Kritik sıcaklık ve basınç, katıların özellikleri, ısıtma eğrileri ve faz diyagramları
Gazların sıvılaştırılması ve süperkritik akışkanlar; erime, donma ve süblimleşme entalpileri, çok adımlı ısıtma eğrisi hesapları, katı türleri; su ve CO2 faz diyagramlarını okuma.
Geçen hafta sıvı ile buhar arasındaki dengeyi gördük. Bu hafta resmi tamamlıyoruz: katı faz, üç faz arasındaki bütün geçişler ve hepsini tek bir grafikte gösteren faz diyagramı. Hesap sorularının çoğu ısıtma eğrisi üzerine: bir maddeyi bir halden başka bir hale getirmek için toplam ne kadar ısı gerektiği. Kavramsal soruların çoğu faz diyagramı okumak üzerine.
Altın kurallar:
- Eğimli kısımda , düz kısımda . İkisini aynı adımda kullanma.
- Her adımda doğru öz ısıyı kullan: buz, su ve buharın öz ısıları farklı.
- Kritik sıcaklığın üstünde sıvı yoktur.
- Faz diyagramında bir noktanın fazı, bulunduğu bölgedir; çizgiler denge koşullarıdır.
Kritik sıcaklık, kritik basınç ve gazların sıvılaştırılması
Kapalı bir kapta sıvı ve buharı ısıtırsan iki şey olur: sıvı genleşip yoğunluğu azalır, buharın basıncı ve yoğunluğu artar. Belli bir sıcaklıkta iki fazın yoğunlukları eşitlenir ve aradaki yüzey (menisküs) kaybolur. Bu nokta kritik noktadır (critical point):
- Kritik sıcaklık (): bu sıcaklığın üstünde gaz, ne kadar sıkıştırılırsa sıkıştırılsın sıvılaştırılamaz.
- Kritik basınç (): kritik sıcaklıkta gazı sıvılaştırmak için gereken basınç.
Kritik noktanın ötesindeki madde süperkritik akışkandır (supercritical fluid): yoğunluğu sıvıya yakın, akışkanlığı gaza yakın.
| Madde | (°C) | (atm) | Oda sıcaklığında basınçla sıvılaşır mı? |
|---|---|---|---|
| 374 | 218 | evet (zaten sıvı) | |
| 132 | 111 | evet | |
| 31.0 | 72.8 | evet (31 °C’nin altında) | |
| −119 | 49.8 | hayır, önce soğutulmalı | |
| −147 | 33.5 | hayır |
Gazların sıvılaştırılması (liquefaction): gazı önce ‘nin altına soğutmak, sonra sıkıştırmak gerekir. , moleküller arası kuvvetlerin bir ölçüsüdür: güçlü IMF’li maddelerin (su, amonyak) ‘si yüksektir. Mutfaktaki tüp gaz (propan, = 97 °C) oda sıcaklığında basınçla sıvı tutulabilir; oksijen tüpü ise sıvı değil, sıkıştırılmış gaz içerir.
Katıların bazı özellikleri
Erime, donma ve süblimleşme
- Erime (melting, fusion): katı → sıvı. Gereken ısı erime entalpisi . Su için 6.01 kJ/mol.
- Donma (freezing): sıvı → katı, .
- Süblimleşme (sublimation): katı → gaz, sıvıya uğramadan. Kuru buz, iyot, naftalin.
- Çökelme / depozisyon (deposition): gaz → katı (kırağı).
Hess yasasıyla, aynı sıcaklıkta:
Genelde , ‘tan çok büyüktür. Erimede moleküller hâlâ temas halindedir, sadece düzen bozulur; buharlaşmada ise birbirinden tamamen ayrılırlar.
