gaz
Büyüt
Bir gaz olan azotun -196 °C'de sıvı halden gaz haline geçişi. 

Gaz nedir?

Maddenin üç halinden biri. Bu haldeyken maddenin yoğunluğu çok az, akışkanlığı ise son derece fazladır. Gaz halindeki maddelerin belirli bir şekli ve hacmi yoktur. Katı bir madde ısıtıldığı zaman, katı halden sıvı, sıvı halden de gaz haline geçer. Bu duruma faz (safha) değişikliği denir. Sıvıyı meydana getiren tanecikler (atom veya moleküller) birbirlerini çeker. Sıvı ısıtıldığı zaman, tanecikler arasındaki çekim kuvveti yenilir ve tanecikler sıvı fazdan (ortamdan) ayrılarak gaz haline dönüşürler. Gazı meydana getiren tanecikler her yönde hareket edebilir ve bulundukları kabın halini alırlar. Mesela hava bir gaz karışımıdır ve azot, oksijen, çok az miktarda asal gazlar ve karbondioksitten meydana gelmiştirgaz

Gazlar birbiriyle her oranda karışabilir. Hacimleri, dolayısıyle yoğunlukları basınç ve sıcaklığa tabidir. Genellikle gazın basınç veya sıcaklığının az miktarda değişmesi, gazın hacminde çok büyük değişiklikler meydana getirir. Bütün gazların genişleme ve sıkışma katsayıları aynıdır. Fakat sıvı ve katıların böyle bir özelliği yoktur. Bu yüzdendir ki, gazlar, katı ve sıvılardan daha kolay incelenir. Hareket halindeki gaz moleküllerinin (taneciklerinin), bulunduğu kabın cidarına (duvarına) çarpması sonucu meydana gelen etkiye, gazın basıncı denir. Bir silindir içindeki gaz, piston ile sıkıştırılırsa pistonun geri itildiği, ilk haline döndürülmek istendiği görülür ki, bu yukarıdaki olayın sonucudur. Pistonu ittirmek için yapılan iş, gazın basıncına karşı yapılan iştir. izole halde yani çevreden yalıtılmış bir gaz, sıkıştırılınca ısınır. Sıkıştırılmış gaz genişletilirse soğur, yani yine bir iş yapar ve gaz moleküllerinin ortalama hızları düşer. Böylece basınç da azalmış olur. Tarihçesi

Gazlar hakkındaki mevcut bilgilerin ana kaynakları, hava üzerindeki ilmi çalışmalar, çeşitli gazların keşfi ve ısıyla ilgili araştırmalardır.

Toriçelli, hava ile deneyler yaptı ve atmosfer basıncını keşfetti. 1643’te ilk cıva barometresini yaptı. Pascal ise, yüksek yerlerdeki hava basıncının deniz seviyesindekinden daha düşük olduğunu gösterdi. Otto von Guericke de, birbiri ile birleştirilmiş ve içindeki havası boşaltılmış iki yarım kürenin birbirinden ayrılması ile ilgili deneyi yaptı. Bu deneyde yarım küreleri birbirinden ayırmak için sekizerden 16 tane

at kullanıldı.

Gaz Kanunları

Robert Boyle, sabit sıcaklıkta, belli kütledeki bir gazın basıncının hacmi ile ters orantılı olduğunu buldu. Boyle Kanunu denilen bu buluş, P.V=Sabit formülü ile ifadelendi (P= basınç, V= hacim).

