Kimyada Gazlar

    Bir gaz, tanımlanmış bir şekli veya hacmi olmayan bir madde halidir. Gazlar, sıcaklık, basınç ve hacim gibi çeşitli değişkenlere bağlı olarak kendi benzersiz davranışlarına sahiptir. Her gaz farklı olsa da, tüm gazlar benzer bir maddede hareket eder. Bu çalışma kılavuzu, gazların kimyası ile ilgili kavramları ve yasaları vurgulamaktadır.

 

Bir Gazın Özellikleri

    Gaz, maddenin bir halidir. Bir gazı oluşturan parçacıklar, tek tek atomlardan karmaşık moleküllere kadar değişebilir. Gazlarla ilgili diğer bazı genel bilgiler:

• Gazlar, kaplarının şeklini ve hacmini alır. 
• Gazlar, katı veya sıvı fazlarından daha düşük yoğunluklara sahiptir. 
• Gazlar, katı veya sıvı fazlarına göre daha kolay sıkıştırılır. 
• Gazlar aynı hacimle sınırlandırıldığında tamamen ve eşit bir şekilde karışacaktır. 
• Grup VIII'deki tüm elementler gazdır. Bu gazlar soy gazlar olarak bilinir. 
• Oda sıcaklığında ve normal basınçta gaz olan elementlerin hepsi ametaldir. 

 

Basınç

Gaz balonu

 

    Basınç, birim alan başına düşen kuvvet miktarının bir ölçüsüdür. Bir gazın basıncı, gazın hacmi içindeki bir yüzeye uyguladığı kuvvet miktarıdır. Yüksek basınçlı gazlar, düşük basınçlı gazdan daha fazla kuvvet uygular.

    SI basınç birimi pascal'dır ( Sembol Pa ). Pascal, metrekare başına 1 Newton'luk kuvvete eşittir. Bu birim, gerçek dünya koşullarında gazlarla uğraşırken çok kullanışlı değildir, ancak ölçülebilen ve çoğaltılabilen bir standarttır. Zaman içinde birçok başka basınç birimi gelişmiştir ve çoğunlukla en aşina olduğumuz gazla ilgilidir: hava. Hava ile ilgili sorun, basınç sabit değildir. Hava basıncı, deniz seviyesinden yüksekliğe ve diğer birçok faktöre bağlıdır. Birçok basınç birimi başlangıçta deniz seviyesindeki ortalama hava basıncına dayanıyordu, ancak standart hale geldi.

 

Sıcaklık

    Sıcaklık, bileşen parçacıklarının enerji miktarı ile ilgili bir madde özelliğidir. 

    Bu enerji miktarını ölçmek için çeşitli sıcaklık ölçekleri geliştirilmiştir, ancak SI standart ölçeği Kelvin sıcaklık ölçeğidir. Diğer iki yaygın sıcaklık ölçeği Fahrenheit ( °F ) ve Celsius ( °C ) ölçekleridir.

    Kelvin ölçeği mutlak bir sıcaklık ölçeğidir ve neredeyse tüm gaz hesaplamalarında kullanılır. Gaz problemleriyle çalışırken sıcaklık okumalarını Kelvin'e dönüştürmek önemlidir.

    Sıcaklık ölçekleri arasındaki dönüşüm formülleri:

    K = °C + 273.15

    °C = 5/9 ( ° F - 32 )

    ° F = 9/5 ° C + 32

 

STP - Standart Sıcaklık ve Basınç

    STP, standart sıcaklık ve basınç anlamına gelir. 273 K'da ( 0 °C ) 1 atmosfer basınçtaki koşulları ifade eder. STP, gazların yoğunluğu ile ilgili hesaplamalarda veya standart durum koşullarını içeren diğer durumlarda yaygın olarak kullanılır.

    STP'de, ideal bir gazın bir molü 22.4 L'lik bir hacim kaplayacaktır. 

 

Dalton'un Kısmi Basınç Yasası

    Dalton yasası, bir gaz karışımının toplam basıncının, tek başına bileşen gazların tüm bireysel basınçlarının toplamına eşit olduğunu belirtir. 

