Suyun kaynama sıcaklığı 100 °C değildir
Deniz seviyesinde 100 °C’tur. Everest’in zirvesinde 70 °C. Düdüklü tencerede 127 °C. Çünkü kaynama, bir maddenin sabit bir özelliği değil, bir eşitlenme anıdır: sıvının buhar basıncı, yüzeyine etki eden dış basınca eşitlendiği an. Bir önceki ünitede çizdiğin buhar basıncı eğrisi bu ünitenin tam ortasında duruyor — aynı eğrinin ikinci okunuşu.
“Buharlaşma, sıvının yüzeyindeki yeterli enerjiye sahip taneciklerin moleküller arası etkileşimleri aşarak serbest hareket etmeye başlaması ve bu şekilde sıvının gaz hâline dönüşmesidir. Buharlaşma her sıcaklıkta ve sıvının yüzeyinde gerçekleşir.”
“Kaynama, sıvının sıcaklığının iç kısımdaki sıvı moleküllerinin gaz hâline geçmesini ve yüzeye çıkan kabarcıklar oluşturmasını sağlayacak kadar yüksek olduğunda gerçekleşir. Sıvının kaynadığı andaki sıcaklığa kaynama noktası (sıcaklığı) denir.”
Nerede: yalnız yüzeyde
Ne zaman: her sıcaklıkta
Ne görünür: hiçbir şey — su sessizce azalır
Neden olur: yüzeydeki hızlı molekül komşularının çekimini yener
Nerede: sıvının iç kısmında
Ne zaman: yalnız belirli bir sıcaklıkta
Ne görünür: kabarcıklar yüzeye çıkar
Neden olur: içeride oluşan kabarcık dış basınca dayanabilir hâle gelir
Görsel 2.23–2.26’daki sıra. Bir adım seç: kaptaki su molekülleri ve kabarcık oluşumu çizilir.
“Kabarcıklardaki su buharı moleküllerinin oluşturduğu basınç (iç basınç) havanın ve su buharı moleküllerinin sıvının yüzeyine uyguladığı basınca (dış basınç) eşit olduğunda kaynama gözlemlenir.”
Bir kabarcık, sıvının içinde kendine yer açmak zorunda. Onu ezmeye çalışan şey dış basınç, ayakta tutan şey içindeki buharın basıncı. İçerideki basınç küçükse kabarcık daha doğar doğmaz eziliyor. Eşitlendiği an ayakta kalıyor, büyüyor ve yüzeye çıkıyor. Kaynama budur.
“Sıvının buhar basıncının sıvının yüzeyine etki eden dış basınca eşit olduğu sıcaklığa kaynama noktası (sıcaklığı) denir.”
Bu cümle, bir önceki ünitede çizdiğin buhar basıncı eğrisini ikinci kez okumanı istiyor. Orada soru şuydu: “bu sıcaklıkta basınç kaç?” Burada tersi: “bu basınca hangi sıcaklıkta ulaşılır?” Aynı eğri, aynı nokta — yalnızca hangi eksenden girdiğin değişiyor.
Eğri saf suyun buhar basıncı. Kaydırak dış basıncı değiştiriyor; yatay çizgi o basınç. İkisinin kesiştiği nokta kaynama sıcaklığı. Kaydırağı 760 mmHg’ye (1 atm) getir: 100 °C çıkar. 228 mmHg’ye çek: Everest’in zirvesi, 70 °C. Sağa doğru çek: düdüklü tencere.
Sıcaklığı ver, basıncı oku.
“25 °C’ta suyun denge buhar basıncı 23,8 mmHg.”
Basıncı ver, sıcaklığı oku.
“Dış basınç 760 mmHg ise su 100 °C’ta kaynar.”
Bu yüzden ünite 18 ile ünite 19 ayrılamaz. Denge buhar basıncını anlamadan kaynamayı anlamak mümkün değil; kaynamayı görmeden de buhar basıncının niye önemli olduğu anlaşılmıyor.
