11 sıvılar, katılar vemoleküller arası kuvvetler
advertisement
11 SIVILAR, KATILAR VE MOLEKÜLLER ARASI KUVVETLER •BÖLÜMÜN AMACI: Sıvı, katı ve gaz durumları arasındaki farklar ve moleküllerin polarlığının bu durumları nasıl etkilediğinin görülmesi • Moleküller arası kuvvetlerin farklı moleküller arasında görülmesi • Enerji değişikliklerinin beraberinde faz değişimleri ve faz diyagramlarını okumak hakkında bilgi edinilmesi Gazlar, Sıvılar ve Katılar • Gazlar kap içinde geniş alana yayılır. Çünkü parçacıklar arasındaki çekim kuvvetleri çok azdır. • Sıvılarda, parçacıkları yakın temas halinde tutan onların birbiri üzerinde kaymasına izin veren güçlü ‘moleküller arası kuvvetler’ vardır. • Katılar bir yerde kımıldamadan durabilir, moleküller arası çekim kuvvetleri oldukça kadar güçlüdür. Katılar, Sıvılar ve Gazlar Maddenin fiziksel halleri • Katılar – Güçlü moleküllerarası kuvvetlere sahiptir – Gazlara göre yüksek yoğunluğa sahiptir – Sert, kesin şekilli, sıkıştırılamaz hacime sahiptir – Kristal şeklinde sıralı yada amorf şeklinde sırasız olabilirler Şekil 11.1 • Sıvılar – Orta derecede moleküller arası kuvvetlere sahiplerdir – Gazlara göre yüksek yoğunluğa sahiplerdir. – Akışkan maddelerdir, belirli hacimleri vardır ve bulundukları kabın şeklini alırlar – Şekil 11. 5 • Gazlar – Zayıf moleküllerarası kuvvetlere sahiptirler – Düşük yoğunluktadırlar – Akışkan ve sıkıştırılabilir maddelerdir. – Bulundukları kabın şeklini alırlar ama bütün hacmi doldururlar. Şekil 11.3 Suyun gaz, sıvı ve katı- fazları 7 Faz Değişimleri • Bir katı ısıtılarak sıvıya dönüştürülebilir ve bir gaz ısıtılarak ya da basinci azaltılarak faz değişimine uğrayabilir. Propan (C3H8) 2.7 atm üzerinde bir ( basınçta sıvıya dönüşebilir. Kapak açıldığında gaz haline buharlaşır. Polar Kovalent Bağları ve Polar Moleküller Polar bağlar • Atomlar farklı elektronegatifliklerle bağlanmışsa aralarında birbirinden farklı polar bağlar vardır. • Örnek : CH3Cl – C—H bağları apolardir. Çünkü C ve H yaklaşık aynı elektronegatifliğe sahiptirler. – Cl ise, C den daha elektronegatiftir, C—Cl bağları polarizedir. Bu yüzden Cl atomları kısmen negatif yüklü ve C atomu kısmen pozitif yüklüdür. Bu bağ polar kovalent bağ (ya da polar bağ). 10 Polar moleküller – CH3Cl bir polar ve üç apolar bağ ile tetrahedral şekle sahiptir. Molekülün Cl sonuna doğru işaret eden nihai bir dipol momenti mevcuttur. Moleküllerin polarlığına bakılırken molekülün şeklinin akılda kalması ve elektron çiftinin olup olmadığının bilinmesi önemlidir. 