7.DERS 1. Sıvılar, gazlar ile katılar arasında yer almaktadır. Tanecikleri ne gazlarda olduğu gibi tamamen bağımsız hareket edebilirler, ne de katılarda.

... konulu sunumlar: "7.DERS 1. Sıvılar, gazlar ile katılar arasında yer almaktadır. Tanecikleri ne gazlarda olduğu gibi tamamen bağımsız hareket edebilirler, ne de katılarda."— Sunum transkripti:

1 7.DERS 1

2 Sıvılar, gazlar ile katılar arasında yer almaktadır. Tanecikleri ne gazlarda olduğu gibi tamamen bağımsız hareket edebilirler, ne de katılarda olduğu gibi sadece sabit noktalarda sınırlı bir titreşim hareketi yapabilirler. Sıvılarda kütleyi oluşturan taneciklerin birbiri üzerinde kayarak hareket ettikleri düşünülmektedir. Aynı zamanda sıvılar, bastırılamazlar yani sıkıştırılamazlar. Çünkü sıvı molekülleri arasındaki boşluklar ihmal edilebilecek kadar az olduğundan dolayı, gazların aksine sıvılar kendi hacimlerini korurlar. Diğer taraftan sıvıyı oluşturan atom veya moleküller birbirlerine çok yakın olduklarından, moleküller arasındaki karşılıklı çekim kuvvetleri gazlara oranla daha fazladır. Ayrıca sıvı moleküllerinin belirli bir konumu bulunmadığından, mümkün olabilen en düşük potansiyel enerjiye sahip olabilecek tarzda birbirleri üzerinden serbestçe kayabilirler. Bunun sonucu olarak da sıvılar bulundukları kabın şeklini almaktadırlar. SIVILAR 2

3 Sıvılarda da difüzyon olayı görülmektedir. Ancak gazlara göre difüzyon hızları daha yavaştır. Örneğin, suya bir damla mürekkep damlatılacak olursa, önce mürekkep ile su arasında oldukça kesin bir sınırın mevcut olduğu, bir müddet sonra da mürekkebin yavaş yavaş su içinde dağıldığı gözlenir. 3

4 4

5 5 Bir sıvının yüzeyindeki moleküller, aralarındaki kohezyon kuvvetlerinden dolayı (molekülleri içeriye doğru çeken kuvvet) birbirine daha çok yaklaştırılmış durumdadır ve yüzeyi terk edemezler. Bu yüzden sıvının yüzeyi sıkıştırılmış gibi olup, potansiyel enerjisi yüksek bir sıra molekülün oluşturduğu ince bir zar ile örtülmüş gibidir. Sıvının sıcaklık artışından dolayı, kinetik bir hız ile yüzeye ulaşan moleküllerden bazıları birden bire yüzey zarı tarafından durdurulurken, bazıları ise bu engeli aşarak sıvı dışına çıkabilirler. İşte bu olaya buharlaşma adı verilir. Molekülleri dışarı doğru atan kinetik kuvvet ile molekülleri içeri doğru çeken kohezyon kuvveti arasındaki farka da buhar basıncı denilmektedir.

6 6

7 7

8 8 Bir sıvının buharlaşma basıncının atmosfer basıncına eşit olduğu sıcaklığa da o sıvının kaynama noktası denir. Buna göre suyun 100 ◦ C’de kaynaması, buhar basıncının 100 ◦ C’de 1 atmosfere (atm) eşit olduğunu gösterir. Eğer buharlaşma kapalı bir kapta yapılacak olursa, buharlaşan sıvı molekülleri dışarıya çıkamayacakları için gelişigüzel hareketler yaparken bazıları sıvı fazına geri dönerler. Bu şekilde, buharın sıvı haline dönüşmesi olayına da yoğunlaşma denir.

9 Sıvıların buhar basıncı, moleküllerinin sahip oldukları kinetik enerjiye yani sıcaklıklarına bağlı olarak değişmektedir. Dolayısıyla, sıvının sıcaklığı yükseldikçe, buhar basıncı artmaktadır. Kaynamakta olan saf bir sıvının sıcaklığı, sıvının tamamı buharlaşıncaya kadar sabit kalmaktadır. Bu sıvının 760 mm Hg (1 atmosfer) hava basıncının bulunduğu yerdeki kaynama sıcaklığına da bu sıvının normal kaynama noktası denir. 9

