Kinetik teoriye göre gazlar, hızla hareket eden, molekülleri arasında büyük boşluklar olan ve birbirleriyle her oranda karışabilen moleküllerdir. Gazların sıkıştırılabilir yapısı günlük hayatımızda pek çok noktada kullanılır.
I) Gazların Tanımlayıcı Özellikleri
Gazlar tanımlanırken, basınç, hacim, gaz miktarı ve sıcaklık kavramları kullanılır.
A) Basınç (P)
Gazlar kütleleri ve hareketlerinden dolayı içinde bulundukları kaba çarparlar. Bu çarpmanın etkisiyle gaz basıncı oluşur. Basıncı bilimsel olarak P harfiyle gösteririz. Birimi N/m² (newton/metre kare) veya (Pa) pascaldır
Atmosferde bulunan gazların uyguladığı basınca, atmosfer basıncı denir. Atmosfer basıncı, deniz seviyesinden yükseklere çıkıldıkça azalır ve sıvıların kaynama noktasına etki eder (atmosfer basıncı azaldıkça sıvının kaynama noktası da azalır).
Gazlarda Basıncın Ölçülmesi
Gazların basıncı barometre olarak adlandırılan Torricelli (1608-1647) tarafından geliştirilen aletlerle ölçülür. Pa birimi kimyasal ölçümlerin yapılmasını zorlaştırır, bu yüzden milimetre civa (mmHg) veya atmosfer (atm) basıncı daha sık kullanılır. mmHg, Toricelli adından hareketle Torr olarak da adlandırılır.
Gazların basıncını ölçülmesi katı ve sıvı fazların basınç ölçümüne gere daha dolaylı yoldan yapılır. Barometreler, atmosfer basıncını civanın borudaki yükselme miktarı sayesinde ölçerler. Deniz seviyesinde yapılan bir atmosfer basıncı ölçme deneyinde atmosfer basıncı (normal şartlar altında) 760 mmHg bulunacaktır.
B) Hacim (V)
Gazlar bulundukları kabın hacmini alırlar. Birimi litredir (L). 1 m³ = 1000 dm³ = 1000 L denklemini kullanarak hacmi litreye çevirebilirsiniz. Gazların hacimleri doğrudan ölçülememekle birlikte, sabit basınç ve sabit sıcaklıkta laboratuvar şartları altında deney düzenekleri yardımıyla hacim ölçümü yapılabilir. 1 atm basınç altında ve 0°C derecede (normal şartlar altında) bir mol gaz (6,02 x \(10^{23}\) tane) 22.4 L hacim kaplar.
C) Gaz Miktarı (n – Mol)
Gazların miktarı kimyada çok sık kullanılan mol sayısı kavramıyla ölçülür ve n harfi ile gösterilir. Örneğin 12 gr saf karbon içeren bir gaz 6,02 x \(10^{23}\) tane karbon atamu içerir ve bu sayı 1 mole eşittir. 6,02 x \(10^{23}\) sayısına avagadro sayısı denmekte ve \(N_A\) ile gösterilmektedir.
Detaylara ilerleyen konularda gireceğiz. Daha fazla bilgi için buraya bakın.
D) Sıcaklık (T – Kelvin)
Bilimsel olarak sıcaklık kelvin sisteminde ölçülür ve mutlak sıcaklık olarak da isimlendirilir. Bilimsel olarak 0 (sıfır) Kelvin derecede atomların ve moleküllerin bilinen tüm hareketleri durar. 0 Kelvin sıcaklığının altına düşmek teorik olarak mümkün değildir. Bu yüzden kelvin ölçümleri mutlaka pozitif çıkmalıdır. Celsiyus sıcaklığını kelvin birimine dönüştürmek için aşağıdaki bağıntı kullanılır.
Gazların basınç, sıcaklık, hacim ve miktar değişkenleri arasında bir takım ilişkiler bulunmaktadır. Bu özel ilişkilere gaz yasası denmektedir ve bu ilişkinin gözlemlendiği gazlara ideal gaz denir. Gerçek durum ele alındığında, hiçbir gaz ideal değildir. Fakat çoğu gaz düşük basınç ve yüksek sıcaklıklarda ideal gaz modeline uyarlar.
Gözlemsel Gaz Yasaları
Gaz yasaları bilim insanlarının yürüttüğü çalışmaların birleştirilmesiyle oluşturulmuştur. Bu çalışmalara gözlemsel gaz çalışmaları denilmektedir. Gözlemsel gaz çalışmalarında gazın 4 özelliği [basınç (p), sıcaklık (T), hacim (V) ve mol sayısı (n)] arasındaki ikili ilişkileri üzerinde çalışmalar yapılmıştır.
A) Basınç – Hacim İlişkisi (Boyle Yasası)
Gazların basınç-hacim ilişkisi 1660 yılında İngiliz bilim adamı Robert Boyle tarafından incelenmiştir. Boyle yapmış olduğu çalışmalar sonucunda sabit miktardaki ve sabit sıcaklıktaki bir gazın hacim azalmasına tepki olarak basıncının arttığını gözlemlemiştir.
Boyle Yasası: Sabit sıcaklıkta ve belirli bir miktar gazın hacmi, basıncıyla ters orantılıdır ve şu şekilde formülize edilir:
\(P_1V_1 = P_2V_2 = k_1\)
Denklemdeki;
Sıcaklık – Hacim İlişkisi (Charles Yasası)
Gazın sıcaklık ve hacmi arasındaki matematiksel ilişki 1787 yılında İngiliz bilim adamı Charles tarafından bulunmuştur. Charles yapmış olduğu deneylerde sabit miktarlarda herhangi bir gazın sıcaklık değişimine aynı oranda tepki verdiğini gözlemlemiştir.
