Genel Kimya BÖLÜM 6: GAZLAR Petrucci • Harwood • Herring 8.ci Baskı Chemistry 140 Fall 2002 Genel Kimya Petrucci • Harwood • Herring 8.ci Baskı BÖLÜM 6: GAZLAR Iron rusts Natural gas burns Represent chemical reactions by chemical equations. Relationship between reactants and products is STOICHIOMETRY Many reactions occur in solution-concentration uses the mole concept to describe solutions Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 İçerik 6-1 Gazların Özellikleri: Gaz Basıncı 6-2 Gaz Kanunları 6-3 Gaz Kanunlarının Birleşimi: İdeal Gaz Eşitliği ve Genel Gaz Eşitliği 6-4 İdeal Gaz Eşitliğinin Uygulamaları 6-5 Kimyasal Reaksiyonlarda Gazlar 6-6 Gaz Karışımları 6-7 Gazların Kinetik ve Moleküler Teorisi 6-8 Kinetik ve Moleküler Teorisi ile ilgili Gaz Özellikleri 6-9 İdeal olamayan (Gerçek) Gazlar Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

Gaz Basıncı ve Ölçülmesi Barometre: açık hava basıncını ölçmeye yarayan alet Manometre: kapalı bir kaptaki gazın basıncını ölçmeye yarayan alet Gaz basıncı birimleri: Paskal (Pa), milimetre cıva (mmHg veya torr), atmosferik basınç (atm)

Deniz seviyesinde hava basıncı: 760mmHg Açık Hava Basıncı Barometre Deniz seviyesinde hava basıncı: 760mmHg Atmosferik basınç Cıva dolu kap

Açık Hava Basıncı Yükseklik (km) Basınç (mmHg)

Gaz Basıncı

Gaz Basıncı ve Ölçülmesi Açık uçlu manometre h h Pgaz = Patm - h Pgaz = Patm + h

Gaz Basıncı ve Ölçülmesi Kapalı uçlu manometre = h mmHg

Gaz Basıncı ve Ölçülmesi Boşluk 65 PNe = 65mmHg

Bu gazın basıncı nedir? 1 atm

6-1 Gazların Özellikleri: Gazların Basıncı Chemistry 140 Fall 2002 6-1 Gazların Özellikleri: Gazların Basıncı Basınç, birim alana düşen kuvvettir. P (Pa) = Yüzey (m2) Kuvvet (N) Gaz Basıncı Sıvı Basıncı Paskal, Pa; kilopaskal, kPa P = g ·h ·d Difficult to measure force exerted by gas molecules Measure gas pressure indirectly by comparing it with a liquid pressure. Liquid pressure depends only on the height of the liquid column and the density of the liquid. Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

Atmosferik (Barometrik) Basınç) Chemistry 140 Fall 2002 Barometrik Basınç Evangelista Torricelli, 1643 Standart Atmosferik (Barometrik) Basınç 1.00 atm =760 mmHg, 760 torr 101.325 kPa 1.01325 bar 1013.25 mbar Atmosferik (Barometrik) Basınç) Mention here that Pbar refers to MEASURED ATMOSPHERIC PRESSURE in the text. δHg = 13.5951 g/cm3 (0°C) g = 9.80665 m/s2 Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 Chemistry 140 Fall 2002 Manometreler Açık uçlu manometre ile gaz basıncının ölçülmesi Difficult to place a barometer inside a gas to be measured. Manometers compare gas pressure and barometric pressure. Gaz Basıncı Barometrik Basınca Eşittir Gaz Basıncı Barometrik Basınçtan Büyüktür Gaz Basıncı Barometrik Basınçtan Küçüktür Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 6-2 Basit Gaz Kanunları Sabit sıcaklıkta, sabit miktardaki gazın hacmi basıncı ile ters orantılıdır. P α 1 V Boyle 1662 PV = Sabit Basınç Hacim Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

Sıcaklığı ve miktarı sabit olan bir gazın basıncı ile hacminin çarpımı da sabittir. <n ve T >  sabit ise  P x V = k   ( k sabit bir sayı) ya da Sıcaklığı ve miktarı sabit olan bir gazın basıncı ile hacmi ters orantılıdır. <n ve T >  sabit ise   P a V-1   Şimdi bu olayı sürtünmesiz pistonlu kaplarda görelim...

Bu durumda P1.V1 = P2.V2 = P3.V3 ...

Şimdi bu olayın grafiklerini inceleyim Basınç (P)Hacim (V)Basınç (P)1/VPxVBasınç (P)PxVHacim (V)Bu grafiklerin hepsinde n ve T nicelikleri sabit tutulmuştur. Basınç (P) Hacim (V) 1/V PxV Bu grafiklerin hepsinde n ve T nicelikleri sabit tutulmuştur.

