MÜHENDİSLİK KİMYASI DERS NOTLARI N · 2006-12-15 · GAZLAR Gazlar sonsuz derecede...

1

MÜHENDİSLİK KİMYASIDERS NOTLARI

Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN

GAZLAR

Gazlar sonsuz derecede genleşebilirBulunduğu kabı tamamen doldurur.Difüzlenebilir ve hızlıca karışabilirlerBirçok serbest boşluk vardır

Asal gazlar He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn

İki atomlu gazlar

H2, N2 , O2 , F2 , Cl2238Cl2

85F2

90O2

77N2

211Rn165Xe120Kr87Ar27Ne4.4He20H2

KN (Kelvin)Gaz

Doğada 11 gaz bulunur Gazlar

Gaz Basıncı

Sıvı Basıncı

P (Pa) = Yüzey (m2)Kuvvet (N)

P = g ·h ·d

Basınç, birim alana düşen kuvvettir.

Paskal, Pa; kilopaskal, kPa

Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyonkarahisar Kocatepe Üniversitesi 2006


2

Deniz seviyesinde havanın bileşimi

Atmosferik basınçdeniz seviyesinden yükseldikçe azalır.Örneğin Everest’in tepesinde atmosferik basınç265 mmHg’dır.

Otomobillerin havayastıklarısodyum azidin bozunması(dekompozisyonu) ile üretilen N2 gazıyla şişer.

CaCO3 gibi karbonat içerek kireçtaşları, seyreltik HCI gibi bir asitle reaksiyona girdiğinde karbondioksit kabarcıkları üretilir.



3

Yeryüzünün Atmosferi Hava Kirliliği

Hava kirliliği endüstrileşmiş toplumlarımızda son iki yüzyılda ortaya çıkan istenmeyen bir olaydır. Hava kirliliğinin birçok nedenleri vardır ; Yanmamış hidrokarbon molekülleri,Azot oksit üretimi (NO), eski endüstriyel fabrikaların petrol ürünlerinin yakmasıyla ortaya çıkan baca gazları vb…

O3 ozon oldukça reaktif bir maddedir ve havadaki yanmamış hidrokarbonlarla birleşir, bunu sonucu petrokimyasal sanayi sisi denilen kahverengi bulut meydana gelir.

hv ultraviyole ışınlar

Asit Yağmurları

Asit yağmurları, ikinci büyük çevre sorunu olup, enerji santrallerinde kükürt içeren kömürün yanması sonucu SO2gazlarının üretiminden meydana gelir.

Asit yağmurlarının en üzücü sonuçları ;Asidik göllerde balık neslinin tükenmesiOrmanların zarar görmesiMermer kaplı binaların dış cephelerinin bozulması

Sera Etkisi

Dünya atmosferi çeşitli gazlardan oluşur. Ayrıca küçük miktarlarda bazı asal gazlar bulunmaktadır. Güneşten gelen ışınlar (ısı ışınları/kısa dalgalı ışınlar), atmosferi geçerek yeryüzünü ısıtır.

Atmosferdeki gazlar yeryüzündeki ısının bir kısmını tutar ve yeryüzünün ısı kaybına engel olurlar. (CO2, havada en çok ısı tutma özelliği olan gazdır.)

Böylece nehirlerin ve okyanusların donması engellenmişolur. Bu şekilde oluşan, atmosferin ısıtma ve yalıtma etkisine sera etkisi denir. Dünya atmosferi cam seralara benzer bir özellik gösterir.



4

Son yıllarda atmosferdeki CO2 miktarı hava kirlenmesine bağlı olarak hızla artmaktadır. Metan, ozon ve kloroflorokarbon (CFC) gibi sera gazları çeşitli insan aktiviteleri ile atmosfere katılmaktadır. Bu gazların tamamının ısı tutma özelliği vardır.CO2 ve ısıyı tutan diğer gazların miktarındaki artış, atmosferin ısısının yükselmesine sebep olmaktadır. Bu da küresel ısınma olarak ifade edilir.

Bu durumun, buzulların erimesi ve okyanusların yükselmesi gibi ciddi sonuçlar doğuracak iklim değişmelerine yol açmasından endişe edilmektedir.