“Aynı ortamda kaynayan farklı sıvıların buhar basınçları eşittir. Sabit basınç altında kaynarken saf sıvıların sıcaklıkları değişmez. Sıvıya verilen enerji, sıcaklığı artırmak yerine sıvının molekülleri arasındaki çekim kuvvetini kırarak sıvı fazdaki moleküllerin gaz fazına geçmesi için kullanılır.”
İlk cümle çok kullanışlı bir sınav bilgisi: aynı ortamda kaynayan her sıvının buhar basıncı o ortamın dış basıncına eşittir. Deniz seviyesinde kaynayan su da, etanol de, aseton da tam olarak 760 mmHg buhar basıncına sahiptir — kaynama sıcaklıkları bambaşka olsa bile.
İkinci ve üçüncü cümle mutfakta işine yarar: kaynayan suyun altındaki ocağı sonuna kadar açmak suyu daha sıcak yapmaz, yalnız daha hızlı tüketir. Makarna aynı sürede pişer, tencere daha çabuk boşalır.
“İçinde kabarcık olan bir kaba uygulanan basınç arttığında kabarcıktaki buhar molekülleri birbirine yaklaşır, kabarcık küçülür ve buhar molekülleri sonunda tekrar sıvıya dönüşür. Bu durumda sıvının üstündeki basınç, daha küçük iç basınca sahip kabarcıkların oluşumunu engelleyerek kaynamanın oluşmasını önler.”
“Tam tersine sıvı yüzeyine uygulanan basınç azaltılırsa buhar molekülleri yayılıp kabarcık oluşturur ve kaynama gerçekleşir.”
“Özetle sıvı yüzeyine etki eden dış basınç arttıkça sıvıların kaynama sıcaklığı artar, dış basınç azaldıkça kaynama sıcaklığı düşer.”
Son cümledeki ikinci yarı bir deneyle gösteriliyor: 50 °C’a ısıtılmış su bir şırıngaya çekiliyor, ucu kapatılıp piston geri çekiliyor — içerideki basınç düşünce su 50 °C’ta kaynamaya başlıyor. Hiç ısıtılmadan.
Kaydırak sıvı yüzeyine uygulanan dış basıncı değiştiriyor. Kabarcığın büyüyüp yüzeye çıkabildiğini mi, yoksa ezilip sıvıya geri döndüğünü mü izle.
Etkinlik-2.22’nin tablosu. Basınç dört katından fazlasına çıkarken kaynama sıcaklığının yalnız 49 derece arttığına dikkat et — ilişki doğrusal değil.
Yer altı sularının magmanın etkisiyle ısınan kayaçların arasından geçerek depolanması ve zamanla kaynayarak yüzeye fışkırmasıyla oluşur. Bir püskürmede yüzlerce litre suyu onlarca metre yüksekliğe taşıyabilir. Suyun içinde silisyum dioksit (SiO₂), kalsiyum karbonat (CaCO₃), arsenik (As), cıva (Hg), karbon dioksit (CO₂) ve hidrojen sülfür (H₂S) gibi maddeler bulunabilir.
Kilit gözlem: “Derinlerdeki sular, yüzeyde bulunanlara göre daha yüksek sıcaklıkta kaynar. Bu suların sıcaklığı 300 °C’u aşabilir.”
Neden? Derindeki suyun üstünde yalnız atmosfer yok, metrelerce su sütunu da var. O sütunun ağırlığı dış basıncı büyütüyor; yukarıdaki kurala göre dış basınç arttıkça kaynama sıcaklığı artar. (Ders kitabı olguyu veriyor, sebebini “Konuya Başlarken” sorusunda öğrenciye bırakıyor; cevap aynı kuraldan çıkıyor.)
Dünya genelindeki yaklaşık 1000 gayzerin yarısı ABD’deki Yellowstone Millî Parkı’nda. Rusya, Şili, Yeni Zelanda ve İzlanda’da da sıkça rastlanır.