A.C.Charles, kendi adıyla söylenen kanunu ortaya koydu. Buna göre, belirli miktarda ve sabit basınçta bir gazın hacmi, sıcaklığı ile doğru orantılıdır. Mesela bir (m) gram gaz 300°K’de 3 hacim kaplıyorsa, 100°K’de 1 hacim kaplar (°K: kelvin derecesi). Aynı kanun John Dalton ve Joseph Gay Lussac tarafından da bulunmuştur. Bunlar denemelerini sabit basınçta yaptılar ve hacmin sıcaklıkla değiştiğini gördüler. Sıcaklığın her derece santigrad değişmesinde hacmin değişmesinin 1/267 olduğunu buldular ki, bu? ile gösterilir. ?, bütün gazlar için aynı olup termik genişleme veya sıkışma katsayısıdır. Bu araştırmacıların buldukları? yaklaşık olup, doğrusunu Henri Regnault? = 1/273,16 olarak tespit etti. Sadi Carnot, Boyle ve Charles-Gay Lussac kanunlarını birleştirerek: P.V = nRT

denklemini elde etti (P = basınç, V = hacim, R= gaz sabiti, T= Kelvin derecesi cinsinden sıcaklık (273,16+t°C), n= mol sayısı). Bu formül ideal veya mükemmel gazlar için geçerlidir.

Farklı gazların mevcudiyeti 17. asırda anlaşıldı. Dalton, bir gazın toplam basıncının, gazı meydana getiren gazların kısmi basınçlarının toplamına eşit olduğunu buldu.

Gay-Lussac, aynı sıcaklık ve basınçta reaksiyona giren gazların hacimleri arasında sabit bir oranın var olduğunu buldu. Eğer ürün gaz ise, reaksiyona girenler ile ürünler arasında da hacim bakımından sabit bir oranın varlığını ifade etti.

Amedeo Avagadro; aynı basınç ve sıcaklıkta gazların eşit hacimlerinde eşit sayıda "mol bulunur" hipotezini ortaya attı (mol=molekül).

Gaz taneciklerinin her yöne hareket ettikleri ve bunun sonucu basıncın meydana geldiği ortaya konuldu. Sıcaklıkla hareketliliğin arttığı, dolayısıyla basıncın arttığı söylendi. 1850’de James Joule, ısıyla mekanik hareketler arasındaki münasebeti deneylerle gösterdi. Rudolf Clauscus, Joule’nin fikirlerini geliştirdi ve böylece kinetik teori genişlemiş oldu. Josef Lochmıdth, gaz moleküllerinin çapları ve Avogadro sayısı için değerler hesapladı. Clark Maxwell gaz moleküllerinin hız dağılımı üzerinde kanun koydu.

Thomas Andrews, mükemmel gaz kanununda sapmaları inceledi. Regnault, gazların spesifik (özgül) ısısını hesapladı. Van der Waals mükemmel gaz konusunda tadilatlar yaptı.

Yirminci yüzyılda gazların sanayide kullanılmasıyla gazların saflaştırılması, sıvılaştırılması ve analizi metodları çok geliştirildi.

Gazların Fiziksel Özellikleri

Mol gram veya kısaca mol, bir maddenin molekül ağırlığının gram ifadesine eşit olan miktarıdır. Mesela bir mol argon kütle olarak 40 gramdır ve kimyasal moleküler ağırlığı, sayı ifadesi olarak da 40’a eşittir. Gazlarda mol başına hacimden, enerjiden vs. bahsedilir.

Spesifik (özgül) miktarlar bakımından, bir gazın farklı fiziksel özellikleri arasındaki alaka oldukça basit ve bütün gazlar için aynıdır. Mesela bileşimi bilinen herhangi bir gaz için basınç ve sıcaklık gibi sadece iki değişkeni bilmek, o gazın halini tespit etmeye yeterlidir. Mükemmel veya ideal gaz kanunu, yaklaşık olarak bütün gazlara kullanılabilir. Bu kanun: P.V = R.T.......(1)

olup, p gazın basıncı; V gazın bir molünün kapladığı hacim; T Kelvin derecesi (273,16+t°C) cinsinden gazın mutlak sıcaklığı; r gaz sabitidir. R’nin sayı ile ifadesinin değeri P ve V için seçilen birime bağlıdır ve R, 273,16°K (0°C) için hesaplanır. Eğer, V = cm 3 , P = dyn/cm 2 ise, R = 8,31.10 7 erg/mol derece olur.