Ozon tabakası güneçten gelen ultraviyole ışınlarıabsorbe eder. Ozon yoğunluğunun ultraviyole ışınlarınıtutma görevini yapamayacak kadar azalması, "ozon tabakasının delinmesi" olarak adlandırılmaktadır. Ozon tabakasının incelmesi sonucunda; UV-b radyasyonu artmakta ve insanların bağışıklık sistemleri zarar görmekte, görme bozukluğuna ve deri kanserine yol açmaktadır.

Barometrik BasınçStandart Atmosferik (Barometrik) Basınç

1.00 atm =760 mmHg, 760 torr

101.325 kPa

1.01325 bar

1013.25 mbar

Atmosferik (Barometrik)

Basınç)

ρ Hg = 13.5951 g/cm3 (0°C)

g = 9.80665 m/s2

Evangelista Torricelli, 1643

Bir gaz soğutulursa hacmi azalır, yoğunluğu artar



5

Gazların Özellikleri

V= Gazın hacmi (L)T= Sıcaklık (K)n= miktar (mol)P= Basınç (atm)

Manometreler

Gaz BasıncıBarometrikBasınca Eşittir

Gaz BasıncıBarometrikBasınçtan Büyüktür

Gaz BasıncıBarometrikBasınçtan Küçüktür

Açık uçlu manometre ile gaz basıncının ölçülmesi

Boyle Kanunu

Boyle 1662 P α1V PV = Sabit

Basınç

Hacim

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

Örnek

Gazlarda Basınç-Hacim İlişkisi – Boyle Kanunu.

P1V1 = P2V2 V2 = P1V1

P2= 694 L

Vtank = 644 L

BaşlangıçKoşulları21.5 atm

Son Durum 1.55 atm

21,5.501,55

=



6

Charles KanunuSabit basınçtaki, belirli miktar bir gazın hacmi sıcaklıkla doğru orantılıdır.

Charles 1787 Gay-Lussac 1802Fransız bilim adamı JacquesCharles 1787 nin başlarında ve daha sonra Fransız bilim adamı J. L. Gay-Lussac1808 de Sabit basınçta gaz örneği hacminin sıcaklıkla nasıl değişiğini gösterdi.

V α T V = b T

Charles Kanunu

Sıcaklık (oC)

Hac

im (m

L)

Hac

im (m

L)

Sıcaklık (K)

Mutlak Sıcaklık eşeli veya Kelvin eşeli: - 273.15oC veya 0 K,

T(K)= t(oC)+ 273.15

Standart(Normal) Basınç ve Sıcaklık

Gazların özellikleri şartlara bağlıdır.

Normal Koşullar tanımı:

P = 1 atm = 760 mm Hg

T = 0°C = 273.15 K

Avogadro Kanunu

Gay-Lussac 1808Küçük hacimdeki gazlar küçük oranlarda reaksiyona girerler.

Avogadro 1811Eşit hacimdeki gazlar eşit sayıda moleküllere sahiptir.Gaz molekülleri reaksiyona girdiği zaman bozunurlar.



7

Suyun oluşumu Avogadro Kanunu

V α n veya V = c n

Normal Koşullarda

1 mol gaz = 22.4 L gaz

Sabit basınç ve sıcaklıkta:

Avogadro Kanunu

V = n·sabit

V/n = sabitT= 273.15 K ve P = 1 atm sabit = 22.41 Litre/mol

İdeal Gaz Eşitliği

Boyle Kanunu V α 1/PCharles Kanunu V α TAvogadro Kanunu V α n

PV = nRT

V αnTP



8

Örnek

Bir gazın hacmi 20 °C’de 740 mmHg basınç altında 10 L olsun. Aynı sıcaklıkta ve 2 atm de gazın hacmi nedir ?

0 °C ve 5 atm deki bir gaz örneği 75 ml yer kaplıyor. Bu gaz 0 °C ‘de 30 ml’ye sıkıştırılırsa son basınç ne olur ?

Bir gaz 27 °C ve 1 atm de 600 ml gelmektedir. Bu gazın 0 °C ve 760 mmHg ‘daki hacmi nedir ?

20 °C 760 mmHg basınçta 400 ml hacmindeki bir gazın 100 °C ve 300 mmHg daki hacmi nedir ?