“Saf bir sıvıya uçucu olmayan bir çözünen eklenirse oluşan çözeltinin kaynama sıcaklığı saf çözücüye göre yükselir. Çözünen madde miktarı arttıkça kaynama sıcaklığı da artar. Kaynama sıcaklığı ısıtıcının gücüne, sıvının miktarına ve kabın şekline bağlı değildir.”
Yani kaynama sıcaklığını değiştiren üç şey var: dış basınç, moleküller arası etkileşim türü ve içine katılan uçucu olmayan madde. Ocağın gücü, tencerenin boyu ve suyun miktarı listeye girmiyor — onlar suyun ne kadar çabuk kaynayacağını belirler, kaç derecede kaynayacağını değil.
“Kaynama sırasında sıvı molekülleri birbirinden uzaklaşır. Bundan dolayı sıvıların kaynama sıcaklığı moleküller arası etkileşim kuvveti ile doğru orantılıdır.”
“Sıvı molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri büyükse sıvının buharlaşma oranı ve buhar basıncı düşük olur. Dolayısıyla sıvının buhar basıncının dış basınca eşitlenmesi için sıvının daha fazla enerji (ısı) alması gerekir, bu da kaynama noktasının yükselmesine neden olur.”
İki üniteyi birleştiren zincir tam olarak bu: güçlü çekim → düşük buhar basıncı → dış basınca eşitlenmek için daha çok ısı → yüksek kaynama sıcaklığı.
Üç örnek. Etkileşim türü güçlendikçe kaynama sıcaklığı nasıl fırlıyor, gör.
“Saf maddelerdeki moleküller arası etkileşimlerin en güçlüsü hidrojen bağıdır… Ayrıca moleküller arasında hidrojen bağı sayısının artması, hidrojen bağının etkinliğini artırır. Örneğin her hidrojen florür (HF) molekülü iki hidrojen florür molekülüyle etkileşebilir… Su moleküllerinde ise her su molekülü dört su molekülüyle etkileşebilir ve dört hidrojen bağı oluşturabilir. Suyun kaynama sıcaklığının daha yüksek olmasının nedeni yapabildiği hidrojen bağı sayısının fazla olması ile açıklanabilir.”
İki H atomu verici, oksijenin iki ortaklanmamış elektron çifti alıcı. Toplam dört bağlantı noktası. Kaynama sıcaklığı 100 °C.
Tek H atomu ve pratikte tek etkin alıcı. Kaynama sıcaklığı 19,5 °C — sudan 80 derece düşük, üstelik flor daha elektronegatif.
Buradaki ders şu: bağın gücü tek başına yetmiyor, sayısı da belirleyici. HF’nin tek tek bağları sudan güçlü, ama su iki katı bağ kurabildiği için daha yüksekte kaynıyor.
| Bileşik | Kaynama sıcaklığı (°C, 1 atm) | Elektronegatiflik değerleri | Fark |
|---|---|---|---|
| H₂O | 100 | H: 2,20 · O: 3,44 | 1,24 |
| HF | 19,5 | H: 2,20 · F: 4,00 | 1,80 |
| NH₃ | −33,3 | H: 2,20 · N: 3,04 | 0,84 |
“Sıvı hâldeyken eşit sayıda hidrojen bağı yapabilen hidrojen florür (HF) ve amonyak (NH₃) karşılaştırıldığında hidrojen florürün kaynama sıcaklığının daha yüksek olması elektronegatiflik farkı ile açıklanabilir.”
Yani tabloyu iki farklı çiftte okuman gerekiyor: HF ↔ NH₃ karşılaştırmasında bağ sayısı eşit, farkı yaratan elektronegatiflik farkı. H₂O ↔ HF karşılaştırmasında elektronegatiflik farkı HF’de daha büyük, ama farkı yaratan bağ sayısı (4’e karşı 2). Hangi ölçütün geçerli olduğunu, öbür ölçütün eşit olup olmadığına bakarak seçiyorsun.
