01.   Gazların Özellikleri:
 

Gazlar moleküller arası çekim kuvvetleri en az olan maddelerdir. Gaz molekülleri birbirinden bağımsız hareket ederler. Aralarındaki çekim kuvveti ancak ve sadece London çekim kuvvetidir. Büyük basınç ve düşük sıcaklıklarda sıvılaştırılabilirler. Gaz molekülleri bulundukları yeri her tarafına eşit oranda yayılarak doldururlar. Sonsuz oranda genişleyebilirler. Basınç altında yüksek oranda sıkıştırılabilirler. Yüksek basınçtan alçak basınca doğru çabucak akarlar. Sıcaklık ile basınç doğru orantılıdır. Düşük yoğunlukları vardır.

Gazların fiziksel davranışlarını dört özellik belirler. Bunlar; Basınç (P), sıcaklık (T) ve hacim (V) gazların durumunu değiştirebilen etkenlerdir. Gazlar genellikle kokusuz ve renksizdirler. Bazılarının kokusu, rengi ve zehirliliği en belirgin özelliğidir. Br₂ kahverengimsi kırmızı, I₂ mor renkli, NO₂ ve N2O3 kahve renkli, F₂ ve C1₂ yeşilimsi sarı,  NH₃ keskin kokulu, oksijen, azot ve asal gazlar dışındakiler zehirlidirler.

Basınç: Basınç, bir yüzeye uygulanan kuvvetin, o yüzeyin alanına bölünmesiyle bulunur.

  
        P(Pa) = F(N)/ A(m2) 
  

Atmosfer basıncı barometre ile ölçülür. Bir barometredeki civa yüksekliğine barometre basıncı denir. Atmosfer koşulları ve yükseklikle değişir. Standart atmosfer (atm), civa civa yoğunluğu 13,5951 g/cm³ (0 ^oC ) ve yerçekimi ivmesi g = 9,80665 ms^-2 olduğu durumda, 760 mm yükseklikteki bir civa sütununun oluşturduğu basınç olarak tanımlanabilir.

1 atm = 760 mm Hg
1 atm= 760 torr
1 atm = 101,325 N/ m2
1 atm = 101,325 Pa
1 atm = 1,01325 bar 

02. Basit Gaz Yasaları

Boyle Yasası: Sabit sıcaklıkta, sabit miktardaki gazın hacmi, basıncı ile ters orantılıdır.

P a 1/V yada PV = a (a sabit )

Orantı işareti (a) yerine eşitlik ve orantı sabitini koyarsak, sabit bir sıcaklık ve miktardaki gazın basınç ve hacim çarpımı bir sabite eşittir. Bu sabit değerde gazın miktarı ve sıcaklığına bağlıdır.

Örnek : 30 litre bir gazın, basıncı 6 atmosferden 3 atmosfere düşürüldüğünde hacmi ne olur?

Çözüm: Gazın sadece bir P1, V1 hali belli olması PxV sabitini bulmaya yeterlidir.

P1 = 6 atm, V1 = 30 L

P1.V1 = P2V2

6 (atm) x 30 (L) = 3 atm x V2

V2 = 180 L atm / 3 (atm)

V2 = 60 L bulunur.  

Charles Yasası: Sabit basınçtaki, gazın hacmi sıcaklıkla doğru orantılıdır.

V a T    veya  V = bT (b Sabit)                T (K) = t (^oC)  +  273,15

Örnek:. 25°C de 50 cm³ gaz 0°C ye soğutulursa hacmi ne olur?
Çözüm: Sıcaklık mutlaka mutlak sıcaklık cinsine çevrilmelidir:

bağıntısı kullanılarak ve V₁ = 50 cm³, T₁ = 25°C + 273 = 298 K, T₂ = 0°C + 273 K alınarak

50/293 =V₂ (cm³) / 273      V₂  = 46,6  cm³  elde edilir.  

Normal (ideal ) Basınç ve sıcaklık : Gazların özellik olarak sıcaklık ve basınca bağlı olması nedeniyle, normal sıcaklık ve basınç kavramları kullanılır. Gazlar için normal sıcaklık 0^oC =273.15 K ve normal basınç 1 atm =760 mmHg dır.  

Avagadro Yasası: Sabit sıcaklık ve basınçta, bir gazın hacmi miktarı ile doğru orantılıdır.  

