Gazların özellikleri ve gaz yasaları
Bir gazı anlatmak için yalnız dört sayı yeter: basınç, hacim, sıcaklık ve mol sayısı. Gaz kanunlarının tamamı bu dördünden ikisini sabit tutup kalan ikisinin nasıl değiştiğini söyler. Hangi ikisinin sabit olduğunu bulabilirsen soru zaten çözülmüştür.
Gazlar maddenin 4 hâlinden biridir ve en düzensiz olanıdır. Taneciklerin hacmi, moleküller arası uzaklığın yanında ihmal edilir. Aşağıdaki düğmelerle her özelliği tek tek gez; canvas o özelliği canlandırıyor.
Gaz tanecikleri titreşim, öteleme ve dönme hareketi yapar. Birbiriyle ve kabın çeperleriyle çarpıştıklarından hızları ve yönleri değişebilir — buna Brown hareketi denir.
Gaz taneciklerinin çarpışmaları esnektir: çarpışma sonunda ortalama hızları değişmez. Tek tek taneciklerin hızı değişir ama ortalama korunur.
Yoğuşma, kırağılaşma ve iyonizasyon yaparak farklı fiziksel hâle dönüşür. Yüksek basınç ve düşük sıcaklıkta sıvılaştırılabilirler.
Gazlar sıkıştırılabilen akışkanlardır. Tanecikler arasında çok boşluk olduğu için sıvı ve katılardan ayrılırlar.
Gazlar birbiriyle daima homojen karışarak çözelti oluşturur. İki gazın karışmadığı bir durum yoktur; bu yüzden gaz karışımları her zaman çözeltidir.
Gazlar içinde bulundukları kabı tamamen doldurur; hacimleri ve şekilleri kabın hacmine ve şekline eşittir.
Gaz tanecikleri arasındaki çekim kuvvetleri, katı ve sıvılarınkine göre çok azdır. Tanecikler birbirini neredeyse hiç tutmaz.
Gazların yoğunluğu, katı ve sıvılarınkinden azdır. Aynı kütle çok daha büyük bir hacme yayılmıştır.
Taneciğin kendi hacmi, aralarındaki boşluğun yanında o kadar küçüktür ki hesaplarda sıfır kabul edilir. Gerçek gazlarda bu ihmalin bozulduğunu 8. ünitede göreceksin.
Gaz moleküllerinin birbiriyle ve kabın çeperleriyle yaptığı çarpışmalar sonucunda birim yüzeye uyguladığı kuvvete basınç denir. Çarpışma sayısına ve çarpma şiddetine bağlıdır.
Kapalı kaplardaki gazların basıncı manometre ile, açık hava basıncı barometre ile ölçülür.
1 atm = 76 cmHg = 760 mmHg = 760 Torr
Gaz taneciklerinin öz hacmi toplam hacim yanında ihmal edilir; gazın hacmi içinde bulunduğu kabın hacmine eşittir. Laboratuvarda gaz büretleri ile ölçülür.
1 L = 1 dm³ = 1000 mL = 1000 cm³
1 m³ = 1000 dm³ = 1000 L
Gazların hacimleri sıcaklık ve basınçtan etkilenir.
Sıcaklık, gazın ortalama kinetik enerjisinin ölçüsüdür; termometre ile ölçülür. Sıcaklığı aynı olan gazların cinsi ne olursa olsun kinetik enerjileri aynıdır.
Ek = (3/2) · k · T · K = °C + 273
Madde miktarının ölçüsüdür, “n” ile gösterilir. Bir gazın kaç tane taneciği olduğunu söyler; kütlesi değil, tanecik sayısı önemlidir.
Tanecik sayısını ve sıcaklığı değiştir; kutudaki tanecikler gerçekten hareket ediyor ve çepere her çarptıklarında sayaç artıyor. Basıncın neden iki ayrı etkene bağlı olduğu böyle görünür hâle geliyor.
Gaz kanunları, gazların basınç, hacim, sıcaklık ve mol sayılarının birbiriyle ilişkilerini açıklayan eşitliklerdir.
Sabit sıcaklıkta bir miktar gazın basıncı artırılırsa hacmi azalır (n, T sabit). Basınç ile hacim ters orantılıdır: P · V = k (sabit) → bir gazın farklı iki durumu için P₁V₁ = P₂V₂
Birbiriyle tepkime vermeyen gazları içeren birleşik kaplarda vana açıldığında toplam çarpım korunur: P₁V₁ + P₂V₂ = PTVT (VT = V₁ + V₂). Aynı gazın iki ayrı kabı için de, farklı iki gaz için de geçerlidir — çünkü basınç madde cinsinden bağımsızdır.
