Yüzeyden kaçabilen azınlık
Bir bardak su masada dururken kaynamıyor, ama birkaç gün sonra bardak boşalıyor. Sebep şu: sıvıdaki bütün moleküllerin hızı aynı değil. Ortalamanın üstünde kinetik enerjiye sahip olanlar, üstelik yüzeydeyseler, komşularının çekimini yenip ayrılabiliyor. Bu ünitede o kaçışı, kapağı kapatınca ne olduğunu ve denge buhar basıncını göreceksin.
“Bir sıvının ısı alarak gaz veya buhar hâline geçmesine buharlaşma denir.”
“Gaz taneciklerinin, sıvısıyla temas hâlinde olması ise buhar olarak adlandırılır.”
“Herhangi bir sıcaklıkta kinetik enerjisi sıvının ortalama kinetik enerjisinden daha yüksek olan sıvı molekülleri yüzeydeki diğer moleküllerden ayrılır.”
“Birim zamanda sıvı hâlden gaz hâline geçen veya diğer moleküllerden ayrılan moleküllerin sayısı buharlaşma hızı olarak tanımlanır.”
İkinci tanıma dikkat: gaz ile buhar farklı kelimeler. Buhar, kendi sıvısıyla temas hâlindeki gazdır. Bardaktaki suyun üstündeki su molekülleri “buhar”, odadaki azot ise “gaz”.
Kaydırak sıcaklığı değiştiriyor. Sağdaki eğri, moleküllerin kinetik enerji dağılımı: hepsinin hızı aynı değil. Kesikli çizginin sağında kalan taralı bölge, kaçabilecek kadar enerjiye sahip moleküller. Sıcaklık artınca dağılım sağa kayıyor ve taralı bölge büyüyor. Soldaki kapta yalnızca yüzeydeki yeterince hızlı moleküllerin ayrıldığını gör.
Bir molekülün buharlaşabilmesi için iki şartın birden sağlanması gerekiyor:
1. Kinetik enerjisi sıvının ortalama kinetik enerjisinden yüksek olmalı — yani moleküller arası çekimi yenecek kadar hızlı olmalı.
2. Yüzeyde olmalı. Sıvının içindeki hızlı bir molekül her yöne komşularla çevrili; ne kadar hızlı olursa olsun dışarı çıkacak bir yolu yok.
Bir sonraki ünitede göreceğin kaynama tam da bu ikinci şartın kalktığı olay: sıvının içinde kabarcık oluşabildiği an kaynama başlıyor.
Buharlaşma hızı üç ayrı düzenekle incelenir. Üçünde de tek bir şey değiştiriliyor, gerisi sabit tutuluyor.
Bir düzenek seç: iki kap yan yana çizilir, hangisinin daha hızlı buharlaştığı ve sebebi gösterilir.
Burada iki ayrı liste var ve ikisi aynı değil:
Sıvının cinsi · sıcaklık · yüzey alanı
Sıvının cinsi · sıcaklık · saflık derecesi
yüzey alanı YOK
Yüzey alanı buharlaşmayı hızlandırır ama denge buhar basıncını değiştirmez. Geniş kapta denge daha çabuk kurulur; kurulduğunda ölçülen basınç dar kaptakiyle aynıdır. (Ders kitabı iki listeyi veriyor ama aralarındaki farkı hiç söylemiyor; burada açıkça yazıldı.)
Sınavda en çok bu ikisi karıştırılıyor. Sorunun hangi büyüklüğü sorduğunu okumadan cevap verme.
“Bir sıvının tamamı ağzı açık kapta buharlaşabilir, kapalı kapta ise tamamı buharlaşmaz çünkü kapalı bir kapta buharlaşmayla birlikte yoğuşma olayı da gerçekleşir.”
“Buhar moleküllerinin kabın yüzeyine ve U borusunun çeperlerine çarpması sonucu oluşturduğu kuvvete buhar basıncı denir.”