11 Polar ve Apolar Moleküller 12 Polar and Nonpolar Molecules Örnekler: Moleküllerin Polaritesi 1. Aşağıdaki bileşiklerden hangisi bir dipol momentine sahiptir ve hangi yöndedir? a. CH4 b. BF3 c. NF3 d. ClF3 e. SF6 f. SF4 g. CHCl3 h. CH2Cl2 14 Moleküllerarası Kuvvetler 15 Molekül içi ve moleküller arası kuvvetler Molekül içi kuvvetler her molekül içinde etkilidir ve maddenin kimyasal özelliğini belirler. – Bu kuvvetler bir molekül içindeki atomları bir arada tutar. Çok kısa mesafelerde etkili olan proton ve elektron üzerindeki büyük yüklerden ortaya çıkan güçlü etkileşimlerdir. • Moleküllerarası kuvvetler (van der Waals kuvvetleri) birbirinden ayrı moleküller arasında olur ve maddenin fiziksel halini etkiler. van der Waals kuvvetleri: a) Dipol-dipol b) dipol-anlıkdipol c) anlıkdipol-anlıkdipol olarak üç sınafa ayrılır. – Bu kuvvetler sıvıları ve katıları bir arada tutar ve onların erime ve kaynama noktalarını etkiler. Daha hafif kuvvetlerdir çünkü küçük yük ya da parçacık değişimi sonucu geniş mesafeleri etkiler. Coulomb Kanunu Moleküliçi ve Moleküllerarası Kuvvetler • Suda bir O-H bağı kırmak için suyun binlerce derece ısıtılması gerekir. Moleküllerarası kuvvetlerin tamamen üstesinden gelmek, kaynatmak için sıcaklığı 100 oC yapmalıyız. • Moleküller arası kuvvetler London (anlıkdipol) kuvvetleri, dipoldipol kuvvetleri ve hidrojen bağları arasındadır; iyon-dipol kuvvetleri ise iyonlar ve moleküller arasında ortaya çıkar. Moleküliçi ve moleküllerarası kuvvetler Azot molekülleri sıvı N2 molekülleri güçlü kovalent bağlarla birlikte tutulur, hem sıvı (a) hemde gaz (b) halinde olabilir. Düşük sıcaklıkta (a), moleküllerarası kuvvetler N2 molekülündeki parçacıkları sıvı halde birlikte tutar, daha da ısıtıldığında moleküller gaz haline (b) dönüşür. London kuvvetleri • Bütün atom ve molekül olaylarında; atomların ve moleküllerin içindeki elektron dalgalanmaları çekici kuvvet olan London kuvvetleri tarafından olur. • Herhangi bir anda, bir atom veya molekül içinde rasgele hareket eden elektron bu amaçla çok küçük bir kısmı bir negatif yük verir ve anlık bir dipol yaratarak, daha fazla parçacığın bir ucunda kümelenmesine neden olabilir. 19 London kuvvetleri • Bu anlık pozitif dipol bitiş noktalarını, elektron çeken bir komşu atom veya molekül ile bir dipol oluşmasına neden olabilir. Şekil 11.4 • Bu anlık dipoller arsındaki çekim kuvvetleri London kuvvetleri diye adlandırılır. London kuvvetleri • London kuvvetleri tüm moleküller arasında mevcut, ancak polar olmayan moleküller arasında mevcut tek güçlerdir. • London kuvvetleri genellikle küçük enerjili 1-10 kJ/ mol (en fazla kovalent bağlarda 100 kJ/mol) 20 • Molekülün polarlığının değişimi üzerinde London kuvvetleri etkilidir. Bir molekülün elektron bulutu yakındaki bir elektrik alanı tarafından kolaylıkla bozulabilir – Atomun büyüklüğü veya molekülün bir molar kütlesi ile polarizasyon artar, daha geniş London kuvvetlerine ve kaynama noktasının yükselmesine sebep olur. – Aynı molekül ağırlıklı olan moleküllerden daha fazla "yayılmış" daha fazla yüzey alanına sahiptir ve aralarında London kuvvetleri vardır. F2 -219.7 -188.2 Cl2 -101.0 -34.6 Br2 -7.3 58.8 I2 114.6 22 • Ayrıca bir molekülün şekli de London kuvvetlerine etki eder; pentan ve neopentan aynı formüle ve aynı molar kütleye sahiptir ama 184.4 London