CHE1001 · 4. hafta · Acid-Base (Neutralization) Reactions. Oxidation-Reduction (Redox) Reactions.

Gazlar: basınç ve gaz yasaları

Basınç birimleri, Boyle, Charles, Gay-Lussac ve Avogadro yasaları, birleşik gaz yasası, ideal gaz denklemi PV = nRT ve gazlı stoikiometri.

pressurebarometermanometerBoyle's lawCharles's lawGay-Lussac's lawAvogadro's lawcombined gas lawideal gas equationgas constantSTPmolar volume

Gazlar kimyanın en “matematiksel” konusu. Bütün davranışları dört değişkenle anlatılır: basınç PP, hacim VV, sıcaklık TT ve mol sayısı nn. Tek denklem hepsini birleştirir: PV=nRTPV = nRT. Sınavda iki tip soru gelir: koşullar değişince yeni değeri bulma (iki durumlu sorular) ve tek durumdan bir değişkeni bulma.

Altın kurallar:

  1. Sıcaklık her zaman kelvin. °C ile oran kurmak yanlış cevabın bir numaralı sebebi.
  2. R’nin birimleri ile verilerin birimleri aynı olmalı. 0.08206 kullanıyorsan L, atm, mol, K.
  3. İki durumlu soruda sabit kalanları sil. Birleşik yasadan istediğin yasayı türetirsin.
  4. Sonucun yönünü kontrol et. Basınç artınca hacim azalmalı, ısınınca genleşmeli.

Basınç ve birimleri

Basınç (pressure) birim alana düşen kuvvettir: P=F/AP = F/A. SI birimi pascal: 1 Pa=1 N/m21\ \text{Pa} = 1\ \text{N/m}^2. Atmosfer basıncı bir cıva sütununu yaklaşık 760 mm yükseltir; barometre (barometer) bu ilkeyle çalışır.

Birim1 atm eşdeğeri
mmHg ya da torr760
kPa101.325
bar1.01325
Pa101 325

Kapalı bir kaptaki gaz basıncı manometre (manometer) ile ölçülür. Açık uçlu manometrede gaz tarafındaki cıva seviyesi yüksekse gaz basıncı atmosferden düşüktür: Pgaz=Patm−ΔhP_{\text{gaz}} = P_{\text{atm}} - \Delta h.

Örnek 1. 0.985 atm kaç mmHg ve kaç kPa?

0.985 atm×760 mmHg1 atm=749 mmHg0.985×101.325=99.8 kPa0.985\ \text{atm} \times \frac{760\ \text{mmHg}}{1\ \text{atm}} = 749\ \text{mmHg} \qquad 0.985 \times 101.325 = 99.8\ \text{kPa}

Basit gaz yasaları

YasaSabitİlişkiDenklem
BoyleT, nV∝1/PV \propto 1/PP1V1=P2V2P_1V_1 = P_2V_2
CharlesP, nV∝TV \propto TV1T1=V2T2\dfrac{V_1}{T_1} = \dfrac{V_2}{T_2}
Gay-LussacV, nP∝TP \propto TP1T1=P2T2\dfrac{P_1}{T_1} = \dfrac{P_2}{T_2}
AvogadroT, PV∝nV \propto nV1n1=V2n2\dfrac{V_1}{n_1} = \dfrac{V_2}{n_2}

Charles yasası grafikte doğrudur ve V=0V = 0‘a uzatılırsa −273.15 °C’de eksenle kesişir. Mutlak sıfır (absolute zero) budur ve kelvin ölçeğinin sıfırıdır. V∝TV \propto T ilişkisi sadece mutlak sıcaklıkta geçerli; bu yüzden °C ile oran kurulmaz.