V = litre, P = atmosfer ise, R= 0,082 litre atm/mol derecedir. Bu formüle göre herhangi bir gazın, 1 molü, 293,16°K (20°C)da 24 litre hacim kaplar. (1) numaralı denklem (n) mol gaz için kullanılırsa: P.V = nRT (2)

olur. V = n mol gazın hacmidir.

Çok büyük olmayan basınçlarda ve çok düşük olmayan sıcaklıklarda ideal gaza en yakın olan gazlar, helyum, hidrojen, oksijen, azot ve karbonmonoksittir.

P.V = nRT formülüne uymayanlara gerçek gazlar denir. Bilhassa bu gazlar yüksek basınç ve düşük sıcaklıkta ideal gaz formülüne uymazlar. Bu uyumsuzluğu yok etmek için (2) numaralı denkleme, ideal gazlar için (bir) olan, gerçek gazlar için birden farklı olan sıkışma faktörü denilen Z ilave edilir ve formül:

P.V=ZnRT şeklini alır.

Gazların İyonlaşması

Gaz molekülleri veya atomları, nötr, yani elektrik yüklü olmayan taneciklerdir. Elektrik alanlarından etkilenmezler ve elektrik yüklerini taşımazlar. Bu sebeple yalıtkandırlar. Bununla beraber, X, kozmik ve ultraviyole ışınlar, gazların atom veya moleküllerinden elektron koparırlar ve pozitif yüklü tanecikler meydana getirirler. Kopan elektronlar da diğer tanecikleri yüklü hale getirirler. Bu şekilde elektrik yüklü molekül veya iyon ihtiva eden gazlara iyonize gaz denir ve bu gazlar, elektriği iletirler.

Gazların iyonlaştırılması hususundaki ilmi araştırmalar birçok buluş ve teknik uygulamalara sebep olmuştur. Mesela floresan, civa buharlı, neon lambalar ve gaz doldurulmuş elektron tüpleri bunlardandır.

Gerçek Gazların Hal Denklemi

En eski bilinen hal denklemi Van der Waals denklemidir. İdeal gazlarda, gazın kapladığı bütün hacmin yanında, gazın moleküllerine ait olan hacimler ihmal edilir ve yine gazın iç enerjisinin yalnız sıcaklığa tabi olduğu kabul edilir.

Gerçek gazlar için yapılan hacim düzeltmesi (V-b)dir. Gerçek gazın hacmi, içinde bulunduğu kabın V hacmiyle değil, (v-b) hacmiyle orantılıdır. b, her gaz için sabit bir değer olup, buna sıkıştırılamayan hacim denir ve moleküllerin hacimlerinin dört katına (b = 4/3?r 3 N, N= Avogadro sayısı, r= molekülün çapı) eşittir.

Bir de moleküller arasındaki çekim (kohezyon) kuvveti göz önüne alınmalıdır. Gaz kütlesinin ortasında simetri sebepi ile kohezyon sıfır olduğu halde, kap cidarında, yani gazın dış tarafına düşen moleküllerdeki kohezyon sıfır değildir. Dıştaki gaz molekülü merkeze çekilmek istenir. Bu kuvvete çeperin itme kuvveti de katılır. Buna göre gazın gerçek baskısında azalmanın olduğu bir gerçektir. Birim yüzey için basınç azalması, içeri çekilme sebepiyle, molar hacmin tersi (1/V) ile içeri çekenler için de 1/V ile orantılı olduğundan, a/V 2 (iç basınç) ile orantılı olur. Eğer gazın basıncı, manometrede P ise, gazın molekülleri arasındaki basınç P+a/V 2 olur.

Netice olarak 1 numaralı ideal gaz denklemi gerçek gazlar için: (P+a/V 2 ) (v-b)=RT...(3)

olur ve bu denkleme gerçek gazların hal denklemi denir.