“Su seviyesi kapalı bir kapta buharlaşmayla azalırken oluşan su buharının basıncıyla kabın kolundaki cıva seviyeleri farkı artar. Bu değişimler buharlaşma hızı (Vb) ile yoğuşma hızı (Vy) eşitleninceye kadar devam eder.”
“Buharlaşma ve yoğuşma hızlarının eşitlendiği andan itibaren sistemde denge kurulur ancak buharlaşma ve yoğuşma olayları durmaz, aynı hızla gerçekleşmeye devam eder. Dengedeki sistemde birim hacimdeki buhar moleküllerinin sayısı değişmediği için sıvının buhar basıncı değişmez.”
“Sıvısıyla denge hâlinde bulunan buharın basıncına o sıvının denge buhar basıncı denir. Saf suyun 25 °C’ta denge buhar basıncı 23,8 mmHg şeklinde ifade edilir.”
Etkinlik 2.18’deki dört görsel. Bir aşama seç: solda kapalı kaptaki su seviyesi ve buhar molekülleri, sağda U borusundaki cıva seviyeleri farkı çizilir. Mavi ok buharlaşma hızını, kırmızı ok yoğuşma hızını gösteriyor — ders kitabındaki renk kodu. Son iki aşamada cıva farkının artmayı bıraktığına dikkat et.
En çok yanlış anlaşılan cümle bu: “buharlaşma ve yoğuşma olayları durmaz, aynı hızla gerçekleşmeye devam eder.” Dışarıdan bakınca hiçbir şey değişmiyor gibi görünüyor — su seviyesi sabit, basınç sabit. Ama içeride her saniye binlerce molekül yüzeyden ayrılıyor ve aynı sayıda molekül geri dönüyor.
Buna dinamik denge denir: hız eşit, sayı sabit, hareket sürüyor. (Terim ders kitabında geçmiyor; yukarıdaki cümle bu terimin tanımıdır.) Kalabalıkta girişten çıkanla girenin sayısı eşitse içerideki kişi sayısı sabit kalır ama kapı hiç durmaz.
Görsel 2.21’in altı kutusu. Bir etken seç: denge buhar basıncının değişip değişmediği çizilir ve gerekçesi yazılır. Üçü bağlıdır, üçü bağlı değildir.
“Bir sıvının molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri zayıfladıkça buhar fazına geçebilen sıvı moleküllerinin sayısı artacağından buhar basıncı da artar. Aynı sıcaklıktaki iki farklı saf sıvıdan buhar basıncı büyük olan daha uçucu olarak nitelenir.”
“Bu nedenle molekülleri arasında hidrojen bağları oluşturabilen bileşiklerin benzer mol kütlesine sahip ancak molekülleri arasında hidrojen bağları oluşturamayan bileşiklerden daha az uçucu olması beklenir.”
Uçucu = kolay buharlaşan. (Terimin karşılığı ders kitabında verilmiyor.) Yani zincir şöyle işliyor: güçlü çekim → az molekül kaçabilir → düşük buhar basıncı → az uçucu. Bir önceki ünitenin en güçlü etkileşimi olan hidrojen bağı, burada karşımıza uçuculuğu düşüren etken olarak çıkıyor.
“Bir sıvının sıcaklığı artırılırsa sıvı moleküllerinin kinetik enerjisi ve buhar fazına geçebilen sıvı moleküllerinin sayısı artacağından buhar basıncı da artar. Aynı buhar basıncına sahip iki farklı saf sıvıdan düşük sıcaklıkta olanı daha uçucu olarak nitelenebilir.”
Son cümle ilk okuyuşta tuhaf gelir ama mantıklı: iki sıvı aynı basıncı veriyorsa ve biri bunu daha az ısıtılarak başarabiliyorsa, o sıvının molekülleri daha kolay kaçıyor demektir. Yani daha uçucudur.
