Yrd. Doç. Dr. Betül DEMİRDÖĞEN GAZLAR Yrd. Doç. Dr. Betül DEMİRDÖĞEN

MADDE ve HALLERİ Kütlesi, hacmi olan ve taneciklerden (atom, iyon veya molekül) oluşan her şeye madde denir. Tanecikler arasında boşluk var. Tanecikler arasındaki boşluk tüm maddelerde aynı mı?

MADDE ve HALLERİ ÖNEMLİ: suyun katı hâlinin (buz) tanecikleri arasındaki mesafe, sıvı hâlin tanecikleri arasındaki mesafeden daha fazladır.

MADDE ve HALLERİ Hayatımız için maddelerin farklı fiziksel hallerde olması oldukça önemlidir. Eğer su hayatımızı devam ettirdiğimiz koşullarda sıvı hâlde olmasaydı yaşamımız oldukça zor olurdu. denizler, göller sıvı hâlde olmazdı ve bu nedenle sulardaki canlı yaşamından bahsedemezdik. Bitkiler, ihtiyaçları olan suyu kökleri ile topraktan alamazlardı. Suyu içmek, temizlenmek vb. ihtiyaçlarımız için kullanmakta zorlanırdık. Irmaklar, denizler ve okyanuslar sıvı hâlde olmasaydı, tarih boyunca medeniyetler kıtalar arası ulaşım yapamadıkları için birbirleriyle sosyal, kültürel ve ekonomik etkileşim de kuramayacaklardı.

MADDE ve HALLERİ Sıvılaştırılmış gazlar hayatımızda önemli yer tutar LPG (sıvılaştırılmış petrol gazı), Bir litre sıvı LPG, gaz hâline getirildiğinde, normal şartlarda yaklaşık 250 litrelik gaz hacmine ulaşır LNG (sıvılaştırılmış doğal gaz), gaz hâlinin hacmi sıvı hâlinin hacminden yaklaşık 600 kat büyük deodorantlarda kullanılan itici gazlar Sıkıştırılarak kolaylıkla sıvılaştırılabilir ve üstündeki basınç kaldırılınca tekrar gaz hâline geçerek büyük bir hızla ileriye doğru püskürtülür. Soğutucularda kullanılan gazlar Gazın yoğunlaşması sırasında ısı vermesi ve sıvının gaz haline geçmesi sırasında ısı alması döngüsü kullanılır.

GAZLAR Gaz, maddenin üç hâlinden biridir. Gaz terimi, normal sıcaklık (0 𝑜 𝐶 ) ve basınçta (1 atm) gaz hâlinde bulunan maddeler için kullanılır. Buhar ise normal sıcaklık ve basınçta bir sıvı veya katının gaz şeklidir. Atmosferi oluşturan hava, çeşitli gazlardan oluşan bir karışımdır. Hacimce bileşimi %78,08 N2, %20,95 O2, %0,93 Ar %0,04 CO2 Diğer gazlar (CO, su buharı, He, Ne, Ar)

GAZLARIN ÖZELLİKLERİ Gazlar Bulundukları kabın hacmini ve şeklini alacak şekilde genleşirler. Başka bir gaz içerisinde yayılırlar ve her oranda karışırlar (homojen karışım). Gazların fiziksel davranışlarını dört özellik belirler: Basınç Hacim Sıcaklık Gaz miktarı (mol sayısı)

BASINÇ (P) Balon hava ile doldurulduğu zaman şişer. Balonu şişirilmiş halde tutan şey nedir? Gazı oluşturan tanecikler hem birbirleri hem de içinde bulundukları kabın çeperlerine çarparlar. Bu çarpışma nedeniyle kabın iç duvarlarına bir kuvvet uygulanır. Bu kuvvet balonu genişletir ve şişkin tutar.