 Bu kuram iki farklı şekilde ifade edilir.

1. Aynı basınç ve sıcaklıkta, farklı gazların eşit hacimleri aynı sayıda molekül içerir.

2. Aynı basınç ve sıcaklıkta, farklı gazların aynı sayıdaki molekülleri eşit hacim kaplar.  

V a n veya V = c.n  

Normal koşullarda bir gazın 22.414 L�si 6,02x10²³ molekül ya da 1 mol gaz bulunur.  

1mol gaz = 22.4 L gaz (normal koşullarda)  

Birleşen Hacimler Yasası: Sıcaklık ve basıncın sabit olduğu tepkimelerde gazlar tamsayılarla ifade edilen basit hacim oranlarıyla birleşirler.

2 CO (g)   + O₂ (g)                  2CO₂ (g)   

2L CO (g)   + 1L  O₂ (g)                   2 L CO₂ (g)   

03. İdeal Gaz denklemi

Basit gaz yasalarından yararlanarak, hacim, basınç, sıcaklık ve gaz miktarı gibi dört gaz değişkenini içeren tek bir denklemde birleştirilerek ideal gaz denklemi elde edilir.

1. Boyle yasası, Basıncın etkisini tanımlar, P a 1/V
2. Charles yasası,  Sıcaklık etkisini tanımlar, V a T
3. Avagadro Yasası, gaz miktarının etkisini tanımlar, V a n

Bu gaz yasalarına göre, bir gazın hacmi, miktar ve sıcaklık ile doğru orantılı, basınç ile ters orantılıdır. Yani    V a  nT/P    ve  V= RnT/P

Pv = nRT 

İdeal gaz denklemine uyan bir gaza idael veya mükemmel gaz ismi verilir. 
İdeal gaz denkleminde gaz sabitinin değeri ideal şartlardaki birimlerden yararlanarak bulunur.
  
R = PV/ nT = 1 atm x 22,4140 L / 1 mol x 273,15K = 0,082057 L atm/mol K = 0,082057  L atm mol-1 K-1    elde edilir.
  
SI sistemine göre 

R = PV/ nT = 101,325 Pa x 2,24140.10-2 m3 / 1 mol x 273,15K = 8.3145 m3 Pa mol �1 K-1
R = 8,3145 J mol-1 K-1
  
Örnek: 800 ml bir kapta 275 oC de 0.2 mol O2 nin oluşturduğu basınç ne kadardır ? 
  
PV = nRT       

P x 0,800 L = 0,2 x 0,082 L atm mol-1 K-1  x (273 + 275) K     

P = 11,2 atm  

Genel Gaz Denklemi:

Bazı durumlarda gazlar iki farklı koşulda tanımlanır. Bu durumda ideal gaz denklemi, başlangıç ve son durum olmak üzere iki kere uygulanır.

P_iV_i = n_i R T_i          R = P_iV_i / n_i T_i

P_sV_s = n_s R T_s         R = P_sV_s / n_s T_s

P_iV_i / n_i T_i   =  P_sV_s / n_s T_s    bağıntısına genel gaz denklemi denir.

Mol kütlesi tayini :

Bir gazın sabit sıcaklık ve basınçta  kapladığı hacim bilinirse, gaz miktarı (n), mol cinsinden, ideal gaz denklemiyle bulunur. Gazın mol sayısı, gaz kütlesinin (m) molekül ağırlığına (M) bölümüne eşit olduğundan, gaz kütlesi bilinirse n = m / M den yararlanarak mol kütlesi bulunabilir.

PV = mRT/M

Gaz Yoğunlukları:

Bir gazın yoğunluğu bulunurken d = m/V yoğunluk denkleminden yaralanılır. İdeal gaz denkleminde n/V yerine P/RT konulur.

d = m/V = MP/ RT

 Sıvı ve katı yoğunlukları arasında belirli farklar vardır.

a.       Bir gazın yoğunluğu mol kütlesi ile doğru orantılıdır. Katı ve sıvıların ise yoğunlukları ve mol kütleleri arasında kayda değer bir ilişki yoktur.

b.      Gaz yoğunlukları basınç ve sıcaklığa  bağlıdır. Basınç ile doğru orantılı, sıcaklık ile ters orantılıdır. Katı ve sıvıların yoğunlukları ile mol   
   kütleleri arasında kayda   değer bir bir ilişki olmakla beraber, basınca çok az bağlıdır.