Dört ifade. Her satırda tek hücre işaretle, sonra Denetleye bas. (Ders kitabı cevap anahtarı vermiyor; cevaplar Görsel 2.21’in kendi listesinden çıkarıldı.)
| Sıvı | Yapı | Etkileşim | 25 °C, 1 atm | 40 °C, 1 atm |
|---|---|---|---|---|
| Su (H₂O) | Polar | Hidrojen bağı | 23,8 mmHg | 55,3 mmHg |
| Benzen (C₆H₆) | Apolar | London kuvveti | 95,3 mmHg | 183 mmHg |
Bu dört sayı, ünitenin iki kuralını da tek başına kanıtlıyor:
Satırlar arası (sıvının cinsi): Aynı sıcaklıkta benzenin buhar basıncı suyunkinin yaklaşık dört katı. Sebep: benzeni tutan London kuvveti, suyu tutan hidrojen bağından çok daha zayıf. Benzen daha uçucu.
Sütunlar arası (sıcaklık): 25 °C’tan 40 °C’a çıkınca — yalnız 15 derece — suyun buhar basıncı iki katından fazla artıyor.
Ölçek duygusu için: 1 atm = 760 mmHg. Suyun 25 °C’taki 23,8 mmHg’si, atmosfer basıncının yaklaşık otuz ikide biri. (Oran hesabı eklendi; 1 atm = 760 mmHg eşitliği ders kitabında var.)
Kaydırağı çek: seçilen sıcaklıkta iki sıvının denge buhar basıncı okunur. Dolu noktalar ölçüm değerleri; aradaki eğri yaklaşıktır. Benzen eğrisinin suyunkinin nasıl hep üstünde kaldığına bak — bu eğrilerin bir sonraki ünitede çok işine yarayacak.
Şu soruyu çöz: aynı ortamdaki cam kaplara eşit hacimli saf X ve Y sıvıları konuluyor. Bir süre sonra X 8 mL’ye, Y 6 mL’ye düşüyor. Yani Y daha çok buharlaşmış. Verilen üç gerekçeden hangileri bu sonucu açıklayabilir?
Y daha yüksek sıcaklıkta
Açıklar. Sıcaklık arttıkça hem buharlaşma
hızı hem denge buhar basıncı artar.
Y’nin yüzey alanı daha büyük
Açıklar. Yüzey alanı buharlaşma hızını
artırır; aynı sürede daha çok sıvı eksilir.
X’in molekülleri arası çekim daha büyük
Açıklar. Güçlü çekim X’in buharlaşmasını
zorlaştırır; X daha az eksilir.
Üçü de son konumu açıklayabilir. (Ders kitabı soruyu soruyor, cevabı vermiyor; üç madde de listedeki etkenler.) Ama dikkat: soru “hangi kapta daha çok sıvı eksildi” sorusudur. Eğer soru denge buhar basıncını sorsaydı, ortadaki gerekçe geçersiz olurdu — yüzey alanı denge buhar basıncını değiştirmez.
Karışık sırayla gelen durumlar. Her birinde denge buhar basıncına ya da buharlaşma hızına ne olduğunu seç. Soruların yarısı tam olarak o iki büyüklüğü ayırt edebiliyor musun diye soruyor.
Saç kurutma makinesi iki şeyi birden yapıyor: ısıtıyor (moleküllerin kinetik enerjisini artırıyor) ve üfleyerek saçın üstünde biriken buharı süpürüyor. İkincisi önemli: buhar birikirse yoğuşma hızı artar ve net buharlaşma yavaşlar — tam da kapalı kapta olan şey.
Tişörtü top yapıp asmakla açıp asmak arasındaki fark yüzey alanı. Üçüncü düzenek tam olarak bu. Yüzey alanı buharlaşma hızını artırır — ama havadaki nem doyduğunda ulaşılan basınç ikisinde de aynıdır.
Elinin üstüne damlattığın kolonya birkaç saniyede uçar, aynı miktar su dakikalarca durur. Kolonyadaki alkolü tutan çekim daha zayıf: daha uçucu. Su–benzen karşılaştırmasının elle tutulur hâli.
Buharlaşma ısı alarak gerçekleşiyor — tanımdaki ilk iki kelime. O ısıyı derinden alıyor, sen de üşüyorsun. Rüzgâr varsa buhar süpürüldüğü için buharlaşma hızlanır ve daha çok üşürsün.