10 Bir sıvıyı buharlaştırmak için moleküller arasındaki çekim kuvvetlerine karşı bir iş yapılmalıdır. Bu enerji ise sisteme çevreden ısı olarak verilmektedir. Moleküller arasındaki çekim kuvvetleri sıvıdan sıvıya değişeceği için verilmesi gereken ısı miktarları da değişecek ve her sıvı için kendine özgü olacaktır. Dolayısıyla, sıvının 1 gramını kaynama noktasında tamamen buhar haline getirmek için verilmesi gereken ısı miktarına özgül buharlaşma ısısı denilir. Örneğin; 100◦C’deki 1 gram su için özgül buharlaşma ısısı, yaklaşık olarak 540 kaloridir. Tersine bir buhar yoğunlaşırsa, sistem daha düşük enerjili bir duruma geçeceğinden çevreye ısı verecektir. Bu da miktar olarak buharlaşma ısısına eşit olup, özgül yoğunlaşma ısısı adını alır. Belli bir sıcaklıkta, 1 mol sıvıyı buharlaştırmak için ona verilmesi gereken enerji miktarına da molar buharlaşma ısısı denir. Buharlaşma ısısı genellikle normal kaynama noktasında ölçülür. 1 mol buharı sıvılaştırmak için serbest bırakılması gereken ısı miktarına da molar yoğunlaşma ısısı denir. Mutlak değer olarak buharlaşma ısısına eşit fakat eksi işaretlidir. 10

11 Donma 11

12 12

13 13 Erime (Zaman) Sıcaklık ◦ C Suyun Isınma Eğrisi

14 14

15 15

16 16

17 17

18 18

19 19

20 20

21 21 1 mol su 18 g 40,66 kJ/mol 90 g x= 203,3 kJ/mol 1 mol buz 18 g 6,01 kJ/mol 90 g x= 30,05 kJ/mol

22 22

23 23

24 24

25 25

26 26

27 27

28 28

29 29

30 30

31 31

32 32

33 33

34 34

35 35

36 Uçucu olmayan bir maddenin uçucu olan bir çözücü içerisinde çözünmesi esnasında, ısı alışverişi olmayan çözeltilere de ideal çözeltiler denir. İdeal çözeltilerde; buhar basıncı düşmesi, donma noktası düşmesi ve kaynama noktası yükselmesi gibi özellikler vardır. Buhar basıncı düşmesi: İdeal çözeltilerde buhar basınçları, çözünen bileşenin mol kesrinin artması ile orantılı olarak düşer. Belirli bir sıcaklık derecesinde; P 0 saf çözücünün buhar basıncı, P çözeltinin buhar basıncı olsun. Buhar basıncı düşmesi (P 0 -P) olacaktır. Buhar basıncının bağıl azalması ; (P 0 -P) / P 0 ile gösterilebilir. Çözücünün mol sayısı n 1, çözünenin mol sayısı n 2, çözücünün mol kesri X 1 ve çözünenin mol kesri X 2 olarak alınır. Raoult Kanunu’na göre, buhar basıncının azalması çözünen maddenin mol kesrine eşittir: 36 İdeal Çözeltiler ve Özellikleri

37 X 1 + X 2 =1 olduğundan, P = X 1. P 0 ifadesi bulunur. Buhar basıncı düşmesi (P 0 -P) =  P olarak alınırsa,  P = X 2.P 0 ifadesi bulunur. Buna göre, bir çözeltideki buhar basıncı düşmesi çözünenin mol kesri ile orantılıdır. Bundan faydalanarak molekül ağırlığı bilinmeyen çözünen bir maddenin molekül ağırlığı bulunabilir: 37

38 Örnek: 15  C’de 450 g suda 30 g üre çözünmüştür. Verilen sıcaklık derecesinde saf suyun buhar basıncı 12,70 mm Hg ve elde edilen çözelti için ölçülen buhar basıncı 12,45 mm Hg olduğuna göre, ürenin molekül ağırlığını bulunuz. 38

39 39

40 40

41 Uçucu olmayan çözünen (katı) ile hazırlanan bir çözeltinin buhar basıncının saf çözücünün buhar basıncına göre düşük olması, çözeltinin kaynama noktasının yükselmesine ve donma noktasının düşmesine neden olur. Çözücünün katı halinin de bir buhar basıncı vardır. Katı halinin buhar basıncı eğrisi ile sıvı halinin buhar basıncı eğrisinin birbirlerini kestikleri nokta yani B noktası, çözücünün donma noktasıdır. 41 Çözücünün katı halinin buhar basıncı eğrisi ile çözeltinin buhar basıncı eğrisi daha düşük bir sıcaklıkta yani A noktasında kesişmektedir. Bu sıcaklık da çözeltinin donma noktası olmaktadır. Bu iki donma noktası arasındaki fark yani  T d farkına, çözeltinin donma noktası alçalması adı verilir ve bu değer çözeltinin derişimi ile orantılıdır. 1 atm

