Gazların Özellikler Barometre Basıncı Basit Gaz Yasaları

Transkript

1 İÇERİK Gazların Özellikler Barometre Basıncı Basit Gaz Yasaları Boyle Yasası Charles Yasası Avogadro Yasası Gaz Davranışları ve Standart Koşullar İdeal ve Genel Gaz Denklemleri Gaz Karışımları Gaz Yasalarına Moleküler Bakış Efüzyon ve Difüzyon Gerçek(ideal Olmayan) Gazlar Van der Waals Denklemi

2 GAZLARIN ÖZELLİKLERİ Gazların fiziksel davranışını dört özellik belirler: gaz miktarı, hacmi, sıcaklık ve basınç. 1. Gazların hacmi, basınçla birlikte oldukça değişir. Örnek: araba motorlarındaki silindir pistonda dış kuvvetler gazı sıkıştırır ve gazın hacmi küçülür fakat kuvvet çekildiğinde, gaz hacmi tekrar artar. 2. Gazların hacmi, sıcaklıkla birlikte oldukça değişir. Sabit basınç altında, gaz ısıtıldığında gazın hacmi artar, fakat soğutulduğunda ise, gaz hacmi azalır. 3. Gazlar diğer hallere göre daha düşük vizkositiye sahiptirler. Düşük vizkositiye, gazların çok uzun mesafelere kadar ulaşmalarını sağlar. 4. Gazlar diğer hallere göre daha düşük yoğunluğa sahiptirler. Dolayısıyla, g/l olarak ifade edilir. Sıvı ve katılar, g/ml ve g/cm3. 5. Gazlar her oranda birbirleri ile karışırlar. Örneğin kuru hava, 18 gazın karışımıdır. GAZ BASINCI Bir gazın oluşturduğu toplam kuvveti ölçmek kolay değildir. Bu toplam kuvvet yerine gaz basıncını değerlendirmek yerinde olur. Basınç, birim alana düşen kuvvettir. SI birim sisteminde kuvvet newton (N) ve alan metrekare (m2)dir. Basıncın, yani birim yüzeydeki kuvvetin birimi ise N/m2 dir ve paskal (Pa) olarak ifade edilir. F (N ) P( Pa) A(m2 ) Bu denklemin yukarıda da bahsedildigi gibi gazlarda kuvvet ölçümü zor olduğundan, bir gazın basıncı, sıvı basıncı ile kıyaslanarak dolaylı yoldan ölçülür. Yerçekimi ivmesi (g) bir sabit olması nedeniyle, Sıvı basıncı, sıvı yoğunluğu ve sıvı sütununun yüksekliği ile orantılıdır. P g h d

3 Barometre Basıncı Manometre ( ) 1 atm = 760 mmhg =760 torr = 101,325 kilopaskal (kpa) = 1,01325 x 105 Pa Basit Gaz Yasaları Gazların fiziksel davranışları 4 değişken ile tamamen tanımlanır: Basınç(P), Hacim(V), Sıcaklık (T) ve gaz miktarı (mol sayısı, n). Bu 4 değişkenden 3 tanesinin bilinmesi dördüncünün bulunmasına sağlar. 4 değişken arasında 3 Temel ilişki mevcuttur. Boyle, Charles ve Avogadro yasaları. Bu yasalar, 2 değişkenin sabit tutulduğu durumda diğer iki değişkeden birinin diğerine etkisini açıklar.

4 Boyle Yasası (Basınç-Hacim İlişkisi) Sabit sıcaklıkta, sabit miktarda gazın hacmi, basıncı ile ters orantılıdır. P 1 V PV a (sabit ) Charles Yasası (Sıcaklık-Hacim İlişkisi) Sabit basınçtaki, belirli miktar bir gazın hacmi, sıcaklıkla doğru orantılıdır. V T P ve n sabit V b (sabit ) T

5 Avogadro Yasası (Hacim-Mol İlişkisi) Sabit sıcaklık ve basınçta, bir gazın hacmi, miktar ile doğru orantılıdır. V n P ve T sabit V c (sabit ) n Gaz Davranışları ve Standart Koşullar Gaz davranışlarını etkileyen faktörleri daha iyi anlamak için, kimyacılar bir standart sıcaklık ve basınç belirlemişlerdir. Buna da standart sıcaklık ve basınç koşulları kısaca STP(Standard Temperature and Pressure) biçiminde ifade etmişlerdir.

6 Gaz Davranışları ve Standart Koşullar Standart Koşullar İdeal Gaz Denklemi (Gaz Yasalarının Birleştirilmesi) P 1 V V T n V T P V n PV nrt R = Gaz Sabiti 1 atm 22,4140 L L atm R PV 0, nt 1 mol 273,15 K mol K R 8,3145 J mol 1 K 1 Değişkenlerin Birimlerine Dikkat

7 Genel Gaz Denklemi İdeal Gaz denklemi tek bir koşul dizisini ifade eder. Bazen gazlar farklı iki koşulda tanımlanır. Bu durumda ideal gaz denklemi, başlangıç ve son koşul olmak üzere iki kez tanımlanır ve bunların arasındaki bağıntı Genel Gaz Denklemini verir. (i) İlk Koşullar PiVi ni RTi (s) Son Koşullar PsVs ns RTs PV P V i i s s n T nsts i i ÖRNEK Gazın Kütlesi Sabit ise PV P V i i s s T Ts i ÖRNEKLER 55.0 dm3 lük keşif balonu tamamen He gazı ile dolduğunda havalanabiliyor. Balon 1.10 mol He gazı ile 26,2 dm3 lük hacim doluluğuyla yerdeyken, havalanabilmesi için kaç gram daha He gazı ilave edilmelidir?