35 °C ve 1.15 atm deki bir gaz örneğinin hacmi 462 ml’dir. Gazın standart hallerdeki hacmini hesaplayınız. 0 °C ,1 atm

Gaz Sabiti

R = PVnT

= 0.082057 L atm mol-1 K-1

= 8.3145 m3 Pa mol-1 K-1

PV = nRT

= 8.3145 J mol-1 K-1

= 8.3145 m3 Pa mol-1 K-1

Genel Gaz Eşitliği

R = = P2V2n2T2

P1V1n1T1

=PsVs

nsTs

PiVi

niTiBu denklem genellikle bir veya iki gaz özelliği sabit olduğu koşullarda uygulanılır ve denklem bu sabitler yok edilerek basitleştirilir.

İdeal Gaz Eşitliğinin Uygulaması

Mol veya Kütle olarak gaz miktarıveriliyormu veya soruluyormu

Genel Gaz Denklemini birleşik gaz denklemine indirgeyerek kullanınız.

PiVi PsVs

Ti Ts

Vi=Vs

Pi Ps

Ti Ts

Hayır

EvetEğer Gaz külesi sabitse İdeal Gaz Denklemini Kullanınız PV=nRT

Eğer Gazın kütlesi değişiyorsa

Genel Gaz denklemini kullanınız

PiVi PsVs

niTi nsTs

Boyle Kanunu

PiVi = PsVs

Ti=Ts

Vi Vs

Ti Ts

Pi = Ps

=

=

==



9

Mol Kütlesi Hesaplanması

PV = nRT ve n = mM

PV = mM RT

M = mPVRT

m( verilen miktar)

M(Mol Kütlesi)

Mol Kütlesinin Ideal Gaz Eşitliği ile Bulunması

Polipropilen endüstri için önemli bir kimyasaldır. Organik sentezlerde ve plastik üretiminde kullanılır. Cam bir kabın ağırlığı boş, temiz ve havasız iken 40.1305 g, su ile doldurulduğu zaman 138.2410 g (25°C deki δ=0.9970 g/cm3) ve polipropilen gazı ile doldurulduğu zaman 740.3 mm Hg basınçve 24.0°C de 40.2959 g gelmektedir. Polipropilenin mol kütlesi nedir.

Strateji:

Vkab bulun, mgaz bulun, Gaz denklemini kullanın

Örnek

Vkab: Vkab = mH2O x dH2O = (138.2410 g – 40.1305 g) x (0.9970 g cm-3)

mgaz: mgaz = mdolu - mboş= (40.2959 g – 40.1305 g) = 0.1654 g

= 98.41 cm3 = 0.09841 L

PV = nRT PV = mM RT M = m

PVRT

M = (0.9741 atm)(0.09841 L)

(0.1654 g)(0.08206 L atm mol-1 K-1)(297.2 K)

M = 42.08 g/mol

Gazların Yoğunlukları

PV = nRT ve d = mV

PV = mMA

RTPMA

RTVm = d =

, n = mMA

Katı ve sıvı yoğunlukları ile gaz yoğunluğu arasında önemli iki fark vardır.

1- Gaz yoğunlukları önemli ölçüde basınç ve sıcaklığa bağlıdır; basınç arttıkça artar ve sıcaklık arttıkça azalır. Sıvı ve katıların yoğunlukları da sıcaklığa bağlıolmakla birlikte basınca çok az bağlıdır

2- Bir gazın yoğunluğu onun mol kütlesi ile orantılıdır. Sıvı ve katıların yoğunlukları ile mol kütleleri arasında hiçbir ilişki yoktur.



10

Kimyasal Reaksiyonlarda Gazlar

Stokiyometrik faktörlerin gaz miktarlarıyla olan ilişkisi diğer girenler veya ürünlerinki ile aynıdır.Ideal gaz eşitliği gazların kütle, hacim, sıcaklık ve basınç hesaplamalarında kullanılır.Birleşik gaz kanunu diğer gaz kanunları

ile geliştirilebilir.