Basıncın oldukça yüksek veya sıcaklığın oldukça düşük olduğu şartlarda bir gaz ideal olarak davranamaz ve yoğunlaşma meydana gelebilir. Yoğunlaşmanın vuku bulduğu en yüksek sıcaklığa, "kritik sıcaklık" denir. Bu sıcaklığa tekabül eden hacim ve basınç değerlerine de kritik hacim ve basınç denir. Kritik basınç ve sıcaklıktaki yoğunluğa da kritik yoğunluk denir. Gazların Birbirinden Ayrıştırılması

Bütün tabii ve endüstride elde edilen gazlar, çok sayıda kimyasal bileşikler ihtiva eden karışımlardır. Ekonomik kullanma için çoğu zaman bu karışımları birbirinden ayırmak zaruridir.

Metodlardan birisinde, gaz, kimyasal olarak katı veya sıvıya bağlayarak karışımdan ayrılabilir. Mesela; bu metodla argon ve oksijen karışımındaki oksijen karışımdan ayrılabilir.

Bir başka metodda ise, gaz, bir çözücüsü olan sıvı ile karışımdan uzaklaştırılır. Mesela karbondioksit ihtiva eden hava, sudan geçirilirse, karbondioksit suda çözünerek havadan ayrılır. Katı emiciler kullanarak da ayırma yapılabilir. Asetilen ihtiva eden hava, aktif kömürden geçirilirse, asetilen aktif kömür tarafından emilir.

Halen kullanılan güzel bir ayırma işlemi, bir gaz karışımındaki bir veya daha çok bileşeni sıvılaştırma şeklindedir. Gazların birçoğunun kritik sıcaklığı 0°C’nin altında olduğu için, bu işlemde gaz genellikle dışardan soğutulur. Saf gaz endüstride çok kullanılır ki, bunlar oksijen, azot, hidrojen vs. olup, havadan veya kok gazından soğutma işlemiyle bir veya daha çok sıvı fazlar meydana getirerek elde edilir. Kaynama noktası büyük olan, yani kolay buharlaşmayan önce sıvılaşır. Eğer gaz karışımını meydana getiren gazların kaynama sıcaklıkları birbirinden çok farklı ise, bu işlem daha kolaylaşır. Sıvı

hale getirilmiş gaz karışımı kademeli destilasyona tabi tutularak da ayrıştırılır.

Ayrıca gazların molekül büyüküğü farkından yararlanarak da karışımdaki gazlar ayrıştırılabilir. Aynı sıcaklık ve basınç şartlarında gazların eşit hacimlerinin çok ince bir delikten diffüzlenme hızları mol tartılarının kare kökü ile ters orantılıdır. Uranyum -235 ve Uranyum -238 izotopları birbirinden bu yolla ayrılır. Bu iki izotoptan gaz olan U F 6 bileşiği elde edilir. Mol ağırlığı küçük olan daha hızlı olarak, çok ince porözden geçeceği için öbür tarafta U-235 bileşiği çoğalmış olacaktır.

İzotopları birbirinden ayırmaya yarayan diğer bir metod da termal diffüzyon metodudur. Ayrılması istenen gaz içteki sıcak, dıştaki soğuk olan içiçe geçirilmiş sisteme verilir. Hafif olan gaz, sıcak tüpe, ağır olan gaz da soğuk tüpe geçer. Burada ayrılma işlemine, gazların konveksiyon hareketleri de yardımcı olur.

Santrifüj (merkezkaç) olayından faydalanılarak da izotoplar birbirinden ayrışabilir. Hızla dönen bir santrifüje yerleştirilmiş olan içi gaz dolu kapalı silindirde ağır izotoplar merkezden uzaklaşır, hafif izotoplar ise merkeze yakın kalır. Böylece ayırma işlemi yapılmış olur. Gaz Analiz Teknikleri

1935’ten bu yana gaz analizinde kullanılan birçok fiziki metodlar geliştirildi. Bu aletler gaz karışımı veya gaz taneciklerinin konsantrasyonu hakkında, saniye içinde cevap vermektedir. Bu metodların petrol, çelik, kimya sanayii ve tıp gibi çok geniş alanlarda kullanımı mümkündür.