8 İdeal Gaz Denkleminin Uygulamaları Mol Kütlesi Tayini : Gaz miktarı (n) mol cinsinden gaz denkleminden bulunur. Gaz mol sayısı, gaz kütlesinin (m) molekül ağırlığına (M) bölümüne eşittir. PV mrt MA Gaz Yoğunlukları : Gaz kütlesinin (m), gazın hacmine (V) bölünmesiyle bulunur. Gaz yoğunlukları önemli ölçüde basınç ve sıcaklığa bağlıdır. Fakat sıvı ve katıların yoğunluğu basınca çok az bağlıdır. d m n M A n M A V V V d m M AP V RT ÖRNEKLER 438 L hacminde çelik bir tank, 0,885 kg O2 gazı ile dolduruluyor. Tank içinde 21 C de O2 gazının basıncını hesaplayınız?

9 Gaz Karışımları Basit gaz yasaları (Boyle ve Charles) bir gazlar karışımı olan havanın davranışı üzerine kurulmuştur. Dolayısıyla, basit gaz yasaları ve ideal gaz denklemi tek tek gazlara uygulandığı gibi, etkileşmeyen gaz karışımlarına da uygulanabilir. John Dalton kuru havaya su buharı eklendiğinde toplam basıncın eklenen su buharı kadar arttığını gözlemlemiştir. Pnemli hava Pkuru hava Psu bugari Dalton un kısmi basınçlar yasasına göre bir gaz karışımının toplam basıncı karışımın bileşenlerinin kısmi basınçlarının toplamına eşittir. Gaz Karışımları Örnek: Azot dolu bir tanka, bir miktar hidrojen eklenirse, her bir gaz bir birinden bağımsız davranır ve dolayısıyla her biri için ideal gaz denklemi yazılır. Toplam basınç: gazların kısmi basıncının toplamına eşittir. Gaz karışımlarında toplam mol sayısı nt kullanılır. Her bir gaz, karışım içindeki bileşenin bütün gaz bileşenine oranı kadar katkısı olur. Buna mol kesri (x) denir: P n xn 2 N nn nh 2 xn N 2 PN PH 2 2

10 Bir Gazın Su Üzerinde Toplanması ÖRNEK Su üzerinde toplanan toplam basınç 738 torr ve 523 ml hacimdedir. 23oC de su buhar basıncı 21 torr ise su üzerinde biriken asetilen kaç gramdır? Çözüm:

11 Gazların Kinetik-Molekül Kuramı Gaz Kuramı aşağıdaki varsayımlara dayanır Tanecik hacmi: Bir gaz büyük miktarda toplanmış tanecikten oluşur. Her bir taneciğin hacmi toplam hacme oranla oldukça küçüktür. Gaz taneciklerinin model resimleri noktasal bir kütle ve aralarında boşluk ile ifade edilir. Tanecik hareketi: Gaz tanecikleri sürekli, gelişi güzel ve doğrusal harekette sahiptirler birbirleri ve gaz duvarına çarpmaları dışında. Tanecik çarpışmaları: Çarpışma elastiktir yani tanecikler çarpışan Tanecikler enerjilerini değiştirebilirler fakat sürtünme gibi enerji kaybetmezler. Yani toplam kinetik enerji sabittir. Çarpışma sırasında moleküller birbirlerini itme ve çekme kuvvetleriyle etki etmezler. Gaz Yasalarına Moleküler Bakış Boyle Yasası

12 Gaz Yasalarına Moleküler Bakış Dalton Yasası Gaz Yasalarına Moleküler Bakış Charles Yasası

13 Gaz Yasalarına Moleküler Bakış Avogadro Yasası Molekül Hızlarının Dağılımı Eşit sayıda moleküle sahip iki farklı gazın eşit hacim kaplaması, gazların kinetik enerjileri ile açıklanır. urms: karakök ortalama

14 Molekül Hızlarının Dağılımı-Kütle ve Sıcaklığın Etkisi Üç farklı sıcaklıkta azot gazının moleküllerinin hızlarının dağılımı Efüzyon(Dışa Yayılma) ve Yayılma(Difüzyon) Difüzyon, rastgele molekül hareketi sonucu moleküllerin göç etmesidir. Efüzyon, gaz moleküllerinin bulundukları kaptaki küçük bir delikten kaçmasıdır. Bir gaz taneciğinin, diğer tanelerle dolu bir yerde difüzyonu

15 Gerçek (İdeal Olmayan) Gazlar Bir gazın ideal gaz koşulundan ne kadar saptığının ölçüsü sıkıştırılabilirlik faktörü ile belirlenir. Boyle yasasına göre, çok yüksek basınçlarda gaz hacmi çok küçüktür ve sıfıra yaklaşır. Ancak, gerçek gazlarda moleküllerin kendilerinin de bir hacmi vardır ve bu hacim bastırılmaz. Moleküler arası çekim kuvvetlerinden dolayı kap içindeki gaz moleküllerinin çarpışma kuvvetinin ideal gazdan beklenenden az olduğunu göstermektedir. Gerçek (İdeal Olmayan) Gazlar

16 Gerçek (İdeal Olmayan) Gazlar Gerçek gazlar yüksek sıcaklık ve düşük basınçlarda idealliğe yaklaşırlar. Gerçek gazlar düşük sıcaklık ve yüksek basınçlarda ideallikten uzaklaşırlar. Van der Waals Denklemi Gerçek gazlar, Moleküllerin öz hacimlerine ve moleküller arası kuvvetlere bağlı düzeltme terimleri taşırlar. Moleküller arası çekim kuvveti ile ilgilidir. Bir mol gazda bastırılamayan hacimdir ve gaz moleküllerinin hacmine bağlıdır. The Nobel Prize in Physics 1910