kuvvetleri pentan daha uzun ve daha yayılmış bir moleküldür oysaki neopentan daha küresel ve az yer tutan bir moleküldür. Figure 11.5 23 London kuvvetleri Benzer bileşiklerin (örneğin, bir aile içinde gibi hidrokarbonlar), London kuvvetleri (ve bu nedenle kaynama noktası) molar kütlenin artmasıyla artar. Compound Formula Boiling Point London kuvvetleri Methane CH4 -164.0°C Ethane C2H6 -88.6°C Propane C3H8 -42.1°C Butane C4H10 -0.5°C Pentane C5H12 36.1°C Hexane C6H14 68.9°C Octane C8H18 125.5°C Decane C10H22 174.1°C Eicosane C20H42 343°C 24 Hidrojen bağları Dipol-Dipol kuvvetler • Dipol-Dipol kuvvetleri polar moleküllerin sürekli dipollerin zıt yükleri arasındaki çekim kuvvetidir. Kalıcı dipol ile bir molekülün parçacık yükü diğer molekülün zıt parçacık yükünü çeker. • Dİpol-dipol kuvvetler London kuvvetlerine ek olarak bütün polar moleküllerde vardır. 25 Şekil 11.7 Dipol-Dipol kuvvetler • Genel olarak, aynı moleküler ağırlığa sahip, kutuplu bir molekül(dipol-dipol + London) polar olmayan bir moleküle göre (sadece London) daha yüksek bir kaynama noktasına sahiptir. Hidrojen bağları 26 Dipol-Dipol kuvvetler • Dipol-dipol kuvvetleri genellikle hafif, ~3-4 kJ/mol, ve moleküller yakın temas halinde oldukları zaman önemlidir. • Daha polar bir molekül, daha güçlü dipol-dipol kuvvetler ve daha yüksek kaynama noktası demektir. 27 Şekil 11.8 Hidrojen bağları Dipol-Dipol kuvvetler • Polarlık aynı zamanda bir sıvı başka bir sıvıyla karışık olup olmadığını belirler. Genel çözünürlük kuralı gibi erir gibi olmasıdır: – Ethanol ve su karıştırılabilir çünkü ikisi de polardır. – Yağ ve benzin karışabilir çünkü ikisi de apolardır. – Yağ ve su birbirleri ile karışamazlar. 28 Şekil 11.9 Hidrojen bağları • Hidrojen bağı özellikle güçlü versiyonu moleküllerde dipol-dipol kuvvetleri oluşturur. H—N, H—O, ya da H—F bağları Hidrojen bağları Hidrojen bağları • O, N, ve F atomları ile H atomunun elektronegatiflikleri arasındaki fark çok fazladır. Bu bağlar özellikle polar ve zıt parçacıklar arasında oluşur ve güçlüdür. • Hidrojen bağları 40 kJ/mol. üzerinde bir enerjiye sahip olabilir. • HF: Şekil 11.10 H2O: 30 Şekil 11.12 Hidrojen bağları Hidrojen bağları • O-H bağı içeren bir molekül,etanol gibi hidrojen bağlarının güçlü formlarına sahiptir. HH H H Hidrojen bağları ve Kaynama noktası • Hidrojen bağları suyun beklenen sıcaklıktan daha yüksek bir sıcaklıkta kaynamasına neden olur. Hidrojen bağları 32 Şekil 11.13 Hidrojen bağları ve Su • Hidrojen bağı daha az yoğun bir kristal yapıyı benimsemek üzere katılaşır, bu katı yapısı daha az yoğun olduğu için sıvı su içerisinde yüzer. Hidrojen bağları 33 İyon-Dipol kuvvetleri • Bir polar molekül üzerinde iyon ve parçacık yükünün elektriksel etkileşimi sonucu oluşmuştur. • Bu kuvvetler su gibi iyonik bileşikleri çözmekten sorumludur. Şekil 11.14 İyon ve Dipol-Anlık Dipol kuvvetleri • İyon - anlık dipol kuvvetleri iyon ve polar olmayan moleküller arasında mevcut çekici güçlerdir. Polar olmayan molekül içinde bir dipol iyonu kendisine doğru çeker. –Bu kuvvetler Fe2+ iyonu ve O2 molekülleri arasındaki çekimden dolayı kan dolaşımına ve iyonun su içinde çözülmesine yardım eder. • Dipol - anlık dipol kuvvetleri polar ve apolar moleküller arasındaki çekici kuvvetlerdir. 