Örnek 5-6 V2 = P1V1 P2 = 694 L P1V1 = P2V2 Vtank = 644 L Gazlarda Basınç-Hacim İlişkisi – Boyle Kanunu. Başlangıç Koşulları 21.5 atm Son Durum 1.5 atm V2 = P1V1 P2 = 694 L P1V1 = P2V2 Vtank = 644 L Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 Chemistry 140 Fall 2002 Charles Kanunu Charles 1787 Gay-Lussac 1802 Sabit basınçtaki, belirli miktar bir gazın hacmi sıcaklıkla doğru orantılıdır. Mutlak Sıcaklık eşeli veya Kelvin eşeli: - 273.15oC veya 0 K, T(K)= t(oC)+ 273.15 V α T V = b T Hacim (mL) Hacim (mL) Three different gases show this behavior with temperature. Temperature at which the volume of a hypothetical gas becomes 0 is the absolute zero of temperature. The hypothetical gas has mass, but no volume, and does not condense into a liquid or solid. Sıcaklık (oC) Sıcaklık (K) Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

"Basıncı (P) ve miktarı (n) sabit olan bir gazın; hacmi (V) ile mutlak sıcaklığı (T) doğru orantılıdır.“ Bu olayı şöyle sembolize edebiliriz: < n ve P > sabit ise    V a T       

İkinci grafikte -273'ten sonra kesik kesik çizilen kısım; gazların oralarda sıvılaştığını ifade etmektedir. -273' ten daha küçük sıcaklıklarda maddenin gaz halinin bulunmadığı anlamına gelir.

Bu kanunu bir örnekle açıklayalım: Normal koşullarda bulunan bir miktar O2 gazının hacmi 20 L gelmektedir bu gazın hacmini aynı basınçta 100 L yapabilmek için sıcaklığını kaç 0C 'ye çıkartmalıyız?   ÇÖZÜM N.Ş.A    0 0C = 273 K ve  1 atm'de gazın hacmi 20 L ise; olduğuna göre;    V1/V2=T1/T2 T2 = 1365 K Sonuç 0C olarak istendiğine göre:  T 0K = t 0C + 273 ise          1365 = t 0C + 273 1365 - 273 = t 0C         1092  = t 0C

Gay – Lussac Kanunu "Hacmi ve miktarı sabit olan bir gazın, basıncıyla (P) mutlak sıcaklığı (T) doğru orantılıdır.“ Bunu şöyle formüle edebiliriz; < V ve n > sabit ise  P a T  yani    

Şimdi birde örnek çözelim: Kapalı bir kapta 2 atm. basınçta bulunan 0 0C'deki He gazının basıncını 8 atm. yapabilmek için sıcaklığını kaç 0C' çıkartmalıyız?   ÇÖZÜM Kapalı kap demek hacmi sabit olan gaz demek. Ayrıca gazı ısıtmakla mol sayısı da değişmeyeceğinden "n" de sabittir. Bu durumda;    Eşitliğinde değerleri yerine koyarsak;    Buradan T2 ' yi bulursak;             2T2 = 8 x 273               T2 = 4 x 273               T2 = 1092 0K      ancak sonuç 0C olarak istendiği için;            T 0K = t 0C + 273      1092 0K = t0C+ 273 1092 - 273  = t 0C             819 = t0C

Standart(Normal) Basınç ve Sıcaklık Gazların özellikleri şartlara bağlıdır. Normal Koşullar tanımı: P = 1 atm = 760 mm Hg T = 0°C = 273.15 K Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

DALTON YASASI Hacmi ve sıcaklığı sabit olan bir gazın basıncı ile mol sayısı doğru orantılıdır. Bu ifadeyi şöyle sembolize edebiliriz: < V ile T > sabit ise   P a  n 

AVOGADRO KANUNU Sıcaklığı ve basıncı sabit olan bir gazın hacmi ile mol sayısı doğru orantılıdır. Bu ifadeyi söyle sembolize edebiliriz. < P ile T > sabit ise V a n  dir.

