Sıvılar ve hal DEĞİŞİMLERİ BÖLÜM 8 Sıvılar ve hal DEĞİŞİMLERİ

8.1 SIVI HAL Sıvı hal, molekülleri tümüyle gelişigüzel Brown hareketleri yapan gaz hali ile, en düzenli biçimde istiflenmiş olan katı hal arasında kalan bir özelliğe sahiptir. Aşağıdaki şekillerde görüldüğü gibi, gaz halinden katı hale doğru geçişlerde moleküller arası uzaklık azalırken moleküllerin daha düzenli sıralandıkları görülmektedir.

Herhangi bir sıvının akmaya karşı gösterdiği dirence viskozluk; Viskozluğun tersine ise akıcılık denir. Sıvıların akmaya karşı gösterdikleri direnç, moleküllerin temasta bulunan sıvı tabakaları arasındaki sürtünmenin ölçüsüdür. Buna moleküllerin büyüklükleri ve geometrileri etki eder. Örneğin; Büyük ve gelişigüzel moleküllere sahip sıvıların viskozlukları, küçük ve küresel moleküllerden oluşan sıvıların viskozluklarına göre çok daha yüksektir. Genel olarak, sıcaklık yükseldikçe moleküllerin kinetik enerjileri artarken moleküller ile içinde bulundukları kabın çeperleri arasındaki çekim kuvvetleri arasında çekim azalacağından viskozluk düşer. Diğer taraftan basıncı yükselen bir sıvının viskozluğu yükselir. Sıvı molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerine kohezyon kuvvetleri; Kap çeperleri ile arasındaki çekim kuvvetlerine ise adhezyon kuvvetleri denir.

Moleküleller arası çekim kuvvetlerinden kaynaklanan sıvıların diğer bir özelliği ise yüzey gerilimidir. Sıvının ortasındaki bir molekül, her yönden eşit ölçüde diğer moleküller tarafından çekilerek bir mekanik kuvvetler dengesi altında kalır. Sıvı yüzeyindeki moleküller ise yalnızca sıvının içine doğru çekilerek sıvının yüzey alanını genişletmek isteyen kuvvetlere yenilir ve sıvı yüzeyi en küçük değerini almaya zorlanarak gerilir. Sıvıların yüzey gerilimi, kohezyon kuvvetleri azalacağından sıcaklık yükseldikçe düşer.

8.2 BUHARLAŞMA Verilen bir sıcaklıkta, sıvının bir molünü uzaklaştırmak için gerekli olan toplam enerji miktarına o sıvının molar buharlaşma entalpisi (ısısı) adı verilir ve ΔHb ile gösterilir. Örneğin bu değer H2O için; H2O(s) H2O(g) ΔHb =+10,36 kcal/mol = +43,3 kJ/mol Sıvının sıcaklığı yükseltildiğinde, buharlaşma hızı da yükselir. Çünkü moleküllerin ortalama kinetik enerjisi ve buhar fazına geçecek kadar kinetik enerjiye sahip moleküllerin toplam moleküller içindeki oranı da artar.

8.3 SIVILARIN BUHAR BASINCI Eğer buharlaşma işlemi kapalı bir kap içerisinde yapılıyorsa buharlaşan moleküller sıvıdan çok uzaklara gidemezler ve gelişigüzel yaptıkları Brown hareketleri sırasında bazıları yoğunlaşarak sıvı faza geri dönerler. Bu olaya yoğunlaşma denir. Buharlaşma ile yoğunlaşma arasında aşağıdaki gibi bir ilişki vardır. H2O(s) H2O(g) Oluşan bu dengenin temel koşulu, buharlaşma hızı ile yoğunlaşma hızının birbirine eşit olmasıdır. Moleküllerin sıvı faza geri dönme hızları buhar fazındaki derişimleri ile artar. Eğer birim hacimde daha fazla buhar molekülü varsa sıvı faza çarpma ve orada tutunma olasılığı yüksektir. Denge konumunda buhar fazının derişimi ve sıvı fazın miktarı sabittir. Çünkü buharlaşan moleküllerin sayısı, yoğunlaşan moleküllerin sayısına eşittir.

