Gaz yoğunluğu, gaz karışımları, kinetik teori, efüzyon ve gerçek gazlar
d = PM/RT ile yoğunluk ve molar kütle, Dalton kısmi basınçlar yasası ve su üstünde gaz toplama, kinetik teori ve hızlar, Graham yasası, van der Waals denklemi ve termokimyaya giriş.
Geçen hafta gazları sadece ile tanıdık. Bu hafta bu denklemden üç pratik sonuç çıkarıyoruz (yoğunluk, molar kütle ve karışımlar), sonra denklemin neden çalıştığını açıklayan kinetik teoriye bakıyoruz. Haftayı ideal gazın ne zaman bozulduğu ve termokimyanın temel kavramlarıyla kapatıyoruz.
Altın kurallar:
- Yoğunluk ve molar kütle aynı denklemin iki yüzü: .
- Karışımda her gaz tek başınaymış gibi davranır. Kısmi basınçlar toplanır.
- Hız formülünde R = 8.314 ve M kg/mol. Bu tek tuzak sorunun yarısı.
- Ağır gaz yavaştır: hız ile orantılı.
Gaz yoğunluğu ve molar kütle
‘yi ideal gaz denklemine koy: . Yeniden düzenleyince:
Sonuçlar:
- Aynı T ve P’de gazların yoğunluğu molar kütleleriyle orantılıdır. (44) havadan (yaklaşık 29) ağırdır, yere çöker; He (4) yükselir.
- Isınan gazın yoğunluğu düşer (T paydada). Sıcak hava balonu bu yüzden uçar.
Örnek 1. 0 °C ve 1.00 atm’de yoğunluğu:
Örnek 2 (Dumas yöntemi). Uçucu bir sıvı 100.0 °C’de buharlaştırılıp 0.500 L’lik balonu 0.987 atm’de dolduruyor. Soğuyunca balondaki madde 1.012 g geliyor.
Ampirik formülle birleşince moleküler formülü verir: ampirik formül (31.03) ise , formül .
Gaz karışımları: Dalton yasası
Her gaz, kaptaki öteki gazları “görmeden” kendi basıncını uygular. Bir bileşenin tek başına uygulayacağı basınca kısmi basınç (partial pressure) denir. Dalton yasası:
Mol kesri (mole fraction): . Mol kesirleri toplamı 1’dir ve
Örnek 3. 10.0 L’lik kapta 27 °C’de 1.00 g ve 5.00 g var.
n(H2) = 1.00 / 2.016 = 0.4960 mol
n(N2) = 5.00 / 28.014 = 0.1785 mol n_top = 0.6745 mol
P(H2) = 0.4960 × 0.08206 × 300.15 / 10.0 = 1.22 atm
P(N2) = 0.1785 × 0.08206 × 300.15 / 10.0 = 0.440 atm
P_top = 1.66 atm x(H2) = 0.4960 / 0.6745 = 0.735
kontrol: 0.735 × 1.661 = 1.22 atm
Su üstünde gaz toplama
Laboratuvarda üretilen gaz genellikle ters çevrilmiş, suyla dolu bir kapta toplanır. Toplanan gaz suyun buharıyla doymuştur. Kap içi ve dışı seviyeler eşitlendiğinde toplam basınç atmosfer basıncına eşittir:
Suyun buhar basıncı sadece sıcaklığa bağlıdır (25 °C’de 23.8 mmHg) ve tablodan verilir.
Örnek 4. . 25 °C’de su üstünde 0.512 L gaz toplanıyor, toplam basınç 758 mmHg. Kaç gram bozunmuş?
P(O2) = 758 − 23.8 = 734.2 mmHg = 0.9661 atm
n(O2) = 0.9661 × 0.512 / (0.08206 × 298.15) = 0.02022 mol
n(KClO3) = 0.02022 × 2/3 = 0.01348 mol × 122.55 g/mol = 1.65 g
TUZAK · su buharını çıkarmamak. Toplam basıncı ‘nin basıncı sanarsan mol sayısını yaklaşık %3 fazla bulursun. Sınavda buhar basıncı verildiyse kullanılmak içindir.
Gazların kinetik molekül teorisi
Kinetik teori (kinetic molecular theory) gaz yasalarını şu varsayımlarla açıklar:
- Gaz sürekli, rastgele hareket eden çok sayıda molekülden oluşur.