General Chemistry: Chapter 6 Chemistry 140 Fall 2002 6-3 Gaz Kanunlarının Birleşmesi: İdeal Gaz Eşitliği ve Genel Gaz Eşitliği Boyle Kanunu V α 1/P Charles Kanunu V α T Avogadro Kanunu V α n V α nT P Any gas whose behavior conforms to the ideal gas equation is called an ideal or perfect gas. R is the gas constant. Substitute and calculate. PV = nRT Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 Gaz Sabiti PV = nRT R = PV nT = 0.082057 L atm mol-1 K-1 = 8.3145 m3 Pa mol-1 K-1 = 8.3145 J mol-1 K-1 = 8.3145 m3 Pa mol-1 K-1 Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 Genel Gaz Eşitliği R = = P2V2 n2T2 P1V1 n1T1 = PiVi PsVs niTi nsTs Bu denklem genellikle bir veya iki gaz özelliği sabit olduğu koşullarda uygulanılır ve denklem bu sabitler yok edilerek basitleştirilir. Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

6-4 İdeal Gaz Eşitliğinin Uygulaması Mol veya Kütle olarak gaz miktarı veriliyormu veya soruluyormu Eğer Gaz kütlesi sabitse İdeal Gaz Denklemini Kullanınız PV=nRT Eğer Gazın kütlesi değişiyorsa Genel Gaz denklemini kullanınız PiVi = PsVs niTi nsTs Evet Hayır Genel Gaz Denklemini birleşik gaz denklemine indirgeyerek kullanınız. PiVi = PsVs Ti Ts Ti=Ts Boyle Kanunu PiVi = PsVs Vi=Vs Pi = Ps Pi = Ps Ti Ts Vi = Vs Ti Ts Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

Mol Kütlesi Heaplanması PV = nRT ve n = m M m( verilen miktar) M(Mol Kütlesi) PV = m M RT M = m PV RT Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 Örnek 6-10 Mol Kütlesinin Ideal Gaz Eşitliği ile Bulunması Polipropilen endüstri için önemli bir kimyasaldır. Organik sentezlerde ve plastik üretiminde kullanılır. Cam bir kabın ağırlığı boş, temiz ve havasız iken 40.1305 g, su ile doldurulduğu zaman 138.2410 g (25°C deki δ=0.9970 g/cm3) ve polipropilen gazı ile doldurulduğu zaman 740.3 mm Hg basınç ve 24.0°C de 40.2959 g gelmektedir. Polipropilenin mol kütlesi nedir. Strateji: Vkab bulun, mgaz bulun, Gaz denklemini kullanın Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 Örnek 5-6 Vkab: Vkab = mH2O x dH2O = (138.2410 g – 40.1305 g) x (0.9970 g cm-3) = 98.41 cm3 = 0.09841 L mgaz: = 0.1654 g mgaz = mdolu - mboş= (40.2959 g – 40.1305 g) Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 Chemistry 140 Fall 2002 Örnek 5-6 Example 5-6 Gaz Denklemi: PV = m M RT M = m PV RT PV = nRT M = (0.9741 atm)(0.09841 L) (0.6145 g)(0.08206 L atm mol-1 K-1)(297.2 K) This gas must be ketene. There really are no other possibilities. M = 42.08 g/mol Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

Gazların Yoğunlukları Chemistry 140 Fall 2002 Gazların Yoğunlukları m m PV = nRT ve d = , n = V M PV = m M RT MP RT V m = d = Katı ve sıvı yoğunlukları ile gaz yoğunluğu arasında önemli iki fark vardır. 1- Gaz yoğunlukları önemli ölçüde basınç ve sıcaklığa bağlıdır; basınç arttıkça artar ve sıcaklık arttıkça azalır. Sıvı ve katıların yoğunlukları da sıcaklığa bağlı olmakla birlikte basınca çok az bağlıdır 2- Bir gazın yoğunluğu onun mol kütlesi ile orantılıdır. Sıvı ve katıların yoğunlukları ile mol kütleleri arasında hiçbir ilişki yoktur. Burada kaldık Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

6-5 Kimyasal Reaksiyonlarda Gazlar Stokiyometrik faktörlerin gaz miktarlarıyla olan ilişkisi diğer girenler veya ürünlerinki ile aynıdır. Ideal gaz eşitliği gazların kütle, hacim, sıcaklık ve basınç hesaplamalarında kullanılır. Birleşik gaz kanunu diğer gaz kanunları ile geliştirilebilir. Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