Birleşen Hacimler Kanunu

Tepken ve ürünlerin yada bunların bazılarının gaz olduğu tepkimelerde stokiyometrik hesaplamalar oldukça basittir.2 NO(g) + O2 (g) 2 NO2 (g)

2 mol NO(g) + 1 mol O2 (g) 2 mol NO2(g)

T ve P nin sabit olduğunu varsayınız, bu durumda bir molgaz belli 1V hacmini, 2 mol gaz 2V hacmini ve 3 mol gaz 3V hacmini kaplayacaktır

2 NO(g) + O2 (g) 2 NO2 (g)

2 L NO(g) + 1 L O2 (g) 2 L NO2(g)

Ideal gaz Eşitliğinin Reaksiyon stokiyometrisi hesaplamalarında kullanılması

Yüksek sıcaklıkta sodyum azid, NaN3, bozunarak azot gazıN2(g) oluşturur. Gerekli reaksiyon başlatıcı araçların kullanılması ve oluşan sodyum metalinin tutulmasıyla bu reaksiyon sistemleri hava yastıklarında kullanılır. 70.0 g NaN3 in bozunmasıyla 735 mm Hg basınç ve 26°C sıcaklıkta ne kadar hacimde N2(g), elde edilir.

2 NaN3(k) → 2 Na(s) + 3 N2(g)

Örnek

N2 nin molünü hesaplayın:

N2 :nin hacmini hesaplayın

nN2 = 70 g N3 x1 mol NaN3

65.01 g N3/mol N3

x 3 mol N2

2 mol NaN3

= 1.62 mol N2

= 41.1 L

PnRT

V = =(735 mm Hg)

(1.62 mol)(0.08206 L atm mol-1 K-1)(299 K)

760 mm Hg1.00 atm



11

Gazların Karışımı

Kısmi BasınçAynı kab içerisindeki bir gaz karışımındaki herbir gaz bileşeni kendi kısmi basıncınıuygular. Ptop= Pa + Pb + Pc.......

Gaz kanunları gaz karışımlarına uygulanabilir.Basit bir yaklaşımla ntoplam, fakat....

Dalton Kısmi Basınç Kanunu

Mol Kesri ve Kısmi Basınç

topNeHe

Ne

He

nnnnn

=+==

molu Nemolu He

NeHe

NeNe

NeHe

HeHe nn

nnn

n+

=+

= χχ

χ kesri, Mol

Kısmi Basınç

PHe = χHe Ptop PNe = χNe Ptop

Ptop = PHe + PNe



12

Kısmi Basınç

Ptop = Pa + Pb +…

Va = naRT/Ptop ve Vtop = Va + Vb+…

Va

Vtop

naRT/PtopntopRT/Ptop

= =na

ntop

Pa

Ptop

naRT/VtopntopRT/Vtop

= =na

ntop

na

ntop

= χa (Mol Kesiri)

Hatırlayın

Örnek

100 gram He ve 200 gram Ne oda sıcaklığında 20 L’lik bir silindire konuyor. Herbir gazın kısmi basıncı ve toplam basınç kaçtır ?

Cevap: He molü = 100 g/(4 g/mol) = 25 molNe molü = 200g /(20 g/mol) = 10 molToplam mol = 35

Ptop = (nRT)/V = (35)(0.0821)(298)/(20)Ptop = 42.8 atm

χHe = 25/(25+10) = 0.714 χNe = 10/(25+10) = 0.286

PHe = χHe Ptotal = (0.714)(42.8 atm) = 30.6 atmPNe = χNe Ptotal = (0.286)(42.8 atm) = 12.3 atm

Gazların Su üzerinde toplanması

Ptop = Pgaz + PH2O

Kinetik MolekülerTeori

Gaz partikülleri noktasal kütleli, sabit, rastgele ve doğrusal hareket yaparlar.

Gaz partikülleri birbirlerinden çok uzak

mesafededirler.

Tüm çarpışmalar hızlı ve elastiktir.

Gaz partikülleri arasında herhangi bir

kuvvet yoktur.

Toplam enerji sabit kalır.



13

Basıncın Bağlı Olduğu Kuvvetler

Öteleme kinetik Enerjisi,

Moleküllerin çarpışma frekansı,

Vurgu veya momentum transferi,

Basınç, momentum transferi ile çarpışma frekansının çarpımına eşittir.

2k mu

21e =

VNu=v

mu=I

2muVNP ∝

Basınç ve Moleküler Hız

2umVN

31P =

ueo en olası hız

uor basit ortalama hız

Hız karelerinin ortalamasının karekökü

M3RT2 =u

Basınç

M3RT

uM3RT

umRT3

um31PV

2

2

2A

2A

=

=

=

=

u

N

NBir mol için:

PV=RT :

NAm = M:

Düzenlenmiş hali

Moleküler hızların dağılımı

M3RT2 =u



14

Helyumun 25 °C’deki ortalama kinetik hızınıhesaplayınız. He :4

M3RT2 =u

Azot gazının 0.876 katı kadar bir hızla difüzlenen X gazının molekül ağırlığı nedir ?

