Gerçek gazlar
Önceki iki ünitede gazların hiç etkileşmediğini varsaydık. Tabiatta böyle bir gaz yok: tanecikler birbirini çeker ve kendi hacimleri vardır. Bu ünite, varsayımın nerede ve ne kadar bozulduğunu anlatıyor.
Kinetik teori varsayımlarına uyan gazlardır. Tanecikleri arasında çekim kuvveti yoktur, öz hacimleri ihmal edilir.
PV / RT = 1 (1 mol gaz için)
Tabiatta bulunan, tanecikleri arasında etkileşim olan gazlardır. Soluduğun hava, mutfaktaki doğal gaz, sodadaki karbon dioksit — hepsi gerçek gazdır.
Bir gazın ideale yakın sayılabilmesi için aşağıdaki özellikleri taşıması gerekir. Düğmelerle tek tek gez; canvas o ölçütün neden işe yaradığını gösteriyor.
İdeal gazlar; düşük sıcaklık, yüksek basınç ve yüksek molekül kütlesi değerlerinde ideallikten sapar. Gerçek gazlar yüksek basınç ve düşük sıcaklıkta, tanecikler arası çekim kuvvetleri artacağı için ideallikten uzaklaşır.
Aynı koşullarda bulunan ve apolar olan gerçek gazlardan mol kütlesi küçük olan ideale daha yakındır. Sebebi London kuvvetlerinin mol kütlesiyle birlikte büyümesidir.
Gerçek gazın ölçülen değeri, ideal gaz denkleminin verdiği değerden iki ayrı yönde ayrılır. Düğmeyle geç, farkı çizimde gör.
Hacimleri, mol sayıları ve sıcaklıkları aynı olan gazlardan ideal gazın basıncı, gerçek gazın basıncından daha büyüktür. Sebebi basit: gerçek gazda tanecikler birbirini çeker, çepere daha zayıf çarparlar.
Hem SO₂ hem CO₂ ideal davranıştan sapar; ancak moleküller arasındaki etkileşimin farklılığı nedeniyle SO₂ gazı CO₂ gazına göre ideal davranıştan daha çok sapar. Örnekte aynı koşullarda SO₂ için 12 atm, CO₂ için 16 atm ölçülmüştür.
1 mol gaz için ideal davranışta bu oran her basınçta 1’dir; grafikte yatay bir doğru verir. Gerçek gazın eğrisi bu doğrudan ne kadar uzaklaşıyorsa sapma o kadar büyüktür.
Üstteki düğmelerle farklı gazları aynı sıcaklıkta, alttaki kaydırakla aynı gazı farklı sıcaklıklarda karşılaştır. Kesikli yatay çizgi ideal gazın kendisidir.
Molekül kütlesi büyük olan CO₂’de London çekim kuvvetleri daha büyük olduğundan ideallikten sapar. Mol kütleleri (g/mol): H₂: 2 · N₂: 28 · O₂: 32 · CO₂: 44.
Düşük sıcaklıkta (200 K) tanecikler arası etkileşim daha fazla olduğundan ideallikten sapma görülür. Sıcaklık 1000 K’e çıktığında eğri ideal doğruya yaklaşır.
Bir gazın sabit sıcaklıkta basıncı 2 atm’den 4 atm’e çıkarıldığında hacmi yarıya iner — Boyle Kanunu’na uyar. Ancak basınç 1000 atm’den 2000 atm’e çıkarıldığında hacim yarıya düşmez. Yani gazlar düşük basınçta ideal davranış gösterir. Gaz kanunlarının “her koşulda geçerli” olmadığını gösteren yer burasıdır.
Maddenin farklı sıcaklık ve basınç şartlarındaki fiziksel durumlarını gösteren grafiklere faz diyagramı denir. Diyagramda çizgilerin üstünde maddenin iki hâli bulunur; ortam heterojendir.