Bir miktar gazın sabit basınç altında mutlak sıcaklığı artırıldığında hacmi artar (n, P sabit). Hacim ile mutlak sıcaklık doğru orantılıdır: V = k · T → V₁ / T₁ = V₂ / T₂
−273,15 °C sıcaklığına mutlak sıfır noktası denir. Bu sıcaklığı başlangıç kabul eden ölçeğe Kelvin (mutlak) sıcaklık ölçeği denir ve gaz hesaplamalarında sıcaklık birimi olarak Kelvin kullanılır. Teorik olarak gazların hacmi −273,15 °C sıcaklıkta sıfır olur; ancak deneysel olarak gazlar bu sıcaklığa gelmeden önce sıvılaşır.
Sıcaklığı iki katına çıkarmak demek, 20 °C’yi 40 °C yapmak değildir. Mutlak sıcaklık cinsinden 293 K’in iki katı 586 K, yani 313 °C olur. Charles ve Gay-Lussac kanunlarında oran kurulurken sıcaklık mutlaka Kelvin olmalıdır: K = °C + 273. Hacim–sıcaklık grafiğinin Celsius ekseninde −273,15 °C’yi kestiği, Kelvin ekseninde ise orijinden geçtiği tam olarak bu yüzdendir.
Basınç – sıcaklık ilişkisi. Joseph Gay-Lussac. Belirli miktar gazın sabit hacimde mutlak sıcaklığı ile basıncı doğru orantılıdır.
P ∝ T · P = k·T (n, V sabit)
P₁ / T₁ = P₂ / T₂
Sıcaklık arttığında gaz taneciklerinin hızı, çarpma şiddeti ve çarpma sayısı artar.
Mol sayısı – hacim ilişkisi. Amedeo Avogadro. Aynı şartlarda (T, P) bir gazın miktarı artırılırsa hacmi artar.
V ∝ n · V = k·n
V₁ / V₂ = n₁ / n₂
NŞA (0 °C, 1 atm): 1 mol gaz = 22,4 L
Oda şartlarında (25 °C, 1 atm): 1 mol gaz = 24,5 L
Mol sayısı – basınç ilişkisi. John Dalton. Sıcaklığı ve hacmi sabit olan bir gazın miktarı artırılırsa basıncı artar.
P ∝ n · P = k·n (V, T sabit)
P₁ / P₂ = n₁ / n₂
Dalton’un kısmi basınçlar yasasıyla karıştırma; onu 7. ünitede göreceksin.
Kanunu seç, sonra kaydırağı çevir. Sol tarafta kabın kendisi çiziliyor, sağ tarafta o kanunun grafiği. Hangi iki değişkenin kilitli olduğu üstte yazılı.
| Kanun | Sabit olanlar | İlişki | Bağıntı |
|---|---|---|---|
| Boyle | n, T | P ile V ters | P₁V₁ = P₂V₂ |
| Charles | n, P | V ile T doğru | V₁/T₁ = V₂/T₂ |
| Gay-Lussac | n, V | P ile T doğru | P₁/T₁ = P₂/T₂ |
| Avogadro | P, T | V ile n doğru | V₁/V₂ = n₁/n₂ |
| Dalton | V, T | P ile n doğru | P₁/P₂ = n₁/n₂ |
Gaz sorularının çoğu, hangi değişkenin sabit olduğunu bir kelimeyle söyler. O kelimeyi tanırsan hangi kanunu kullanacağın kendiliğinden çıkar.
Aynı kanun, hangi büyüklüğü eksene koyduğuna göre farklı biçimde görünür. Boyle kanunu P–V grafiğinde hiperbol, P–(1/V) grafiğinde doğru verir; işte sınavda ayırt edilmesi gereken yer burası.
Bu ünitedeki Dalton kanunu mol sayısı ile basınç arasındaki orantıdır (V, T sabit). 7. ünitedeki Dalton kısmi basınçlar yasası ise bir gaz karışımındaki toplam basıncın, tek tek gazların kısmi basınçları toplamına eşit olduğunu söyler. İkisi de aynı bilim insanının adını taşır ama farklı şeylerden bahseder.
Hacim–sıcaklık grafiğinde eksenin birimi her şeyi değiştirir. Yatay eksen Kelvin ise doğru orijinden geçer; Celsius ise doğru −273,15 °C’yi keser. Grafiğin orijinden geçip geçmediğine bakarak eksenin hangi ölçekte olduğunu bulabilirsin.