42 Çözücünün buhar basıncı C noktasında 1 atm’e ulaştığı halde, çözeltininki ise  T k noktasına kadar bir sıcaklık farkı ile D noktasında 1 atm’e ulaşmaktadır. Yani bir başka değişle, çözelti çözücüden  T k kadar daha yüksek bir sıcaklık derecesinde kaynar. Bu fark da yine çözeltinin derişimi (molalitesi) ile orantılı olarak artmaktadır.  T d = K d.m  T k = K k.m  T d ve  T k ; donma noktası düşmesi ve kaynama noktası yükselmesi, K d ve K k ; molal donma noktası düşme sabiti ve molal kaynama noktası yükselme sabiti ve m ise çözeltinin molalitesidir. Burada MA çözünen maddenin molekül ağırlığı, m k çözünen maddenin ağırlığı ve m ç çözücünün ağırlığıdır. Bu durumda şu şekilde genel bir bağıntı elde edilebilir: 42

43 Örnek; 18 g glikoz, 150 g su içinde çözülerek bir çözelti hazırlanıyor. Yapılan çalışmalarla bu çözeltinin kaynama noktası 100,34  C olarak bulunmuştur. Buna göre glikozun molekül ağırlığını hesaplayınız. (K k =0,51) 43

44 44

45 45

46 46

47 47

48 48

49 49

50 50 a) n = 34,8 g / 174 g = 0,2 mol (500 ml de) 1000 ml de 0,4 mol (suyun yoğunluğunu 1 kabul edersek, 1000 ml su~ 1000 g su eder.) 1000 g suda 1 mol tanecik + 0,51 0 C k.n. yükseltir - 1,86 0 C d.n. düşürür K 2 SO 4 → 2 K + + SO 4 = 1 mol 2 mol 1 mol 1 mol K 2 SO 4 3 mol iyon içerir 1 mol 0,51 0 C yükseltirse, 3x0,4 mol 1,836 0 C yükseltir 100 0 C + 1,836 0 C = 101,836 0 C’de çözelti kaynamaya başlar. b) 1 mol 1,86 0 C düşürürse, 3x0,4 mol 2,232 0 C düşürür 0 0 C – 2,232 0 C = -2,232 0 C’de çözelti donmaya başlar.

51 Yüzey gerilimi Bir gaz ile bir sıvının ya da birbiri ile karışmayan iki sıvının temas yüzeyleri gerilmiş esnek bir zara benzer. Bu gerilim sıvının serbest yüzeyine ait ise yüzey gerilimi, iki sıvının sınır yüzeyine ait ise ara yüzey gerilimi denir. Bu yüzey geriliminin etkisi altında sıvının yüzeyi öteki kısımlarından farklı özellikler gösterir. Sıvı içerisinde alınan bir molekül kendini çevreleyen diğer moleküllerin etkisi altında olmasına rağmen simetri nedeniyle bu kuvvetlerin bileşkesi sıfırdır. Halbuki sıvı yüzeyindeki bir molekül sıvının içine doğru çekilen bir bileşke kuvvetin etkisi altındadır. Bu yüzden sıvının yüzeyi en küçük değerini alacak şekilde gergin bir zar durumunu alır. Yüzey gerilimi  ile gösterilmektedir ve bir sıvı yüzeyini 1 cm uzatmak için gerekli olan kuvvetin dyn cinsinden veya sıvı yüzeyini 1 cm 2 genişletmek için gerekli olan enerjinin erg cinsinden değeridir. 51

52 Bir sıvının yüzey gerilimini belirlemek için en duyarlı metot, sıvı dolu bir dış kap içerisine yerleştirilen kılcal bir cam boru içindeki sıvının yükselmesine dayanmaktadır. Ancak bu durum sıvı tüpü ıslatıyorsa mümkündür. Tersine (civa gibi bir sıvı) tüpü ıslatmıyorsa, boru içindeki sıvı düzeyi dış kaptakinden daha aşağıda olmaktadır. Yoğunluğu d olan ve camı ıslatan bir sıvı içerisine yarıçapı r olan bir kılcal boru batırılacak olursa, bu kılcal boruda yükselen sıvı iki kuvvetin tesiri altındadır. Bu kuvvetler: 1- yukarıdan aşağıya doğru olan sıvının ağırlığı, 2- borudaki sıvının yüzeyine etki eden yüzey gerilimidir. 52

