Gazların Genel Özellikleri ve Gaz Yasaları

Gazlarla ilgili daha önce 9. sınıfta bir bilgilendirme yapmıştık. Kısaca hatırlamak gerekirse;

• Gazların belirli bir hacimleri yoktur, bulundukları kabın hacmini alırlar. Bu yüzden yoğunluk (özkütle) ölçümleri maddelerin sıvı veya katı hallerindeki hacim-kütle ilişkisine göre hesaplanır.
• Özkütlesi havadan küçük olan gazlar (örneğin helyum veya hidrojen); uçan balonlarda, zeplinlerde veya seyahat balonlarında kullanılır.
• Gaz molekülleri arasında çok fazla boşluk bulunduğu için sıkıştırılabilir.
• Gazlar ısıtıldığında katı veya sıvı haldekine göre daha çok genleşir.
• Gazların basıncı barometre olarak adlandırılan Torricelli (1608-1647) tarafından geliştirilen aletlerle ölçülür. 

Daha fazla bilgi için 9. sınıftaki gazlarla ilgili içeriklere dönebilirsiniz (Gazların Tanımlayıcı Özellikleri, Gaz Yasaları ve İdeal Gaz Denklemi)

Gazların Genel Özellikleri

Hava gazlardan oluşan bir karışımdır, yaklaşık olarak hacimce %79’u azot gazı, %21’i oksijen, %0.93’ü argon ve kalan miktar diğer soygaz ve gazlardan oluşmaktadır. Gazların sıkıştırılabilmesi veya genleştirilebilmesi gaz davranışı olarak adlandırılır.

Gaz Davranışları

Gaz davranışları, sıcaklık, basınç, gaz miktarı ve gazın hacminden etkilenir. İleride bu etkileri matematiksel olarak inceleyeceğiz. İncelerken dikkat etmeniz gereken noktalar

• Mol değişiminin gaz hacmini veya basıncını doğru orantılı olarak etkiler. Yani mol sayısı 2 kat artarsa, gazın basıncı veya hacmi de 2 kat artar.
• Bilimsel çalışmalarda sıcaklık her zaman kelvin cinsinden ifade edilir. Yani sıcaklığı 30 °C (303 °K) dereceden 60 °C dereceye (333 °K) çıkarmak demek; sıcaklığı 2 kat arttırmak demek değildir.
• Gazların hacimleri bulundukları kabın hacmini aldığı için gazların hacimleri laboratuvar ortamında belirli bir sabit sıcaklık ve basınç altında gaz büretleri kullanılarak ölçülür.
  • 1 mL = 1 cm3
  • 1 dm3 = 1.10-3 m3 = 1L
  • 1 L = 1000 cm3 = 1000 mL
• Gazların basınçları da hacime göre değişeceği için gaz basınçları sabit hacimli kaplarda ölçülür. Basınç birimi olarak atm (atmosferik basınç birimi) kullanılır.
• Basınç laboratuvar şartları dışında açık havada civa yardımıyla barometreler kullanılarak ölçülür. Civa ile yapılan ölçümler mmHg veya cmHg cinsinden ifade edilir.
  • 1 atm = 76cmHg = 760 mmHg
  • 1 atm = 760 torr

Gaz Basıncının Ölçülmesi

Gazlar molekülleri sürekli hareket halindedir; bu hareketten kaynaklı olarak bir basınç yaparlar. Günlük hayatımızda içinde bulunduğumuz ortama uyum sağladığımız için normal şartlarda bu basıncı hissetmeyiz. Gazların basıncını araba lastiklerinde gözlemleyebilirsiniz.

Gaz basıncı ölçerken sıvıların basınç formülünden yararlanılır (sıvılar için bu basın formülü Psıvı= h*d*g ‘dir, yani sıvının yüksekliğine sıvının yoğunluğuna ve yer çekimi ivmesine bağlıdır). Gazların basıncı ölçülürken kullanılan sıvı ne kadar yoğunsa o kadar kolay bir ölçüm yapılır. Bu yüzden hesaplama yapılırken genellikle civa kullanılır.

