GAZLAR Yrd. Doç. Dr. Ahmet Emin ÖZTÜRK

KATI SIVI GAZ HACİM SABİT HACİM SABİT HACİM BELİRSİZ ŞEKİL SABİT ŞEKİL BELİRSİZ ŞEKİL BELİRSİZ TANECİKLER ARASI SERBEST YOL TANECİKLER ARASI ETKİLEŞİM

HIZLI HAREKET EDERLER ARALARINDA BÜYÜK BOŞLUKLAR BULUNUR HOMOJEN BİR KARIŞIM OLMAK ÜZERE HER ORANDA KARIŞABİLİRLER KOLAYCA SIKIŞTIRILABİLİRLER İÇİNE DOLDUĞU KABIN HACMİNİ ALMAK ÜZERE GENLEŞİR DİFÜZLENEBİLİRLER GELİŞİGÜZEL HAREKET EDERLER YA BİRBİRLERİNE YADA KABIN ÇEPERLERİNE ÇARPARAK YÖN DEĞİŞTİRİRLER KABIN ÇEPERLERİNE ÇARPMALARI SONUCU GAZ BASINCI OLUŞUR

BASINÇ Birim yüzeye uygulanan kuvvettir. BASINÇ = KUVVET YÜZEY BASINÇ BİRİMİ (SI) = Pascal (Pa) 1 m2’lik birim yüzeye uygulanan 1 Newton’luk kuvvettir.

EVANGELİSTO TORRİCELLİ 1608-1647

Deniz seviyesinde 0°C sıcaklıkta hava basıncı 76 cm Hg = 1 atm = 760 mm Hg (torr) = 101325 Pa (N/m2) = 1,01325 Bar

Açık hava Basıncı BAROMETRE ile ölçülür

Patm Patm Pgaz = PDh Pgaz + PDh = Patm Pgaz = PDh + Patm Dh Dh Dh Gaz Basıncı MANOMETRE ile ölçülür KAPALI MANOMETRE AÇIK MANOMETRE Patm Patm Dh Dh Dh Pgaz = PDh Pgaz + PDh = Patm Pgaz = PDh + Patm

Bir gazı tanımlayan (değişken) 4 temel özellik HACİM (L) SICAKLIK (K) BASINÇ (atm) MİKTAR (mol)

n sabit , T P 1 V α T sabit P1 V1 P2 V2 n ROBERT BOYLE 1627-1691 , YASASI n sabit , T P 1 V α ROBERT BOYLE 1627-1691 T sabit P1 V1 P2 V2 n ,

Bir gaz örneği 0,750 atm basınç altında 360 ml yer kaplamaktadır. Sıcaklık sabit tutularak basınç 1,000 atm yapıldığında, örnek ne kadar yer kaplar ? 0 oC ve 5,00 atm deki bir gaz örneği 75,0 litre yer kaplamaktadır. Bu gaz 0 oC de 30,0 litrelik hacme sıkıştırılıyor. Son basınç ne olur?

Bir gaz örneğinin hacim ve sıcaklık bağıntısı 1787 de Jacques Char­les tarafından incelenmiştir. Bu çalışmalar daha sonra 1802 de Joseph Gay-Lussac tarafından geliştirilmiştir. v JACQUES CHARLES 1746-1823 t

Mutlak sıcaklık eşeli ilk olarak 1848 de Lord Kelvin tarafından önerilmiş olduğundan birimine onun adı verilmiştir. Hacim (L) ̶ 273,15oC Sıcaklık (oC) ̶ 300 ̶ 200 ̶ 100 100 200 300 T (K) = t (OC) + 273,15 KELVİN = CELSIUS + 273,15

Herhangi bir mut­lak ölçüm eşeli, ölçülen özelliğin tamamen yok olduğunu gösteren sıfır noktasına dayanmalıdır. Bir gaz örneğinin Celsius sıcaklığı iki ka­tına çıkarıldığında hacmi iki kat artmaz. Kelvin eşe­li mutlak bir eşeldir. O K, olası olan en dü­şük sıcaklık olup negatif Kelvin sıcaklığı, negatif uzunluk veya negatif hacim kadar imkansızdır. Bir gaz örneğinin kelvin sıcaklığı; sabit basınç altın­da, iki ka­tına çıkarıldığında bu gazın hacmi de iki kat artar.

