Aristo (M.Ö. 384-332), kendisinden önceki filozofların ileri sürdükleri kuramları da göz önüne alarak; toprak, su, hava ve alevin element olduğunu ve tüm maddelerin bu dört elementten oluştuğunu sanmaktaydı.

Bu dört elementten ilk ikisinin sırayla maddenin üç hali olan katı, sıvı ve gaz ile ilgili olduğunu düşünen Aristo, alevin de enerji ile ilgili olduğunu söylemekteydi.

Yüzyıllar boyunca, tüm gazların havanın bir başka şekli veya havanın çeşitli safsızlıklarla karışımı olduğu sanıldı.

Zamanla, gazlar arasındaki farklılıklar anlaşılmaya ve 17. yüzyıl başlarında ilk kez gaz ismi kullanılmaya başlandı.

Bununla birlikte Lavoisier’e dek (18 yüzyılın sonuna doğru) bu farklılıklar kesin olarak belirlenemedi.

7-Gazlar (D-1)

Yanma reaksiyonları havanın oksijen ve azot gazı içermesine bağlayarak açıklayan Lavoisier, 1778 yılında havanın tüm gazların ana maddesi olan bir element olmadığını ortaya koydu.

Son iki yüzyıl içinde gazların özelliklerini saptamak üzere çok sayıda ve çok ayrıntılı deneysel ve kuramsal çalışmalar yapılmıştır.

Sonuç olarak, maddenin hallerinden birini gösteren gazların sıcaklığı düşürüldüğünde sıvı ve katı gibi maddenin daha yoğun hallerine dönüştüğü,tüm sıvıların gaz haline dönüşebildiği ve bu dönüşmeler sırasında maddenin çoğunlukla kimyasal bir değişikliğe uğramadığı saptanmıştır.

Bunun yanında, bazı maddeler sıcaklıklarının yükselmesiyle ısıl bozunmaya uğrayarak kimyasal özelliklerini değiştirmektedirler.

Yalnızca içinde yaşadığımız normal koşullarda gaz olarak algıladığımız maddelerin dışında, sıcaklık ve basıncın uygun biçimde ayarlanmasıyla çok sayıda gazın elde edilebileceği daha sonradan ortaya çıkmıştır.

7-Gazlar (D-2)

Gaz, sıvı ve katı arasındaki karşılıklı faz dönüşümünü daha ileride göreceğiz.

Kısaca, katı ısıtılırsa eriyerek sıvı, sıvı ısıtılırsa buharlaşarak gaz oluşur.

Peki, gaz ısıtılmaya devam edilirse ne olur?

Bu sorunun yanıtı, maddenin dördüncü hali olarak tanımlanan plazma olur.

Örneğin, azot gazının sıcaklığını sürekli yükselterek ısıtmaya devam edersek önce azot molekülleri N2 ↔2N denklemine göre atomlarına ayrışır, sonra azot atomları N ↔ N+ + e– şeklinde iyonlaşır.

Böylece de, N2 azot molekülleri, N azot atomları, N+ azot iyonları ve e– elektronlarının karışımı olan bir sistem ele geçer.

7-Gazlar (D-3)

Plazma adını verdiğimiz bu karışım pratikte 5000oC ile 20000°C sıcaklık aralığında oluşur. Buna göre tüm alevler bir plazmadır. Yüksek gerilim arasında atlayan kıvılcım ve benzer nedenden dolayı şimşek çakması sırasında plazma oluşur.

Plazma oluşumunun maddenin yapısının aydınlatılmasın da önemli işlevi vardır.

Güneş ve diğer yıldızlar birer plazmadır.

Buna göre, Aristo alevi enerji ile ilgili bir element olarak tanımlayacağına, maddenin en yüksek enerjili dördüncü bir hali olarak tanımlasaydı daha doğru bir fikir yürütülmüş olurdu.

7.1 GAZ HALİ VE GAZLARIN ÖNEMİ

Yapılan araştırmalar, gazların, birbirinden oldukça uzak ve hızla hareket eden moleküllerden oluştuğunu göstermiştir.