BASINÇ (P) Rastgele hareket eden bu taneciklerin birim alana uyguladıkları kuvvete gaz basıncı denir

BASINÇ (P) Atmosferi oluşturan gazların uyguladığı basınçta aynı şekilde meydana gelir. Biz, gözle görülmeyen sürekli bir şekilde bize çarpan ve vücudumuzda kuvvet oluşturan bir molekül fırtınası içerisindeyiz. Fizyolojik olarak uyum sağlandığından, genellikle bu basıncın farkında olmayız. Atmosfer basıncı, deniz seviyesinden yükseklere çıkıldıkça azalır. Atmosfer basıncının varlığını kanıtlamak oldukça kolaydır. Pipetle meyve suyu içmek Pipetin içindeki havayı emmek, pipetin içindeki basıncı düşürür ve pipetin dışındaki sıvının üzerinde göreceli olarak artan atmosfer basıncı, sıvıyı pipet boyunca iterek emilen havanın yerini almasını sağlar

BASINÇ (P) Gaz basıncı nasıl ölçülür? Gaz moleküllerinin oluşturduğu toplam kuvvetin ölçülmesi kolay değildir. Bu nedenle P=F/A denkleminin gazlara uygulanması güçtür. Bir gazın basıncı, sıvı basıncıyla kıyaslayarak dolaylı yoldan ölçülür. Sıvı basıncı sadece sıvı sütununun yüksekliğine ve yoğunluğuna bağlıdır.

ATMOSFER BASINCI Emme basma tulumba kullanarak yerin altından çıkan suyun yükselmesinin nedenini doğanın vakumdan(boşluktan) hoşlanmaması ile açıklayabiliyorlardı. Ancak emme basma tulumbaları ile suyu yaklaşık 10,5 metre kadar çıkarabiliyorlardı. Suyun daha fazla yükselememesinin sebebi olarak yapılan pompaların iyi olmadığı düşüncesini öne sürüyorlardı ve sürekli daha fazla paralara mal olan yeni pompalar üretilmesine rağmen sonuç değişmiyordu. Zamanın bilim adamlarından Torriçelli yukarı çıkan suyun nedeninin doğa vakumu sevmez gibi bir açıklamadan daha iyi bir açıklaması olduğunu düşünüyordu. Torricelli ye göre suyun yukarı çıkmasının nedeni suyun vakumu doldurmak için uyguladığı kuvvet değildi Torricelli suyun emildiğini değil, suyun itildiğini düşünüyordu. Peki suyu iten şey neydi?

ATMOSFER BASINCI Torricelli’nin teorisine göre “Biz bir hava denizinin dibinde yaşıyoruz” suyun yükselmesinin nedeni suyun üzerindeki havanın suya uyguladığı basınçtı ve bu basıncın büyüklüğü suyun üzerindeki havanın ağırlığına bağlıydı. Bunu tahterevallide ki duruma benzetebiliriz. Suyun belli bir yüksekliğe çıkabilmesi ancak suya uygulanan basıncın büyüklüğüne yani suyun üzerindeki havanın ağırlığına bağlıydı.

ATMOSFER BASINCI Atmosfer basıncı barometre ile ölçülür. Barometre ilk defa1643’teToricelli tarafından geliştirilmiştir.

ATMOSFER BASINCI Toricelli ne yapmıştır; Ucu kapalı uzun, ince bir tüpün içine cıva doldurularak bu tüpü içi cıva dolu başka bir kaba ters çevirerek koymuştur. Her defasında cıva ile dolu tüpün içindeki cıvanın belirli seviyeye kadar düştüğünü ve orada kaldığını gözlemlemiştir. Çünkü tüpteki cıvanın aşağıya doğru uyguladığı basınç, cıvayı tüpün içerisinde yükselmeye zorlayan atmosfer basıncına eşit olana kadar kaba boşalmaktadır.

ATMOSFER BASINCI Tüpteki civanın yüksekliği atmosfer basıncına bağlıdır. Atmosfer basıncı hava koşullarına ve deniz seviyesinden bulunulan yüksekliğe bağlı olarak günden güne değişir. Deniz seviyesinde normal atmosfer basıncı tam olarak 760 mmHg (76 cmHg) olarak tanımlanır. 760 mmHg (76 cmHg)= 1 atmosferdir (1 atm).