876.01

282

2 === x

N

x

x

N MMM

vv

VN2 . 0.876 = Vx

Mx=36.6 g/mol

Ortalama Kinetik Hızlar Moleküler Hızın Tayini

Fırın

Döner sensörler

Tahliye kabı

Dedektör

Kollimatör

Mol

ekül

say

ısı

Hız



15

Sıcaklık

(T)R23e

e32RT

)um21(

32um

31PV

Ak

k

22A

N

N

NN

A

A

=

=

==Düzenleme:

PV=RT :

ek :

Ortalama kinetik enerji sıcaklık ile doğru orantılıdır!

Kinetik Molekül Teorisine Bağlı Gaz Özellikleri

Yayılma( Difüzyon)Rastgele molekül hareketi sonucu moleküllerin göçetmesidir.

Dışa Yayılma(Efüzyon) Gaz moleküllerinin bulundukları kaptaki küçük bir delikten kaçmasıdır.

Bariyeri kaldır

Gaz karışmaya başlar

Gazlar karışır

Deliği aç

Graham Kanunu

Yalnızca düşük basınçtaki gazlar içindir.Küçük bir deliktenDifüzyona uygulanmaz.

A

BA

Brms

Arms

MM

3RT/MB3RT/M

)(u)(u

===B

A

vv

Oran:Efüzyon hızıMoleküler hızlarEfüzyon zamanı

Moleküllerin aldığı yoluEfüzyon olmuş gaz miktarları.

İki farklı gazın dışa yayılma hızları mol kütlelerinin karekökü ile ters orantılıdır

Gerçek Gazlar

Sıkıştırılabilirlik faktörü z : PV/nRT = 1Gerçek gazlardan sapma.

PV/nRT > 1 – Moleküler hacim büyük ise.PV/nRT < 1 – moleküller arası etkileşim kuvveti.



16

Gerçek Gazlar

Real versus Ideal Gases

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Pressure, atm

Vob

s/V

idea

l

idealH2O2N2CH4CO2SO2Cl2H2O

van der Waals Denklemi

P + n2a V2 V – nb = nRT

Moleküler hacim düzeltme faktörü

Moleküler çekim düzeltme faktörü

2

2

Van

nbVnRTP −−

=

( ) nRTnbVV

anP =−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+ 2

2

Gerçek Gaz vdw sabitleri Örnek

35 °C ‘de 4.08 L ‘lik bir tanktaki 0.325 molhidrojen gazının basıncını atm olarak hesaplayınız ?

PV = nRT

P = 0.325 x 0.082 x (273+35)/4.08

P= 2.011 atm



17

Örnek

27 °C ve 3.5 atm deki 10 litrelik bir tankta bulunan klor gazının kütlesini hesaplayınız.

3.5 x 10 = (m/71)x0.082x300

m = 101.02 g

Soru ??

27.0 °C de 900.0 ml hacim kaplayan gazın 132.0 °C deki hacmi nedir?

60.0 ml’lik bir gaz 33.0 °C’den 5.00 °C’ye soğutulursa hacim değişimi ne olur?

17.0 °C’de 300.0 ml olan bir gazın 10.0 °C’deki hacmi nedir ?

Örnek

Hidrojen ve oksijen gazlarının difüzyon hızları oranını hesaplayınız ?

SO2 ve CI2 gazlarının difüzyon oranınıhesaplayınız.

05,16471

2

2

2

2 ===SO

CI

CI

SO

MM

vv



18

Örnek

25 °C’de 1 mol Argon gazı 1 L’lik kaba konuyor. Kaptaki gazın basıncını ideal gaz ve vdwdenklemlerini kullanarak hesaplayınız.

P + n2a V2 V – nb = nRT

PV = nRT Px1 = 1x0.082x298 P = 24.44 atm

P + 121.3512 1 – 1x0.032 = 1x.0.082x298 P = 23.89 atm



MÜHENDİSLİK KİMYASI DERS NOTLARI N · 2006-12-15 · GAZLAR Gazlar sonsuz derecede...

Documents

Transcript of MÜHENDİSLİK KİMYASI DERS NOTLARI N · 2006-12-15 · GAZLAR Gazlar sonsuz derecede...