53 Burada yükselen sıvının ağırlığı ile sıvı yüzeyine etki eden yüzey gerilim kuvveti birbirine eşit oluncaya kadar sıvı boruda yükselir. h, kılcal boruda yükselen sıvı yüksekliği ve bu sıvı kütlesinin ağırlığı  r 2 hdg olacaktır. Sıvı kütlesinin kılcal boruda yükselmesini sağlayan yüzey gerilim kuvveti ise 2  r  cosα olmaktadır. Denge halinde bu iki kuvvet birbirine eşit olacağından;  r 2 hdg = 2  r  cosα  = rhdg /2cosα ifadesi yazılır. Boruyu mükemmel bir şekilde ıslatan sıvılarda α açısı çok küçük olacağından dolayı yaklaşık olarak cosα = 1 alınabilir. Bu durumda yüzey gerilimi;  = ½.rhdg olacaktır. 53

54 Örnek; Nitrobenzenin yarıçapı 0,02 cm olan bir kılcal boruda 3,72 cm yükselmektedir. Deneyin yapıldığı ortamın sıcaklığı 20  C ve nitrobenzenin yüzey gerilimi 43,86 dyn/cm olarak verildiğine göre, nitrobenzenin yoğunluğu ne kadardır? (g = 9,81 m/s 2 )  = ½.rhdg = ½.(0,02).(3,72).d.(981) = 43,86 d = 1,2 g/cm 3 54

55 Vizkozite 55 Gazlara göre sıvılar akmaya karşı daha büyük bir direnç gösterirler. Genel olarak akışkanların akmaya karşı gösterdikleri bu dirence vizkozite denir. Vizkozite, bir cismin akışını yavaşlatan genel bir özelliktir ve yapılarına bağlı olarak moleküllerin hareketleri sırasında etkileşmeleri sonucu ortaya çıkan dirençten ileri gelir. Vizkozitenin tersine akıcılık denir ve  ile simgelenir. S yüzeyine sahip olan bir madde tabakası, l uzaklığında bulunan aynı yüzeydeki bir başka tabakaya göre, v hızı ile hareket ettirilecek olursa, harekette bulunan bu yüzey öteki yüzey üzerine bir sürtünme kuvveti (F) uygulayacaktır.

56 Küçük çaplı silindirik bir boru içerisinden sıvılar akıtılarak vizkoziteleri belirlenebilir. Bu tür çalışmalar için Poiseuille adlı bilim adamı kendi adıyla anılan bir bağıntı ortaya koymuştur ve η’ün tayin edilebilmesi için çeşitli tipte vizkozimetreler geliştirilmiştir. Bunlardan birisi de Ostwald vizkozimetresidir. Bu vizkozimetre için Poiseuille denklemi şu şekilde yazılabilir: 56 Ortaya çıkan bu F sürtünme kuvveti, v hızı ve S yüzeyi ile doğru orantılı ve iki düzlem arasındaki uzaklık, l ile ters orantılıdır. Burada η, akışkanın cinsine ve sıcaklığına bağlı olan vizkozite katsayısıdır. Burada vizkozite katsayısının birimi dyn.s/cm 2 olarak bulunur ve buna poise (P) denir.

57 57  akıcılık, V sıvı kütlesinin hacmi, l sıvı kütlesinin uzunluğu, r kılcal borunun yarıçapı,  P sıvının kılcal borudan akma basıncı ve t ise bu basınç altında akma süresidir.  P kılcal borunun üst ve alt uçları arasındaki hidrostatik basınç farkı olup, sıvının ağırlığı ve dolayısıyla da yoğunluğu ile orantılıdır:  P = h.d.g İki sıvının akışı kıyaslanarak, vizkozitesi bilinen yardımıyla diğerinin vizkozitesi belirlenebilmektedir. Bu amaçla genellikle kıyaslama sıvısı olarak su kullanılmaktadır: Örnek; 20  C’de su ve benzenin aynı vizkozimetrede akma zamanları sırasıyla 120 ve 88 saniyedir. Aynı sıcaklıkta suyun yoğunluğu 1 g/mL, vizkozite katsayısı η= 10,05.10 -3 poise ve benzenin yoğunluğu 0,879 g/mL olarak verilmiştir. Buna göre benzenin vizkozite katsayısı nedir?

58 58 Soru; Ağırlıkça %46 alkol içeren bir su-alkol çözeltisinde her bir bileşenin mol kesri nedir? (Alkolün mol kütlesi: 46 g, suyun mol kütlesi: 18 g) Soru; Toluen’in 20  C’deki yüzey gerilimi 28,4 dyn/cm ve yoğunluğu 0,866 g/cm 3 olarak bilinmektedir. Toluenin bir kapiler boruda 2 cm yükselebilmesi için borunun yarıçapı ne olmalıdır? Soru; Bir vizkozimetreden suyun ve yoğunluğu 0,8 g/cm 3 olan bir sıvının 20  C’de akma zamanları sırasıyla 1,52 dk ve 2,25 saniye olarak ölçülmüştür. Suyun milipoise cinsinden bağıl vizkozitesini hesaplayınız.