Gazların genel özellikleri

Mutfakta biri kahve demlediğinde koku birkaç dakika içinde evin öbür ucuna ulaşır; kimse kokuyu taşımamıştır, kendiliğinden yayılmıştır. Bir bisiklet pompasının ucunu parmağınızla kapatıp pistonu ittiğinizde içerideki havayı epeyce sıkıştırabilirsiniz, ama aynı şeyi suyla dolu bir şırıngayla yapmaya çalışırsanız piston neredeyse hiç ilerlemez. Kışın dışarıda bırakılan şişirilmiş bir balon büzülür, sıcak bir odaya alınınca yeniden kabarır. Sprey kutularının üzerinde ise "ısıdan uzak tutunuz, ateşe atmayınız" uyarısı yazar. Bu gözlemlerin hepsi gazların tanecik yapısından kaynaklanır. Önceki iki derste katıları ve sıvıları inceledik. Bu ders maddenin üçüncü hâline geçiyor: gazların genel özelliklerini, bir gazı tanımlamak için kullanılan nicelikleri ve bu niceliklerin birimlerini ele alıyor.

• Gazların özelliklerini tanecik modeliyle açıklarsın.
• Gaz basıncının nereden kaynaklandığını açıklar, basınç birimleri arasında dönüşüm yaparsın.
• Celsius ve kelvin ölçekleri arasında dönüşüm yapar, sıcaklık ile tanecik hareketi arasındaki ilişkiyi açıklarsın.
• Difüzyonu, sıkıştırılabilirliği ve sıcaklık değişiminin gaz üzerindeki etkisini gündelik örneklerle yorumlarsın.

Gazların tanecik modeli

Gazların davranışı birkaç basit varsayımla açıklanır.

• Gaz tanecikleri arasındaki uzaklık, taneciklerin kendi büyüklüklerine göre çok fazladır; gazın hacminin büyük kısmı boşluktur.
• Tanecikler sürekli, hızlı ve gelişigüzel bir hareket içindedir; doğrusal yollarla ilerler, birbirine ve kabın çeperlerine çarparak yön değiştirir.
• Tanecikler arasındaki çekim kuvvetleri, katı ve sıvılardakine göre çok zayıftır ve çoğu durumda ihmal edilebilir.
• Taneciklerin ortalama hareket enerjisi sıcaklıkla orantılıdır; gaz ısındıkça tanecikler hızlanır.

Bu modelden gazların tanıdık özellikleri çıkar. Gazların belirli bir şekli ve hacmi yoktur; konuldukları kabın tamamını doldurur. Tanecikler arasında büyük boşluklar olduğu için gazlar kolayca sıkıştırılabilir ve genleşebilir. Sıvı ve katılara göre yoğunlukları çok düşüktür. Aynı kütledeki su buharı, sıvı suyun kapladığından çok daha büyük bir hacmi doldurur.

Difüzyon

Bir gazın tanecikleri, gelişigüzel hareketleri sayesinde başka bir gazın içine kendiliğinden yayılır. Buna difüzyon denir. Kahve kokusunun odaya yayılması ya da açılan bir parfüm şişesinin kokusunun kısa sürede fark edilmesi difüzyondur. Aynı sıcaklıkta hafif taneciklerden oluşan gazlar, ağır taneciklerden oluşan gazlardan daha hızlı hareket eder ve daha hızlı yayılır; hidrojen gazı, karbon dioksitten çok daha hızlı difüzlenir. Difüzyon hızının taneciklerin kütlesiyle nicel ilişkisi AYT'de gaz yasalarıyla birlikte ele alınır.

Bir gazı tanımlayan nicelikler

Bir gaz örneğinin durumunu anlatmak için dört nicelik yeterlidir: basınç (P), hacim (V), sıcaklık (T) ve miktar (n). Miktar mol cinsinden ölçülür; mol kavramı bir sonraki modülün konusudur. Bu dört nicelikten biri değişince öteki birkaçı da değişir. Örneğin bir gazın hacmi küçültülünce basıncı artar; ısıtılınca da ya hacmi büyür ya da basıncı artar.

Gaz basıncı ve birimleri

Gaz tanecikleri kabın çeperlerine her saniye sayısız kez çarpar. Bu çarpışmaların çepere uyguladığı kuvvetin birim alana düşen değerine gaz basıncı denir. Kapalı bir kaptaki gaz, tanecikleri her yöne eşit hareket ettiği için kabın her yerine aynı basıncı uygular.

Dünya'yı saran hava da bir gazdır ve üzerimizdeki ağırlığıyla açık hava basıncı oluşturur. Evangelista Torricelli, bir ucu kapalı, cıvayla dolu bir cam boruyu ters çevirip cıva dolu bir kaba daldırdığında cıvanın borudaki yüksekliğinin deniz seviyesinde yaklaşık 76 cm'de durduğunu gözlemledi. Açık hava basıncını ölçen bu düzeneğe barometre denir. Yükseklere çıkıldıkça üstümüzdeki hava katmanı incelir ve açık hava basıncı azalır.

Basınç için kullanılan birimler şöyle ilişkilidir:

1 atm = 76 cmHg = 760 mmHg ≈ 101 325 Pa

Birim dönüşümü bir orantıdır: 380 mmHg, 760 mmHg'nin yarısı olduğu için 0,5 atm'dir; 2 atm ise 152 cmHg'ye karşılık gelir.