Sabah okulun bahçesinde basketbol topu sönük gelir, öğlen güneşte sertleşir. Top esnek bir kap; sıcaklık düşünce hacim ve basınç birlikte azalır — Charles kanununun en sık gördüğün hâli.
Spor çantasında kalan deodorantı güneşte bırakma uyarısı boşuna değil: kutu çelik, yani hacmi sabit. Sıcaklık artınca Gay-Lussac gereği basınç yükselir ve kutu patlayabilir.
Evde pizza hamurunu sıcak yerde bekletirsin. Maya CO₂ üretir (Avogadro: mol artar, hacim artar) ve sıcaklık da hacmi büyütür — iki kanun aynı anda çalışır.
Pompanın ucunu tıkayıp bastırdığında kolun zorlanır: hacmi küçültünce basınç artar. Bu, elinle hissettiğin Boyle kanunudur — P·V çarpımı sabit kalmak ister.
Lastiğin hacmi neredeyse sabit; sen pompayla mol sayısını artırırsın, basınç yükselir. Manometre bunu ölçer. Dalton kanununun günlük karşılığı.
Kamp için yaylaya çıktığında cips paketi şişer. Paketin içindeki gazın mol sayısı aynıdır; dışarıdaki açık hava basıncı düştüğü için paket genleşir.
Tatil dönüşü uçak yükselirken kabin basıncı azalır, kulak zarının arkasındaki hava genleşir. Yutkunmak basıncı eşitler — yine P ile V ters orantısı.
Balonun içindeki hava ısıtılınca genleşir, aynı hacimde daha az tanecik kalır; yoğunluk düşer ve balon yükselir. Charles kanununun uçan hâli.
Sınav sonrası çantandan çıkan gazoz, çanta sallandığı ve ısındığı için açılırken taşar. Şişenin hacmi sabit, sıcaklık artmış — kapaktaki basınç Gay-Lussac ile yükselmiştir.
41 soruluk test · gazların genel özellikleri, basınç-hacim-sıcaklık-mol değişkenleri, Boyle, Charles, Gay-Lussac, Avogadro ve Dalton kanunları ile gaz grafikleri
Maddenin en düzensiz hâli. Tanecik hacmi ihmal edilir; titreşim, öteleme ve dönme yapar; çarpışmalar esnektir (ortalama hız değişmez). Sıkıştırılabilir, kabı tamamen doldurur, birbiriyle daima homojen karışır.
Çarpışma sayısı × çarpma şiddeti. 1 atm = 76 cmHg = 760 mmHg = 760 Torr. Kapalı kap: manometre, açık hava: barometre.
1 L = 1 dm³ = 1000 mL = 1000 cm³; 1 m³ = 1000 L. Sıcaklık ortalama kinetik enerjinin ölçüsüdür: Ek = (3/2)kT, K = °C + 273. Aynı sıcaklıkta bütün gazların kinetik enerjisi eşittir.
n, T sabit → P₁V₁ = P₂V₂. P–V grafiği hiperbol, P–(1/V) grafiği doğru, PV–V grafiği yatay doğru. Birleşik kaplarda P₁V₁ + P₂V₂ = PTVT.
n, P sabit → V₁/T₁ = V₂/T₂. Mutlak sıfır −273,15 °C; Kelvin ekseninde doğru orijinden geçer, Celsius ekseninde −273,15’i keser. Gazlar o sıcaklığa varmadan sıvılaşır.
n, V sabit → P₁/T₁ = P₂/T₂. Sıcaklık artınca taneciklerin hızı, çarpma şiddeti ve çarpma sayısı artar. “Çelik kap” bu kanunun işaretidir.
P, T sabit → V₁/V₂ = n₁/n₂ (Avogadro). V, T sabit → P₁/P₂ = n₁/n₂ (Dalton). NŞA’da 1 mol gaz 22,4 L, oda şartlarında 24,5 L.
“Bir miktar madde” → n sabit · “çelik kap” → V sabit · “sürtünmesiz piston / elastik balon” → P sabit · “oda sıcaklığında” → T sabit · “aynı şartlarda” → P ve T sabit.
Oran kurarken sıcaklık Kelvin olmalı — 20 °C’nin iki katı 40 °C değildir. Bu ünitedeki Dalton kanunu (P ∝ n), 7. ünitedeki kısmi basınçlar yasasıyla aynı şey değildir.