Sıvı ve buhar fazlarındaki molekül sayılarının sabit olması, sistemin statik dengede olması yani buhar fazındaki moleküllerin yalnız buhar fazında ve sıvı fazındaki moleküllerin de sadece sıvı fazda kalması anlamına gelmez. Karşılıklı eşit sayıda molekülün fazlar arası yer değitirmesi ile sıvı ve buhar fazındaki moleküllerin sayısı sabit kalmaktadır.Eğer, buharlaşma hızı uzun bir süre yoğunlaşma hızından daha büyük tutulursa tüm sıvı buhar haline gelir. Tersine bir durumda ise tüm sistem sıvı hale gelir.

Verilen bir sıcaklıkta, sıvısı ile dengede olan buharın basıncına o sıvının buhar basıncı denir. Eğer sıvı-buhar sisteminin sıcaklığı sabit ise, buhar basıncı da sabittir. Buhar basıncı moleküllerin sıcaklıkla artan kinetik enerjisine bağlıdır. Sıcaklık yükseldikçe buharlaşma hızı ve dolayısıyla buhar fazındaki derişim artacağından buhar basıncı da artar. Aşağıdaki şekilde farklı sıvıların buhar basınçlarının sıcaklık ile ilişkileri görülmektedir. Aralarındaki çekim kuvveti zayıf olan moleküllerin oluşturduğu sıvıların buhar basınçları oldukça yüksektir. Örneğin, 20 oC sıcaklıkta dietil eter ve suyun buhar basınçları sırasıyla 422mmHg ve 17.5mmHg dir. Bu durum, su molekülleri arasındaki moleküller arası çekim kuvvetlerinin dietil eter molekülündeki çekim kuvvetlerine göre çok çok daha kuvvetli olduğunu gösterir.

Buhar basıncını doğrusal olarak gösterebilmek için; Log p = - (A/T) + C Formülü türetilmiştir. Bu eşitlik daha sonra Log p = - (ΔHb /2,303 x R ) x (1/T) + C Formülü şeklinde geliştirilmiştir. Bu formülde ΔHb = molar buharlaşma ısısı, R = gaz sabiti, T = sıcaklık ve C ise alınan sıvı için karakteristik olan bir sabiti göstermektedir. Eğer yukarıdaki eşitlik iki ayrı sıcaklık ve bu sıcaklıklara karşılık gelen basınçlar kullanılıp taraf tarafa çıkarılırsa; Log p2/p1 = (ΔHb /2,303 x R) x [(T2-T1)/(T2xT1)] Eşitliği elde edilir.

ÖRNEK Karbon sülfürün 301 K’ dek, buhar basıncı 0,526 atm olduğuna göre 273 K’ deki buhar basıncı nedir? Bu sıcaklıklar arasında değişmediği varsayılan buharlaşma entalpisi 27,588 kj/mol dür. Denklemde veriler yerine konulursa; Log p2/p1 = (ΔHb /2,303 x R) x [(T2-T1)/(T2xT1)] Log 0,526 atm / P1 = (27588 jmol-1 /2,303 x 8,314 j mol-1 K-1 ) x [(301K-273K)/(273Kx301K) = 0,526 atm / p1 = 100,491 = 3,10 =0,17 atm

8.4 KAYNAMA NOKTASI Bir sıvının buhar basıncının atmosfer basıncına eşit olduğu sıcaklığa kaynama noktası denir. Tk veya Tb ile gösterilir. Sabit basınç altında kaynayan bir sıvının sıcaklığı, tüm sıvı buharlaşana kadar aynı kalır. Açık bir kapta en büyük buhar basıncı atmosfer basıncına eşittir. Eğer yüksek kinetik enerjili moleküllerin oranını arttırmak istiyorsak, sıvıyı sürekli ısıtmamız gerekmektedir. Isıtma hızı arttırılırsa, buharlaşma hızı artar ancak sıvının sıcaklığı hiçbir zaman değişmez.

Bir sıvının kaynama noktası sıvı üzerindeki dış basınç arttırıldıkça yükselir, dış basınç azaltıldıkça düşer. Bir sıvının 1 atm basınç altındaki kaynama noktasına normal kaynama noktası denir ve Tk veya Tb ile gösterilir. Örneğin, 0.950 atm’ de 98.6oC’ de kaynayan su, 1.05 atm’ de 101.4 oC ve 0.695 atm de ise 90.1 oC de kaynar.

