ = ... = P _n V _n / T _n = sabit (n sabit)

Yani belli bir miktardaki gazın ilk halindeki sıcaklığı, hacmi ve basıncı ile o gazın bir başka halde basınç, sıcaklık ve hacim değişkenlerinden ikisi biliniyorsa üçüncüsü belirlenebilir.

İdeal Gaz Yasası

Basınç, sıcaklık ve gaz miktarı değişkenlerinden ikisi sabit tutulduğunda üçüncü değişkenin gaz hacmi üzerine etkisine ilişkin bağıntıları Gaz Yasalarında şu şekilde açıklanmıştır;

Boyle Yasası: V ? 1/P (n ve T sabit)

Charles Yasası: V ? T (n ve P sabit)

Avogadro Yasası: V ? n (P ve T sabit)

Bu bağıntılara birleştirilecek olursa genel bir gaz denklemi elde edilir.

V = R x nT/P yani

PV=nRT eşitliği elde edilir. Bu eşitlik ideal gaz denklemi ya da ideal gaz yasası olarak da adlandırılır. Bu denklemdeki R sabiti, gaz sabiti veya evrensel gaz sabiti olarak adlandırılır ve değer gaz türüne bağlı değildir. 1 mol gaz hacminin 22,4L’lik yer kapladığı bilinerek, gaz sabiti, standart sıcaklık ve basınçta (STP) bu değeri ideal gaz denklemine koyarak hesaplanır. Buna göre R’nin değeri 0,08206 atm.L/mol-1 .K-1 ya da 8,314 J/mol K olarak hesaplanır.

Standart sıcaklık ve basınç (STP) : Sıcaklığın 0 °C ve basıncın 1 atm olduğu koşuldur.

İdeal gaz : İdeal gaz denklemine uyan davranış gösteren hipotetik bir gazdır

İdeal gazlarda moleküllerin veya atomların arasında itme ve çekme kuvvetlerinin olmadığı ve moleküllerinin veya atomlarının öz hacimlerinin olmadığı varsayılır.

Gerçek gazlarda ise moleküller veya atomlar arasında itme ve çekme kuvvetleri daima vardır ve moleküller veya atomlar öz hacimlere sahiptir. Bu nedenlerden dolayı gerçek gazlar bulunduğu koşullara bağlı olarak ideal gaz davranışından az veya çok saparlar.

İdeal gaz denklemi gazlarda dört değişkenden birini belirlemek için kullanıldığı gibi, yeniden düzenlenerek gazın yoğunluğu (d) ve mol kütlesini (MA) belirlemek için de kullanılabilir. Bu durumda ideal gaz denklemi

PM _A =dRT denklemine dönüşür.

Yine ideal gaz denklemi; tepken ya da ürün olarak gaz veya gazların yer aldığı tepkimelerde de gaz miktarını hesaplamak için kullanılabilir.

Gaz Karışımları

Kısmi basınç , bir gaz karışımında bulunan bir gazın bulunduğu kaba, o kapta tek başına bulunuyormuş gibi olduğu bir durumda uyguladığı basınca eşit basınçtır. Dalton’un Kısmi Basınçlar Yasası olarak bilinen yasaya göre; ideal bir gaz karışımının toplam basıncı, karışımı oluşturan her bir gazın kısmi basınçlarının toplamına eşittir. Dalton’un Kısmi Basınçlar Yasası doğrultusunda bir karışımı oluşturan gazlardan her birinin kısmi basıncı (P _A , P _B , P _C , ….), toplam basınca oranlanırsa; bulunan oran o gazın mol sayısının gaz karışımının toplam mol sayısına oranına eşit olur.

Mol Kesri : sayısının karışımı oluşturan tüm bileşenlerin mol sayılarının toplamına oranıdır. Bir gaz karışımında mol kesirleri toplamı daima bire eşittir.

Gazların Kinetik Kuramı

Gazların Kinetik kuramı 5 temel kabul üzerine kurulmuştur:

• Gaz, rastgele hareket eden küçük taneciklerden oluşur. Bu tanecikler, atomlar ve/veya moleküllerdir.
• Bu taneciklerin kendi hacimleri, gazın toplam hacminin yanında ihmal edilebilecek derecede küçüktür ve gazın toplam hacminin büyük kısmı boşluktur.
• Gaz tanecikleri birbirlerinden bağımsız olarak hareket eder ve aralarında itme/çekme kuvvetleri yoktur.
• Gaz taneciklerinin birbirleriyle veya içinde bulundukları kabın iç yüzeyiyle gerçekleştirdikleri çarpışmalar esnektir (elastiktir).
• Gaz taneciklerinin ortalama kinetik enerjileri gazın mutlak sıcaklığı ile orantılıdır ve gazın sıcaklığı değişmediği sürece bu taneciklerin toplam kinetik enerjisi değişmez.

Farklı tür gaz moleküllerinin veya atomlarının çarpışma yaparak birbiri ile karışmasına difüzyon ; gaz moleküllerinin veya atomlarının küçük bir delikten çarpışma yapmaksızın kaçmasına ise efüzyon denir.

Gerçek Gazlar

Gerçek gazlar, yani ideal gaz yasasına tam olarak uymayan gazlar, belli koşullar sağlanınca (çok düşük basınçlarda ve yüksek sıcaklıklarda) ideale yakın davranış gösterirler, yüksek basınç ve düşük sıcaklıklarda ise ideallikten saparlar.