Bir gazın basıncı monametre veya barometre kullanılarak ölçülebilir. Eğer ölçüm yapılan düzeneği ve gaz dengelerini biliyorsanız. Yapmanız gereken şey, iki maddenin birbirlerine temas ettiği noktaların basınç denklemlerini yazmanızdır.

Barometre ile Ölçüm

Atmosfer basıncını ölçmemize yarayan düzeneklere barometre denir. Torricelli (1608-1647) tarafından geliştirilmiştir. Barometre, basitçe tarif edilmesi gerekirse; silindirik bir tüpün içi boş kalacak (hava girmeyecek) şekilde ters çevrilerek civa dolu bir kaba daldırılmasıyla oluşur.

Barometrede temel prensip, atmosferik basıncın civayı tüpün içine doğru itmesidir. Tüpün içerisindeki civa hareketi durduktan sonra, tüpün suya temas ettiği noktadan basınçları sabitlersek; 1 atm’nin 76cm yüksekliğindeki civanın basıncına eşit olduğunu gözlemlemiş oluruz.

Yukarıdaki sayılar 0 °C sıcaklıkta ve deniz seviyesinde yapılan bir ölçüm için geçerlidir. Deniz seviyesinden yükseklere doğru çıktıkça basınç azalır, sıcaklık arttıkça basınç artar. Açık hava basıncı 1 atm = 76cmHg = 760 mmHg = 760 torr olarak adlandırılabilir.

Manometre ile Ölçüm

Kapalı kaplardaki gaz basıncı manometre ile ölçülür. Çalışma ilkesi bakımından barometrelerle bir benzerlik söz konusudur. Kapalı ve açık monametre olmak üzere 2 çeşidi vardır.

Manometre ile yapılmış bir ölçümü denklemlere dökerken, gazların (veya sıvıyla gazın) birbirlerine temas ettikleri noktaları kullanmaya çalışın. Örneğin;

Açık Manometre

Açık manometreler daha çok, açık hava basıncından büyük basınçları ölçmek için kullanılırlar.

Kapalı Manometre

Kapalı manometreler daha çok açık hava basıncından küçük basınçları ölçmek için kullanılırlar.

Gaz Yasaları

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. Aşağıda 4 bilim adamının yaptığı çalışmalara göz atabilir veya bütün çalışmaların birleşimiyle oluşturulan ideal gaz denklemini bir sonraki bölümde görebilirsiniz.

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:

P₁V₁ = P₂V₂ = k₁

Denklemdeki;

• P1: Gazın ilk durumdaki basıncını
• P2: Gazın son durumdaki basıncını
• V1: Gazın ilk durumdaki hacmini
• V2: Gazın son durumdaki hacmini
• k1: Gazın sıcaklığına ve miktarına göre oluşturulan bir değişkeni

temsil eder.

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:

V₁T₂ = V₂T₁ = k₂

Denklemdeki;

• T1: Kelvin biriminden gazın ilk durumdaki sıcaklığını
• T2: Kelvin biriminden gazın son durumdaki sıcaklığını
• V1: Gazın ilk durumdaki hacmini
• V2: Gazın son durumdaki hacmini
• k2: Gazın basıncına ve miktarına göre oluşturulan bir değişkeni

temsil eder.

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:

P₁T₂ = P₂T₁ = k₃

Denklemdeki;

• T1: Kelvin biriminden gazın ilk durumdaki sıcaklığını
• T2: Kelvin biriminden gazın son durumdaki sıcaklığını
• P1: Gazın ilk durumdaki basıncı
• P2: Gazın son durumdaki basıncı
• k3: Gazın hacmine ve miktarına göre oluşturulan bir değişkeni

temsil eder.

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:

V₁n₂ = V₂n₁ = k₄

Denklemdeki;

• V1: Gazın ilk durumdaki hacmini
• V2: Gazın son durumdaki hacmini
• n1: Mol cinsinden gazın ilk durumdaki miktarını
• n2: Mol cinsinden gazın son durumdaki miktarını
• k4: Gazın basıncına ve sıcaklığına göre oluşturulan bir değişkeni

temsil eder.

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 1023 tane) 22.4 L hacim kaplar.