4A, 5A, 6A ve 7A gruplarının hidrojenli bileşiklerinin kaynama sıcaklıkları. Bir grup seç: o grubun eğrisi vurgulanır. 4A grubunda düzenli bir artış var — orada yalnız London kuvveti çalışıyor ve elektron sayısı arttıkça kuvvet büyüyor. Diğer üç grupta ilk bileşik beklenenin çok üstünde: NH₃, H₂O ve HF. Sebep hidrojen bağı.
kPa cinsinden on sekiz ölçüm. Kaydırak yine dış basıncı değiştiriyor. Yatay çizgi üç eğriyi üç ayrı noktada kesiyor: her sıvının o basınçtaki kaynama sıcaklığı. Kaydırağı 101,3 kPa’ya (1 atm) getir ve üç değeri oku — senden istenen tam olarak bu.
Tablodan okunan yaklaşık kaynama sıcaklıkları (1 atm = 101,325 kPa): dietil eter ≈ 35 °C · etil alkol ≈ 78 °C · su 100 °C. Suyunki tabloda birebir görünüyor: 100 °C’ta buhar basıncı 101,33 kPa, yani tam olarak 1 atm. (İlk iki değer tablonun kendi sayılarından hesaplandı; ara sıcaklıklar ölçülmemiş.)
Sıralamanın sebebi moleküller arası etkileşim: dietil eterde O−H bağı yok, hidrojen bağı kuramıyor; etil alkolde molekül başına bir O−H var; suda her molekül dört hidrojen bağı kurabiliyor. Kaynama sıcaklıkları da aynı sırayı izliyor.
Kontrol Noktası 2.10’da sıvılar renkli haritalarla gösteriliyor. Renk anahtarı: kırmızı bölgeler elektronca zengin (kısmi negatif yük), mavi bölgeler elektronca fakir (kısmi pozitif yük); daha az elektron içeren bölgeler sarı, hemen hemen nötr bölgeler yeşil gösterilir.
Bu haritalar, molekülün kutuplarını tek bakışta görmeni sağlıyor: suda oksijenin çevresi kıpkırmızı, hidrojenlerin çevresi mavi. Dietil eterde ise renk farkı çok daha soluk — dolayısıyla kutuplaşma zayıf, etkileşim zayıf, kaynama sıcaklığı düşük.
Her satırda tek hücre işaretle, sonra Denetleye bas.
Karışık sırayla gelen durumlar. Kaynama sıcaklığının artıp artmadığını, azalıp azalmadığını ya da hiç değişmediğini seç.
Yayla kampında çay bir türlü demlenmiyorsa suyun soğuk olmasından değil: yükseklikte dış basınç düşük olduğu için su 100 °C’a çıkmadan kaynıyor. Everest’in zirvesinde 0,3 atm ve 70 °C. Su fokur fokur kaynıyor ama sıcaklığı yetmiyor.
Kapağı kilitleyen tencere içeride buharı hapsedip basıncı yükseltiyor. Tabloya göre 1862 mmHg (yaklaşık 2,45 atm) altında su 127 °C’ta kaynar. Nohut saatlerce değil, kırk dakikada pişiyor — çünkü su daha sıcak. (Örnek eklendi; tablo ders kitabının.)
Makarna suyu kaynadıktan sonra ocağı kısmak makarnayı yavaş pişirmez. Sabit basınç altında kaynarken saf sıvıların sıcaklığı değişmez — su 100 °C’ta kalır. Yüksek ateş yalnız suyu daha çabuk buharlaştırır, tencereyi kurutur.
Tuz uçucu olmayan bir çözünen; kurala göre suyun kaynama sıcaklığını yükseltir ve miktarı arttıkça daha da yükseltir. Mutfaktaki bir tutam tuzun etkisi çok küçük, ama yön doğru.