Örnek 2 (Boyle). 4.00 L gaz 1.00 atm’den 2.50 atm’ye sıkıştırılıyor (T sabit):

V2=P1V1P2=1.00×4.002.50=1.60 LV_2 = \frac{P_1V_1}{P_2} = \frac{1.00 \times 4.00}{2.50} = 1.60\ \text{L}

Örnek 3 (Charles). 2.00 L gaz 20.0 °C’den 80.0 °C’ye ısıtılıyor (P sabit):

V2=V1×T2T1=2.00×353.15 K293.15 K=2.41 LV_2 = V_1 \times \frac{T_2}{T_1} = 2.00 \times \frac{353.15\ \text{K}}{293.15\ \text{K}} = 2.41\ \text{L}

İPUCU · oranla düşün. Formülü ezberlemek yerine “hacim büyümeli mi küçülmeli mi?” diye sor ve oranı ona göre yaz. Isınma: V1×bu¨yu¨k Tku¨c¸u¨k TV_1 \times \tfrac{\text{büyük } T}{\text{küçük } T}. Sıkıştırma: V1×ku¨c¸u¨k Pbu¨yu¨k PV_1 \times \tfrac{\text{küçük } P}{\text{büyük } P}.

Grafiklerle tanıma

Sınavda bazen sadece bir grafik verilir ve hangi yasa olduğu sorulur:

  • VV‘ye karşı PP: hiperbol (ters orantı), Boyle. VV‘ye karşı 1/P1/P çizilirse orijinden geçen doğru.
  • VV‘ye karşı TT (K): orijinden geçen doğru, Charles. Eksen °C ise doğru −273.15 °C’de sıfırı keser.
  • PP‘ye karşı TT (K): orijinden geçen doğru, Gay-Lussac.
  • VV‘ye karşı nn: orijinden geçen doğru, Avogadro.

Doğrunun eğimi sabit tutulan değişkenlere bağlıdır. Örneğin Charles grafiğinde eğim nR/PnR/P; basınç büyükse doğru daha yatıktır.

Birleşik gaz yasası (combined gas law)

n sabitken üç yasa birleşir:

P1V1T1=P2V2T2\frac{P_1V_1}{T_1} = \frac{P_2V_2}{T_2}

Bir değişken sabitse iki taraftan silinir ve basit yasalardan biri kalır. Tek formül ezberleyip gerisini türetebilirsin.

İdeal gaz denklemi

Dört değişkeni tek denklemde toplar:

PV=nRTPV = nRT

Gaz sabiti (gas constant) RR‘nin değeri birimlere bağlıdır:

RNe zaman
0.08206 L⋅atm/(mol⋅K)0.08206\ \text{L·atm/(mol·K)}P atm, V litre (sınavların çoğu)
8.314 J/(mol⋅K)8.314\ \text{J/(mol·K)}enerji hesapları, P Pa ve V m³
62.36 L⋅mmHg/(mol⋅K)62.36\ \text{L·mmHg/(mol·K)}P mmHg ise

Standart sıcaklık ve basınç (STP): Petrucci 0 °C ve 1 bar kullanır; bu koşulda 1 mol ideal gaz 22.7 L kaplar. Pek çok kaynak ise 0 °C ve 1 atm alır: 22.4 L. Hocanın hangisini kullandığına bak; şüphedeysen PV=nRTPV = nRT ile doğrudan hesapla.

Vm=RTP=0.08206×273.151.000=22.41 L/mol(1 atm)V_m = \frac{RT}{P} = \frac{0.08206 \times 273.15}{1.000} = 22.41\ \text{L/mol} \quad (1\ \text{atm})

Örnek 4. 25.0 °C ve 1.50 atm’de 12.0 L’lik balonda kaç gram He var?

n=PVRT=1.50 atm×12.0 L0.08206 L⋅atmmol⋅K×298.15 K=0.736 moln = \frac{PV}{RT} = \frac{1.50\ \text{atm} \times 12.0\ \text{L}}{0.08206\ \tfrac{\text{L·atm}}{\text{mol·K}} \times 298.15\ \text{K}} = 0.736\ \text{mol}

m=0.7357 mol×4.003 g/mol=2.94 gm = 0.7357\ \text{mol} \times 4.003\ \text{g/mol} = 2.94\ \text{g}

Birimleri tek tek sadeleştir: L ve atm sadeleşir, K sadeleşir, mol kalır.