36 Hidrojen bağları – Bu kuvvetler, su (polar) içinde gazların (polarolmayan) çözülmesinden sorumludur. 37 Özet; Moleküllerarası kuvvetler 38 Örnekler ; moleküllerarası kuvvetler 2. Aşağıdaki maddelerin moleküller arası güç türünü belirleyin a. CH4 b. CH3Cl c. CH2Cl2 d. CHCl3 e. CCl4 f. HCl g. HF 40 örnek ; moleküllerarası kuvvetler 3. Aşağıdaki maddelerden moleküller arası en güçlü tür nedir? a. CH3CH3 b. CH3NH2 c. Kr d. CH2O e. CO2 f. H2O2 g. CH3OH 41 örnek ; moleküllerarası kuvvetler 4. Aşağıdaki maddeler arasında moleküller arası türlerden hangisi mevcuttur? a. CsCl in CH3Br b. CH3OH in H2O c. CH3CH2CH3 in CCl4 d. O2 ve Fe2+ e. CH3Br in H2O f. CH3CH2CH3 in CH3Cl 42 Örnek ;moleküllerarası kuvvetler 5. Aşağıdaki maddelerde moleküllerarası kuvvetleri düşündüğümüzde olası kaynama noktası sıralamasını yapınız. (Pr 10.6) H2S (34 amu-Atomic Mass Unit) C2H6 (30 amu, C—C bond length 154 pm) CH3OH (32 amu) Ar (40 amu, radius 71 pm) 43 44 Sıvıların bazı özellikleri 45 Sıvılar ve katılarda moleküllerarası kuvvetler • Sıvıların ve katıların bazı bileşiklerinin arasında oldukça güçlü moleküllerarası kuvvetler vardır. • Sıvıların fiziksel özelliğini belirlemede moleküllerarası kuvvetler geniş rol oynar. • Katılar sıvılardan daha güçlü moleküllerarası kuvvetlere sahiptir. 46 Yüzey gerilimi • Yüzey gerilimi — Bir sıvının yüzey molekülleri iç kısımdaki moleküllere göre daha fazla çekim kuvvetini hissderler. Bu nedenle yüzey sıvıyı kaplayan deri gibi hareket eder. Sıvılar olası en küçük yüzeye sahip olmak ister. 47 Şekil 11.18 Yüzey gerilimi Tea in space Water Strider (ISS, April 7, 2003 ) 48 Yüzey gerilimi • Sabunlar, deterjanlar vs. suyun yüzeyindeki hidrojen bağlarını bozar. Suyun diğer maddeleri ıslatma yeteneğini azaltır. • Moleküllerarası kuvvetleri zayıflatmak yüzey gerilimini azaltır. H2O Hg 49 Viskozite • Sıvının akışkanlığa karşı direnişinin ölçüsüdür. Viskozite sıvı içerisindeki her bir molekülün hareketi açıklar böylelikle moleküllerarası kuvvetlere zemin hazırlar. – Viskozitenin ölçü birimi poise, P, 1 g cm-1 s-1 değerindedir. – Küçük, polar olmayan moleküller (örneğin benzin ve benzin gibi) düşük viskozitelere sahiptir. uzun zincirli atomlardan (örneğin; yağ ve yağ gibi) ve polar moleküllerden (örneğin; gliserol) oluşan yüksek viskoziteli sıvılar vardır. – Sıvıların viskozitesi sıcaklık arttıkça azalır. 50 Kılcal hareket • Kılcallık sıvının bir ince tüp içerisinde yükselmesidir.Sıvı molekülleri (bir araya getiren kuvvetler) ve sıvı molekülleri ve cam (yapışkan kuvvetleri) duvarları arasındaki kuvvetleri arasındaki çekici kuvvetleri arasındaki rekabetten kaynaklanır. 