Infrared (kızılötesi) gaz analiz cihazı: 1938’de Almanya’da geliştirildi. Oldukça duyarlı bir alet olup, akış halindeki bir gazın içindeki bileşik taneciklerinin konsantrasyonunu (derişimini) devamlı olarak gösterir. Infrared analiz cihazıyle % 0,0001 oranındaki maddeyi tayin etmek mümkündür. Bu cihaz, hava kirliliği, kimyasal ve petrokimya işlemlerinin kontrolünde ve birçok ilmi araştırmalarda kullanılır.

Mass (kütle) spektrometresi ile gaz karışımının analizi oldukça hassas ve çok az bir nümune çalışılarak yapılır. Gaz molekülleri, ısıtılmış flamandan çıkan elektrik alanından hızla dairesel olarak geçirilir. Kütleye bağlı olarak alanda sapma gösterir m.v’leri (m=kütle v=voltaj) manyetik alan?ın gücüne eşit olan bazı iyonlar toplayıcıya girerler. Diğer iyonlar toplayıcının dışına düşerler. Çünkü o iyonların meydana getirdiği m.v manyetik alanın gücüne eşit değildir. Toplama oranı ossiloskopta, kütlesi (m) olan moleküllerin çokluğu kaydedilir. Bu cihazın hassasiyeti % 10 -5 oranındadır.

Gaz kromotografisi ile de çok az bir gazın kompozisyonunu saniye veya dakika içinde tayin etmek mümkündür. Herhangi bir gaz veya buharın bir sıvıda çözünmesine ve orada tutulma süresine dayanan bu metod da çok kullanışlı ve hassastır. Gazların Sıvılaştırılması

Gazların çeşitli usullerle sıvı haline gelmesi. Her bir gaz kendine has kritik bir sıcaklığın altında sıvılaştırılabilir. CO 2 ’nin kritik sıcaklığı 31°C (304°K)dir. Bu gaz kolayca sıvılaştırılıp endüstride kullanma gayesiyle basınçlı çelik silindirler içinde depo edilir. Hava, oksijen, azot, hidrojen ve helyumun kritik sıcaklıkları ise çok daha düşüktür. Bu gazların sıvılaştırılması büyük bir teknik başarı olmuş ve birçok endüstriyel uygulamalarla sonuçlanmıştır. Sıvı havadan elde edilen oksijenden çelik üretiminde büyük miktarlarda istifade edilmiştir. Sıvı hidrojen ise uzay araçlarının motorlarında yakıt olarak kullanılmıştır. Sıvı helyum Cryogenics sahasını açmış ve süperiletkenlik etkisi vasıtasıyla elektrik teknolojisinde yenilik doğurmuştur. Bir gazın sıvılaştırılmasında esas problem soğutmadır.Soğutmada buharlaştırma, adyabatik genleştirme ve jikleli genleştirme olarak üç çeşit fiziki işlem yapılır. Bunların hepsi hava hidrojen ve helyumun sıvılaştırılmasında kullanılır.

Kaskat işlemi: 1877’de İsviçreli fizikçi Raoul Pictet, buharlaşmanın soğutma ve basıncın sıvılaştırma etkilerini müştereken kullanarak, oksijeni sıvılaştırdı. Oksijenin kritik sıcaklığın altındaki -140°C(133°K) sıcaklığına inmek için iki kademe kullanmıştır. İlk kademede SO 2 sıkıştırılarak sıvılaştırıldı ve sonra buharlaştırıldı. Böylece yine sıkılaştırılarak sıvılaştırılmış CO 2 ihtiva eden ikinci kademenin soğutulması sağlandı. Bunun da buharlaştırılması ile üçüncü kademedeki O 2 soğutuldu ve 500 atmosferlik bir basınç altında sıkıştırılıp sıvı oksijen elde edildi.