Gazlar bulunduğu her hacmi doldurabilen ve bastırıldığında hacmi büyük olduğunda küçültebilen akışkanlardır.

Bu bastırılabilme özelliklerinden yararlanılan gazlar yüksek basınç altında çelik tüplere doldurularak depolanır, taşınır ve kullanırlar.

Kaynakçılıkta yanıcı olarak kullanılan asetilen ve hidrojen gazları ile yakıcı olarak kullanılan oksijen gazının ve tüp gaz olarak bilinen sıvılaştırılmış petrol gazlarının (ing. LPG) çelik tüpler içinde taşındığını ve kullanıldığını hepimiz görmüşüzdür.

Doğal gazlar ve havagazı gibi endüstriyel gazlar borularla istenilen yere basınç uygulanarak gönderilmektedir.

Laboratuvar ve hastanelerde, gerekli gazlar istenilen ölçüde saflaştırılarak çeşitli büyüklüklerdeki çelik şişelerde sürekli olarak kullanılmaya hazır halde tutulur.

7.1 GAZ HALİ VE GAZLARIN ÖNEMİ(D-1)

Dünyamızın atmosferini oluşturan hava olmasaydı canlıların da olmayacağını düşündüğümüzde, havanın ve dolayısıyla gaz halinin önemi kendiliğinden ortaya çıkmaktadır.

Solunum sırasında oksijen gazı alıp karbondioksit gazı vermemiz, vücudumuzda yürüyen biyokimyasal reaksiyonlarda gazların önemini göstermektedir.

Diğer taraftan, bitkilerin özümlemesi ve solunumu sırasında yine aynı gazlar kullanılmaktadır.

Bitkiler, gündüzleri havadan aldıkları karbon dioksiti güneş ışığının katalitik etkisi altında topraktan aldıkları su ve diğer maddeler ile kimyasal yoldan birleştirerek özümleme yaparlar.

Böylece, karbon dioksit alıp oksijen salarak bulundukları yerin havasını gündüzleri temizlerler.

Geceleri ise solunum yaparlar ve bu sırada da oksijen alarak karbon dioksit salarlar.

Bu yüzden, yatak odalarında saksı bitkileri yetiştirmek sağlığa zararlıdır

7.1 GAZ HALİ VE GAZLARIN ÖNEMİ(D-2)

Karbon dioksit zehirli olmamakla birlikte havadaki oranı arttıkça oksijen alınmasını engellediği için boğucu etki gösterir.

Bunun yanında, karbon monoksit kandaki oksihemoglobini karboksi hemoglobine dönüştürerek kanın oksijen taşınmasını önler ve kısa sürede öldürücü etkisini gösterir.

Havagazını öldürücü etkisi önemli oranda içerdiği yanıcı bir gaz olan karbon monoksitten kaynaklanmaktadır.

Klor ve fosgen gibi gazlar da çok güçlü zehirleyiciler olduğundan kimyasal silah olarak ikinci Dünya Savaşı’nda kullanılmıştır.

Hızla öldürücü olmamalarına karşın kükürt dioksit, amonyak, hidrojen klorür ve azot dioksit gibi gazlar da sağlığa büyük ölçüde zararlıdır.

Özellikle kükürt dioksit, katı ve sıvı yakıtların içerdiği kükürtten yanma sırasında oluşarak baca gazı ile havaya geçmekte ve önemli ölçüde çevre kirliliğine yol açmaktadır.

Zehirli olsun veya olmasın gazların endüstrinin tüm dallarında önemli işlevleri vardır.

7.1 GAZ HALİ VE GAZLARIN ÖNEMİ(D-3)

Çoğu kimyasal reaksiyonlara giren ve çıkan maddelerden bazıları veya tümü gaz halindedir.

Kimyasal reaksiyonların doğru olarak incelenebilmesi ve aynı reaksiyonların endüstriyel düzeyde kullanılabilmesi için gazların fiziksel ve kimyasal özelliklerinin çok iyi bilinmesi gerekmektedir.

Bu bilgilerin ışığında, kendi sağlığımıza ve çevreye zarar vermeden gazların üretilmesi, kullanılması veya istenilmediği zaman uzaklaştırılması daha kolay gerçekleştirilmiş olacaktır.

