Sıvılar ve buhar basıncı

Yüksek bir dağın zirvesinde kamp kuran dağcılar ilginç bir şey fark eder: su ocakta her zamankinden çabuk kaynar, ama makarna bir türlü pişmez. Evdeki düdüklü tencerede ise durum tersinedir; kuru fasulye normal tencerede saatler sürerken düdüklüde çok daha kısa sürede pişer. Bu iki gözlemin arkasında aynı kavram vardır: bir sıvının kaynaması, yalnız sıcaklığına değil, üzerindeki havanın basıncına da bağlıdır. Elinize dökülen kolonyanın sizi serinletmesi, yaz günü asılan çamaşırın kuruması, bir şişe parfümün kapağı açık unutulunca azalması da sıvıların yüzeyinden sürekli kaçan moleküllerle ilgilidir. Bir önceki derste katıların yapısını gördük. Bu ders sıvılara geçiyor: sıvıların genel özelliklerini, buharlaşmayı, buhar basıncını, kaynamayı ve sıvıların akmaya karşı gösterdiği direnci ele alıyor.

• Sıvıların özelliklerini tanecik modeliyle açıklarsın.
• Buharlaşmayı, onu etkileyen etkenleri ve serinletici etkisini açıklarsın.
• Buhar basıncını tanımlar, hangi etkenlere bağlı olduğunu ve hangilerine bağlı olmadığını ayırt edersin.
• Kaynamayı buhar basıncı ile dış basınç arasındaki ilişkiyle açıklar, viskoziteyi moleküller arası çekimle ilişkilendirirsin.

Sıvının tanecik modeli

Sıvılarda tanecikler katılardaki kadar sıkı tutulmaz ama gazlardaki kadar serbest de değildir. Tanecikler birbirine yakın durur, aralarındaki boşluk azdır; bu yüzden sıvıların belirli bir hacmi vardır ve sıvılar çok az sıkıştırılabilir. Öte yandan tanecikler yerlerinde sabit değildir; birbirinin üzerinden kayarak yer değiştirebilir. Bu yüzden sıvılar akar ve konuldukları kabın şeklini alır. Sıvıyı bir arada tutan, tanecikler arasındaki çekim kuvvetleridir; bu kuvvetler ne kadar güçlüyse sıvının davranışı da o kadar değişir.

Buharlaşma

Bir sıvının tanecikleri aynı sıcaklıkta bile farklı hızlarla hareket eder. Yüzeye yakın tanecikler arasında, komşularının çekimini yenecek kadar enerjiye sahip olanlar sıvıdan kopup gaz hâline geçer. Sıvının yüzeyinden gaz hâline geçmeye buharlaşma denir. Buharlaşma her sıcaklıkta gerçekleşir ve yalnız sıvının yüzeyinde olur.

Buharlaşmanın hızını üç etken belirler:

• Sıcaklık: Sıcaklık arttıkça enerjisi yüksek tanecik sayısı artar ve buharlaşma hızlanır.
• Yüzey alanı: Yüzey genişledikçe kaçabilecek tanecik sayısı artar; yere dökülen su, bardaktaki sudan çabuk kurur.
• Moleküller arası çekim: Çekimi zayıf sıvılar kolay buharlaşır. Bunlara uçucu sıvılar denir; aseton ve kolonyadaki alkol uçucudur.

Buharlaşma sırasında sıvıdan en enerjili tanecikler ayrıldığı için geride kalan sıvının ortalama enerjisi, yani sıcaklığı düşer. Buharlaşma bu yüzden serinletir. Terlemenin vücudu soğutması, ele dökülen kolonyanın serinlik hissi ve testi içindeki suyun gözeneklerden sızıp buharlaşarak soğuması bu etkiden kaynaklanır.

Buhar basıncı

Bir sıvıyı kapalı bir kaba koyalım. Buharlaşan tanecikler kabın üst kısmında birikir ve bunların bir kısmı zamanla yeniden sıvıya döner; buna yoğuşma denir. Başta buharlaşma hızlıdır, ama buhar biriktikçe yoğuşma da hızlanır. Sonunda buharlaşma hızı yoğuşma hızına eşit olur. Bu durumda iki olay durmaz, ama birbirini dengeler ve buhar miktarı sabit kalır. Bu dengedeki buharın yaptığı basınca denge buhar basıncı, kısaca buhar basıncı denir.

Buhar basıncı yalnız iki şeye bağlıdır:

• Sıvının cinsi: Moleküller arası çekimi zayıf olan sıvının buhar basıncı yüksektir. Aynı sıcaklıkta asetonun buhar basıncı etanolünkinden, etanolünki de suyunkinden büyüktür.
• Sıcaklık: Sıcaklık arttıkça buhar basıncı artar.

Buhar basıncı ise sıvının miktarına, kabın hacmine ya da sıvının yüzey alanına bağlı değildir; kapta sıvı kaldığı sürece denge aynı basınçta kurulur. Yüzey alanı yalnız dengeye ne kadar hızlı ulaşılacağını etkiler, dengedeki basıncı değil. Sınav sorularında en sık kurulan tuzak, sıvı miktarı ya da kap hacmi değiştirildiğinde buhar basıncının değiştiğini düşündürmektir.

Kaynama

Bir sıvı ısıtıldıkça buhar basıncı artar. Buhar basıncı sıvının üzerindeki dış basınca eşit olduğunda, buhar kabarcıkları yalnız yüzeyde değil, sıvının her yerinde oluşup yükselmeye başlar. Buna kaynama denir. Dış basınç 1 atmosfer olduğundaki kaynama sıcaklığına normal kaynama noktası denir; suyun normal kaynama noktası 100 °C'dir.