Bir gaz sabit basınçta ısıtıldığında genişler. Deneysel bulgular, ba­sınç sabit tutularak sıcaklık arttırıldığında her bir celsius derece ar­tışı için gaz hacminin, O oC deki değerinin 1/273 i kadar arttığını gös­termektedir. Sıcaklık (oC) V ilk (ml) ΔV (ml) V son (ml) 273 1 274 10 283 546 • t Vo V o 273 t V= V o + V o 273 t

V= V o + V o 273 t V= V o 𝟏+ t 273 V= V o 273 + t 273 V= V o T 273 CHARLES YASASI V= V o 𝟏+ t 273 Sabit basınç altında herhangi bir gaz örne­ğinin hacmi, doğrudan mutlak sıcaklıkla de­ğişir. V= V o 273 + t 273 V= V o T 273 V= V o 273 T Basınç sabit ise hacimde sabittir 𝐕= k T k ’nın sayısal değeri, gaz örneği­nin miktarına ve basıncına bağlıdır.

n sabit , P V T α V1 T1 P sabit n V2 T2 , CHARLES YASASI 100 90 80 70 60 n sabit , P 50 40 30 V T α 20 10 –250 – 150 – 50 50 100 150 200 250 300 V1 T1 P sabit n , V2 T2

Bir gaz örneğinin 45 oC de hacmi 79,5 ml dir. Basınç sabit tutul­duğunda O oC de örnek ne kadar yer kaplar?

n sabit , V P T α P1 T1 V sabit n P2 T2 , AMONTONS YASASI GUİLLAAUME AMONTONS 1663-1705 P1 T1 V sabit n , P2 T2

10,0 litrelik bir kap 2,00 atm basınç ve O oC sıcaklıkta bir gaz ile doldurulursa, kap içindeki basınç hangi sıcaklıkta 2,50 atm olur?

n sabit , V P T α V 1 P α n sabit , T P V T α sabit n sabit , P n V T BİRLEŞTİRİLMİŞ GAZ YASASI n sabit , V P T α V 1 P α n sabit , T P V T α sabit n sabit , P n V T α P1 V1 T1 sabit n P2 V2 T2

P sabit , T V n α V 1 P α 1 n sabit , T T V α n P n sabit , P V T α P İDEAL GAZ YASASI HACİMLERİ SIFIRDIR TANECİKLERİ ARASINDA HİÇBİR ETKİLEŞİM YOKTUR P sabit , T V n α V 1 P α 1 n sabit , T T V α n P n sabit , P V T α P V T α n

R T P V n P V R T n atm L mol K 0,082056 L · atm / mol · K İDEAL GAZLARIN HAL DENKLEMİ R T P V n atm L mol K STP STANDART ŞARTLAR 0OC SICAKLIK ve 1 atm BASINÇ 1 mol GAZ HACMİ = 22,4 L P V 0,082056 L · atm / mol · K R T n 8,314 J / mol · K 1,987 cal/ mol · K

m P V R T n n MA m P V R T MA m P MA R T V P MA d R T

35°C de ve 1,15 atm deki bir gaz örneğinin hacmi 462 ml dir 35°C de ve 1,15 atm deki bir gaz örneğinin hacmi 462 ml dir. Örneğin, standart şartlardaki hacmini hesaplayınız. Hangi basınçta 0,250 mol N2(g) 100 oC de 10,0 litre hacim kaplar? 500C de 1,50 atm basınç altında toplanan 500 ml CO(g) örneğinde kaç mol CO vardır? 27°C de ve 2,00 atm basınçta 10,0 g CO2 (g) ne kadar hacim kaplar ? 100°C de ve 1,15 atm basınçta NH3 gazının yoğunluğu nedir Siklopropan anestezide kullanılan bir gazdır. Bu gazın 50 °C ve 0,948 atm basınçtaki yoğunluğu 1,50 g/litre dir. Siklopropanın molekül ağırlığı ne kadardır? b) Siklopropanın basit formülü CH2 dir. Bileşiğin molekül formülü nedir?

GAZLARIN KİNETİK KURAMI Bir gazın basıncı, gaz moleküllerinin kabın çeperlerine çarpmaları sonucu oluşur Daniel BERNOULLİ 1700-1782 Gaz taneciklerinin hacmi, toplam hacmin yanında ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Bir doğru boyunca hızlı ve sürekli hareket eden gaz tanecikleri birbirleri ve kabın çeperiyle çarpışırlar. Bu çarpışmalarda enerji aktarımları olmasına rağmen toplam kinetik enerjide değişiklik olmaz. Bir gazın ortalama kinetik enerjisi sıcaklıkla orantılı olarak artar. Gaz tanecikleri arasında ki çekim kuvvetleri ihmal edilebilir.