    P_toplam = P_{Gaz 1} + P_{Gaz 2} + P_{Gaz 3} + ... 

    Bileşen gazının bireysel basıncı, gazın kısmi basıncı olarak bilinir. Kısmi basınç,

    P_i = X_iP_toplam formülü ile hesaplanır

    Burada

    P_i = tek tek gazın kısmi basıncı

    P_toplam = toplam basınç

    X_i = tek tek gazın mol fraksiyonu

    Mol fraksiyonu, X_i, tek tek gazın mol sayısının, karıştırılan gazın toplam mol sayısına bölünmesiyle hesaplanır. 

 

Avogadro Gaz Yasası

    Avogadro yasası, bir gazın hacminin, basınç ve sıcaklık sabit kaldığında gazın mol sayısı ile doğru orantılı olduğunu belirtir. Temel olarak: Gazın hacmi vardır. Daha fazla gaz ekleyin, basınç ve sıcaklık değişmezse gaz daha fazla hacim kaplar.

    V = kn

    Burada

    V = hacim k = sabit n = mol sayısı

    Avogadro yasası olarak da ifade edilebilir

    V_i/n_i = V_f/n_f

    Nerede

    V_i ve V_f ilk ve son ciltlerdir

    n_i ve n_f ilk ve son mol sayısıdır

 

Boyle'un Gaz Yasası

    Boyle'un gaz yasası, bir gazın hacminin, sıcaklık sabit tutulduğunda basınçla ters orantılı olduğunu belirtir. 

    P = k/V

    Burada

    P = basınç

    k = sabit

    V = hacim

    Boyle yasası olarak da ifade edilebilir

    P_iV_i = P_fV_f

    Nerede

    P_i ve P_f ilk ve son basınçlardır. 

    V_i ve V_f ilk ve son basınçlardır. Hacim arttıkça basınç azalır veya hacim azaldıkça basınç artacaktır.

 

Charles'ın Gaz Yasası

    Charles'ın gaz yasası, bir gazın hacminin, basınç sabit tutulduğunda mutlak sıcaklığıyla orantılı olduğunu belirtir. 

    V = kT

    Burada

    V = hacim

    k = sabit

    T = mutlak sıcaklık

    Charles yasası şu şekilde de ifade edilebilir:

    V_i/T_i = V_f/T_i

    Nerede

    V_i ve V_f ilk ve son ciltlerdir

    T_i ve T_f ilk ve son mutlak sıcaklıklardır. 

    Basınç sabit tutulursa ve sıcaklık artarsa, gazın hacmi artacaktır. Gaz soğudukça hacim azalacaktır. 

 

Guy-Lussac'ın Gaz Yasası

    Guy-Lussac'ın gaz yasası, bir gazın basıncının, hacim sabit tutulduğunda mutlak sıcaklığıyla orantılı olduğunu belirtir. 

    P = kT

    Burada

    P = basınç

    k = sabit

    T = mutlak sıcaklık

    Guy-Lussac yasası olarak da ifade edilebilir.

    P_i/T_i = P_f/T_i

    Nerede

    P_i ve P_f ilk ve son basınçlardır

    T_i ve T_f ilk ve son mutlak sıcaklıklardır. 

    Sıcaklık artarsa, hacim sabit tutulursa gazın basıncı artacaktır. Gaz soğudukça basınç azalacaktır.

 

İdeal Gaz Yasası veya Kombine Gaz Yasası

    Kombine gaz yasası olarak da bilinen ideal gaz yasası, önceki gaz yasalarındaki tüm değişkenlerin bir kombinasyonudur. İdeal gaz yasası şu formülle ifade edilir:

    PV = nRT

    Burada

    P = basınç

    V = hacim

    n = gazın mol sayısı

    R = ideal gaz sabiti

    T = mutlak sıcaklık

    R'nin değeri basınç, hacim ve sıcaklık birimlerine bağlıdır. 