- Moleküllerin kendi hacmi, kabın hacmi yanında ihmal edilir.
- Moleküller arasında çekim ya da itme yoktur; çarpışmalar esnektir (enerji kaybolmaz).
- Moleküllerin ortalama kinetik enerjisi sadece mutlak sıcaklıkla orantılıdır.
Bir mol gaz için ortalama öteleme kinetik enerjisi:
25 °C’de bu J/mol eder, gaz hangisi olursa olsun.
Basıncın kaynağı moleküllerin duvara çarpmasıdır. Isıtınca moleküller hızlanır, daha sık ve daha sert çarpar: sabit hacimde basınç artar (Gay-Lussac). Hacmi küçültünce aynı moleküller daha sık çarpar (Boyle).
Moleküler hızlar
Kinetik enerji olduğu için aynı sıcaklıkta hafif moleküller daha hızlıdır. Ortalama karesel hızın karekökü (root-mean-square speed):
Birim kontrolü: olduğu için kök içi m²/s² çıkar. M’yi g/mol koyarsan birimler tutmaz.
| Gaz (25 °C) | M (kg/mol) | |
|---|---|---|
| He | 0.004003 | 1363 m/s |
| 0.028014 | 515 m/s | |
| 0.031998 | 482 m/s |
Hızlar bir dağılım gösterir (Maxwell-Boltzmann dağılımı). Sıcaklık artınca eğri sağa kayar ve yayılır; ağır gazların eğrisi daha dar ve soldadır.
Difüzyon, efüzyon ve Graham yasası
- Difüzyon (diffusion): gazın başka bir gazın içine yayılması (koku odaya yayılır).
- Efüzyon (effusion): gazın çok küçük bir delikten boşluğa kaçması.
Graham yasası: aynı koşullarda iki gazın efüzyon hızlarının oranı molar kütlelerinin oranının kareköküyle ters orantılıdır:
Örnek 5. , ‘den kaç kat hızlı efüze olur?
Uranyum zenginleştirmede ve arasındaki oran sadece 1.004’tür; bu yüzden işlem binlerce kademe ister.
Gerçek gazlar (nonideal gases)
İdeal gaz varsayımları iki durumda bozulur:
- Yüksek basınç: moleküller birbirine yaklaşır, kendi hacimleri artık ihmal edilemez.
- Düşük sıcaklık: moleküller yavaşlar, aralarındaki çekim etkili olur (sıvılaşmaya yaklaşır).
Gaz en ideal davranışı yüksek sıcaklık ve düşük basınçta gösterir. Bunu ölçmenin yolu sıkıştırılabilirlik faktörü : ideal gazda .
van der Waals denklemi iki düzeltme ekler:
- : moleküllerin kendi hacmi (L/mol). Serbest hacim ‘ye iner, basınç artar.
- : moleküller arası çekim. Duvara çarpan molekül içerideki komşuları tarafından geri çekilir, basınç düşer.
değeri büyük olan gaz (polar ya da büyük molekül) daha çok sapar. için (, ) 1.00 mol, 1.00 L, 300 K’de: ideal 24.6 atm, van der Waals 24.2 atm. Fark küçük, çünkü azot küçük ve apolar.
Termokimyaya giriş
Gelecek haftanın konusu ısı ve enerji. Önce dil:
- Sistem (system): incelediğimiz kısım (tepkime karışımı). Çevre (surroundings): geri kalan her şey.
- Açık sistem: madde ve enerji alışverişi yapar (kapaksız fincan). Kapalı sistem: sadece enerji (kapalı şişe). Yalıtılmış sistem: hiçbiri (ideal termos).
- Enerji: iş yapabilme kapasitesi. Kinetik (hareket) ve potansiyel (konum, bağlar) olarak bulunur. SI birimi joule: .
- Eski birim kalori: (tam). Besin “Kalori”si aslında kcal’dir: 250 kcal = 1046 kJ.
- Isı (heat, ): sıcaklık farkı yüzünden aktarılan enerji. İş (work, ): kuvvetin bir yol boyunca aktardığı enerji.