GAZ BASINCI Açık hava basıncı barometre ile ölçülüyor. Peki, belirli bir miktardaki herhangi bir gazın hacmi nasıl ölçülür? Manometre

HACİM (V) Gazlar bulundukları kabın hacmini tamamen doldururlar Bu nedenle bir gazın hacmi denildiğinde, bulunduğu kabın hacmi anlaşılır. Herhangi bir hacim birimi kullanılabilir. İdeal gaz kanunu ile ilgili eşitliği kullanırken hacim birimi litre (L) olmalıdır. Diğer hacim birimleri ve dönüşümleri

MADDE MİKTARI (MOL) Gazların madde miktarı, genellikle mol sayısı ile belirtilir.

SICAKLIK (T) Gazı oluşturan taneciklerin hareketi (kinetik enerji) sıcaklıkla doğru orantılı olarak artar. Bu nedenle gazları tanımlarken gazın bulunduğu ortamın sıcaklığından da bahsetmek gerekir. Sıcaklık termometre ile ölçülür. Gaz sıcaklığı ölçülürken en çok kullanılan sıcaklık birimleri Celsius ( 𝑜 𝐶 ), Fahrenhayt (F) ve Kelvin (K) Gazları tanımlarken en çok kullanılan sıcaklık birimi ise Kelvin olup “T’’ ile gösterilir. Kelvin ile belirtilen sıcaklık, mutlak sıcaklık olarak bilinir

KELVIN SICAKLIK ÖLÇEĞİ (K) Gazların davranışını açıklayan kinetik teoriye göre atomların hızı sıcaklıkla doğru orantılıdır. Yani sıcaklık düştükçe taneciklerin hızı azalır. Hangi sıcaklıkta atom veya moleküller hareket tamamen durur? Atom veya moleküllerin hareketin tamamen durduğu sıcaklığa mutlak sıfır noktası denir. Mutlak sıfır noktası -273,15 𝑜 𝐶 olarak bulunmuştur. Charles/Gay Lussac (Çarls/Gey Luzek) yasasına göre bu sıcaklığa inilince gazların hacimleri sıfır olmaktadır ki bu da mümkün değildir. Kütlesi olan bir maddenin hacminin olmaması söz konusu değildir. İşte bu yüzden -273,15 𝑜 𝐶 ’a veya bunun altındaki sıcaklıklara inmek mümkün değildir. Kelvin bu değeri 0 olarak alarak bir sıcaklık ölçeği geliştirmiştir. Bu ölçeğin negatif değerleri olmadığından buna mutlak sıcaklık ölçeği adı verilir.

GAZ YASALARI Gazlar, katı ve sıvılardan farklı olarak, kimyasal yapıları ne olursa olsun benzer fiziksel davranışlar gösterirler. CO ve CO2’in kimyasal özellikleri birbirinden çok farklı iken, fiziksel özellikleri birbirine benzerlik gösterir. Bu durumdan yola çıkarak gazların basınç (P), sıcaklık (T), hacim (V) ve miktar (n) gibi özellikleri arasındaki ilişkileri ortaya koyan gaz yasaları türetilmiştir. Dört değişken arasındaki özel ilişkiler gaz yasaları olarak bilinir ve davranışı bu kanuna uyan gazlar ideal gaz olarak tanımlanır.

Basınç-Hacim İlişkisi (P-V): Boyle Yasası Bir balonu sıkıştırdığımız zaman hacminin küçülür ve aşırı zorlamalarda da patlar hepimiz biliriz. Bir gazın hacmi ile basıncı arasındaki ilişkiyi ilk inceleyen kişi 1660 yılında İngiliz bilim insanı Robert Boyle olmuştur

Basınç-Hacim İlişkisi (P-V): Boyle Yasası İçinde gaz örneği bulunan hareketli pistonu hacmi azaltmak üzere aşağı doğru ittiğinizde ne olur? Pistonu iterken bir dirençle karşılaşırsınız. Çünkü silindir içindeki gazın basıncı artacaktır.