Birleşen Hacimler Kanunu Tepken ve ürünlerin yada bunların bazılarının gaz olduğu tepkimelerde stokiyometrik hesaplamalar oldukça basittir. 2NO(g) + O2 (g) 2NO2 (g) 2 mol NO + 1 mol O2 (g) 2 mol NO2(g) T ve P nin sabit olduğunu varsayınız, bu durumda bir mol gaz belli 1V hacmini, 2 mol gaz 2V hacmini ve 3 mol gaz 3V hacmini kaplayacaktır 2 L NO(g) + 1 L O2 (g) 2 L NO2(g) Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 Örnek 6-10 Ideal gaz Eşitliğinin Reaksiyon sitokiyometrisi hesaplamalarında kullanılması Yüksek sıcaklıkta sodyum azid, NaN3, bozunarak azot gazı N2(g) oluşturur. Gerekli reksiyon başlatıcı araçların kullanılması ve oluşan sodyum metalinin tutulmasıyla bu reksiyon sistemleri hava yastıklarında kullanılır. 70.0 g NaN3 in bozunmasıyla 735 mm Hg basınç ve 26°C sıcaklıkta ne kadar hacimde N2(g), elde edilir. 2 NaN3(s) → 2 Na(l) + 3 N2(g) Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 Örnek 6-10 N2 nin molünü hesaplayın: 1 mol NaN3 3 mol N2 nN2 = 70 g N3 x x = 1.62 mol N2 65.01 g N3/mol N3 2 mol NaN3 N2 :nin hacmini hesaplayın P nRT V = = (735 mm Hg) (1.62 mol)(0.08206 L atm mol-1 K-1)(299 K) 760 mm Hg 1.00 atm = 41.1 L Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

Gazlarda Difüzyon Yayılma Bir gaz karışımında gazlar birbirleri içerisinde yayılırken (Yol alırken) yaptıkları hız ya da aldıkları yol molekül kütlelerinin kareköküyle ters orantılıdır. 1. Bir gazın sıcaklığı artırıldığında kinetik enerjisi artar, dolayısıyla da yayılma hızı artar. 2. Aynı sıcaklıkta bulunan gazların kinetik enerjileri eşit olacağından yayılma hızı molekül kütlesinden etkilenir. 3. Molekül kütlesi küçük olan gaz daha hızlı hareket eder. 4. Molekül kütlesi büyük olan gazın özkütlesi de büyük olacağından hızları özkütlesiyle ters orantılıdır.            V ®               Bir gazın yayılma hızı            Bağıntısı yazılabilir.

Örnek Helyum gazından 4 defa daha yavaş hareket eden (yayılan) gaz hangisidir?               (C= 12, H= 1,       O= 16, S= 32)    A) CH4                  B) O2                                      C) C3H4                                D) SO2                                   E) SO3 Çözüm     Gaza X dersek. Bu gazı tanıyabilmek için mol kütlesini bulalım.             her iki tarafın karesini alalım.                Mx = 64 g/mol          Mol kütlesi 64 gram olan gaz SO2’dir.          Cevap (D)

5 m lik yolda H2 4 m gider. O2 1 m gider Örnek          Şekildeki gibi cam borunun A ucundan H2, B ucundan O2 gazları aynı anda bırakılıyor. Bu gazlar A ucundan itibaren kaçıncı metrede karşılaşır? (H= 1, O= 16) Çözüm Gazların yayılma hızları oranını bulalım. Çünkü hız oranları aldıkları yol oranıyla doğru orantılıdır.        Bu durumda          5 m lik yolda     H2 4 m gider.            O2 1 m gider                4 kat              4 kat                       4 kat          20 m lik yolda      16 m                        4 m

General Chemistry: Chapter 6 6-6 Gazların Karışımı Gaz kanunları gaz karışımlarına uygulanabilir. Basit bir yaklaşımla ntoplam, fakat.... Kısmi Basınç Aynı kab içerisindeki bir gaz karışımındaki herbir gaz bileşeni kendi kısmi basıncını uygular. Ptop= Pa + Pb + Pc....... Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

Dalton Kısmi Basınç Kanunu Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 Chemistry 140 Fall 2002 Kısmi Basınç Ptop = Pa + Pb +… Va = naRT/Ptop ve Vtop = Va + Vb+… Va Vtop naRT/Ptop ntopRT/Ptop = na ntop na a (Mol Kesiri) = Hatırlayın ntop Partial pressure is the pressure of a component of gas that contributes to the overall pressure. Partial volume is the volume that a gas would occupy at the total pressure in the chamber. Ratio of partial volume to total volume, or of partial pressure to total pressure is the MOLE FRACTION. Pa Ptop naRT/Vtop ntopRT/Vtop = na ntop Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

Gazların Su üzerinde toplanması Chemistry 140 Fall 2002 Gazların Su üzerinde toplanması Total pressure of wet gas is equal to atmospheric pressure (Pbar) if the water level is the same inside and outside. At specific temperatures you know the partial pressure of water. Can calculate Pgas and use it stoichiometric calculations. Ptop = Pbar = Pgaz + PH2O Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 PROBLEM 0.03 mol NO2 gazı kenar uzunluğu 13,5 cm olan bir kübün içine doldurulup sıcaklığı 40°C olduğunda gazın basıncını bulunuz. Çözüm yolu: V:a3 PV = n RT P. (13,5 )3 x10-3 L = 0.03 mol. 0.082 L/mol.K. (40+273)K Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