Kaydıraklarla noktayı diyagramda dolaştır; sağda maddenin o şartlardaki hâli yazıyor. Eğrilerin ve iki özel noktanın ne anlama geldiğini düğmelerden okuyabilirsin.
Kritik sıcaklık, bir gazın basınç uygulanarak sıvılaştırılabileceği en yüksek sıcaklıktır.
BUHAR: Kritik sıcaklığın altında sıkıştırılarak
sıvılaştırılabilen akışkandır.
GAZ: Bulunduğu sıcaklıkta hiçbir basınç altında sıvılaştırılamayan akışkandır.
Günlük dilde ikisine de “gaz” denir; kimyada ayrımı yapan tek şey kritik sıcaklığın neresinde olduğun.
İki maddenin faz diyagramı yan yana çiziliyor. Aradaki tek görsel fark erime–donma eğrisinin eğimi; bütün sonuçlar oradan çıkıyor.
Gerçek gaz molekülleri iki şekilde sıvılaşabilir:
Genleşen gazlar genleşirken öz ısılarını kullandıkları için kinetik enerjileri azalır ve bulundukları ortamı soğuturlar. Aşağıdaki animasyonda gaz A bölmesinden dar boğazdan geçip B bölmesine genleşiyor: P₁ > P₂, V₂ > V₁, T₁ > T₂. Kaydırakla gazın ne kadar “gerçek” olduğunu değiştir.
Joule-Thomson olayı veren gazlar gerçek gazlar, vermeyenler ise ideal gazlardır. T₁ ile T₂ arasındaki farkın büyüklüğü gazın gerçek gaz gibi davrandığını, farkın küçüklüğü ideale yakın davrandığını gösterir.
Klimalarda ve buzdolaplarında bu olaydan faydalanılır. Ayrıca bu yöntemle hava hızla genleştirilmiş, soğutulmuş ve havadan oksijen ile azot (damıtma ile) elde edilmiştir.
H₂, He ve Ne dışındaki gazların sıcaklığı Joule-Thomson olayı ile düşer.
Buhar hâline geçerken ortamın sıcaklığını düşürüp soğumasına neden olan gazlara soğutucu akışkanlar denir. Her gaz soğutucu akışkan olarak kullanılamaz. Düğmelerle yedi ölçütü gez.
Puron – CH₂F₂, Freon 12 – CCl₂F₂. Freon 12, ozon tabakasına zarar verdiğinden birçok ülkede yasaklanmış; yerine kütlece %50 CH₂F₂ ve %50 C₂HF₅ gazlarından oluşan puron kullanılmaktadır.
| Ölçüt | İdeal gaz | Gerçek gaz |
|---|---|---|
| Tanecikler arası çekim | Yok sayılır | Vardır |
| Öz hacim | İhmal edilir | Hesaba katılır |
| PV/RT (1 mol) | 1 | 1’den sapar |
| Joule-Thomson olayı | Vermez | Verir |
| Sıvılaşma | Sıvılaşmaz | Yüksek basınç ve düşük sıcaklıkta sıvılaşır |
| Ne zaman birbirine yaklaşırlar? | Yüksek sıcaklık ve düşük basınçta gerçek gaz ideale yakın davranır | |
Mutfaktaki buzdolabının arkasındaki boru sistemi Joule-Thomson olayıyla çalışır: akışkan dar bir boğazdan geçip genleşir, soğur ve dolabın içindeki ısıyı dışarı taşır.
Yazın açtığın klima da aynı döngüyü kullanır. İçindeki gaz soğutucu akışkan ölçütlerine uyar: kritik sıcaklığı yüksek, kaynama noktası düşük, yanıcı ve zehirli değil.
Bardaktaki buz batmaz; çünkü suyun katısının özkütlesi sıvısınınkinden küçüktür. Faz diyagramındaki negatif eğimli erime eğrisi tam olarak bunu söyler.
Suda basınç arttıkça erime noktası düşer. Bu yüzden buz, yüksek basınç altında daha düşük sıcaklıkta erimeye başlar — CO₂’de tam tersi olur.
