GAZLAR İçindekiler • Gaz Hali ve Gazların Önemi • Mol Kavramı • Hacim Kavramı • Basınç Kavramı • Madde Miktarı ve Sıcaklığı Sabit Tutulan İdeal Gazların Hacim-Basınç İlişkileri (Boyle Yasası) • Madde Miktarı ve Basıncı Sabit Tutulan İdeal Gazların Hacim-Sıcaklık İlişkileri (Charles Yasası) • Madde Miktarı ve Hacmi Sabit Tutulan İdeal Gazların, Basınç-Sıcaklık İlişkileri (Gay-Lussac Yasası) • Basıcı ve Sıcaklığı Sabit Tutulan İdeal Gazlara İlişkin Hacmin Madde Miktarı ile Değişimi (Avogadro Yasası) • İdeal Gaz Yasası • İdeal Gaz Yasasından Sapmalar • Gazların Dağılmaları (Difüzyon) ve Yayılmaları (Efüzyon) ve Graham Yasası • Özet Oğuz Özdemirci www.fen1.com

• Gaz Hali ve Gazların Önemi Dünyamızın amosferini oluşturan hava olmasaydı, canlıların da olmayacağını düşündüğümüzde, havanın ve dolayısıyla gaz halinin önemi kendiliğinden ortaya çıkmaktadır. Solunum sırasında oksijen gazı alıp karbon dioksit gazı vermemiz,vücudumuzda yürüyen biyokimyasal reaksiyonlarda gazların önemini göstermektedir. Diğer taraftan, bitkilerin özümlemesi ve solunumu sırasında yine aynı gazlar kullanılmaktadır Çoğu kimyasal reaksiyonlara giren ve çıkan maddelerden bazıları veya tümü gaz halindedir. Kimyasal reaksiyonların doğru olarak incelenebilmesi ve aynı reaksiyonların endüstriyel düzeyde kullanılabilmesi için gazların fiziksel ve kimyasal özelliklerinin çok iyi bilinmesi gerekmektedir. Bu bilgilerin ışığında, kendi sağlığımıza ve çevreye zarar vermeden gazların üretilmesi,kullanılması veya istenildiği zaman uzaklaştırılması daha kolay gerçekleştirilmiş olacaktır. Yapılan araştırmalar, gazların, birbirinden oldukça uzak ve hızlı hareket eden moleküllerden oluştuğunu* göstermiştir. Gazlar bulunduğu hacmi doldurabilen ve bastırıldığında, hacimlerini büyük ölçüde küçültebilen akışkanlardır. Bu bastırılabilme özelliklerinden yararlanılan gazlar yüksek basınç altında çelik tüplere doldurularak depolanırlar. Örneğin kaynakçılıkta yanıcı olarak kullanılan asetilen ve hidrojen gazları ile yakıcı olarak kullanılan oksijen gazının ve tüp gaz olarak bilinen sıvılaştırılmış petrol gazının çelik tüpler içinde taşındığını ve kullanıldığını hepimiz görmüşüzdür.

• Mol Kavramı • Hacim Kavramı Karbon-12 izotopunun 0,012 kilogramı içinde bulunan atom sayısına eşit atom (veya molekül içeren) gazın madde miktarı bir "mol" olarak tanımlanır. Buna göre bir mol gaz içinde Avogadro sayısı (L) kadar, yani 6,022x1023 tane atom veya molekül bulunmaktadır. Avogadro sayısı kadar atom veya molekül içeren bir gazın toplam kütlesine mol kütlesi (M) adı verilir. • Hacim Kavramı Gazların hacimleri, içinde bulundukları kapların hacimlerine eşittir. Gaz hacimlerinin anlamlı olabilmesi için gaz sıcaklığı ve gaza uygulanan basıncın da bilinmesi gerekmektedir. Ancak, bu koşullar altında alınan gazın molü veya kütlesi belirlenebilir. Gaz hacmi m3 birimi veya bu birimin az ve çok katları ile verilir. Kimyada en çok kullanılan birimler m3 yanında dm3 ve cm3 ’dür. Çoğu kez dm3 yerine litre (L); cm3 yerine ise, mililitre (ml) kullanılmaktadır. Laboratuvarda, gaz hacimleri belli sıcaklık ve basınçta "gaz büretleri" ile ölçülür. Sıvı ve katılardan farklı olarak gazların kapladıkları hacimler, basınç arttıkça büyük ölçüde küçülmektedir.