51 Şekil 11.21 Kılcal hareket • Su için yapıştırıcı kuvvetler daha büyüktür ve su tüpün kenarlarından yavaşça yükselir, bir içbükey menisküs üretir. • Cıva için, Hg atomları arasındaki kohezif kuvvetler yapıştırıcı kuvvetlerden daha büyüktür. Kaptaki Hg atomu ve Si-O bağları arasındaki yapıştırıcı kuvvetler civanın konveks meniscus oluşturmasını sağlar. 52 Suyun tekliği • Su oda sıcaklığında düşük molekül kütleye sahip(18.02 g/mol) – Son derece dogal polar olan O-H bagi suyun bükük sekli ile birlikte suyu önemli bir dipol momenti yapar. – Bir su molekülü dört başka molekül ile hidrojen bağı yapabilir ve olağan dışı yüksek kaynama noktasına sonuçlanır 53 Şekil 11.41 Şekil 11.40 Suyun tekliği Suyun polarizasyon ve hidrojen bağlama yeteneği, • bir çok madde için büyük bir çözücü olmasını sağlar – – Suda bir ölçüde (hidrokarbonlar hariç) pek çok organik madde çözünür. Suda pek çok iyonik bileşikler çözünür. • Su, yüksek ısı kapasitesine sahip, ve bir sıcaklık değişimi olmaksızın çok ısı emebilir. – – Bundan dolayı su sıcaklıkları (örneğin, radyatör) düzenlemek için kullanılabilir. Su Dünya'nın sıcaklığını düzenler. • Suda, yüksek yüzey gerilimi ve yüksek kılcallık vardır – Bitkiler kılcal eylem tarafından topraktan su çekm. 54 Suyun tekliği • Suyun hidrojen bağları açıkta katı su ile karıştırılır, altıgen yapısı, katı su sıvı sudan daha az yoğundur. Bu nedenle, buz su üzerinde yüzer. – Bir göl donduğunda üst yüzeyde oluşan tabaka suyun alt kısımlarının donmasını engeller – Hücreler dondurulduğu zaman kristallerin oluşmasından dolayı zarar görür ve tekrar ısıtıldığı zaman bu hücreler yaşayamazlar. – Şok dondurma buz kristalleri tercih edildiği zaman çok hızlı donduğundan kendi yapısını düzenlemeye zaman kalmaz ve hücrenin zarar görmesine imkan kalmaz. 55 56 Faz değişimleri 57 Buharlaşma • Buharlaşma—bir kap içindeki suyu termal eneji verilerek su moleküllerinin sürekli hareketini sağlamaktır. Bazı moleküller diğerlerinden daha fazla enerji alarak yüzeyde serbest kalabilir ve gaz haline dönüşür • Yoğunlaşma-- gaz molekülleri yavaşlatılarak sıvı ile yakalanabilir. 58 Şekil 11.23 Şekil 11.24 Buharlaşma • Sıcaklık arttıkça buharlaşma artar. • Yüzey alanı arttıkça buharlaşma artar. • Güçlü moleküller arası kuvvetler ile moleküller büyük zorlukla buharlaştırılır ve kalıcı olduğu söylenir. • Zayıf moleküller arası kuvvetler ile moleküller kolayca buharlaşır ve uçucu olduğu söylenir. Aseton (oje sökücü) ve benzin sudan daha fazla uçuculardır. Su motor yağından daha uçucudur. Motor yağı oda sıcaklığında kalıcıdır. 59 Buharlaşma enerjileri • Buharlaşma bir endotermik işlem, yoğunlaşma bir ekzotermik işlemdir. – Terleme serinlik hissi verir. Çünkü su deriden buharlaşır ve deri enerji depolar – Cilt yanıklarının nedeni, deri üzerinde sıvı su yoğunlaşır ve ısı açığa çıkar. • Bir sıvının bir molünün gaz haline dönüşmesi için gerekli ısı miktarı buharlaşma ısısı , ΔHºvap. 