Sıvıların ısıtılarak buharlaştırılması ve buharın tekrar yoğunlaştırılması işlemine damıtma (destilasyon) denir ve sıvılar bu yolla saflaştırılırlar. Sıvı kaynama sıcaklığında bozunmuyorsa adi damıtma ile saflaştırılır. Eğer sıvının kaynama noktası çok yüksekse ve bu sıcaklığa gelmeden ısı ile parçalanıyorsa üzerindeki basınç ve dolayısıyla kaynama noktası düşürülerek kaynatılır. Böylece yüksek sıcaklıkta kaynayan sıvılar indirgenmiş basınçta damıtma (vakum damıtması) ile saflaştırılır.

Adi damıtma düzeneği

Vakum destilasyonu

Rotary evaporator (döner buharlaştırıcı)

Log p2/p1 = (ΔHb /2,303 x R) x [(T2-T1)/(T2xT1)] ÖRNEK Kloroformun normal kaynama sıcaklığı 334 K’dir. Buhar basıncı 328 K’ de 0.823 atm ise verilen sıcaklıklar arasında değişmediği var sayılan buharlaşma entalpisini hesaplayınız. Formülü uygularsak; Log p2/p1 = (ΔHb /2,303 x R) x [(T2-T1)/(T2xT1)] Log 1 atm / 0.823 atm = (ΔHb / (2,303 x 8,314 J mol-1 K-1) x [ (334 K – 328 K) /328 K x 334 K) ΔHb = 29553 J mol-1 = 29,553 kJ mol-1

Log p2/p1 = (ΔHb /2,303 x R) x [(T2-T1)/(T2xT1)] ÖRNEK Suyun sabit varsayılan buharlaşma entalpisi 43305,5 Jmol-1 olarak verildiğine göre basıncın 529 mmHg olduğu bir yerdeki kaynama sıcaklığını hesaplayınız. Formülü uygularsak; Log p2/p1 = (ΔHb /2,303 x R) x [(T2-T1)/(T2xT1)] Log (760 mmHg/529 mmHg) = (43305 J mol-1 / 2,303 x 8,314 J mol-1 K-1) [(373K-T1)/373KxT1) T1 = 363 K bulunur.

8.5 BUHARLAŞMA ENTALPİSİ Bir mol sıvının belirli bir sıcaklıkta buharlaşabilmesi için verilmesi gereken enerjiye molar buharlaşma ısısı veya entalpisi denir. Dengede bulunan buhar ve sıvı fazlarının sıcaklıkları aynı olduğundan bu fazlardaki moleküllerin ortalama kinetik enerjileri de aynıdır. Bu fazların kinetik enerji yanında potansiyel enerjiyi de içeren toplam iç enerjileri farklıdır. Sıvı fazdaki moleküller aralarındaki çekme kuvveti ile birbirlerini tutarken buhar fazındaki moleküller serbesttir. Bir sıvı buharlaştığı zaman moleküller arasındaki bu çekme kuvvetlerini yenmek için bir miktar enerji gerekir. Verilen bu enerjiden dolayı buhar fazının enerjisi sıvı fazının enerjisinden büyüktür.

Molar buharlaşma ısısı ΔHb değerini başka açıdan da inceleyebiliriz. Örneğin, 100 C sıcaklıkta 1 cm3 sudan yaklaşık 1700 cm3 buhar oluşur. Sıvı buharlaşırken buhar kendine yer açmak için üzerindeki atmosferi geriye doğru iterek bir miktar enerji harcar. Bu noktada buharlaşma entalpisi, her iki enerjiyi de yani moleküller arasındaki çekme kuvvetini yenmek için gerekli enerji ile buharın genleşmesi için gerekli enerjiyi sağlar. Yalnızca moleküller arası çekim kuvvetini yenmek için gerekli olan enerjiye molar buharlaşma iç enerjisi denir ve Δub ile simgelenir. Bir mol buhar, sıvı vermek üzere sabit sıcaklıkta yoğunlaşırsa fazlar arası ısı farkı sistemden dışarıya verilir. Bu durumda ısı alış verişi eksi olarak işaretlenir ve molar yoğunlaşma entalpisi (ısısı) adını alır. Buharlaşma entalpileri büyük olan sıvıların molekülleri arasındaki çekme kuvvetleri de büyüktür.