04. Gaz Karışımları:

Bir gaz karışımında gazlardan her birinin kendi yaptığı basınca kısmi basınç ismi verilir. Dalton�un kısmi basınçlar yasasına göre bir gaz karışımının toplam basıncı karışımın bileşenlerinin kısmi basınçlarının toplamına eşittir.

P_T  =  P_A  + P_B               

 n_A/n_T  = P_A / P_T  = V_A / V_T  = X_A

Burada  n_A / n_T  terimine A� nın mol kesri X_A  ile gösterilir.

Örnek: Bir su buharı-neon gaz karışımının toplam basıncı 0.593 atm dir Su buharının o sıcaklıktaki kısmi basıncı suyun o sıcaklıktaki buhar basıncına eşittir ve 29.3 Torr dur. Neonun kısmi basıncını bulunuz.        

Çözüm: P toplam = 0.593 atm = 0.593 atm x 760 Torr / atm = 450,68 Torr            

   Psu buharı = 29.3 Torr
                       Ptoplam = P su buharı   + P neon
                       450,68 Torr = 29.3 Torr + Pneon
                       Pneon = 450,68 - 29.3 = 421,38 Torr 
                       Pneon = 421,38 Torr / 760 Torr.atm-1 = 0.55 atm  

05. Kinetik- Molekül Kuramı:

Gaz moleküllerinin aralarında çok büyük boşluklar bulunması onların büyük oranda sıkıştırılabilmesini sağlar. Sıvılarda ve katılarda moleküller birbirine çok sıkışık durumdadırlar. Büyük basınçlarda bile çok az bir hacim değişmesi gözlenebilir, pratikçe sıkıştırılamazlar. moleküllerinin yere düşmeden havada asılı kalmaları onların birbirleri ile devamlı çarpışma halinde olmaları ile açıklanır. Gaz moleküllerin devamlı hareket halinde olmaları gazların kinetik teorisi ile açıklanır. Gazların kinetik teorisi aşağıdaki bilgileri ortaya koyar.

1.    Gaz molekülleri arasındaki boşluklar o kadar büyüktür ki bu büyük boşluklar  yanında  gaz  moleküllerinin   hacimleri   ihmal   edilecek  kadar küçük boyuttadır.

2.     Gaz molekülleri neden havada asılı kalıyor yere düşmüyor sorusuna da bir cevap  olarak  gaz  molekülleri  devamlı   hareket  halinde ve birbirleri ile çarpışmaktadırlar. Bir gazın bir molekülü 25°C de l atmosferde bir saniyede yaklaşık 10 ⁹  çarpışma yapar. Gaz moleküllerinin çeperlere çarpması ise gaz basıncını oluşturur.

3. Gaz molekülleri hareketli olduğundan dolayı sahip oldukları kinetik enerjileri sıcaklıkla orantılıdır. Bir cismin hızı arttıkça kinetik enerjisi de artar.Moleküllerin hızları farklı olmasından dolayı ortalama hız alınır. Sabit sıcaklıkta tüm farklı gaz moleküllerinin eşit kinetik enerjiye sahip olacağı düşünülürse yüksek molekül ağırlıklı bir gaz molekülünün, düşük molekül ağırlıklı gaz molekülüne göre daha  düşük hızlı olacağı bulunur.

4. Gaz moleküllerinin kabın duvarları veya birbirleri ile çarpışmaları mükemmel elastiktir. Çarpışan  moleküller arasında enerji alışverişi olabilir. Fakat çarpışan moleküllerin toplam enerjisi öncekinin aynısıdır.

06.  Graham'ın Gazların Yayılma Kanunu:

Yayılma (difüzyon), rastgele molekül hareketi sonucu moleküllerin göç etmesidir. İki yada daha fazla gazın yayılması, moleküllerin karışıp bulunduğu yerde homojen bir karşım oluşturması ile sonuçlanır. Dışa yayılma (efüzyon) gaz moleküllerinin bulundukları kaptaki bir delikten dışa doğru kaçmasıdır. İki değişik gazın dışa yayılma hızları mol kütlelerinin kare kökü ile ters orantılıdır.