60 Buhar basıncı ve Dinamik denge • Kapalı bir kap içinde bir sıvı buharlaştırıldığında bazı sıvı molekülleri buharlaşma ve çarpışmalar sırasında yeterli enerji elde ederek buharlaşır; gaz moleküllerinin bazıları sonunda enerji kaybeder ve sıvı haline tekrar döner. Buharlaşma oranı yoğunlaşma oranına eşit olduğu zaman iki durum arasında dinamik denge vardır. Şekil 11.25 h sıvı gaz Figure 11.26 Buhar basıncı ve Dinamik denge • Buhar basıncı onun sıvısı ile denge sıcaklığında olan buhar tarafından yapılan basınçtır. – sıvının sıcaklığının artması buhar basıncını artırır. – moleküller ile zayıf moleküllerarası kuvvetler yüksek buhar basıncına sahiptir(örneğin, kolay buharlaşabilirler), ve moleküller ile güçlü 61 moleküllerarası kuvvetler düşük buhar basıncına sahiptirler • Dinamik dengede bir rahatsızlığı en aza indirmek ve denge durumuna geri dönmek için sistem yanıt verir.(Le Châtelier Prensibi) 62 Buhar basıncı ve Dinamik denge Şekil 11.27 63 Şekil 11.28 Buhar basıncı ve Dinamik denge • Buhar basıncı ve sıcaklık arasındaki ilişkiyi •P buhar basıncı, R termadinamik birimde gaz sabiti (8.31 J K-1 mol-1), T Kelvin sıcaklık, ve C bir sabittir. – Denge iki farklı formda tahmin edilebilir. Herhangi bir sıcaklıktaki sıvının buhar basıncı, ΔHvap ve normal kaynama noktası biliniyorsa (ya da değişik sıcaklıklardaki buhar basıncı biliniyorsa); buharlaşma entalpisi veya buhar basıncı iki farklı sıcaklıkta biliniyorsa 64 Kaynama noktası • Bir maddenin kaynama sıcaklığı buhar basıncının atmosferik basınca eşit olduğu sıcaklıktır. (normal kaynama noktası 1 atm basınçta ölçülür.) kaynama noktası, sıvı içerisindeki moleküllerin yeterli – enerji saglandığında sıvı halden kurtulmasıdır, ama sadece yüzey değil – kaynama noktası eğer basınç uygulanıyorsa değişebilir: su deniz seviyesinde 100°C de kaynar ama 94°C Denver (yükseklik 5,280 ft) ve Everest dağının zircesinde de78°C de kaynar(29,035 ft). Şekil 11.29 – Basınç ölçümü yapan kişiler daha yüksek sıcaklıklarda suyu kaynatarak yiyeceklerin daha hızlı pişmesini sağlayabilirler. 65 Kaynama noktası • Kaynama noktasına ulaşmak için, ek ısıtma daha hızlı kaynamasına neden olur kaynar, ama maddenin sıcaklığı artmaz,bu durum aşağıdaki eğride görülmektedir Sıvı maddelerin tümü buhar haline dönüşmeye başladıktan sonra sıcaklığı artar. 66 Şekil 11.30 Chapter 11 Notes Örnekler: Moleküller arası kuvvetler. 6. 155 ısıda kJ kaynama noktasında buharlaştırılabilen su kütlesini (g cinsinden) hesaplayın. C : 68.6 g H2O 67 Örnekler: Kaynama Noktası ve Buhar Basıncı 7. Aşağıdaki sıvı çiftlerinden hangisi verilen belirli bir sıcaklıkta daha yüksek buhar basıncına sahip olur ? a. CH3OCH3 b. C6H6 veya CH3CH2OH veya C10H8 c. CCl4 or CBr4 d. CH3CH2CH2OH or CH3OH 68 Chapter 11 Notes Örnek: buhar basıncı ve kaynama noktası 8. Aşağıdakilerden hangisi daha yüksek kaynama noktasına sahiptir? a. LiCl