Gazlı tepkimelerde stoikiometri

Gaz ürün ya da reaktif olduğunda zincirin bir ucunda PV=nRTPV = nRT durur:

g A→mol A→katsayımol gaz B→V=nRT/PL gaz B\text{g A} \rightarrow \text{mol A} \xrightarrow{\text{katsayı}} \text{mol gaz B} \xrightarrow{V = nRT/P} \text{L gaz B}

Örnek 5. 10.0 g CaCO3\mathrm{CaCO_3} fazla HCl ile tepkimeye giriyor: CaCO3+2HCl→CaCl2+H2O+CO2\mathrm{CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2}. 25 °C ve 1.00 atm’de kaç L CO2\mathrm{CO_2} çıkar?

mol CaCO3 = 10.0 / 100.086 = 0.09991 mol  → mol CO2 = 0.09991 (1:1)
V = nRT/P = 0.09991 × 0.08206 × 298.15 / 1.00 = 2.44 L

Sadece gazlar arasında ve aynı T, P’de katsayılar doğrudan hacim oranı olarak kullanılabilir (Gay-Lussac’ın birleşen hacimler yasası). Örneğin N2+3H2→2NH3\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3}‘te 1 L azot 3 L hidrojenle 2 L amonyak verir.

Örnek 6 (gazlar arasında sınırlayıcı reaktif). Aynı T ve P’de 4.0 L CO ile 3.0 L O2\mathrm{O_2} karıştırılıp yakılıyor: 2CO+O2→2CO2\mathrm{2CO + O_2 \rightarrow 2CO_2}.

CO : 4.0 L ÷ 2 = 2.0
O2 : 3.0 L ÷ 1 = 3.0     → CO sınırlayıcı
CO2 oluşan  = 4.0 L
O2 harcanan = 2.0 L,  kalan O2 = 1.0 L
son karışım: 4.0 L CO2 + 1.0 L O2 = 5.0 L  (başta 7.0 L vardı; mol sayısı azaldı)

Daha fazla çözümlü örnek

Örnek 7 (manometre). Açık uçlu bir manometrede cıva, gaz tarafında atmosfer tarafından 18 mm daha yüksek. Barometre 752 mmHg gösteriyor. Gaz cıvayı daha az itiyor, yani basıncı atmosferden düşük:

Pgaz=752−18=734 mmHg=734760 atm=0.966 atmP_{\text{gaz}} = 752 - 18 = 734\ \text{mmHg} = \frac{734}{760}\ \text{atm} = 0.966\ \text{atm}

Örnek 8 (molekül sayısı). 25 °C’de 3.00 L’lik bir kapta 745 mmHg basınçta O2\mathrm{O_2} var. Kaç molekül?

P = 745 / 760 = 0.9803 atm
n = PV/RT = 0.9803 × 3.00 / (0.08206 × 298.15) = 0.1202 mol
N = 0.1202 × 6.022×10^23 = 7.24×10^22 molekül

Önce mmHg’yi atm’ye çevirdik, çünkü R = 0.08206 atm biriminde.

Hangi formülü kullanacağım?

Soruda ne var?Kullan
İki durum (önce / sonra), aynı gaz örneğiBirleşik gaz yasası, sabitleri sil
Tek durum, n, m ya da molekül sayısı soruluyorPV=nRTPV = nRT
Tepkime + gaz hacmiPV=nRTPV = nRT ile mole çevir, stoikiometri
Sadece gazlar, aynı T ve PKatsayı = hacim oranı