Katı türleri
| Tür | Taneciklerin arasındaki kuvvet | Özellikler | Örnek |
|---|---|---|---|
| İyonik (ionic) | iyonik bağ | sert, kırılgan, yüksek erime; katıyken iletmez, erimiş ya da sulu halde iletir | NaCl, MgO |
| Moleküler (molecular) | London, dipol-dipol, H bağı | yumuşak, düşük erime, iletmez | buz, , şeker, kuru buz |
| Ağ kovalent (network covalent) | kovalent bağ ağı | çok sert, çok yüksek erime, genelde iletmez | elmas, kuvars , SiC |
| Metalik (metallic) | metalik bağ (elektron denizi) | iletken, dövülebilir, parlak, erime geniş aralıkta | Cu, Fe, Na |
Grafit ağ kovalent olmasına rağmen iletkendir: katmanlar arasında hareketli π elektronları vardır.
Isıtma eğrisi
Sabit hızda ısıtılan bir buz parçasının sıcaklık-zaman grafiği beş bölümlüdür:
T(°C) _____ (5) buhar ısınır
100 | _______________/
| / (4) kaynama: T sabit, q = n·ΔHvap
| / (3) su ısınır: q = m·c(su)·ΔT
0 | ___________/
| / (2) erime: T sabit, q = n·ΔHfus
-20 |__/ (1) buz ısınır: q = m·c(buz)·ΔT
+---------------------------------------------- verilen ısı
Düz kısımların uzunluğu faz değişiminin ısısıyla orantılıdır: kaynama platosu erime platosundan yaklaşık 7 kat uzundur.
Örnek 1. 36.0 g buzu −20.0 °C’den 110.0 °C’de buhara çevirmek için ( mol):
(1) buz −20 → 0: 36.0 × 2.09 × 20.0 = 1.51 kJ
(2) erime: 1.998 × 6.01 = 12.01 kJ
(3) su 0 → 100: 36.0 × 4.184 × 100 = 15.06 kJ
(4) kaynama: 1.998 × 40.7 = 81.33 kJ
(5) buhar 100 → 110: 36.0 × 2.01 × 10.0 = 0.72 kJ
toplam = 110.6 kJ ≈ 111 kJ
TUZAK · birim karışıklığı. J verir, kJ verir. Toplamadan önce hepsini aynı birime çevir.
Buz-su karışım problemleri
Buz sıcak suya atıldığında önce şunu sor: sıcak suyun 0 °C’ye kadar verebileceği ısı, buzun hepsini eritmeye yeter mi?
Örnek 2. 100.0 g su 30.0 °C’den 0 °C’ye soğurken J verir. Bu ısı g buzu eritebilir. Sisteme 50 g buz atılırsa buzun tamamı erimez: son sıcaklık 0 °C olur ve yaklaşık 12 g buz kalır. 20 g buz atılırsa hepsi erir ve son sıcaklık 0 °C’nin üstünde olur; o zaman denklemini erime terimiyle birlikte çözersin.
Faz diyagramları
Faz diyagramı (phase diagram), bir maddenin hangi sıcaklık ve basınçta hangi fazda kararlı olduğunu gösteren - grafiğidir.
- Bölgeler: katı (sol üst), sıvı (orta üst), gaz (alt ve sağ).
- Çizgiler: iki fazın dengede olduğu koşullar. Sıvı-gaz çizgisi buhar basıncı eğrisidir; katı-gaz çizgisi süblimleşme eğrisi, katı-sıvı çizgisi erime eğrisi.
- Üçlü nokta (triple point): üç fazın aynı anda dengede olduğu tek nokta.
- Kritik nokta: sıvı-gaz çizgisinin bittiği nokta.
Diyagramı okurken: 1 atm’de yatay bir çizgi çiz. Katı-sıvı çizgisini kestiği yer normal erime noktası, sıvı-gaz çizgisini kestiği yer normal kaynama noktasıdır.
Su
- Üçlü nokta: 0.01 °C, 4.58 mmHg (0.00603 atm).
- Kritik nokta: 374 °C, 218 atm.
- Katı-sıvı çizgisi sola yatık (negatif eğim). Buz sudan az yoğun olduğu için basınç artınca erime noktası düşer. Bu, maddeler arasında nadir bir durumdur.