Genellikle buharlaşma entalpileri büyük olan sıvıların molekülleri arasındaki çekme kuvvetleri de büyüktür. Frederick Trouton 1884 yılında çok sayıda sıvının buharlaşma entalpisini normal kaynama sıcaklıklarına bölerek kendi adı ile tanınıan Trouton kuralını bulmuştur. ΔHb/Tb = 88 J K-1 mol-1 ÖRNEK HBr için normal kaynama noktası -67 C’ dir. Trouton kuralını kullanarak HBr için mol başına buharlaşma entalpisini hesaplayınız. ΔHb/Tb = 88 J K-1 mol-1 ΔHb = 88 J K-1 mol-1 x206K = 18128 J/mol

8.6 DONMA NOKTASI (ERİME NOKTASI) Bir sıvı soğutulmaya başladığı zaman, molekülleri gittikçe yavaş hareket etmeye başlar. Soğuma sırasında öyle bir sıcklığa gelinir ki moleküller olabildiğince düşük kinetik enerjiye sahip olurlar ve moleküller arası çekim kuvvetleri onları bir kristal içinde istiflemeye başlar. Bu duruma sıvının donması denir. Sıvı soğutulduğu zaman sıvı ve katının atmosfer basıncı altında dengede bulunduğu sıcaklığa donma noktası sıcaklığı, Td adı verilir. Donma sıcaklığı, tüm sıvı donana kadar kadar sabit kalır. Donma noktasındaki bir mol sıvıyı katı hale getirmek için sistemden uzaklaştırılması gereken ısıya molar donma entalpisi (ısısı) denir ve ΔHd ile simgelenir.

Kristal halindeki katılar ısıtıldığı zaman 1 atm basınç altında katı ve sıvının dengede bulunduğu sıcaklığa normal erime noktası, Te denir ve bu sıcaklık normal donma sıcaklığı ile aynıdır. Erime noktasında, bir mol katıyı sıvı hale getirmek için sisteme verilmesi gereken ısıya molar erime entalpisi (ısısı) denir ve Δhe ile simgelenir. Sisteme dışarıdan enerji verildiği için molar erime entalpisi artı işaretlidir ve molar donma entalpisine mutlak değerce eşittir. Molar erime entalpisi ΔHe nin erime sıcaklığı Te’ ye oranı molar erime entropisi ΔSe ye eşittir. Δse = ΔHe / Te Erime sırasında moleküller daha düzensiz hale geçeceklerinden sıvının molar erime entropisi artı işaretli olur.

ΔHd vmolar donma entalpisinin Td donma sıcaklığına oranı ise ΔSd molar donma entropisini verir. ΔSd = ΔHd / Td Donma işlemi esnasında moleküllerin düzensizliği azalacağından molar donma entropisi eksi işaretli ve mutlak değerce molar erime entropisine eşit olur. Buharlaşma entropilerii, erime entropilerinden çok daha büyüktür. Bu durum moleküllerin buharlaşırken erimedend daha düzensiz bir duruma geçtiklerini gösterir.

8.7 KATILARIN BUHAR BASINCI Bir kristali oluşturan moleküller bulundukları örgü noktalarında yalnızca titreşme hareketi yapabilirler. Kristal yüzeyinde bulunan ve titreşme enerjisi en yüksek olan moleküller kristalin oluşmasına yol açan çekme kuvvetlerini yenerek buhar fazına geçerler. Sıvı hali atlayarak bir katının doğrudan buhar haline geçmesine süblimleşme denir. Belli bir Ts, süblimleşme sıcaklığında bir mol katının doğrudan buhar haline geçmesi için gerekli ısı molar süblimleşme ısısı, ΔHs dir. Molar süblimleşme entalpisi ΔHs, molar erime entalpisi ΔHe ile molar buharlaşma entalpisi ΔHb nin toplamına eşittir. ΔHs = ΔHe + ΔHb

ΔHs süblimleşme entalpisinin Ts süblimleşme sıcaklığına oranı molar süblimleşme entropisi Δssolarak tanımlanır. ΔSs = ΔHs / Ts Süblimleşme entropisi buharlaşmada artı yoğunlaşmada ise eksi olarak alınır. Çünkü entropi buharlaşma ile artmakta ve yoğunlaşma ile azalmaktadır.

