Gazların Temel Özellikleri

Gazlar, maddenin en yüksek enerjili ve düzensiz halidir. Tamamen teorik olan ideal gazlar, tanecikleri arasında hiçbir etkileşim $çekme-itme gibi$ olmayan gazlardır. Bu sadece bir varsayımdır ve gerçekte bildiğimiz tüm gazlar gerçek gazlardır.

Gazlar ne zaman ideal davranışa yaklaşır? Bunu belirleyen beş önemli faktör vardır: Yüksek sıcaklık, düşük basınç, düşük tanecikler arası çekim, düşük mol kütlesi ve küçük tanecik çapı. Bu faktörlere göre gazları idealliğine göre sıralayabiliriz. Örneğin, 50°C'de helyum gazı, 25°C'de amonyak gazından daha ideal davranış gösterir.

İdeal gazlarda, her bir taneciğin öz hacmi toplam hacim yanında ihmal edilir. Gazlar kapalı kaplarda bulunduklarında, kabın çeperleriyle ve kendi aralarında esnek çarpışmalar yaparlar. Bu çarpışmalar sonunda gazların hızı, yönü ve enerjisi değişse de, ortalama kinetik enerji değişmez.

Önemli! Gazların ortalama kinetik enerjisi sadece sıcaklık ile değişir ve E_k = (3/2)kT formülü ile hesaplanır. Gaz hesaplamalarında sıcaklık her zaman Kelvin cinsinden kullanılmalıdır.

Gazların Hareketleri ve Çarpışmaları

Gazların fiziksel davranışlarını açıklayan temel ilke kinetik teoridir. Bu teori, gazların sürekli hareket halinde olduğunu ve bu hareketlerin belirli kurallara bağlı olduğunu açıklar.

Gazların yayılma hızı (difüzyon) ve efüzyon hızı, mutlak sıcaklığın karekökü ile doğru orantılı, mol kütlesinin karekökü ile ters orantılıdır. Bu ilişki şu formülle ifade edilir: v ∝ √$T/M$. Bu nedenle, aynı sıcaklıkta mol kütlesi küçük olan gazlar daha hızlı hareket ederler.

Örneğin, metan (CH₄) ve helyum (He) gazları aynı anda bir boruya bırakıldığında, mol kütleleri arasındaki fark nedeniyle $16 g/mol ve 4 g/mol$ farklı hızlarla hareket ederler. CH₄ gazının hızının He gazının hızına oranı 1/2'dir.

Kapalı bir kaptaki gazların çarpma sayısı, gazın birim zamanda birim yüzeye yaptığı çarpma miktarıdır. Çarpma sayısı, mutlak sıcaklığın karekökü ile doğru orantılı, kütlenin karekökü ile ters orantılı ve gazın mol sayısının hacme oranıyla doğru orantılıdır.

Bunu bilmelisin: Hafif gazlar ağır gazlara göre daha hızlı hareket eder. Bu nedenle difüzyon ve efüzyon hızları daha yüksektir. Bu ilke parfüm kokusunun yayılmasından gaz kaçaklarının tespitine kadar birçok olayı açıklar!

Basınç Ölçümleri

Gaz basıncı ölçümlerinde genellikle civa kullanılır çünkü yoğunluğu çok büyük ve buhar basıncı çok düşüktür. Farklı sıvılar kullanıldığında, sıvıların yükseklik ve yoğunluk çarpımları eşit olmalıdır: h₁d₁ = h₂d₂.

Basınç ölçümlerinde açık hava basıncı önemli bir referans noktasıdır. Açık hava basıncı 1 atm = 76 cm Hg olarak kabul edilir. Kapalı bir kaptaki gazın basıncı, açık hava basıncı ile kaptaki sıvı yüksekliğinin toplamına ya da farkına eşit olabilir.

Kapalı kaplarda bulunan gazların basıncı, kabın geometrisine göre farklı şekillerde hesaplanabilir. Örneğin, U borulu bir sistemde gaz basıncı açık hava basıncından farklıysa, sıvı seviyelerinde yükselme veya alçalma gözlemlenir.

Bir sistemde farklı gazlar varsa (örneğin He ve Ne), her gazın basıncı ayrı ayrı hesaplanmalıdır. Her gazın bulunduğu bölgedeki sıvı yüksekliği ve açık hava basıncı dikkate alınarak hesaplama yapılır.

Pratik bilgi: Basınç ölçümlerinde civa yerine su kullanılırsa, civanın yoğunluğu suyun yoğunluğundan yaklaşık 13,6 kat fazla olduğundan, su sütununun yüksekliği civa sütununun yüksekliğinin 13,6 katı olacaktır!

Gaz Yasaları ve İdeal Gaz Denklemi

İdeal gaz denklemi $PV = nRT$, gazların davranışını açıklayan temel bir denklemdir. Bu denklemden türetilen gaz yasaları, belirli koşullar altında gazların davranışını tahmin etmemizi sağlar.

Boyle-Mariotte Yasası, sabit sıcaklık ve sabit miktardaki bir gazın basıncı ile hacminin ters orantılı olduğunu açıklar: P₁V₁ = P₂V₂. Örneğin, 20°C'de 5 litrelik bir kapta 2 atm basınç yapan bir gaz, hacim 20 litreye çıkarıldığında basıncı 0,5 atm'ye düşer.