ÖRNEK Helyum ve Neon gaz karışımı 28 oC sıcaklık ve 745 mmHg basınçta, su üserinde toplanmıştır. Eğer helyumun kısmi basıncı 368 mmHg ise neonun kısmi basıncı nedir? (28 oC de suyun buhar basıncı 28,3 mmHg’dır) Çözüm yolu: Pt:Pneon+Phelyum+Psu

ÖRNEK Bir çinko metali örneği aşırı HCl ile tamamen tepkimeye sokulmuştur. Oluşan hidrojen gazı 25 oC de bir balonda toplanmıştır. Oluşan gazın hacmi 7,80 L ve basıncı 0,980 atm dir. Tepkimede oluşan çinko metalinin miktarını hesaplayınız . Çözüm yolu: Zn + 2HCl ZnCl2 + H2(g) Oluşan hidrojen gazının mol sayısını PV=nRT den bul ve stokiyometrik orantı kurarak Zn mol sayısını ve gramını bul.

ÖRNEK Saf olmayan 3 gram kalsiyum karbonat örneği hidroklorik asit çözeltisinde çözüldüğünde 20 oC sıcaklıkta ve 792 mmHg basınçta, 0,656 L karbondioksit gazı açığa çıkmıştır. Kalsiyum karbonatın saflık yüzdesi nedir? Çözüm yolu: CaCO3 + 2HCl CaCl2 + CO2 + H2O Karbondioksitin mol sayısını PV=nRT den bul Bu mol sayısına göre kalsiyum karbonatın tepkimeye girmesi gereken mol sayısı ve gramını bul. Başlangıçta konan miktar ile orantıla ve yüzdeyi hesapla.

ÖRNEK Hidrojen Bromür gazının 733 mmHg basınç ve 46 oC sıcaklıkta yoğunluğunu hesaplayınız? MP RT d =

ÖRNEK 6,11 gram Cu-Zn alaşımı hidrojen gazı oluşturmak üzere hidroklorik asit ile tepkimeye girmektedir. 22 oC ve 728 mmHg de hidrojen gazının hacmi 1,26 L ise alaşımdaki Zn yüzdesi nedir?

6-7 Kinetik MolekülerTeori Chemistry 140 Fall 2002 6-7 Kinetik MolekülerTeori Gaz partikülleri noktasal kütleli, sabit, rastgele ve doğrusal hareket yaparlar. Gaz partikülleri birbirlerinden çok uzak mesafededirler. Tüm çarpışmalar hızlı ve elastiktir. Gaz partikülleri arasında herhangi bir kuvvet yoktur. Toplam enerji sabit kalır. Natural laws are explained by theories. Gas law led to development of kinetic-molecular theory of gases in the mid-nineteenth century. Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

6-8 Kinetik Molekül Teorisine Bağlı Gaz Özellikleri Yayılma( Difüzyon) -Rastgele molekül hareketi sonucu moleküllerin göç etmesidir. Dışa Yayılma(Efüzyon) Gaz moleküllerinin bulundukları kaptaki küçük bir delikten kaçmasıdır. Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 Graham Kanunu İki farklı gazın dışa yayılma hızları mol kütlelerinin karekökü ile ters orantılıdır Yalnızca düşük basınçtaki gazlar içindir (tabii kaçma,). Küçük bir delikten Difüzyona uygulanmaz. Oran: Efüzyon hızı Moleküler hızlar Efüzyon zamanı Moleküllerin aldığı yolu Efüzyon olmuş gaz miktarları. Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 6-9 Gerçek Gazlar Sıkıştırılabilirlik faktörü: PV/nRT = 1 Gerçek gazlardan sapma. PV/nRT > 1 – Moleküler hacim büyük ise. PV/nRT < 1 – moleküller arası etkileşim kuvveti. Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 Gerçek Gazlar Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 van der Waals Denklemi n2a P + V – nb = nRT V2 Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6

General Chemistry: Chapter 6 Örnek: a = 5.46 l2.atm/mol2 ve b = 0,0304 l/mol olduguna göre 500 K sıcaklıkta 5 mol su buharının 8 litrelik bir kapta yapacagı basıncı van der Waals denklemi yardımıyla hesaplayın. Prentice-Hall © 2002 General Chemistry: Chapter 6