8.8 HAL DEĞİŞİM EĞRİLERİ

8.8 HAL DEĞİŞİM EĞRİLERİ Maddeler doğada 3 halde bulunur: Eylül 18 8.8 HAL DEĞİŞİM EĞRİLERİ Maddeler doğada 3 halde bulunur: Katı maddeler Sıvı maddeler Gaz maddeler

Eylül 18 MADDENİN HALLERİ KATILAR HAL DEĞİŞİMLERİ SIVILAR GAZLAR

Maddenin Halleri Aşağıda, günlük hayatta karşılaştığımız katı, sıvı ve gazlara örnekler verilmiştir: KATILAR: Kalem,demir,bakır,altın Sandalye Masa SIVILAR : Su,petrol,mazot,gaz yağı,kan,tükürük Zeytinyağı Kolonya GAZLAR : Hava Su buharı Oksijen,karbondioksit

KAR KATI HALDE BİR MADDEDİR. HÜLYA AKYÜREK

Katı Maddeler Belirli bir şekli olan, sıkıştırılamayan fakat genleşebilen maddelere katı madde denir. Katı maddenin tanecikleri hareketsizdir.

Sıvı Maddeler Belirli bir şekli olmayan fakat bulunduğu kabın şeklini alan sıkıştırılamayan ama genleşebilen akışkan maddelere sıvı maddeler denir.

Gaz Maddeler Belirli bir şekli olmayan fakat bulunduğu kabın şeklini alan sıkıştırılabilen ve genleşebilen uçucu maddelere gaz maddeler denir. Gaz maddeler kapalı kaplarda bulundurulmalıdırlar.

Maddenin Plazma Hali Maddeler çok düşük veya çok yüksek sıcaklıklarda plazma halinde olabilir. Bu hal maddenin 4. hali olarak adlandırılabilir. Elektrik kıvılcımları, lavlar, alev, ateş ve yıldızlar plazmaya örnek verilebilir.

Maddelerin Sıkışma Özelliği Tanecikleri arasında boşluk olan maddeler kuvvet etkisi ile sıkıştırılabilir. Bu maddeler ise sadece gaz maddeleridir. Kuvvet Kuvvet

Maddelerin Genleşme Özelliği Katı, Sıvı ve Gaz taneciklerinin sıcaklık arttıkça hareketleri hızlanır. Bu durumda kapladıkları yer artar. Genleşme ile termometre, uçan balon gibi aletler yapılmıştır.

Katı Madde Moleküllerin Hareketleri Katı maddenin molekülleri birbirine sıkıca kenetlenmiştir. Bu onların aralarında çok az boşluk olduğunu göstermektedir.

Sıvı Madde Moleküllerinin Hareketi Sıvı molekülleri birbiri üzerinden kayarak hareket ederler. Bulundukları kabın şeklini alırlar.

Gaz Madde Moleküllerinin Hareketi Gaz molekülleri arasındaki boşluk o kadar fazladır ki, moleküller her yöne hareket ederler. Bulundukları kabın şeklini alırlar. Hacimleri belirsizdir.

TİTREŞİM ÖTELEME

KATILARIN ÖZELLİKLERİ Katıları oluşturan tanecikler arasındaki boşluklar yok denecek kadar azdır. Katılar sıkıştırılamaz. Sıkıştırılırlarsa bile hacimleri küçülmez. Molekülleri bulundukları yerde titreşerek hareket ederler.

KATILARIN ÖZELLİKLERİ Katı hali, maddenin en düzenli halidir. Katı tanecikleri arasındaki çekim kuvveti çok fazladır. Katıların belirli bir şekli ve belirli bir hacmi vardır.