Kaynama noktası dış basınca bağlıdır. Yükseklere çıkıldıkça hava basıncı azalır; su 100 °C'ye ulaşmadan buhar basıncı dış basınca eşitlenir ve kaynama erken başlar. Kancadaki dağcıların makarnası bu yüzden geç pişer: su kaynıyor ama yeterince sıcak değildir. Düdüklü tencere ise buharı içeride tutarak iç basıncı artırır; su 100 °C'nin üzerine çıkmadan kaynayamaz ve yemek daha sıcak suda daha çabuk pişer.

Saf bir sıvı kaynarken verilen ısı sıcaklığı artırmaz; moleküller arası çekimleri yenip taneciği gaza geçirmeye harcanır. Bu yüzden saf bir sıvının sıcaklığı kaynama süresince sabit kalır.

Gündelik hayatta yoğuşma

Yoğuşma yalnız kapalı kaplarda değil, her yerde görülür. Buzdolabından çıkan soğuk bir bardağın dış yüzü kısa sürede ıslanır; bu su bardaktan sızmamıştır, havadaki su buharının soğuk yüzeye çarpıp sıvıya dönmesiyle oluşur. Sabahları çimenlerin üzerinde biriken çiğ, gece soğuyan yüzeylerde havadaki su buharının yoğuşmasıdır. Banyo aynasının duş sırasında buğulanması da aynı olaydır. Yoğuşma buharlaşmanın tersidir ve buharlaşmada sıvının aldığı enerji, yoğuşmada çevreye geri verilir.

Saf olmayan sıvıların kaynaması

Buraya kadar söylenenler saf sıvılar içindir. Suya tuz ya da şeker gibi uçucu olmayan bir madde çözündüğünde suyun buhar basıncı düşer ve çözelti, saf sudan daha yüksek bir sıcaklıkta kaynar. Üstelik kaynarken su buharlaştıkça çözelti derişikleşir ve sıcaklık sabit kalmaz, yavaşça yükselmeye devam eder. Kaynama sırasında sıcaklığın sabit kalması bu yüzden bir sıvının saf olup olmadığını anlamanın yollarından biridir. Bu konu, AYT kimyasında çözeltilerin özellikleri ünitesinde ayrıntılı olarak işlenir.

Buharlaşma ile kaynama

Viskozite

Bazı sıvılar su gibi kolayca akar, bazıları bal gibi ağır ağır süzülür. Bir sıvının akmaya karşı gösterdiği dirence viskozite denir. Moleküller arası çekim güçlendikçe ve moleküller büyüyüp birbirine dolandıkça viskozite artar; bal, gliserin ve motor yağı yüksek viskoziteli sıvılardır. Sıcaklık arttıkça tanecikler çekimi daha kolay yener ve viskozite azalır; bu yüzden ısıtılan bal daha kolay akar.

Örnek 1 — Dağda kaynama

Soru: Yüksek bir dağda suyun 100 °C'nin altında kaynamasının nedeni nedir?

• A) Dağda suyun saf olmaması
• B) Dağdaki havanın daha sıcak olması
• C) Dış basıncın düşük olması; suyun buhar basıncı bu basınca daha düşük sıcaklıkta eşitlenir
• D) Suyun buhar basıncının yükseklikle azalması
• E) Dağda ocağın daha güçlü yanması

Çözüm: Kaynama, buhar basıncı dış basınca eşit olduğunda başlar; dış basınç azalınca bu eşitlik daha düşük sıcaklıkta sağlanır. Cevap: C.

Örnek 2 — Buhar basıncı karşılaştırması

Soru: Aynı sıcaklıkta su ile asetondan hangisinin buhar basıncı daha yüksektir?

• A) Aseton; molekülleri arasındaki çekim daha zayıftır.
• B) Su; molekülleri daha küçüktür.
• C) İkisi eşittir.
• D) Su; hidrojen bağı yapar.
• E) Karşılaştırılamaz.

Çözüm: Su molekülleri arasında güçlü hidrojen bağları vardır; aseton daha uçucudur ve aynı sıcaklıkta daha çok buhar oluşturur. Cevap: A.

Örnek 3 — Miktarın etkisi

Soru: Kapalı bir kaptaki suyun miktarı iki katına çıkarılır ve sıcaklık değiştirilmezse denge buhar basıncı nasıl değişir?

• A) İki katına çıkar.
• B) Yarıya iner.
• C) Dört katına çıkar.
• D) Sıfır olur.
• E) Değişmez.

Çözüm: Buhar basıncı yalnız sıvının cinsine ve sıcaklığa bağlıdır. Cevap: E.

Örnek 4 — Kaynarken sıcaklık

Soru: Saf su 1 atmosferde kaynarken ısıtmaya devam edilirse suyun sıcaklığı nasıl değişir?

• A) Sürekli artar.
• B) Sürekli azalır.
• C) Önce düşer sonra artar.
• D) Kaynama süresince 100 °C'de sabit kalır.
• E) Hemen 120 °C'ye çıkar.

Çözüm: Kaynamada verilen ısı moleküller arası çekimleri yenmeye harcanır; saf suyun sıcaklığı değişmez. Cevap: D.

• Buhar basıncının sıvı miktarına bağlı olduğunu sanmak. Yalnız cinse ve sıcaklığa bağlıdır.
• Buharlaşmanın yalnız kaynama noktasında olduğunu düşünmek. Buharlaşma her sıcaklıkta yüzeyde gerçekleşir.
• Kaynama noktasını sabit bir sayı sanmak. Kaynama noktası dış basınca bağlıdır.
• Kaynayan saf sıvının ısıtıldıkça ısındığını düşünmek. Kaynama süresince sıcaklık sabittir.
• Viskozitenin sıcaklıkla arttığını sanmak. Sıvılar ısındıkça daha kolay akar.