• Basınç Kavramı Bir balon havayla doldurulduğu zaman şişer. Acaba balonu şişirilmiş halde tutan nedir? Geçerli varsayım, sabit hızdaki gaz moleküllerinin birbirleri ve içinde bulundukları kabın çeperleri ile çarpışmasıdır. Gaz molekülleri, bu çarpışma nedeniyle kabın iç duvarına bir kuvvet uygularlar. Bu kuvvet balonu genişletir. Bir gazın oluşturduğu toplam kuvveti ölçmek kolay değildir. Bu toplam kuvvet yerine gaz basıncını değerlendirmek yerinde olacaktır. Basınç "birim alana düşen kuvvet" olarak tanımlanır. Başka bir deyişle basınç, bir yüzeye uygulanan kuvvetin, o yüzeyin alanına bölünmesiyle bulunan değerdir. Şekil 6.2., bir katı tarafından meydana getirilen basıncın ne olduğunu göstermektedir. Şekil 6.2'de görüldüğü gibi aynı kütleye sahip iki silindirden daha ince olanı, bulunduğu yüzey üzerine daha fazla basınç yapmaktadır. P = F / A Uluslar arası birim sistemi (SI) birim sisteminde kuvvet (F) birimi Newton (N) ve alan (A) birimi metrekare (m2)’dir. Birim yüzeydeki kuvvetin (basıncın) birimi ise, N / m2’dir ve Pascal (Pa) adını alır.

Sıvı Basıncı Gaz moleküllerinin oluşturduğu toplam kuvvetin bulunması kolay olmaması nedeniyle katılara uygulanan denkleminin gazlara uygulanması güçtür. Bir gazın basıncı, sıvı basıncıyla kıyaslanarak dolaylı yoldan ölçülür. Şekil 6.3.'de görüldüğü gibi sıvı basıncı sadece, sıvı sütunun yüksekliğine ve yoğunluğuna bağlıdır. Bu durumu açıklamak üzere, yoğunluğu d olan bir sıvının, kesit alanı A olan silindire h yüksekliğine kadar doldurulduğunu düşünelim. Bu durumda P = g x h x d

Barometre ve Basınç Birimleri Atmosfer tabakasının deniz seviyesinde 1 cm2'lik bir yüzeye uyguladığı kuvvet, aynı koşularda 76 cm yüksekliğinde bir civa sütununun uyguladığı kuvvete denktir ve bu durumdan ortaya çıkan basınç "bir atmosfer" olarak tanımlanır. Evangelista Torricelli 1643 yılında oluşturduğu basit bir düzenekle (ilk barometre) atmosfer basıncının ölçülebilmesini sağlamıştır. Şekil 6.4'de Torricelli barometre düzeneği gösterilmektedir. Şekilde görüldüğü gibi Torricelli barometresinde, bir ucu kapalı uzun bir cam borunun içine civa doldurulmuş ve boru civa dolu bir kabın içine daldırılmıştır. Bu işlem sonunda boru içindeki civa yüksekliği belli bir seviyeye kadar düşer, ancak daha sonra sabit kalır. Yani boru içindeki civa daldırıldığı kabın seviyesi üzerinde "h" yüksekliğinde bir sütun oluşturacak şekilde kalır. Torricelli deneyi ve ortaya koyduğu basınç birimleri, basınç için kullanılan en eski birimler olup (mmHg, cmHg ve Torr) günümüzde de hala yaygın olarak kullanılmaktadır.Kapalı kaplardaki gazların basıncını ölçmek için kullanılan aygıtlara "manometre" denir. 1 Atmosfer = 760 mmHg = 76 cmHg (0°C'da)

• Madde Miktarı ve Sıcaklığı Sabit Tutulan İdeal Gazların Hacim-Basınç İlişkileri (Boyle Yasası) Günümüzden yaklaşık 300 yıl önce R. Boyle basit bir düzenekle yürüttüğü deney sonuçlarını doğru olarak yorumlamış ve "Boyle Yasası" olarak bilinen, gazların hacim-basınç ilişkilerini ortaya koymuştur. Sabit sıcaklıkta ve sabit miktardaki ideal bir gazın hacmi ile basıncı ters orantılıdır. V α 1/P (T ve kütle sabit) olarak ideal davranan ve mol sayıları eşit olan tüm gazların, sabit bir sıcaklıktaki hacimleri ile basınçları çarpımının daima birbirine eşit ve sabit olduğunu vurgulayabiliriz. Bu yasa matematiksel olarak, PV = Sabit (Sabit sıcaklık ve sabit madde miktarı koşullarında) Veya P1 V1 = P2 V2