Sonuç olarak, gazları incelemekle yalnızca maddenin gaz halinin davranışlarını belirlemek değil, yaşamımızda önemli bir yeri olan bu maddeleri en iyi şekilde kullanabilmek de amaçlanmaktadır.

7.2 GAZLARIN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Matematikten anımsayacağınız gibi, düzlemdeki bir nokta iki konla uzaydaki bir nokta ise üç konla verilmektedir.

(Kon sözcüğünü koordinat anlamına kullandığımızı hemen anımsatalım.)

Gaz veya gaz karışımlarının oluşturduğu sistemleri tanımlayabilmek için de bazı konlara gereksinim vardır.

Bunları, madde miktarı (mol,n) hacim (v), basınç (p) ve sıcaklık (T) şeklinde sıralayabiliriz.

Bu dört kondan en az üçünün değerini vererek gazın halini tanımlayabiliriz.

Üzerinde araştırmalar yapmak üzere Şekil 7.2.1 de görüldüğü gibi bir silindir içine doldurduğumuz gazı sistem olarak aldığımızda, sistemin içinde bulunduğu yer de ortam olmaktadır.

7.2 GAZLARIN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ(D-1)

7.2 GAZLARIN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ(D-2)

Sistem ile ortam arasındaki madde alışverişinden gazın miktarı, enerji alışverişinden ise hacmi, basıncı ve sıcaklığı değişmektedir.

Sistemin konları olan değişkenlerden (parametreler) bir veya ikisi sabit tutulabilir ve bu durumda da geride kalan değişken sayısından bir eksik sayıda değişkenin değeri verilerek sistem tanımlanabilir.

Bir sistemi tanımlayabilmek için verilmesi gereken en az sayıdaki niceliklere bağımsız değişkenler adı verilir.

Geride kalan değişkenler bu bağımsız değişkenlere bağlı olarak hesaplanabilir.

Bu hesaplama için tüm değişkenlerin yer aldığı ve bağımlılık koşulu adı verilen bir denklem türetilebilmektedir.

Molekülleri arasında çekme ve itme kuvvetlerinin bulunmadığı ve moleküllerinin öz hacimleri moleküllerin serbestçe dolaştıkları tüm hacim yanında ihmal edilebilecek kadar küçük olan gazlara ideal gaz adı verilir.

7.2 GAZLARIN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ(D-3)

İdeal gaz kavramı gazlar üzerindeki araştırmalarımızı kolay yapabilmek amacı ile ileri sürülen basit bir modeldir.

Gerçekte hiçbir gaz ideal değildir, yalnızca doğru gazlar düşük basınç ve yüksek sıcaklıklarda ideal gaz modeline uyarlar.

Laboratuvarlarda gaz elde etmek için Şekil 7.2.2 a’da görülen Kipp cihazı kullanılır.

Gazların da diğer maddeler gibi belli basınç ve sıcaklıktaki hacim ve yoğunlukları (öz kütleleri) denel yoldan belirlenebilir.

Gazları, içerdiği safsızıklardan veya az miktarda karışmış diğer gaz ve buharlardan yıkamak yoluyla kurtarabiliriz.

Şekil 7.2.2 b’de bir gaz yıkama şisesi görülmektedir.

7.2 GAZLARIN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ(D-4)

Örneğin bu şişe içine sülfürik asit konur ve içinden hava geçirilirse hava içindeki su buharı sülfürik asit tarafindan soğutularak gaz kurutulmuş olur.

Aynı şekilde, eğer havayı karbon dioksit gazından temizlemek istiyorsak yıkama şişesi içine derişik sodyum hidroksit çözeltisi koyarak karbon dioksidi tutabiliriz.

Karbon dioksitsiz hava, normal havanın sudlu kireç (kireçli sodyum hidroksit çözeltisi) üzerinden geçirilmesi ile de elde edilebilir.

Diğer gazlar da benzer yollarla yıkanarak saflaştırırlar.