Doğum günü partilerinde duman efekti için kullanılan kuru buz katı CO₂’dir; ıslatmadan doğrudan buharlaşır. Diyagramda süblimleşme eğrisinin günlük karşılığıdır.
Spreyi cildine sıktığında serin hissedersin. Gaz kutudan çıkıp genleşirken öz ısısını kullanır, kinetik enerjisi azalır ve çevresini soğutur.
Tüpteki LPG sıvı hâldedir; çünkü kritik sıcaklığı yüksek bir maddedir ve basınç altında sıvılaştırılabilir. H₂ ya da N₂ ile böyle bir tüp yapılamaz.
Dalış tüpünün içindeki hava çok yüksek basınçtadır; orada gaz ideallikten uzaktır. PV = nRT ile yapılan hesap gerçek değerden sapar.
Freon 12 (CCl₂F₂) ozon tabakasına zarar verdiği için yasaklandı. Yerini kütlece %50 CH₂F₂ ve %50 C₂HF₅ karışımı olan puron aldı.
45 soruluk test · ideal ve gerçek gaz ayrımı, PV/RT sapma grafikleri, faz diyagramları, kritik nokta, üçlü nokta, Joule-Thomson olayı ve soğutucu akışkanlar
İdeal gaz kinetik teori varsayımlarına uyar; gerçek gaz tabiatta bulunan, tanecikleri arasında etkileşim olan gazdır. 1 mol için ölçüt: PV/RT = 1.
Molekül kütlesi düşük, sıcaklığı yüksek, basıncı düşük, moleküller arası çekim kuvveti az olan gazlar ideale yakındır. Apolar gerçek gazlardan mol kütlesi küçük olan ideale daha yakındır.
Yüksek basınçta gerçek gazın hacmi idealinkinden büyüktür (Vgerçek = Videal + V). Düşük sıcaklıkta gerçek gazın basıncı idealinkinden düşüktür (Pgerçek = Pideal − P).
Aynı sıcaklıkta mol kütlesi büyük olan (CO₂) daha çok sapar; aynı gazda düşük sıcaklıkta (200 K) sapma büyür. Boyle kanunu 1000 atm’de artık tutmaz — gazlar düşük basınçta ideal davranır.
AB buharlaşma-yoğuşma, AD süblimleşme-kırağılaşma, AC erime-donma eğrisi. A = üçlü nokta (üç hâl bir arada), B = kritik nokta. Çizgi üzerinde iki hâl birlikte bulunur, ortam heterojendir.
Buhar: kritik sıcaklığın altında, sıkıştırılarak sıvılaştırılabilen akışkan. Gaz: bulunduğu sıcaklıkta hiçbir basınçla sıvılaştırılamayan akışkan. Kritik sıcaklık = sıvılaştırılabileceği en yüksek sıcaklık.
Tk ve Pk düşük olanlar kalıcı gazlar (H₂, N₂, O₂…); yüksek olanlar kalıcı olmayan gazlar (CO₂, HCl, NH₃, H₂O).
Su: erime eğrisi negatif eğimli, basınç artınca erime noktası azalır,
katısı sıvısından hafif, Tk = 374,3 °C.
CO₂: erime eğrisi pozitif eğimli, bütün noktalar basınçla artar,
katısı sıvısından ağır, Tk = 31,2 °C.
Genleşen gaz öz ısısını kullanır, soğur. Olayı veren gerçek, vermeyen ideal gazdır; sıcaklık farkı ne kadar azsa gaz o kadar ideale yakındır. H₂, He ve Ne dışındaki gazların sıcaklığı bu olayla düşer. Klima ve buzdolabında kullanılır.
Kritik sıcaklığı yüksek, 1 atm kaynama noktası düşük, yanıcı ve zehirli olmayan, metallerle etkileşmeyen, çevreye zarar vermeyen, ucuz ve oda koşullarında buhar hâlinde olan maddeler. Freon 12 yasaklandı, yerine puron geldi.