• Madde Miktarı ve Basıncı Sabit Tutulan İdeal Gazların Hacim-Sıcaklık İlişkileri (Charles Yasası) Charles (1787) ve Gay-Lussac (1802)’ deneyleri ile ilk kez elde edilen bu doğrunun sola doğru uzantısı, sıcaklık eksenini gaz hacminin sıfıra yaklaştığı -273,15 °C’da keser. Hacim sıfır veya eksi olmayacağına göre -273,15 °C' daha düşük sıcaklıkların elde edilemeyeceği açıktır. Doğadaki bu en düşük sıcaklık olan -273,15 °C’ı sıfır noktası alarak ve °C birimleri cinsinden tanımlanan yeni bir ölçeğe mutlak sıcaklık, termometrik sıcaklık veya Kelvin ölçeği (K) adı verilir. Sabit basınçta ve sabit miktardaki ideal bir gazın hacmi ile sıcaklığı orantılıdır. V α T (P ve kütle sabit) Sonuç olarak ideal olarak davranan ve mol sayıları eşit olan tüm gazların sabit basınç koşullarında hacimlerinin eşit oranda arttığını (veya soğutulduklarında eşit oranda azaldığını) belirtebiliriz. Charles Yasası matematiksel olarak, V/T = Sabit (Sabit basınç ve sabit madde miktarı koşullarında) Veya V1/T1 = V2 /T2 eşitlikleri ile ifade edilebilir.

• Madde Miktarı ve Hacmi Sabit Tutulan İdeal Gazların, Basınç-Sıcaklık İlişkileri (Gay-Lussac Yasası) Charles ve Gay-Lussac, n mol gazı sürekli sabit tutulan V hacmine doldurup Şekil 6.7’dekine benzer bir düzenek hazırlayarak gaz basıncının sıcaklıkla değişimini incelemişler ve bu koşullardaki basınç-sıcaklık ilişkilerini yorumlamışlardır. Sabit hacimde ve sabit miktardaki ideal bir gazın basıncı ile sıcaklığı orantılıdır. P α T (V ve kütle sabit) Sonuç olarak, ideal olarak davranan ve mol sayıları eşit olan tüm gazların sabit hacim koşullarında ısıtıldıklarında basınçlarının eşit bir ölçüde arttığını (veya soğutulduklarında eşit bir ölçüde azaldığını) belirtebiliriz. Gay-Lussac Yasası matematiksel olarak, P / T=Sabit (Sabit hacim ve sabit madde miktarı koşullarında) P1 / T1= P2 / T2 eşitlikleri ile ifade edilebilir.

• Basıcı ve Sıcaklığı Sabit Tutulan İdeal Gazlara İlişkin Hacmin Madde Miktarı ile Değişimi (Avogadro Yasası) Avogadro yasasına göre, aynı sıcaklık ve basınçta (aynı koşullarda) bulunan ve ideal davranabilen tüm gazların molar hacimleri (ve dolayısı ile mollerinde bulunan molekül sayıları) eşittir. Daha kısa ve öz olarak bu yasa "sabit sıcaklıkta ve basınçta bir gazın hacmi ile miktarı doğru orantılıdır" diye belirtilebilir.

• İdeal Gaz Yasası İdeal davranan gazların V hacmi, P basıncı, T sıcaklığı ve n molü arasında herhangi ikisini sabit tutulduğunda, diğer ikisi arasındaki matematiksel bağıntıları daha önce belirledik. Şimdi ise bu değişkenlerin tümü birden değiştiğinde kullanılması gereken matematiksel bağıntıyı araştıracağız. İdeal gaz denklemi adı verilen bu bağıntı gazın halini belirleyen dört değişkenin birlikte yer aldığı çok özel bir bağıntıdır [V = α (P, T, n)]. Boyle Yasasına göre V α 1/P, Charles-Gay-Lussac Yasasına göre V α T ve AvogadroYasasına göre V α n olduğuna göre V α nT/P yazılabilir. "R" ile simgelenenve "evrensel gaz sabiti" olarak adlandırılan bir orantı katsayısı kullanılarak,V =RnT/P şeklinde yazılan V, P, T ve n değişkenleri arsındaki bağıntı yeniden düzenlenerek, yazıldığında "ideal gaz denklemi" ortaya çıkar. İdeal gaz denklemi matematiksel olarak, PV = nRT (R=0,082062 L atm mol-1 K-1) eşitliği ile öz bir şekilde ifade edilir.