- 4.58 mmHg’nin altında sıvı su yoktur: buz doğrudan süblimleşir (dondurarak kurutma, freeze-drying).
Karbondioksit
- Üçlü nokta: −56.6 °C, 5.11 atm.
- Kritik nokta: 31.0 °C, 72.8 atm.
- Katı-sıvı çizgisi sağa yatık (normal davranış: katı, sıvıdan yoğun).
- 1 atm üçlü nokta basıncından düşük olduğu için 1 atm’de sıvı yoktur; kuru buz −78.5 °C’de süblimleşir.
İPUCU · üçlü nokta basıncı. Bir maddenin 1 atm’de erimesi mi süblimleşmesi mi sorusunun cevabı üçlü nokta basıncındadır. Üçlü nokta 1 atm’nin altındaysa (su, çoğu madde) erir; üstündeyse () süblimleşir.
Sık yapılan hatalar
| Yanlış düşünce | Doğrusu |
|---|---|
| Yeterli basınçla her gaz sıvılaşır | Sadece ise |
| Erime ve kaynamada T artmaya devam eder | Platolarda T sabit, |
| Isıtma eğrisinde hep | Buz 2.09, su 4.184, buhar 2.01 |
| J ile kJ’yi doğrudan topla | Önce birimi eşitle |
| Buz suya atıldı, hepsi erir | Önce yeterli ısı var mı kontrol et |
| Suyun katı-sıvı çizgisi pozitif eğimli | Negatif; buz daha az yoğun |
| Kuru buz 1 atm’de erir | Süblimleşir; üçlü nokta 5.11 atm |
| Üçlü nokta 0 °C, 1 atm | 0.01 °C, 4.58 mmHg |
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
The critical temperature of CO₂ is 31.0 °C. Which statement is correct?
- CO2 can be liquefied at 40 °C if the pressure is high enough
- CO2 cannot be liquefied at 40 °C, no matter how high the pressure
- CO2 is always liquid below 31.0 °C
- Above 31.0 °C CO2 is a solid
Cevabı göster
Kritik sıcaklığın üstünde moleküllerin kinetik enerjisi o kadar büyüktür ki hiçbir basınç onları sıvı halde tutamaz. Madde süperkritik akışkandır. 31.0 °C'nin altında ise yeterli basınçla sıvılaştırılabilir (ama kendiliğinden sıvı olmaz).
Why does dry ice (solid CO₂) sublime rather than melt at 1 atm?
- Its melting point is above its boiling point
- The pressure of its triple point (5.11 atm) is above 1 atm
- CO2 has no liquid phase
- Its critical temperature is below room temperature
Cevabı göster
Sıvı faz sadece üçlü nokta basıncının üstünde kararlıdır. 1 atm < 5.11 atm olduğu için 1 atm'de katıdan doğrudan gaza geçilir (−78.5 °C'de). Basınç 5.11 atm'nin üstüne çıkarılırsa sıvı elde edilir.
How much heat is needed to melt 25.0 g of ice at 0 °C? (ΔHfus = 6.01 kJ/mol)
Cevabı göster
mol. kJ. Sıcaklık 0 °C'de sabit kalır.
How much heat is required to convert 50.0 g of ice at −10.0 °C into steam at 120.0 °C? (c(ice) = 2.09, c(water) = 4.184, c(steam) = 2.01 J/(g·°C); ΔHfus = 6.01 kJ/mol; ΔHvap = 40.7 kJ/mol)
Cevabı göster
Beş adım:
(1) buz −10 → 0 °C: kJ
(2) erime: kJ
(3) su 0 → 100 °C: kJ
(4) buharlaşma: kJ
(5) buhar 100 → 120 °C: kJ
Toplam 153.6 kJ ≈ 154 kJ. En büyük pay buharlaşmanın.