veya HCl b. C6H6 veya C10H8 c. CH3CH2CH2OH veya CH3OH d. (CH3)3N veya (CH3)2NH Örnek:clausius-clapeyron denklemi 9. Ether bir buhar basıncına sahip 400. mmHg ve17.9° C de ve normal kaynama noktası 34.6°C. Buharlaşma ısısı, ΔHvap, kJ/mol? Cevap: 28.5 kJ/mol 70 Chapter 11 Notes Örnek: Clausius-Clapeyron denklemi 10. Ethanolun buhar basıncı 34.7°C de 100.0 mmHg,ve etanolun buharlaşma ısısı 38.6 kJ/mol. Etanolun buhar basıncı 65.0°C de kaç mmHg? (sim. to Ex. 11.5) Cevap: 388 mmHg 71 Süblimleşme ve kırağılaşma • Katı fazda bir numunenin atomları ve molekülleri de sabit bir nokta etrafında devamlı titreşimli hareket ediyor. • Yeterince hızlı titreşimli molekülleri katı fazdan doğrudan gaz fazına dönüşür. Tersi işleme resüblimleşme denir. – Süblimleşme dondurucularda, dondurulmuş gıdalarda ve dondurucu yanıklarda önemlidir. – Katı karbondioksit kuru buz, erimeden katı halden gaz haline dönüşür. Chapter 11 Notes 72 Erime • Katıya ısı verildiğinde atomlar ve moleküller daha hızlı titreşir.Erime noktasinda, moleküllerin her biri yeteri kadar serbest kaldiginda sivi hale gelir.Bu yönteme erime denir.Karsit yönteme ise donma denir. •Erime noktasina gelindiginde, sicaklik sabit kalana kadar erime devam eder. Şekil 11.34 73 Erime ve Donmanın enerjileri • Erime bir endotermik işlem, donma ise ekzotermiktir. • Bir mol katının sıvıya dönüşmesi için gereken ısı miktarı erime ısısı ΔHºfus. 74 Erime ısısı vs. Buharlaşma ısısı • ΔHºfus genellikle ΔH°vap dan daha azdır. Çünkü sıvıdan gaz haline geçmek için bütün moleküllerarası bağların kopması gerekir. Katı haldan sıvı hale geçmek için kısmen koparılması yeterlidir. • Hess’s kuralı, ΔH°subl = ΔH°fus + ΔH°vap 75 Şekil 11.35 Faz değişimleri ve enerji değişimleri 77 Örnek:faz değişimleri 11. Aşağıdaki işlemlerde entalpi değişimlerini tahmin ediniz suyun durum değişimi için verilerini sıralayınız ΔH°fus = 6.01 kJ/mol at 0°C ΔH°vap = 40.67 kJ/mol at 100°C a. H2O(s) → H2O(k) b. H2O(s) → H2O(g) c. H2O(g) → H2O(s) d. H2O(g) → H2O(k) 78 ısıtma- soğutma eğrileri • Bir ısıtma-soğutma eğrisi ısıya bir numuneden sabit bir oranda eklenir veya çıkarıldığında meydana gelen değişiklikleri gösterir. • Durum değişimi boyunca ısıda değişiklik oldukça sıcaklık sabittir.(q = n ΔH°phase change). Her iki fiziksel durumda bir faz değişimi sırasında mevcut (iki faz arasında bir denge vardır). • Bir durum içinde ısı eşliğinde sıcaklık değişir (q = cphase m ΔT). Suyun ısı eğrisi 80 Şekil 11.36 Suyun ısı eğrisi • Bölüm 1: Katı buz -25°Cden 0°C ye kadar ısıtılırsa. q = cbuz m ΔT • Bölüm 2: Katı buz 0°C de su içerisinde eritilirse q = n ΔH°erime • Bölüm 3: Sıvı su 0°C den 100°Cye kadar ısıtılırsa q = csıvı m ΔT • Bölüm 4: Sıvı su 100°C de buharlaştırılırsa q = n ΔH°buh • Bölüm 5:Buhar 100°C den125°C ye ısıtlırsa q = cbuhar m ΔT 81 Örnek:ısı eğrisi 12. 100.0 g suyun 70.0°C den 120.0°C ye kadar buharlaşması için gerekli olan enerji miktarı nedir(in kJ) ?