• İdeal Gaz Yasasından Sapmalar İdeal gaz yasasına tam olarak uyan herhangi bir gaz bulunmamaktadır. Yaşadığımız ortamdaki sıcaklık ve basınç koşullarında bazı gazlar ideal gaz yasalarına büyük bir yaklaşımla uydukları halde, yüksek basınçlarda ve düşük sıcaklıklarda önemli ölçüde sapma gösterirler. Gerçek gazlar ideal gaz yasasına tam olarak uymazlar ve gerçek gazların hacmi üzerindegazların bastırılamayan hacimleri (öz hacimleri) ile ilgili bir düzeltme yapmak gerekir. İdeal gaz yasası "gazı oluşturan moleküller arasında etkileşimin (çekme kuvvetinin) bulunmadığı" varsayar. Gerçekte moleküller arasında çekme kuvvetleri mokülleri birbirine yaklaştırır ve ölçülen basınç ideal gaz yasasından hesaplanan basınçtan daha küçük bulunur. Gerçek gazların basıncı üzerinde gaz molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri ile ilgili bir düzeltme yapmak gerekir. Johannes Van der Waals* 1873 yılında gerçek gazlar için çok kullanılan ve kendi adı ile anılan bir eşitlik türetmiştir. İdeal gaz denklemi yalnızca R evrensel gaz sabitini içermesine karşın, Van der Waals denklemi R yanında a ve b (her gaz için farklı değer alırlar ve sıcaklık, basınçtan etkilenirler) Van der Waals sabitlerini de içermektedir. Van der Waals denklemi aşağıda verilmiştir. (P + n2a /V2) (V-nb) = nRT

• Gazların Dağılmaları (Difüzyon) ve Yayılmaları (Efüzyon) ve Graham Yasası Bir maddenin diğer bir madde içinde dağılmasına "difüzyon veya dağılma" denir. Bir gazın küçük bir delikten dış vakuma dağılmasına ise "efüzyon veya yayınım" denir. İskoçyalı bir bilim adamı olan T. Graham* gazların dağılma ve yayınım hızları üzerinde, bir seri deney sonunda ulaştığı ünlü Graham Yasasını ortaya koydu. Graham Yasasına göre dağılma hızları (V veya D) mol kütlesi (veya formül kütlesi)'nin (M) karekökü ile ters orantılıdır." şeklinde özetlenebilir. Diğer taraftan gazların kütleleri ile yoğunlukları da orantılı olduklarından, Graham Yasası matematiksel olarak aşağıdaki eşitliklerle ifade edilebilir. Bu eşitliklerin de açıkça ortaya koyduğu gibi molekül kütleleri büyük olan gazların ortalama dağılım (difüzyon veya efüzyon) hızları, hafif moleküllere kıyasla çok daha düşük olacaktır. Aksine hafif gaz moleküllerinin ortalama dağılım hızları yüksek olacaktır.

ÖZET • Bir gaz basınç, sıcaklık, hacim ve miktarı ile tanımlanır. • Gaz basıncı genellikle civa olan sıvı bir sütun tarafından uygulanan basınç ile karşılaştırılır. • Sıvılarda sıcaklık değiştiğinde genleşmesi özelliğinden yararlanarak üç farklı termometre türetilmiş ve sıcaklık bu termometreler ile ölçülür. • Basit gaz yasaları, ideal gaz denklemiyle belirlenir: PV = nRT ideal gaz eşitliği eşitlik, değişkenler bilindiği zaman, her hangi bir değişken için çözülebilir. • Aynı zamanda bu eşitlik mol kütlesi ve gaz yoğunluklarının belirlenmesinde uygulanabilir. • Gerçek gazlar genellikle sadece yüksek sıcaklık ve düşük basınçlarda ideal davranırlar. • Van der Waals eşitliği sıklıkla, ideal gaz denklemine uyulmadığı durumlarda kullanılır.

www.fen1.com