Sık yapılan hatalar

Yanlış düşünceDoğrusu
25 °C → 50 °C hacmi ikiye katlar298 K → 323 K: sadece %8 artar
R = 8.314 ile atm ve L kullan8.314 J/(mol·K) Pa ve m³ ister; atm·L için 0.08206
mmHg’yi doğrudan PV = nRT’ye koyÖnce atm’ye çevir (÷ 760) ya da R = 62.36 kullan
mL’yi litre sanmak250 mL = 0.250 L
STP her yerde 22.4 L1 bar STP’de 22.7 L; koşulu kontrol et
Katsayı oranı kütle ya da sıvı hacmine de uyarSadece gaz hacimleri, aynı T ve P’de
Boyle’da P1/V1=P2/V2P_1/V_1 = P_2/V_2Ters orantı: P1V1=P2V2P_1V_1 = P_2V_2

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

A barometer reads 745 mmHg. What is this pressure in atm?

  1. 0.980 atm
  2. 1.02 atm
  3. 745 atm
  4. 0.0980 atm
Cevabı göster
0.980 atm

745 mmHg×1 atm760 mmHg=0.980745\ \text{mmHg} \times \tfrac{1\ \text{atm}}{760\ \text{mmHg}} = 0.980 atm. kPa olarak 0.980×101.325=99.30.980 \times 101.325 = 99.3 kPa.

Soru 2kolay

A gas occupies 2.50 L at 1.20 atm. At constant temperature, what volume does it occupy at 0.800 atm?

Cevabı göster
3.75 L

Boyle: P1V1=P2V2P_1V_1 = P_2V_2. V2=1.20×2.500.800=3.75V_2 = \tfrac{1.20 \times 2.50}{0.800} = 3.75 L. Basınç azaldı, hacim arttı: mantıklı.

Soru 3kolay

A balloon has a volume of 450 mL at 25 °C. At constant pressure, what is its volume at 125 °C?

  1. 90.0 mL
  2. 337 mL
  3. 601 mL
  4. 2250 mL
Cevabı göster
601 mL

Charles yasası kelvinle çalışır: T1=298.15T_1 = 298.15 K, T2=398.15T_2 = 398.15 K.V2=450×398.15298.15=601V_2 = 450 \times \tfrac{398.15}{298.15} = 601 mL. 2250 mL, °C değerlerini oranlamanın (125/25 = 5) sonucu.

Soru 4kolay

How many moles of gas are in a 5.00 L container at 2.00 atm and 27 °C?

Cevabı göster
0.406 mol

n=PVRT=2.00×5.000.08206×300.15=0.406n = \tfrac{PV}{RT} = \tfrac{2.00 \times 5.00}{0.08206 \times 300.15} = 0.406 mol.

Soru 5orta

What volume does 8.00 g of O2\mathrm{O_2} occupy at 25.0 °C and 0.950 atm?

Cevabı göster
6.44 L

n=8.00/31.998=0.2500n = 8.00/31.998 = 0.2500 mol.V=nRTP=0.2500×0.08206×298.150.950=6.44V = \tfrac{nRT}{P} = \tfrac{0.2500 \times 0.08206 \times 298.15}{0.950} = 6.44 L.

Soru 6orta

A 1.50 L sample of gas at 25 °C and 1.00 atm is changed to −25 °C and 0.500 atm. What is the new volume?

Cevabı göster
2.50 L

Birleşik gaz yasası: P1V1T1=P2V2T2\tfrac{P_1V_1}{T_1} = \tfrac{P_2V_2}{T_2}.V2=1.50×1.000.500×248.15298.15=2.50V_2 = 1.50 \times \tfrac{1.00}{0.500} \times \tfrac{248.15}{298.15} = 2.50 L. Basınç yarıya inmesi hacmi ikiye katlar, soğuma biraz geri alır.

Soru 7kolay

At the same temperature and pressure, what volume of O2\mathrm{O_2} reacts completely with 6.0 L of H2\mathrm{H_2} in 2H2(g)+O2(g)→2H2O(g)\mathrm{2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(g)}?