20.0 g of ice at 0.0 °C is added to 200.0 g of water at 25.0 °C in an insulated cup. What is the final temperature once all the ice has melted? (ΔHfus = 6.01 kJ/mol)
Cevabı göster
Buzun erimesi: J. Suyun 0 °C'ye kadar verebileceği 20 920 J bundan büyük, demek ki buzun hepsi erir.
Enerji dengesi (eriyen buz 0 °C'den 'ye ısınır): °C.
The solid–liquid line in the phase diagram of water has a negative slope. What does this mean?
- Ice melts at a higher temperature under higher pressure
- Increasing the pressure on ice at constant temperature slightly below 0 °C can melt it
- Water has no triple point
- Ice is denser than liquid water
Cevabı göster
Eğim negatif: basınç artınca erime noktası düşer. Buz sıvı sudan daha az yoğun olduğu için basınç daha yoğun faza, sıvıya geçişi kolaylaştırır. Çoğu maddede eğim pozitiftir.
Water's vapor pressure at 50 °C is 92.5 mmHg (0.122 atm). In what phase is water at 50 °C and 0.0300 atm?
- solid
- liquid
- gas
- supercritical fluid
Cevabı göster
50 °C'de sıvı-buhar çizgisi 0.122 atm'de. 0.0300 atm bu çizginin altında: düşük basınç tarafı gaz bölgesidir. Basınç 0.122 atm'nin üstünde olsaydı sıvı olurdu.
Quartz (SiO₂) melts at about 1700 °C, is very hard and does not conduct electricity. What type of solid is it?
- molecular solid
- ionic solid
- network covalent solid
- metallic solid
Cevabı göster
'de ayrı molekül yoktur; her Si dört O'ya, her O iki Si'ye kovalent bağlıdır ve bağlar bütün kristal boyunca uzanır. Erimek için kovalent bağlar kırılmalı: çok yüksek erime noktası. Elmas ve SiC de böyledir.
Which substance has the highest melting point?
- Ar
- H2O
- NaCl
- SiC
Cevabı göster
Ar (London, −189 °C) < (H bağı, 0 °C) < NaCl (iyonik, 801 °C) < SiC (ağ kovalent, ~2700 °C). Ağ kovalent katılar genellikle en yüksek erime noktasına sahiptir.
Given ΔHfus = 6.01 kJ/mol and ΔHvap = 45.1 kJ/mol for water at 0 °C, what is ΔHsub of ice at 0 °C?
Cevabı göster
Süblimleşme = erime + buharlaşma (Hess yasası, aynı sıcaklıkta): kJ/mol. 0 °C'de 100 °C'deki 40.7'den büyüktür.
What is a supercritical fluid?
- A liquid cooled below its freezing point
- A substance above its critical temperature and critical pressure, with properties between those of a gas and a liquid
- A gas at its triple point
- A solid that sublimes
Cevabı göster
Kritik noktanın ötesinde sıvı ile gaz arasındaki sınır (menisküs) kaybolur. Süperkritik sıvı gibi çözer, gaz gibi yayılır; kahvenin kafeininin ayrılmasında kullanılır.
What is q when 15.0 g of liquid water at 0 °C freezes to ice at 0 °C? (ΔHfus = 6.01 kJ/mol)
Cevabı göster
Donma erimenin tersi: kJ/mol. kJ. Sistem ısı verir; meyve bahçelerinde ağaçlara su püskürtmek bu ısıyla donmayı geciktirir.
Doğrulama: Bütün sayısal cevaplar node ile hesaplandı (verify/CHE1001/12.mjs). Su için c(buz) = 2.09, c(su) = 4.184, c(buhar) = 2.01 J/(g·°C); ΔHfus = 6.01 kJ/mol, ΔHvap = 40.7 kJ/mol (100 °C). Kritik ve üçlü nokta değerleri literatürden (CO2: Tc 31.0 °C, Pc 72.8 atm, üçlü nokta −56.6 °C ve 5.11 atm; su: üçlü nokta 0.01 °C ve 4.58 mmHg).