Charles Yasası, sabit basınç ve sabit miktardaki bir gazın hacminin, mutlak sıcaklıkla doğru orantılı olduğunu belirtir: V₁/T₁ = V₂/T₂. Basıncın sabit kalabildiği sistemler arasında ideal esnek balon, sürtünmesiz pistonlu kap veya serbest pistonlu kaplar bulunur.

Gaz yasalarını kullanarak, sıcaklık değişiminin hacim veya basınca etkisini, hacim değişiminin basınca etkisini veya basınç değişiminin hacme etkisini hesaplayabiliriz. Bu hesaplamalar için sıcaklığın mutlaka Kelvin cinsinden olması gerektiğini unutmayın!

Sınavda çıkar: Gaz yasaları problemlerinde sabit kalan değişkenleri doğru belirlemelisiniz. Örneğin Boyle yasasında n ve T sabittir, Charles yasasında n ve P sabittir. Doğru denklemi seçmek çözümün anahtarıdır!

Gerçek Gazlar ve Kritik Değerler

Gerçek gazlar, tanecikleri arasındaki zayıf etkileşimlerin ihmal edilmediği ve her taneciğin öz hacminin dikkate alındığı gazlardır. Bilinen tüm gazlar aslında gerçek gazdır ve bunlar ancak yüksek sıcaklık ve düşük basınç altında ideal davranışa yaklaşır.

Gazların idealliğini etkileyen faktörler sıralamasında, yüksek sıcaklık, düşük basınç ve düşük moleküler arası etkileşim öne çıkar. Örneğin 200°C ve 0,2 atm basınçtaki H₂ gazı, 100°C ve 1 atm basınçtaki NH₃ gazından daha ideal davranış gösterir.

Gazların kritik sıcaklığı (Tc), basınç altında sıvılaşabilecekleri en yüksek sıcaklıktır. Bu sıcaklığın üzerinde gazlar ne kadar basınç uygulanırsa uygulansın sıvılaşamazlar. Kritik basınç (Pc) ise, gazların kritik sıcaklıkta sıvılaşabilmesi için gereken basınçtır. Her gazın kritik değerleri farklıdır ve bu, gazlar için ayırt edici bir özelliktir.

Joule-Thomson olayı, gazların sıvılaşma ve buharlaşma sırasındaki enerji değişimlerini açıklar. Yüksek basınçta sıkıştırılan gazlar sıvılaştığında enerji açığa çıkar, sıvılaşmış gazlar küçük bir delikten boşluğa yayıldığında ise enerji harcanır. Buzdolapları ve klimalar bu prensiple çalışır.

Günlük hayat bağlantısı: Eskiden buzdolaplarında ve klimalarda soğutucu akışkan olarak kullanılan kloroflorokarbonlar (CFC) ozon tabakasına zarar verdiği için artık yerini PURON gibi çevre dostu gazlara bırakmıştır. Soğutucu teknolojisindeki bu değişim, kimya bilgimizin çevre korumasına nasıl katkıda bulunduğunun güzel bir örneğidir.

Üçlü Faz Diyagramları ve Soğutucu Akışkanlar

Modern soğutma sistemlerinde kullanılan soğutucu akışkanlar, belirli özelliklere sahip olmalıdır: düşük kaynama noktası, yüksek kritik sıcaklık, oda sıcaklığında sıvılaşabilme, yanıcı ve zehirli olmama, ekonomik olma ve çevreye zarar vermeme. Ozon tabakasına zarar veren CFC'lerin (CCl₂F₂) yerini artık %50 diflorometandan ve %50 pentafloroetandan oluşan PURON gibi çevre dostu gazlar almıştır.

Üçlü faz diyagramları, farklı basınç ve sıcaklık koşullarında bir maddenin hangi fiziksel halde (katı, sıvı, gaz) olduğunu gösteren grafikleridir. Bu diyagramlar her madde için ayırt edici bir özelliktir. Genel olarak, yüksek sıcaklık ve düşük basınçta maddeler gaz halinde, düşük sıcaklık ve yüksek basınçta ise katı halde bulunurlar.

Basıncın artması genellikle maddelerin kaynama ve süblimleşme noktalarını yükseltir. Ancak maddelerin erime noktaları üzerindeki etkisi farklı olabilir. Çoğu maddede basınç arttıkça erime noktası yükselirken, su gibi bazı maddelerde basınç arttıkça erime noktası düşer.

Üçlü nokta, bir maddenin katı, sıvı ve gaz hallerinin bir arada bulunabildiği tek basınç ve sıcaklık noktasıdır. Her maddenin kendine özgü bir üçlü noktası vardır ve bu, o maddeyi tanımlamak için kullanılabilir.

Sınavlarda dikkat! Su (H₂O) için özel bir durum vardır: Basınç arttıkça erime noktası düşer, bu da buzun üzerine baskı uygulandığında daha kolay erimesini açıklar. Bu özellik, buz pateni yapmamızı mümkün kılan şeydir!