Charles Yasası: Sabit basınçtaki belirli miktardaki gazın hacmi, mutlak sıcaklık değişimiyle orantılı olarak değişir ve şu şekilde formulüze edilir:
\(V_1T_2 = V_2T_1 = k_2\)
Denklemdeki;
Sıcaklık – Basınç İlişkisi (Gay – Lussac Yasası)
Gazların sıcaklık ve basınç ilişkisi 19. yy’ın başlarında Fransız bilim insanı Joseph Gay-Lussac tarafından bulunmuştur.
Gay – Lussac Yasası: Sabit miktardaki ve hacimdeki bir gazın sıcaklığını arttırdığımızda gazın ortalama kinetik enerjisini (sıcaklığını) arttırdığımız için; gaz parçacıkları, gazın tutulduğu kabın duvarlarına daha çok çarpışır ve böylece basıncın artmasını sağlar. Yasa şu şekilde formulüze edilir:
\(P_1T_2 = P_2T_1 = k_3\)
Hacim – Miktar İlişkisi (Avogadro Yasası)
Avogadro Yasası: Sabi sıcaklık ve basınçta gazların eşit hacimleri eşit sayıda molekül içerir. Yani belirtilen koşullarda gaz hacminin yarıya düşmesi gaz miktarının da yarıya düşmesi demektir. Avogadro yasası şu şekilde formulüze edilir:
\(V_1n_2 = V_2n_1 = k_4\)
Normal Şartlar
Avogadro yasası sayesinde normal şartlar olarak adlandırılan (0°C ve 1 atm basınçta) koşullarında bulunan bir ideal gazın miktarını ve hacmini bilebiliriz. Normal şartlar altında bir mol gaz (6,02 x \(10^{23 }\)tane) 22.4 L hacim kaplar.
İdeal Gaz Denklemi
Gay-Lussac yasası, Boyle yasası ve Charles yasası, birlikte toplam gaz yasası’nı ortaya çıkarırlar. Bu yasaya bir de Avogadro yasası’nın eklenmesi, ideal gaz yasasını ortaya çıkarır. Gerçekte hiçbir gaz tamamen ideal gaz gibi davranmaz, çünkü bir gazın ideal gaz olarak kabul görmesi için aşağıdaki iki kabullenmeye uyması gerekir.
Yukarıdaki dört formulün birleşmesiyle ideal gaz denklemi oluşturulur. İdeal gaz denklemi şu şekilde formulüze edilir:
\(PV = nRT\)
İdeal Gaz Sabiti
İdeal gaz sabiti 0.082 (L.atm/mol.K) olarak alınır. Değerin bulunuşu normal şartlar altında yapılan hesaplamalardan gelir. Eğer basınç paskal cinsinden, hacim m³ cinsinden ve sıcaklık kelvin cinsinden alınırsa ideal gaz sabiti 8,31 (J/mol.K) olarak bulunur.
Maddenin fiziksel özelliğinin değiştiği ancak kimyasal özelliğinin sabit kaldığı değişimlere hal değişimi denilmektedir. Hal değişiminde meydana gelen değişim moleküller arasındaki etkileşimin (zayıf etkileşimlerin) değişmesinden kaynaklanmaktadır.
Su katıdan sıvıya geçerken hidrojen bağlarının kuvveti zayıflar, bu durumun tersinde ise hidrojen bağlarının kuvveti artar. Taneciklerin yapısında kimyasal değişim meydana gelmediği için hal değişimleri fiziksel değişimlerdir. Hal değişimlerini şu şekilde sınıflandırabiliriz.
Katı – Sıvı Hal Değişimleri
Katı halde tanecikler sıkı bir yapıdadır. Sıvı veya gaz hallerinde ise moleküller arası etkileşim daha gevşektir. Bu yüzden katıların ısı alarak bu yapılara geçmesi gerekmektedir.
Erime
Katının ısı alarak sıvı hale geçme olayına erime denir. Erimenin gerçekleştiği sıcaklığa erime noktası denir. Saf bir maddede sıvısının donma noktası ile katısının erime noktası aynı değerdir. Erimekte olan bir katı ısı aldığı zaman erimeye devam eder ve sıcaklığı değişmez.
Donma
Sıvının ısı vererek katı hale dönmesine donma denir. Donmanın gerçekleştiği sıcaklığa donma noktası denir. Saf bir maddede sıvısının donma noktası ile katısının erime noktası aynı değerdir. Donmakta olan bir sıvı ısı verdiği zaman donmaya devam eder ve sıcaklığı donma olayı sonlanıncaya kadar değişmez.
Sıvı – Gaz Hal Değişimleri
Sıvı molekülleri arasındaki etkileşim şiddeti katılardan zayıf gazlardan ise kuvvetlidir. Bu yüzden sıvılar ısı alarak gaza veya ısı vererek katıya dönüşebilir.
Buharlaşma
Sıvıların ısı alarak gaz haline geçmesine buharlaşma denir. Buharlaşma ile kaynama farklı terimlerdir. Buharlaşma her sıcaklıkta meydana gelebilir. Örnek 20 derecede asılan çamaşırlar da kurur, 40 derecede asılan çamaşırlar da kurur.
Yoğuşma
Gaz halden ısı vererek sıvı hale geçmeye yoğuşma denir, buharlaşmanın tersidir. En sık su döngüsü anlamında kullanılır.
Katı – Gaz Hal Değişimleri
Süblimleşme
Bazı katılar ısı aldığında sıvıya dönüşmeden direkt gaz haline geçer. Bu olaya süblimleşme denir
Kırağılaşma
Gaz halden ısı vererek doğrudan katı faza geçmeye kırağılaşma denilir.