Şekil 7.2.2 c’de görülen bir balonla gazın yoğunluğu doğrudan belirlenebilir.

Önce, balon vakum yapılarak havası boşaltılmış halde, sonra gaz doldurularak, daha sonra da su ile doldurularak tartılır.

7.3 MOL

Balonun doldurulan suyun kütlesinden hacmi bulunup; gazla dolu ve boş balon arasındaki kütle farkına eşit olan gazın kütlesi bulunan bu hacime bölünerek gazın mutlak yoğunluğu bulunur.

Karbon-12 izotopunun 0,012 kilogramı içinde bulunan atom sayısına eşit atom veya molekül içeren gazın madde miktarı bir mol olarak tanımlanmıştır .

Buna göre, bir mol gaz içinde Avogadro sabiti (L) kadar, yani 6,022 x 1023 tane atom veya molekül bulunmaktadır.

Avogadro sayısı sabiti atom veya molekül içeren bir gazın toplam kütlesine mol kütlesi (M) adı verilir.

Sistemdeki madde miktarına bağlı olarak değişen mol bir kapasite özelliği olduğu halde, madde miktarından bağımsız olan mol kütlesi bir şiddet özelliği’dir.

Sistemin tümünün özelliklerini simgeleyen mol ve mol kütlesi birer makroskopik özellik olduğu halde, teker teker moleküllerin özelliklerini simgeleyen molekül sayısı, bir moleküllün kütlesi ve hızı birer mikroskopik özellik olmaktadır.

7.4.HACİM

Kısaca, molekül topluluklarından oluşan gazların toplam özellikleri makroskopik, moleküllerin kendi başlarına sahip olduğu özellikler ise mikroskopik olarak nitelenir.

Gazların hacimleri, içinde bulundukları kapların hacimlerine eşittir.

Gaz hacminin anlamlı olabilmesi için gaz sıcaklığı ve gaza uygulanan basıncın da bilinmesi gerekmektedir.

Ancak, bu koşullar altında alınan gazın molü veya kütlesi belirlenebilir.

Gaz hacmi m3 birimi veya bu birinin az ve çok katıları ile verilir.

Kimyada en çok kullanılan birimler m3 yanında dm3 ve cm3’dür.

Çoğu kez dm3 yerine litre (L), cm3 yerine ise mililitre (mL) kullanılmaktadır.

7.4.HACİM(D-1)

Paris’te 1964 yılında toplanan Tartılar ve Ölçüler Genel Konferansında litrenin değeri 27/106 kadar küçültülerek 1L = 1 dm3 olarak alınmış ve litrenin kullanılmaması istenmiştir.

Buna rağmen, son zamanlarda yayımlanan coğu kitaplarda dm3 yerine daha kolay yazılabildiğinden dolayı L simgesi kullanılmaktadır.

Laboratuvarlarda, gaz hacimleri belli sıcaklık ve basınçta gaz büretleri ile ölçülür.

Sıvı ve katılardan farklı olarak gazların kapladıkları hacimler basınç arttıkça büyük ölçüde küçülmektedir.

Buna rağmen, gaz halindeki maddeler basınç ne kadar yükseltilirse yükseltilsin sıvılaştırılamazlar.

Gazları, buharlardan ayıran bu özellik daha ileride incelenecektir.

Bir gazın hacmi gazın içerdiği madde miktarına bağımlı olduğundan hacim değişkeni kapasite özelliği taşımaktadır.

7.4.HACİM (D-3)

Hacımın yanında madde miktarına bağlı olan kütle de kapasite özelliği taşıdığı halde, kütlenin hacıme oranlanmasıyla tanımlanan yoğunluk (öz kütle) şiddet özelliği taşımaktadır.

Çünkü, yoğunluk sistemdeki madde miktarına bağımlı değildir.

Örneğin, aynı sıcaklık ve basınçtaki 5 m3 havanın kütlesi ile 5dm3 havanın kütlesi farklı olduğu halde yoğunlukları aynıdır.

Gazların serbestçe dolaşabildikleri hacim makroskopik özellik olduğu halde, bir molekülün hacmi ve daha ileride göreceğimiz bir molekülün bastırılamayan hacmi mikroskopik özelik olmaktadır.