Basınç-Hacim İlişkisi (P-V): Boyle Yasası Boyle, gazların bu davranışını Boyle yasası ile ifade etmiştir. Boyle yasasına göre, sabit sıcaklıkta belli bir miktar gazın hacmi, basıncıyla ters orantılıdır

Basınç-Hacim İlişkisi (P-V): Boyle Yasası Farklı basınç ve sıcaklık değerleri için Bu eşitlikte, sabit sıcaklık ve basınçtaki P1: İlk basınç, P2: İkinci basınç, V1: İlk hacim ve V2: İkinci hacimdir. Sayfa 199 (kavram değerlendirme)

Sıcaklık-Hacim ilişkisi (T-V): Charles Yasası Sabit basınçta belli miktar bir gazın, sıcaklığındaki değişim hacme nasıl etki eder? 1787 yılında İngiliz bilim insanı Charles; oksijen, azot, hava, karbondioksit gibi gazların aynı sıcaklıklara ısıtıldıklarında eşit miktarda genleştiklerini gözlemledi. Sabit basınçtaki belli bir miktar gazın ısıtıldıkça hacminin arttığını ve soğudukça hacminin azaldığını göstermiştir. “Sabit basınçtaki belli bir miktar gazın hacmi doğrudan onun mutlak sıcaklığıyla orantılı olarak değişir.” Kelvin olarak gaz sıcaklığı artırılırsa hacim artar; gaz sıcaklığı azaltılırsa hacim azalır

Sıcaklık-Hacim ilişkisi (T-V): Charles Yasası Farklı basınç ve madde miktarı için eşitlik, (sayfa 201, 6-3) (V1 ve V2 sırasıyla I. ve II. durumdaki hacim, T1 ve T2 ise sırasıyla I. ve II. durumdaki Kelvin sıcaklık değerleridir)

Sıcaklık-Basınç İlişkisi (T-P): Gay-Lussac Yasası Gazların sıcaklık ve basınç arasındaki ilişki ilk defa Fransız bilim insanı Joseph Gay Lussac tarafından incelenmiştir. Sabit hacimdeki, belli bir miktar gazın basıncı, mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır Farklı hacim ve madde miktarı için yukarıdaki eşitlik,7 Burada P1 ve P2 sırasıyla I. ve II. durumdaki basınç; T1 ve T2 ise I. ve II durumdaki Kelvin sıcaklık değerleridir

Sıcaklık-Basınç İlişkisi (T-P): Gay-Lussac Yasası

Hacim-Miktar İlişkisi (n-V): Avogadro Yasası Avogadro, sabit sıcaklık ve basınçta gazların eşit hacimlerinin eşit sayıda molekül içerir hipotezini ileri sürmüştür. Bu hipotezi Avogadro yasası takip etmiştir. Avogadro yasası; sabit basınç ve sıcaklıkta gaz hacminin madde miktarı ile doğru orantılı olduğunu söyler. Gaz miktarı yarıya düşerse gaz hacmi de yarıya düşer; gaz miktarı iki katına çıkarsa hacim de iki katına çıkar.

Hacim-Miktar İlişkisi (n-V): Avogadro Yasası Farklı basınç ve sıcaklık için eşitlik, Burada V1 ve V2 sırasıyla I. ve II. durumdaki hacim; n1 ve n2 ise I. ve II durumdaki mol sayısı değerleridir. NŞA yerine standart sıcaklık ve basınçta ifadesi de kullanılır.

Gaz Yasalarının Birleştirilmesi: İdeal Gaz Denklemi Basit gaz yasalarının üçü hacim değişikliklerine, diğer iki etkenin sabit kaldığı durumda, bir değişkenin etkisini anlatır. Boyle yasası, basıncın etkisini tanımlar, V∝1/P (sabit T ve n) Charles yasası, sıcaklık etkisini tanımlar, V∝T (sabit P ve n) Avogadro yasası, gaz miktarının etkisini tanımlar, V∝n (sabit P ve T) Bu üç yasayı; hacim, basınç, sıcaklık ve gaz miktarı gibi dört değişkeni içeren tek bir denklemde (ideal gaz denklemi) birleştirebiliriz.