SIVILARIN ÖZELLİKLERİ Sıvıların belirli bir hacimleri vardır. Sıvıların belirli bir şekli yoktur. Bulundukları kabın şeklini alırlar. Molekülleri birbiri üzerinden kayarak (öteleme)hareket eder. Sıkıştırılamaz. Sıvılar sıkıştırıldığında hacimleri küçülmez.

SIVILARIN ÖZELLİKLERİ Sıvılar, katılara göre daha düzensizdir. Sıvıları oluşturan tanecikler arasındaki boşluklar, katılara göre daha fazladır. Sıvı tanecikleri arasındaki çekim kuvveti, katılardakine göre daha azdır. Sıvılar, akışkandır.

GAZLARIN ÖZELLİKLERİ Gaz maddelerin belli bir şekilleri yoktur. Belli bir hacimleri yoktur. Bulundukları ortama yayılırlar. Gazları oluşturan tanecikler arasındaki boşluklar çok fazladır. Bu nedenle sıkıştırıldıkça hacimleri küçülür.

GAZLARIN ÖZELLİKLERİ Gaz hali, maddenin en düzensiz halidir. Gazları oluşturan tanecikler arasındaki çekim kuvveti çok azdır. Gazlar, uçucudur. Gazlar rahatlıkla sıkıştırılabilir.

Maddelerin Özellikleri Katı Sıvı Gaz Sıkışma Sıkıştırılamaz Sıkıştırılır Genleşme Genleşir Öteleme Yapmaz Yapar Tanecik arası boşluk Yok Vardır Belirli şekil Yoktur

Maddelerin özelliklerini bulalım: Katı Sıvı Gaz Şekli değişebilir. X Sıkıştırılabilir. Tanecikler arasında çok boşluk vardır. Tanecikler birbirine çok yakındır. Sıkıştırılamaz. Şekli değişemez. Hacmi değişmez.

Hangisi Sıkışır? MADDE Gözlemler AÇIKLAMALAR DEMİR ________ Yapısında boşluk olmadığı için SU HAVA X Yapısında boşluk olduğu için

HAL DEĞİŞİM OLAYLARI Bir maddenin dışarıdan ısı (enerji) alarak veya dışarıya ısı (enerji) vererek bir halden başka bir hale geçmesine; “hal değiştirme” denir.

Hal değişimlerinde ısı değişimi vardır.

Suyun Üç Hali ve Modellemesi Buz Su Su Buharı

MADDENİN HAL DEĞİŞİMİ KATI SIVI GAZ KIRAĞILAŞMA ERİME BUHARLAŞMA DONMA YOĞUNLAŞMA SÜBLİMLEŞME KIRAĞILAŞMA

KATI SIVI GAZ Isı alır Tanecikler arası boşluk artar Eylül 18 Isı alır Tanecikler arası boşluk artar Moleküllerin düzenliliği azalır SÜBLİMLEŞME ERİME BUHARLAŞMA KATI SIVI GAZ DONMA YOĞUNLAŞMA KATILAŞMA Isı verir Tanecikler arası boşluk azalır Moleküllerin düzenliliği artar

Eylül 18 MADDENİN HAL DEĞİŞİMİ ERİME : Katı haldeki bir maddenin ısı alarak sıvı hale geçmesidir. DONMA : Sıvı haldeki bir maddenin ısı vererek katı hale geçmesidir. BUHARLAŞMA : Sıvı haldeki bir maddenin ısı alarak gaz hale geçmesidir. YOĞUNLAŞMA : Gaz haldeki bir maddenin ısı vererek sıvı hale geçmesidir. SÜBLİMLEŞME : Katı haldeki bir maddenin ısı alarak gaz hale geçmesidir. KRİSTALLEŞME : Gaz haldeki bir maddenin ısı vererek katı hale geçmesidir.

Katıdan sıvıya, sıvıdan gaza, katıdan gaza doğru geçişlerde; Eylül 18 Maddelerin Hal Dönüşümleri Nasıldır? Not : Katıdan sıvıya, sıvıdan gaza, katıdan gaza doğru geçişlerde; Toplam enerji artar, Düzensizlik artar, Tanecikler arası uzaklık artar, Tanecikler arası çekim kuvveti azalır.