7.5 BASINÇ

Mekanikte, basıncın birim yüzeye etkiyen kuvvet olarak tanımlandığını biliyoruz.

Gazların da basıncı olduğuna göre, gaz molekülleri içinde bulundukları kabin çeperlerine kuvvet uygulamaktadırlar.

7.5 BASINÇ

Bu kuvvet, gazların Brown hareketleri adını verdiğimiz gelişigüzel ötelenmeleri sırasında duvarla çarpışmalarından doğmaktadır.

Bu şekilde doğan basınç, gazların makroskopik özelliği olduğu halde çarpan her bir molekülün hız ve enerjisi, mikroskopik özellik niteliğindedir.

Diğer taraftan, sabit tutulan sıcaklıkta gazın miktarından bağımsız olarak değişen basınç şiddet özelliği taşır.

Sabit sıcaklık ve basınçta bulunan bir sisteme dolan gazın miktarıyla değişen hacim ise kapasite özelliği taşır.

Atmosfer basıncı, atmosferi oluşturan gazların basıncı demektir.

Atmosfer tabakasını, deniz düzeyinde 1 cm2’lik yüzeye uyguladığı kuvvet, aynı yerde 76 cm cıva sütununun yine 1 cm2’lik yüzeye uyguladığı kuvvete denk olup 1 atmosfer olarak tanımlanmıştır.

7.5 BASINÇ(D-1)

Atmosfer basıncını ölçen aygıtlara barometre adı verilir. Şekil 7.5.1’de atmosfer basıncını ilk ölçen Torricelli’nin kullandığı basit bir barometre görülmektedir.

Buna göre içi cıva ile dolu 76 cm den daha uzun bir cam tüp civanın akması engellenerek ters çevrilip yine bir çanak içindeki cıvaya daldırılırsa, önce cıva yüzeyinin düştüğü ve daha sonra da sabit kaldığı gözlenir.

Tüp ve çanaktaki değişmeyen cıva düzeyleri arasındaki farkın hidrostatik basıncı atmosfer basıncını verecektir.

Tüpteki civanın üzerinde yalnızca çok az miktarda cıva buharı içeren barometre boşluğu oluşmaktadır.

Barometreden mmHg (torr) yüksekliği olarak okunan basınç diğer basınç birimlerine kolaylıkta çevrilebilir.

Tüpteki civanın üzerinde yalnızca çok az miktarda cıva buharı içeren barometre boşluğu oluşmaktadır.

7.5 BASINÇ(D-2)

7.5 BASINÇ(D-3)

Barometreden mmHg (torr) yüksekliği olarak okunan basınç diğer basınç birimlerine kolaylıkla çevrilebilir.

Yoğunluğu p ve yüksekliği h olan bir sıvı sütununun, yerçekiminin g olduğu bir yerde birim yüzeye uyguladığı kuvvet yani p basıncı

p = hρg (7.5.1)

bağıntısı ile verilmektedir.

Burada p, yüksekliği h ve kesiti 1 cm2 olan sıvı sütunundaki sıvının kütlesini, h ρ g ise bu sıvının ağırlığını yani birim yüzeye etkiyen kuvveti vermektedir.

SI birimler sisteminde civanı yüksekliği 0,76 m, yoğunluğu 13 590 kg m–3 ve yerçekimi ivmesi 9,807 ms–2 olduğuna göre atmosfer basıncının karşılığı

p = (0,76 m) x (13 590 kg m–3) x (9,807 ms–2)

= 101 325 kg ms–2 m–2 = 1 01 325 Nm–2=1 01 325 Pa

olarak bulunur. (Newton bölü metrekare pascal olarak adlandırılmakta ve “Pa” şeklinde simgelenmektedir.)

7.5 BASINÇ(D-4)

Deniz düzeyinden yukarılara çıkıldıkça atmosfer basıncı hızla düşer.

Atmosfer basıncı yükseklikle üstel olarak azalmaktadır.

Atmosfer basıncını ölçmek üzere cıvalı barometre yerine metalik ve elektronik barometreler de kullanılmaktadır.