Gaz Yasalarının Birleştirilmesi: İdeal Gaz Denklemi İdeal gaz denklemine uyan gaza ideal gaz denir. Burada V, ideal gazın hacmi (L); P, ideal gazın basıncı (atm); n, ideal gazın mol sayısı ve R ideal gaz sabitidir. Gaz sabiti R’nin değeri bir gazın standart molar hacminden hesaplanabilir. 1 mol gaz 0 oC (273,15 K) ve 1 atm basınçta 22,4 L hacim kapladığından, R gaz sabitinin değeri SI birim sisteminde 0,082 (L.atm)/(K.mol)

Gaz Yasalarının Birleştirilmesi: İdeal Gaz Denklemi İdeal gaz, teorik olduğu varsayılan ve gaz yasalarına tam olarak uyan gazdır. İdeal olarak kabul edilen bir gazın, Bir tek gaz molekülünün hacmi toplam hacim yanında ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Moleküller arası çekim kuvveti yok denecek kadar azdır. Gerçek gazlar, Yüksek sıcaklık ve düşük basınçta idealliğe yaklaşır. Düşük sıcaklık ve yüksek basınçta ideallikten uzaklaşır

Kinetik Teori Gaz Yasalarını Nasıl Açıklar? Peki ideal gazlar neden bu yasalara (örn., Boyle yasası) uygun davranırlar? Bu soruya cevap bulabilmek için bir teori geliştirilmesi gerekir. Bu teori ile “gazların gaz yasalarına uyan davranışlarına neden olan her bir gaz taneciğinin özellikleri nelerdir?» sorusuna cevap buluur. Gazların gaz yasalarına neden uyduğunu açıklayan en önemli teorinin adı Kinetik Gaz Teorisi ya da Gazların Kinetik-Molekül Kuramıdır.

Kinetik Teori Gaz Yasalarını Nasıl Açıklar? Kinetik Teori önce Bernouli (Bernoli) tarafından önerilmiş olup daha sonra Clausius, Maxwell, Boltzman ve Van Der Waals tarafından geliştirilmiştir. Kinetik teori varsayımları Gazlar molekül (bazı durumlarda atom) denilen ve her biri aynı kütleye sahip olan temel taneciklerden oluşur. Bunların şekli ve kütlesi gazdan gaza değişir. Bu tanecikler gelişigüzel bir şekilde hareket ederek birbirleri ile çarpışırlar. Moleküllerin kinetik enerjileri Kelvin sıcaklığı ile doğru orantılıdır. Gazın toplam hacminin yanında gazı oluşturan taneciklerin kendi hacimleri ihmal edilebilir; gazın hacminin büyük çoğunluğu boşluktan ibarettir. Moleküller arasındaki mesafe büyük olduğundan moleküller arasındaki çekme ve itme kuvvetler ihmal edilebilir. Moleküllerin kendi aralarında ve kabın duvarları ile yaptıkları çarpışmalar esnektir. Yani sürtünmeden dolayı bir enerji kaybı söz konusu değildir.

KAYNAKLAR Petrucci, R.H., Herring , F.G, Madura, J. D., & Bisonnette, C. (2012). Genel Kimya I: İlkeler ve Modern Uygulamalar, 10. Baskıdan Çeviri (Çeviri Editörleri: Tahsin Uyar, Serpil Aksoy, Recai İnam), Ankara: Palme yayıncılık Chang, R. (2011). Genel Kimya: Temel Kavramlar, Dördüncü Baskıdan Çeviri (Çeviri Editörleri: Tahsin Uyar, Serpil Aksoy, Recai İnam), Ankara: Palme yayıncılık Altun, Y. ve Tümay, H., Ortaöğretim Kimya 9 Ders Kitabı, Sözcü Yayıncılık, 2013