    R = 0.0821 litre·atm/mol· K ( P = atm, V = L ve T = K )

    R = 8.3145 J/mol· K ( Basınç x Hacim enerjidir, T = K )

    R = 8.2057 m³·atm/mol· K ( P = atm, V = metreküp ve T = K )

    R = 62.3637 L·Torr/mol· K veya L·mmHg/mol· K ( P = torr veya mmHg, V = L ve T = K )

    İdeal gaz yasası, normal koşullar altındaki gazlar için iyi çalışır. Olumsuz koşullar arasında yüksek basınçlar ve çok düşük sıcaklıklar bulunur.

 

Gazların Kinetik Teorisi

    Gazların Kinetik Teorisi, ideal bir gazın özelliklerini açıklamak için bir modeldir. Model dört temel varsayımda bulunur:

1. Gazı oluşturan tek tek parçacıkların hacminin, gazın hacmiyle karşılaştırıldığında ihmal edilebilir olduğu varsayılır. 
2. Parçacıklar sürekli hareket halindedir. Parçacıklar ve kabın sınırları arasındaki çarpışmalar gazın basıncına neden olur.
3. Bireysel gaz parçacıkları birbirlerine herhangi bir kuvvet uygulamazlar. 
4. Gazın ortalama kinetik enerjisi, gazın mutlak sıcaklığı ile doğru orantılıdır. Belirli bir sıcaklıktaki bir gaz karışımındaki gazlar aynı ortalama kinetik enerjiye sahip olacaktır.

Bir gazın ortalama kinetik enerjisi şu formülle ifade edilir:

    KE_ave = 3RT/2

    Burada

    KE_ave = Ortalama kinetik enerji ( ave ) R = ideal gaz sabiti

    T = mutlak sıcaklık

    Tek tek gaz parçacıklarının ortalama hızı veya kök ortalama kare hızı formülü kullanılarak bulunabilir. 

    v_rms = [3RT/M]^1/2

    Nerede

    v_rms = ortalama veya kök ortalama kare hız

    R = ideal gaz sabiti

    T = mutlak sıcaklık

    M = molar kütle

 

Bir gazın yoğunluğu

    İdeal bir gazın yoğunluğu

    ρ = PM/RT formülü kullanılarak hesaplanabilir

    Burada

    ρ = yoğunluk

    P = basınç

    M = molar kütle

    R = ideal gaz sabiti

    T = mutlak sıcaklık

 

Graham'ın Difüzyon ve Efüzyon Yasası

    Graham yasası, bir gazın difüzyon veya efüzyon hızını, gazın molar kütlesinin karekökü ile ters orantılı olduğunu belirtir. 

    r(M)^1/2 = sabit

    Burada

    r = difüzyon veya efüzyon hızı

    M = molar kütle

    İki gazın oranları, r formülü kullanılarak birbiriyle karşılaştırılabilir. 

    r₁/r₂ = (M₂)^1/2/(M₁)^1/2

 

Gerçek Gazlar

    İdeal gaz yasası, gerçek gazların davranışı için iyi bir yaklaşımdır. İdeal gaz yasası tarafından tahmin edilen değerler tipik olarak ölçülen gerçek dünya değerlerinin % 5'i içindedir. İdeal gaz yasası, gazın basıncı çok yüksek olduğunda veya sıcaklık çok düşük olduğunda başarısız olur. Van der Waals denklemi, ideal gaz yasasında iki değişiklik içerir ve gerçek gazların davranışını daha yakından tahmin etmek için kullanılır.

    Van der Waals denklemi

    (P + an²/V²)(V - nb) = nRT

    Burada

    P = basınç

    V = hacim

    a = gaza özgü basınç düzeltme sabiti

    b = gaza özgü hacim düzeltme sabiti

    n = gazın mol sayısı

    T = mutlak sıcaklık

    Van der Waals denklemi, moleküller arasındaki etkileşimleri hesaba katmak için bir basınç ve hacim düzeltmesi içerir. İdeal gazların aksine, gerçek bir gazın tek tek parçacıkları birbirleriyle etkileşime girer ve belirli bir hacme sahiptir. Her gaz farklı olduğundan, van der Waals denkleminde her gazın a ve b için kendi düzeltmeleri veya değerleri vardır.