Gazların basıncını ölçmek için yapılan aygıtlara manometre adı verilir.

En basit manometreler içinde cıva veya diğer sıvılar kullanılabilir.

Bir atmosfer civarında veya daha küçük basınçlar ölçmek için Şekil 7.5.2’deki kapalı manometre veya Şekil 7.5.3’teki açık manometre kullanılır.

Kapalı manometreden, balondaki gazın mutlak basıncı doğrudan okunur.

U borusunun kollarındaki sıvının yükseklik farkı olarak okunan bu basınç (7.5.1) bağıntısı yardımıyla istenilen birimde hesaplanabilir.

Açık manometreden ise her zaman balondaki gaz basıncı ile atmosfer basıncı arasındaki fark okunur.

7.5 BASINÇ(D-5)

U borusunun kollarındaki cıva (veya bir başka sıvı) düzeyleri a ve a iken, bu düzeyler arasındaki yükseklik farkı, kullanılan sıvının hidrostatik basıncı olarak balondaki gaz basıncının atmosfer basıncından ne kadar büyük olduğunu gösterir.

Buna göre balondaki gazın p mutlak basıncı, pm manometre basıncı ile pa atmosfer basıncının toplamı olarak

P = Pm + Pa = h ρg + Pa (7-5.2)

bağıntısından hesaplanır.

Eğer, U borusunun kollarındaki sıvı düzeyleri b ve b ise balondaki gazın p mutlak basıncı, pa atmosfer basıncından, pm manometre basıncı kadar düşüktür.

Bu durumda, manometreden okunan pm basıncı kadar, gaz balonunda boşluk (vakum) vardır denilir.

Buna göre, balondaki gazın mutlak basıncı, boşluğu belirleyen manometre basıncı negatif alınarak (7.5.2) bağıntısından hesaplanır.

Örneğin, atmosfer basıncının 760 mmHg olduğu bir yerde 300 mmHg vakumda bulunan bir gazın mutlak basıncı 460 mmHg olur.

7.5 BASINÇ(D-6)

Oldukça düşük basınçlar ölçmek için cıva yerine su ve alkol gibi yoğunluğu çok küçük olan sıvılar kullanılır.

Ayrıca eğik manometreler kullanılıp daha uzun bir sıvı sütununun uzunluğu okunarak basınç ölçülmesindeki hata küçültülmüş olur.

Bunun dışında, üç ayrı sıvı kullanılarak diferansiyel manometreler yapılmaktadır.

Çok küçük basınçlar, özel olarak tasarlanmış McLeod manometresi veya gazların düşük basınçlardaki iyonlaşma ve iletkenlik özelliklerinden yararlanılarak yapılmış elektronik manometreler ile ölçülür.

Bir atmosferden daha büyük basınçlar ölçmek için basınç göstergeleri daha önceden ayarlanmış metalik manometreler kullanılır.

7.5 BASINÇ(D-7)

Yüksek basınçtaki gaz tüplerine bağlanan iki göstergeli bu manometrelerin, birinci göstergesinden tüpteki gazın basıncı, ikinci göstergeden ise tüpten alınan gazın basıncı okunur.

Tüpten alınan ga­zın basıncı manometredeki vanalar yardımıyla istenilen düzeye ayarlanabilir.

Şekil 7.5.4’te bir gaz tüpü, bir metalik manometre, bir barometre ve bir kapalı manometre görülmektedir. Hemen hemen tüm öğrenci ve araştırma laboratuvarlarında bu aygıtlardan bulunmaktadır.

Barometredeki cıva yüksekliği bir verniye yardımıyla duyarlı bir şekilde okunur çok farklı tipleri olan bu tür cıvalı barometreler yanında metalik barometreler de bulunmaktadır.

Kapalı manometredeki mutlak basınç U borusu arasına yerleştirilmiş birbirine paralel hareket edebilen iki cetvel yardımıyla okunur. Bu okuma sırasında yapılan hata mmHg cıvarndadır. Bu tür manometreler organik kimya laboratuvarlarında oldukça çok kullanılır.

…