Kapağı kapalıyken aylarca duran oje, açık unutulunca birkaç günde katılaşır. Kapalıyken şişenin içinde denge kurulmuş: buharlaşan kadar molekül geri dönüyor. Kapak açıkken giden bir daha dönmüyor ve sıvının tamamı buharlaşabiliyor.
Buzdolabından çıkardığın yarım şişenin iç yüzeyinde damlacıklar birikir. Şişe kapalı olduğu için içeride buharlaşma–yoğuşma dengesi kurulmuş; sıcaklık düştüğünde denge buhar basıncı düşer ve fazla buhar yoğuşarak cama yapışır.
Vücudun sıcak günde suyu dışarı verip buharlaşmasına izin veriyor. Nemli havada buharlaşma yavaştır — havadaki su buharı zaten denge basıncına yaklaşmıştır — bu yüzden nemli sıcak, kuru sıcaktan daha bunaltıcı gelir.
Masada duran açık sürahideki su günler içinde biter. Kapalı olsaydı bir miktar azalıp dururdu. Kural tam olarak bu: “Bir sıvının tamamı ağzı açık kapta buharlaşabilir, kapalı kapta ise tamamı buharlaşmaz.”
Önce soruyu ayır: hız mı, basınç mı? Hız soruluyorsa yüzey alanı, sıcaklık ve sıvının cinsi işe yarar. Denge buhar basıncı soruluyorsa yalnız cins, saflık ve sıcaklık vardır; kap hacmi, kap şekli ve sıvı miktarı seçenekleri tuzaktır.
46 soruluk test · buharlaşma ve buhar tanımları, buharlaşma hızı, dinamik denge, denge buhar basıncının bağlı olduğu ve olmadığı etkenler, su ve benzenin sayısal karşılaştırması
Buharlaşma: sıvının ısı alarak gaz veya buhar hâline geçmesi.
Buhar: sıvısıyla temas hâlinde olan gaz tanecikleri.
Buharlaşma hızı: birim zamanda sıvı hâlden gaz hâline geçen molekül sayısı.
Buhar basıncı: buhar moleküllerinin kabın yüzeyine ve U borusunun çeperlerine
çarpması sonucu oluşturduğu kuvvet.
Denge buhar basıncı: sıvısıyla denge hâlinde bulunan buharın basıncı.
Kinetik enerjisi sıvının ortalama kinetik enerjisinden yüksek olan ve
yüzeydeki moleküller.
Sıcaklık artınca hızlı moleküllerin oranı artar, buharlaşma hızlanır.
Kaynama ise sıvının içinde gerçekleşir — bir sonraki ünitenin konusu.
Açık kapta sıvının tamamı buharlaşabilir; kapalı kapta yoğuşma da olduğu için
buharlaşamaz.
Cıva seviyeleri farkı Vb = Vy oluncaya kadar artar.
Denge kurulunca olaylar durmaz, aynı hızla sürer; birim hacimdeki buhar molekülü
sayısı değişmediği için basınç sabit kalır.
Bağlıdır: sıvının cinsi · saflık derecesi · sıcaklık
Bağlı değildir: kabın hacmi · kabın şekli · sıvı miktarı
Yüzey alanı buharlaşma hızını etkiler, denge buhar basıncını etkilemez.
Moleküller arası çekim zayıfladıkça buhar basıncı artar; buhar basıncı büyük
olan daha uçucudur.
Sıcaklık arttıkça kinetik enerji ve kaçabilen molekül sayısı artar, buhar basıncı
artar.
Aynı buhar basıncına sahip iki sıvıdan düşük sıcaklıkta olanı daha uçucudur.
Saf su 25 °C’ta 23,8 mmHg · 40 °C’ta 55,3 mmHg.
Benzen 25 °C’ta 95,3 mmHg · 40 °C’ta 183 mmHg.
Su polar, molekülleri arasında hidrojen bağı; benzen apolar, molekülleri arasında
London kuvveti. Onun için benzen daha uçucu.
1 atm = 760 mmHg = 76 cmHg = 101.325 kPa.