A nın  dışa yayılma hızı /B nin dışa yayılma hızı = (u_ms)_A / ( u_ms)_B = ((3RT/M_A) / (3RT/M_B))^1/2  = (M_B/M_A) ^1/2

Graham yasası ancak bazı koşullarda uygulanabilir. Dışa yayılma için gerekli gaz basıncı moleküllerin bağımsız olarak kaçışına olanak sağlayacak şekilde yani fışkırmayacak  biçimde çok küçük olmalıdır. Delikler moleküller geçerken çarpışma olamayacak şekilde küçük olmalıdır.

Örnek:  Bir delikten yayılan gaz miktarlarının karşılaştırılması. 2.2 x 10^-4 mol N₂(g) küçük bie delikten 105 saniye dışa yayılmaktadır. Aynı delikten 105 saniyede ne kadar H₂(g) dışa yayılır?

H₂ molekülleri N₂ den daha az kütleye sahiptir. Gazlar aynı sıcaklıkta karşılaştırıldığında H₂ molekülleri daha büyük hıza sahiptir.

x mol H₂  / 2.2x10^-4 mol N₂  =  (M_N2 /M_H2) ^1/2  = ( 28.014 / 2.016) ^1/2 =3.728

x mol H₂ = 3.728 x 2.2x10^-4 = 8.2 x 10^-4 mol H₂

Örnek: Dışa yayılma zamanlarının mol kütleler ile ilişkisi. Küçük bir delikten bir Kr(g) örneği 87.3 s de kaçar ve aynı koşullarda bilinmeyen bir gaz için bu süre 42.9 s dir. Bilinmeyen gazın mol kütlesi nedir?

bilinmeyen dışa yayılma zamanı / Kr nin dışa yayılma zamanı = 42.9 s / 87.3 s = (M_x / M_Kr ) ^1/2 = 0.491

Mx = ( 0.491)² x M_Kr = (0.491)² x 83.80 = 20.2 g/mol

07. Gerçek ( İdeal olmayan) Gazlar

İdeal gaz bağıntısı tanıtılırken gerçek gazlarında uygun koşullarda ideal gaz yasasına uyduğu belirtilmişti. Bir gazın ideal gaz koşulundan ne kadar saptığının ölçüsü sıkıştırılabilirlik faktörü olarak belirlenir. Bir gazın sıkıştırılabilirlik faktörü PV/nRT oranıdır. İdeal gaz bağıntısından (PV = nRT ) bir ideal gaz için bu oranın PV / nRT =1 olduğunu biliyoruz. Gerçek bir gaz için deneysel olarak belirlenen PV /nRT oranının 1'e yakınlığı gazın ne kadar ideal davrandığının ölçüsüdür. Bütün gazlar yeterince düşük basınçlarda ( 1atm den düşük) ideal davranırlar. Fakat artan basınçlarda saparlar. Çok yüksek basınçlarda ise sıkıştırılabilirlik faktörü daima 1 den büyüktür.

* Gerçek gazlar yüksek sıcaklık ve düşük basınçlarda idealliğe yaklaşırlar.

* Gerçek gazlar düşük sıcaklık ve yüksek basınçlarda ideallikten uzaklaşırlar.

Van der Waals denklemi

Gerçek gazlar için bir kaç denklem çıkarılmıştır. Bunlar ideal gaz denkleminden çok daha geniş bir sıcaklık ve basınç aralığında kullanılabilirler.

    ( P + n²a/V²) ( V-nb) = nRT

Örnek: 1.00 mol Cl₂ (g) 273 K de 2.00 L lik bir hazcim kaplıyor. Basıncı van der Waals denklemini kullanarak hesaplayınız. a= 6.49 L² atm mol^-2 ve b= 0.0562 L mol ^-1

P = nRT/ ( V-nb) - n²a/V² 

n = 1.00 mol  V = 2.00 L T = 273K  R =0.08206 L atm mol^-1 K^-1

n² a = ( 1.00)2 mol 2 x 6.49 L2atm/mol2 = 6.49 L2 atm

nb = 1.00 mol x 0.0562 L mol -1 = 0.0562 L

P = 1.00 mol x 0.08206 L atm mol ^-1 K ^-1 x 273 K /( 2.00 -0.0562)L - 6.49 L² atm / (2.00)² L²

P = 11.5 atm - 1.62 atm = 9.9 atm