  1. 3.0 L
  2. 6.0 L
  3. 12 L
  4. 1.5 L
Cevabı göster
3.0 L

Avogadro: aynı T ve P'de hacim mol ile orantılı. Gazlar arasında katsayılar hacim oranı olarak da kullanılabilir: 6.0×12=3.06.0 \times \tfrac{1}{2} = 3.0 L O2\mathrm{O_2}.

Soru 8zor

Sodium azide decomposes: 2NaN3(s)→2Na(s)+3N2(g)\mathrm{2NaN_3(s) \rightarrow 2Na(s) + 3N_2(g)}. What mass of NaN3\mathrm{NaN_3} is needed to produce 60.0 L of N2\mathrm{N_2} at 1.00 atm and 25 °C?

Cevabı göster
106 g

nN2=PVRT=1.00×60.00.08206×298.15=2.452n_{\mathrm{N_2}} = \tfrac{PV}{RT} = \tfrac{1.00 \times 60.0}{0.08206 \times 298.15} = 2.452 mol.nNaN3=2.452×23=1.635n_{\mathrm{NaN_3}} = 2.452 \times \tfrac{2}{3} = 1.635 mol. ×65.01\times 65.01 g/mol = 106 g.

Soru 9orta

For a fixed amount of ideal gas, which change doubles the volume?

  1. Doubling P at constant T
  2. Raising T from 20 °C to 40 °C at constant P
  3. Raising T from 200 K to 400 K at constant P
  4. Halving T (in K) and halving P
Cevabı göster
Raising T from 200 K to 400 K at constant P

V∝T/PV \propto T/P. 200 K → 400 K mutlak sıcaklığı ikiye katlar. 20 °C → 40 °C, 293 K → 313 K demek, sadece %7 artış. P'yi ikiye katlamak hacmi yarıya indirir. T ve P'yi birlikte yarıya indirmek hacmi değiştirmez.

Soru 10kolay

A tire is filled to 2.20 atm at 15 °C. After driving, the air inside reaches 45 °C. Assuming constant volume, what is the pressure?

Cevabı göster
2.43 atm

Gay-Lussac: P1T1=P2T2\tfrac{P_1}{T_1} = \tfrac{P_2}{T_2}. P2=2.20×318.15288.15=2.43P_2 = 2.20 \times \tfrac{318.15}{288.15} = 2.43 atm.

Soru 11kolay

A sealed rigid container of gas is at 1.00 atm and 300 K. To what temperature must it be heated for the pressure to reach 3.00 atm?

Cevabı göster
900 K

Sabit V ve n'de P∝TP \propto T. Basınç 3 katı → T 3 katı: 300×3=900300 \times 3 = 900 K (627 °C).

Doğrulama: Bütün sayısal cevaplar node ile hesaplandı (verify/CHE1001/04.mjs, 'gazlar' bölümü). R = 0.08206 L·atm/(mol·K), 1 atm = 760 mmHg = 101.325 kPa, T(K) = t(°C) + 273.15.

Deftere not kartı

1 atm = 760 mmHg = 760 torr = 101.325 kPa = 1.01325 bar T(K) = t(°C) + 273.15 gaz hesaplarında HEP kelvin Boyle (T,n sabit): P1V1 = P2V2 Charles (P,n sabit): V1/T1 = V2/T2 Gay-Lussac (V,n sabit): P1/T1 = P2/T2 Avogadro (T,P sabit): V1/n1 = V2/n2 Birleşik: P1V1/T1 = P2V2/T2 PV = nRT R = 0.08206 L·atm/(mol·K) = 8.314 J/(mol·K) R'yi seçince birimleri uydur: L, atm, mol, K Molar hacim: 0 °C, 1 atm → 22.4 L/mol; 0 °C, 1 bar (Petrucci STP) → 22.7 L/mol Aynı T,P'de gazlar arasında katsayı = HACİM oranı Gaz stoikiometrisi: PV=nRT → mol → katsayı → g (ya da tersi)