Sıcaklık kademeler halinde düşürüldüğü için Pictet’in metoduna kaskat işlemi denir. Bu işlem helyum veya hidrojeni sıvılaştırmada kullanılamaz. Çünkü hiçbir madde buharlaştırılarak hidrojenin kritik sıcaklığı olan -240°C(33°K) elde edilemez.

Linde-Hampson metodu: 1895’te Alman Kimyageri Karl von Linde, İngiliz Fizikçisi William Hampson aynı zamanda bir jeneratif (geribesleme) sistemi keşfettiler. Bir jikleyi terk eden gazdan faydalanarak, giren sıkıştırılmış gazın soğutulması sağlandı. Giren gazın sıcaklığı o kadar düşük olur ki, çıkan gazın bir kısmı sıvılaşır. Diğer kısmı ise giren gazın ön soğutmasını sağlamak üzere devamlı geri beslenir.

Hampson’un hava sıvılaştırıcısında sıkıştırılmış hava, bir ısı eşanjörünün borularından beslenir ve daha sonra bir jikleden geçer. Gazın bir kısmı sıvı hava olur. Geri kalan kısmı boruların dışından geçirilerek içeri sıkıştırılmış havanın soğutulmasında kullanılır. Bu metodla neon, hidrojen ve helyum hariç, herhangi bir gaz sıvılaştırılabilir.

Claude metodu: 1902’de Fransız Kimyacısı George Claude adiyabetik genleştirme yoluyla havayı sıvılaştırmıştır. Onun metodunda pistonlu bir makinanın içindeki yüksek basınçlı hava, çevresiyle herhangi bir ısı alışverişinde bulunmadan iş yapmaktadır. Havanın iş yapması, iç enerjisinin azalmasına, dolayısıyla sıcaklığının düşmesine sebep olur. Soğutulmuş olan havanın bir kısmı, bir sıvılaştırıcının tüplerinin içine gönderilip sıvılaştırılır. Diğer bir kısmı ise pistonlu makinaya gelen yüksek basınçlı havayı ön-soğutmaya tabi tutmak için kullanılır. Ön-soğutmadan geçen yüksek basınçlı havanın bir kısmı ise sıvılaştırıcının tüplerinin dış kısmına gönderilir. Pistonlu makinanın teteranlı kullanılması sonucu, soğuk tüplerin üzerinden geçen hava sıvılaşır ve sıvılaştırıcının dibinde birikir.

C.W.P Heylandt da adiyabatik genleşmeyi kullanan bir hava sıvılaştırıcısı geliştirmiştir. Onun metodunun Claude metodundan farklılığı pistonlu makinadaki adiyabatik genleşmeyi Linde-Hampson metoduna ilave olarak kullanmasıdır.

Sözlükte "gaz" ne demek?

1. Pamuklu ya da ipekli, seyrek dokumalı, tül gibi kumaş; sindirim borusunda, ağızdan yutulan havayla mayalanma sonucu oluşan uçucumaddelerin karışması.
2. Normal basınç ve sıcaklıkta olduğu gibi kalan, içinde bulunduğu kabın her yanına yayılma ve bu kabın iç yüzeyinin her noktasına basınç yapma özelliğinde olan akışkan madde; gaz lambası.
3. Gazyağı, petrol; normal basınç ve sıcaklıkta olduğu gibi kalan, içinde bulunduğu kabın her yanına yayılma ve bu kabın iç yüzeyinin her noktasına basınç yapma özelliğinde olan akışkan madde.

Gaz kelimesinin ingilizcesi

[Gaz] n. gas
adj. gaseous
n. gas, oil, fuel gas, exhalation
Köken: Fransızca