Sıcaklık ve kelvin ölçeği

Gaz hesaplarında sıcaklık Celsius yerine kelvin ölçeğiyle ifade edilir. İki ölçeğin aralıkları aynıdır, yalnız başlangıç noktaları farklıdır:

T (K) = t (°C) + 273

Buna göre 0 °C, 273 K; 27 °C, 300 K; −73 °C ise 200 K'dir. Kelvin ölçeğinin sıfırı, yani mutlak sıfır, −273 °C'ye karşılık gelir; bu, ulaşılabilecek en düşük sıcaklıktır ve kelvin ölçeğinde eksi değer yoktur.

Kelvin ölçeğinin gazlar için kullanılmasının nedeni, gaz taneciklerinin ortalama hareket enerjisinin kelvin sıcaklığıyla doğru orantılı olmasıdır. Bir gazın kelvin sıcaklığı iki katına çıkarsa taneciklerinin ortalama hareket enerjisi de iki katına çıkar. Celsius ölçeğinde böyle bir orantı yoktur: 10 °C'den 20 °C'ye çıkmak enerjiyi iki katına çıkarmaz.

Gaz mı, buhar mı?

Gündelik dilde "gaz" ve "buhar" sözcükleri çoğu zaman birbirinin yerine kullanılır, ama kimyada aralarında bir ayrım yapılır. Oda koşullarında doğal olarak gaz hâlinde bulunan maddelere gaz denir; oksijen, azot ve karbon dioksit böyledir. Oda koşullarında sıvı ya da katı olan bir maddenin gaz hâline ise buhar denir; su buharı, alkol buharı ve iyot buharı bu gruptadır. Buharlar, sıcaklık biraz düşürülerek ya da basınç biraz artırılarak kolayca yeniden sıvılaşabilir. Bu ayrımın kesin tanımı AYT'de gazlarla birlikte verilir.

Havanın bileşimi

Soluduğumuz hava tek bir gaz değil, birkaç gazın karışımıdır. Kuru havanın hacimce yaklaşık yüzde 78'i azot, yüzde 21'i oksijendir; geri kalan yaklaşık yüzde 1'in büyük kısmını argon oluşturur. Karbon dioksit ve öteki gazlar ise çok küçük oranlarda bulunur. Havadaki su buharı miktarı yere ve zamana göre değişir. Bu gazların hepsi birbirine difüzyonla karışmıştır ve karışım her yerde aynı biçimde basınç uygular. Bir odadaki havanın her köşesinde bileşimin aynı olması da difüzyonun sonucudur.

Gündelik hayatta gazlar

Gazların sıcaklık ve basınçla davranışı birçok gündelik olayı açıklar. Kapalı bir kaptaki gaz ısıtılırsa tanecikleri hızlanır, çeperlere daha sık ve daha şiddetli çarpar; basınç artar. Sprey kutularının ısıdan uzak tutulması bu yüzdendir: kutu ateşe atılırsa içindeki basınç kutunun dayanabileceğinin üzerine çıkabilir ve kutu patlayabilir. Soğukta dışarıda kalan bir balonun büzülmesi ise tersidir: soğuyan tanecikler yavaşlar, balonun içinden çeperlere daha zayıf çarpar ve balon küçülür. Sabah soğuğunda araç lastiklerinin basıncının biraz düşük ölçülmesi de aynı nedenle olur.

Örnek 1 — Sıkıştırılabilirlik

Soru: Bir şırıngadaki hava kolayca sıkıştırılabildiği hâlde aynı şırıngadaki su neredeyse hiç sıkıştırılamaz. Bunun nedeni nedir?

• A) Hava taneciklerinin sudakilerden iri olması
• B) Suyun ısınmış olması
• C) Gaz tanecikleri arasında büyük boşluklar bulunması, sıvıda ise taneciklerin arasında sıkıştırılacak boşluk kalmaması
• D) Havanın renksiz olması
• E) Suyun tanecik içermemesi

Çözüm: Gazın hacminin büyük kısmı boşluktur; sıkıştırma bu boşlukları azaltır. Sıvıda sıkıştırılacak boşluk neredeyse yoktur. Cevap: C.

Örnek 2 — Basınç birimi

Soru: 380 mmHg'lik bir basınç kaç atmosferdir?

• A) 0,5 atm
• B) 2 atm
• C) 38 atm
• D) 3,8 atm
• E) 5 atm

Çözüm: 1 atm = 760 mmHg olduğundan 380 / 760 = 0,5 atm. Cevap: A.

Örnek 3 — Kelvin

Soru: −73 °C kaç kelvindir?

• A) 73 K
• B) 346 K
• C) 0 K
• D) 200 K
• E) −200 K

Çözüm: T = −73 + 273 = 200 K. Kelvin ölçeğinde eksi değer olmaz. Cevap: D.

Örnek 4 — Difüzyon

Soru: Odanın bir köşesinde açılan bir parfüm şişesinin kokusunun kısa sürede bütün odaya yayılması hangi olayla açıklanır?

• A) Yoğuşma
• B) Sıkıştırma
• C) Erime
• D) Donma
• E) Difüzyon

Çözüm: Parfüm buharının tanecikleri gelişigüzel hareketleriyle havanın içine kendiliğinden yayılır. Cevap: E.

• Gaz taneciklerinin hareketsiz durduğunu sanmak. Gaz tanecikleri sürekli, hızlı ve gelişigüzel hareket eder.
• Gaz hesaplarında Celsius kullanmak. Sıcaklık kelvine çevrilir: K = °C + 273.
• Kelvin ölçeğinde eksi değer yazmak. Mutlak sıfır 0 K'dir; daha düşük sıcaklık yoktur.
• Basıncın kabın yalnız tabanına etki ettiğini sanmak. Gaz basıncı kabın her yerine eşittir.
• Celsius sıcaklığı iki katına çıkınca enerjinin iki katına çıktığını düşünmek. Orantı yalnız kelvin sıcaklığıyla geçerlidir.