Birim hacimdeki molekül sayısı artırılır­sa, daha büyük bir basınç oluşacaktır. Gaz hacminin azaltılması ile de nispeten daha yüksek basınç oluşturur. Gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi mutlak sıcaklık ile orantılıdır. Mutlak sıfırda ideal bir gazın hacmi kuramsal olarak sıfırdır. Sıcaklık arttırıldıkça, Amontons yasasında açıklandığı gibi basınç artar. Isıtılan bir gazın basıncı, eğer gazın genleşmesine izin verilirse, sabit tutulabilir. Charles yasası bu durumu açıklamaktadır.

Sabit sıcaklık ve basınç altında, GAY LUSSAC’IN BİRLEŞEN HACİMLER YASASI Sabit sıcaklık ve basınç altında, bir kimyasal tepkimedeki gazların hacimleri arasında basit bir oran bulunmaktadır. JOSEPH GAY-LUSSAC 1778-1850 H2 (g) Cl2 (g) 2 HCl (g) 2 CO (g) O2 (g) 2 CO2 (g)

a) Tepkimede yer alan gazların hacimleri aynı sıcaklık ve ba­sınç altında ölçüldüğünde, 15 litre etanın, C2H6 (g), tam yanması için kaç litre oksijen gereklidir? 2 C2H6 7 O2 4 CO2 6 H2O + + (g) (g) (g) (g) b) Kaç litre karbondioksit gazı oluşur?

VEYA Aynı sıcaklık ve basınç altındaki AVAGADRO İLKESİ Aynı sıcaklık ve basınç altındaki tüm gazların eşit hacimleri aynı sayıda molekül içerir. AMEDEO AVOGADRO 1776-1856 P V1 V2 T n1 n2 aynı , V1 n1 V2 n2 VEYA

Standart şartlarda flor gazının, F2 (g), yoğunluğu ne kadardır ? Standart şartlarda ölçülen 1,00 litre CH4 gazında kaç mol CH4 (g) vardır?

VERİLEN MADDE, MOL CİNSİNDEN İFADE EDİLİR. GAZ STOKİYOMETRİSİ GAZ KANUNLARINDAN FAYDALANILIR. FAKAT TEMEL PRENSİPLER STOKİYOMETRİ İLE AYNIDIR. VERİLEN MADDE, MOL CİNSİNDEN İFADE EDİLİR. VERİLENİN MOLÜNDEN İSTENİLENİN MOLÜ HESAPLANIR. İSTENİLENİN MOLÜ, İSTENİLEN BİRİME ÇEVRİLİR.

1,00 kg Fe2O3 (k) i indirgemek için standart şartlarda kaç litre CO (g) e ihtiyaç vardır? Fe2O3 (k) + 3 CO (g) 2 Fe (k) + 3 CO2 (g) Standart şartlar altında aşağıdaki tepkime ile 100 litre H2 (g) oluşturmak için kaç g Fe gereklidir? 3 Fe (k) + 4H2O (g) Fe3O4 (k) + 4 H2 (g) 0,400 g sodyum azid, NaN3 (k), örneği ısıtıldığında aşağıdaki tep­kimeye göre bozunuyor. Buna göre, 25 oC de ve 0,980 atm basınç altında oluşan N2 (g) un hacmi ne kadar­dır ? 2 NaN3 (k) 2 Na (k) + 3 N2 (g)

DALTON’UN KISMİ BASINÇLAR YASASI Birbiri ile tepkimeye girmeyen gazların oluşturduğu karışımın toplam basıncı, o karışımdaki gazların her birinin kısmi basınçları toplamına eşittir. JOHN DALTON 1766-1844 A ve B gazları karıştırılmış ise : P toplam PA PB

n A n B n A n A χA n A n B n toplam χA χB 1 n A PA R T V A gazının mol sayısı n A olsun B gazının mol sayısı n B n A n A A gazının mol kesri χA n A n B n toplam χA χB 1 n A A gazının kısmi basıncı PA R T V

n A PA R T V n T PT R T V n toplam PA n A Ptoplam PA n A n B Ptoplam A gazının kısmi basıncı PA R T V n T A ve B gazlarının toplam basıncı PT R T V A gazının kısmi basıncı n toplam PA n A Ptoplam PA n A n B Ptoplam

n A n A χA n toplam n A n B n toplam PA n A Ptoplam PA χA Ptoplam PA A gazının mol kesri n A n A χA olduğuna göre n toplam n A n B A gazının kısmi basıncı n toplam PA n A Ptoplam PA χA Ptoplam PA n A n B Ptoplam olarak hesaplanabilir.