Kolonya elde niye buz gibi hissettiriyor? İçindeki etil alkol yaklaşık 78 °C’ta kaynar; oda sıcaklığında bile buhar basıncı yüksektir ve hızla buharlaşırken deriden ısı çeker. Suyun 100 °C’ıyla arasındaki fark hidrojen bağı sayısı.
Deniz suyu saf sudan biraz daha yüksek sıcaklıkta kaynar; içindeki tuzlar uçucu olmayan çözünenlerdir. Aynı sebeple deniz suyunun donma sıcaklığı da düşer — bu yüzden kutup denizleri tatlı su göllerinden geç donar.
Yellowstone’daki gayzer patlamaları, derinlerdeki suyun üstündeki su sütununun basıncı yüzünden 100 °C’ı çok aşarak (300 °C’a kadar) ısınmasından. Su yükselip basınç düşünce bir anda kaynayıp fışkırıyor. Dünyadaki 1000 gayzerin yarısı orada.
Şırınga deneyinin mantığı evde bile anlaşılır: ılık su çekilmiş bir şırınganın ucu kapatılıp piston geri çekilirse içerideki basınç düşer ve su ısıtılmadan kaynamaya başlar. Kaynama için sıcaklık şart değil — eşitlik şart.
Kaynama sıcaklığını üç şey değiştirir: dış basınç, moleküller arası etkileşim ve uçucu olmayan çözünen. Şıklarda ısıtıcının gücü, sıvının miktarı ya da kabın şekli geçiyorsa tuzaktır — onlar kaynamanın ne zaman başlayacağını etkiler, kaç derecede olacağını değil.
48 soruluk test · kaynamanın tanımı, dış basıncın etkisi, basınç–kaynama sıcaklığı tablosu, etkileşim türü ile kaynama sıcaklığı ilişkisi ve üç sıvının buhar basıncı değerleri
Buharlaşma: sıvının yüzeyinde, her sıcaklıkta.
Kaynama: sıvının iç kısmında, yalnız belirli bir sıcaklıkta; iç kısımdaki
moleküller gaz hâline geçip kabarcık oluşturur ve kabarcıklar yüzeye çıkar.
“Sıvının buhar basıncının sıvının yüzeyine etki eden dış basınca eşit olduğu
sıcaklığa kaynama noktası (sıcaklığı) denir.”
Kabarcığın içindeki basınç (iç basınç) dış basınca eşit olduğunda kaynama gözlenir.
Dış basınç arttıkça kaynama sıcaklığı artar; basınç artınca kabarcık küçülür
ve tekrar sıvıya döner.
Dış basınç azaldıkça kaynama sıcaklığı düşer; basınç azalınca buhar molekülleri
yayılıp kabarcık oluşturur.
Deniz seviyesi 1 atm → 100 °C · Everest zirvesi 0,3 atm → 70 °C ·
1862 mmHg → 127 °C · 3517 mmHg → 149 °C.
Kaynama sıcaklığı moleküller arası etkileşim kuvvetiyle doğru orantılıdır.
CH₄ (London) −160,5 °C · H₂S (dipol-dipol) −60 °C ·
H₂O (hidrojen bağı) 100 °C.
Hidrojen bağı sayısının artması etkinliği artırır: HF iki, H₂O dört bağ.
Eşit sayıda bağ yapabilen HF ile NH₃’te farkı elektronegatiflik farkı yaratır
(HF 19,5 °C · NH₃ −33,3 °C).
Aynı ortamda kaynayan farklı sıvıların buhar basınçları eşittir.
Sabit basınç altında kaynarken saf sıvıların sıcaklığı değişmez; verilen enerji
sıcaklığı artırmak yerine moleküller arası çekim kuvvetini kırmak için kullanılır.
Bağlıdır: dış basınç · moleküller arası etkileşim türü · uçucu olmayan çözünen
(miktarı arttıkça kaynama sıcaklığı artar)
Bağlı değildir: ısıtıcının gücü · sıvının miktarı · kabın şekli
1 atm = 76 cmHg = 760 mmHg = 101.325 kPa.