Sık yapılan hatalar
| Yanlış düşünce | Doğrusu |
|---|---|
| Gaz yoğunluğu g/mL | g/L; sıvıdan ~1000 kat küçük |
| Karışımda kütlesi büyük gazın basıncı büyük | Molü büyük olanın; basınç mol sayısına bağlı |
| Mol kesri = kütle kesri | , mol ile |
| Su üstünde toplanan gazın basıncı = | Su buhar basıncını çıkar |
| ‘de M g/mol | kg/mol ve R = 8.314 J/(mol·K) |
| Ağır molekülün ortalama kinetik enerjisi büyük | Aynı T’de hepsinin ‘sı aynı |
| Graham’da | Ters: |
| Gerçek gaz yüksek basınçta ideale yaklaşır | Düşük basınç ve yüksek sıcaklıkta |
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
What is the density of gas at 1.00 atm and 25 °C?
Cevabı göster
g/L. Gaz yoğunluğu g/L ile verilir; sıvılardaki g/mL'den yaklaşık bin kat küçüktür.
A gas has a density of 2.86 g/L at 0.960 atm and 30 °C. What is its molar mass?
- 24.4 g/mol
- 58.1 g/mol
- 74.1 g/mol
- 6.73 g/mol
Cevabı göster
g/mol.
A 0.588 g sample of a gaseous hydrocarbon occupies 250.0 mL at 745 mmHg and 22.0 °C. What is its molar mass?
Cevabı göster
atm, L, K. mol. g/mol (bütan, olabilir).
2.00 g He and 8.00 g are placed in a 5.00 L flask at 25 °C. What is the total pressure?
Cevabı göster
mol, mol, toplam 0.7496 mol. atm.
Kısmi basınçlar: He 2.44 atm, 1.22 atm. Gram olarak az olan He'nin basıncı daha büyük, çünkü molü fazla.
What is the mole fraction of in the mixture of the previous question?
- 0.200
- 0.333
- 0.500
- 0.800
Cevabı göster
. Kütle kesri (8.00/10.00 = 0.800) ile karıştırma.
Hydrogen from the reaction of Zn with HCl is collected over water at 24.0 °C. The gas volume is 245 mL at a total pressure of 752 mmHg. The vapor pressure of water at 24.0 °C is 22.4 mmHg. How many moles of were collected?
Cevabı göster
Toplanan gaz + su buharı. mmHg = 0.9600 atm. mol.
What is the root-mean-square speed of molecules at 25 °C?
Cevabı göster
; J/(mol·K) ve kg/mol: 0.028014. m/s. M'yi g/mol koyarsan kat küçük bulursun.
At the same temperature, which gas has the highest average molecular speed?
- H2
- He
- N2
- CO2
Cevabı göster
. En hafif molekül en hızlıdır: (2.016 g/mol).
An unknown gas takes 2.35 times as long to effuse through a pinhole as the same amount of under identical conditions. What is the molar mass of the unknown gas?
Cevabı göster
Graham: ; süre hızın tersidir: . g/mol.
Samples of He and Xe are at the same temperature. Which statement is true?
- Xe atoms have greater average kinetic energy
- He atoms have greater average kinetic energy
- Both have the same average kinetic energy, but He atoms move faster
- Both have the same average speed
Cevabı göster
Ortalama kinetik enerji sadece sıcaklığa bağlı: (mol başına). Aynı enerjide hafif atom daha hızlıdır: sabitse küçük , büyük demek.
Using the van der Waals equation ( L²·atm/mol², L/mol), calculate the pressure of 1.00 mol in 0.500 L at 300 K.
Cevabı göster
atm.
İdeal gaz 49.2 atm verirdi. Bu yüksek yoğunlukta çekim kuvvetleri basıncı belirgin düşürüyor.
A chemical reaction runs in a sealed, perfectly insulated container. From the point of view of thermodynamics, this is:
- an open system
- a closed system
- an isolated system
- the surroundings
Cevabı göster
Kapalı kap madde alışverişini, mükemmel yalıtım enerji (ısı) alışverişini engeller. Ne madde ne enerji geçiyorsa yalıtılmış sistemdir (isolated system).
Doğrulama: Bütün sayısal cevaplar node ile hesaplandı (verify/CHE1001/05.mjs). R = 0.08206 L·atm/(mol·K) gaz hesaplarında, R = 8.314 J/(mol·K) ve M kg/mol cinsinden hız hesaplarında. van der Waals sabitleri CO2 için a = 3.640 L²·atm/mol², b = 0.04267 L/mol.