V gaz = ? Nelere dikkat edilmeli ? Nasıl hesap edilmeli ? SU ÜZERİNDE GAZ TOPLAMA Nelere dikkat edilmeli ? V gaz = ? Nasıl hesap edilmeli ?

Bir olay esnasında açığa çıkan gaz, eğer suda çözünmüyorsa, genellikle suyun üstünde toplanabilir. Gaz, bir cam boru yardımıyla su ile doldurulmuş ve ters çevrilmiş bir şişeye gönderilir. Bu sırada su ile yer değiştiren gaz, su buharı ile karışmış haldedir. Karışımın toplam basıncı gazın ve su buharının kıs­mi basınçları toplamına eşittir. Şişenin için­deki ve dışındaki su seviyesi aynı olduğundan; toplam basınç, barometre basıncına eşittir. Kuru gazın basıncı, barometre basıncından deneme sıcaklığın­daki suyun buhar basıncı çıkarılarak bulunur .

23 oC de su üstünde 370 ml oksijen örneği toplanmış ve barometre basıncı 0,992 atm olarak bulunmuştur. Bu örnek, standart koşullarda kuru olarak ne kadar hacım kaplar? (23oC deki suyun buhar basıncı 0,0277 atm) 40,0 g oksijen ve 40,0 g helyum karışımının toplam basıncı 0,900 atm. dir. Oksijenin kısmi basıncı ne kadardır ? (He=4 ; O=16)

GAZLARIN SIVILAŞTIRILMASI

Moleküller arası çekim kuvvetlerinin gaz moleküllerini sıvı halde tutmasına imkan veren şartlarda, gazların sıvılaşması olayı meydana gelir. Bir gazın davranışı, basıncın artması ve sıcaklı­ğın azalmasıyla ideallikten giderek daha çok sapar. Bu koşulların sını­rında gazlar sıvılaşır. Her gaz için öyle bir sıcaklık vardır ki bu sıcaklığın üstünde ne kadar yüksek basınç uygulanırsa uygulansın gaz sıvılaştırılamaz. Bu sıcaklığa, o ga­zın kritik sıcaklığı adı verilir. Bir gazı kritik sıcaklığında sıvılaştır­mak için gerekli olan minimum basınca ise kritik basınç denir.

CO2 GAZINI SIVILAŞTIRMAK İÇİN GEREKLİ BASINÇLAR SICAKLIK (o C) BASINÇ (atm) 50 6,7 30 14,1 10 26,1 44,4 20 56,5 71,2 31 72,8

Bir gazın kritik sıcaklığı, o gazın moleküller arası çekim kuvvet­lerinin şiddetinin bir ölçüsüdür. Moleküller arası çekim kuvvetlerinin büyük­lüğü, Van der Waals sabiti a ile aynı sıraya göre artmaktadır. Birçok gazın sıvılaştırılabilmesi için oda sıcaklığının (yaklaşık 295 K) altında soğutulmaları gerektiği bilinmektedir. Ticari sıvılaştırma işlemlerinde gazları soğutmak için Joule­ Thomson etkisi kullanılır. Sıkıştırılmış bir gaz daha düşük bir basın­ca genişletilirse bu gaz soğur. James JOULE 1818-1889 William THOMSON 1824-1907 Genişleme sırasında moleküller arası çe­kim kuvvetlerine karşı bir iş yapılmıştır. Bu işi yapmak için kullanı­lan enerji gaz moleküllerinin kinetik enerjilerinden alındığı için gazın sıcaklığı düşer.

KRİTİK NOKTA VERİLERİ GAZ KRİTİK SICAKLIK BASINÇ (K) (atm) He 5,3 2,26 H2 33,3 12,8 N2 126,1 33,5 CO 134,0 35,0 O2 154,4 49,7 CH4 190,2 45,6 CO2 304,2 72,8 NH3 405,6 111,5 H2O 647,2 217,7