(ΔH°vap su için 40.67 kJ/mol, suyun ısı kapasitesi 4.184 J g-1 °C-1, ve suyun buhar kapasitesi 1.865 J g-1 °C-1.) (cf. p. 489.) Cevap: 242.0 kJ 82 Faz diyagramları 83 Faz diyagramları • Bir faz diyagramı stabil ve fazlar bir sıcaklığın fonksiyonu (x-ekseni) ve basıncı (y-ekseni) gibi bir maddenin değişiklikleri göstermek için kullanılan bir grafiktir. – Faz diyagramının her bir bölgesine, söz konusu fazda stabil olan bir dizi şartı karşılık gelir – Bölgelerdeki ayrı çizgiler farklı durumlar arasındaki geçişi temsil eder, bu durumların özel sıcaklık ve basınçta denge durumunda olmaları gerekmektedir Su için faz diyagramı 85 Figure 11.37 Faz diyagramının bir kısmı • Üç durumun karşılaştığı noktadaki sıcaklık ve basınç denge durumu olarak kabul edilir. H2O için,bu durum 0.0098°C ve 0.0060 atm.) • Su içindeki katı-sıvı sınırı hafif negatif eğimlidir çünkü basınç arttıkça buzun erime noktasını azaltır. – Çünkü buzun yoğunluğu sudan azdır; basınç arttıkça sıvı hale geçer. – Çoğu maddenin eridiği zaman yoğunluğu azalır, ve katı-sıvı sınır çizgisinde pozitif eğime sahip olur. basınç ile erime noktası artar. 86 Faz diyagramının bir kısmı •Kritik noktada sivi-gaz hali ile sonlandiginda, kritik sicaklikta,Tç,bu sicakligin ötesinde bir gaz sivilasamaz, maddeye ne kadar basinç uygulanacagi bilinemez(Su için: 374.4°C and 217.7 atm.) –Kritik sicakligin üstünde gaz ve sivi fazlar ayirt edilemez;madde süper kritik akici olur. – Süper kritik akicilar siklikla iyi eritici olurlar.Kahve kafeinsiz hale gelir.üper kritik karbon dioksid kullanildiginda. Figure 11.32 Faz diyagramının içinde gezinme • Dikey çizgiler basınç değişimini temsil eder; yatay çizgiler sıcaklık değişimini temsil eder. 87 88 Şekil 11.38 CO2 için faz diyagram 89 Figure 11.39b I2 için faz diyagram 90 Figure 11.39a Katı hal 91 Katılar • Çoğu madde katıdır sıvı ya da gaz değildir. • Katılar iki geniş kategoriye ayrılırlar. Onların parçacıklarının düzenliliğine dayanır. – Kristal katıların iyi tanımlanmış şekli vardır ve parçacıkları yüksek düzenli dizilişe sahiptir. Örneğin; elmas, buz, kuvars – Amorf katıların parçacıkları rasgele düzensiz tanımlanmış dizilişe sahiptir.Örneğin;kömür,plastik,kauçuk,cam 92 kristaller • İyi tanımlanmış dizilişi bulunan kristal parçacıkları kristal kafes olarak adlandırır. • Üç boyutlu tekrarlanan kristalin kismi küçük yapısına birim hücre denir. birim hücrenin birkaç çeşidinin resimleri aşağıda verilmiştir NaCl kristal yapısı 93 kristaller ; basit kübik • Basit kübik bir birim hücrenin her bir köşesinde bir atom bulunur. her bir birim hücrenin içerisinde bir atom vardır. Her atom altı diğer atomla bağlanır. 94 Kristaller; beden merkezli kübik • Beden merkezli kübik birim hücre kübün her köşesinde bir atom vardır ve diger atomlar kübün merkezindedir. Her birim hücrede iki atom vardır.Kordinasyon numarası 8, ve verimliliği 68%. 95 Kristaller; yüz merkezli kübik • Yüz merkezli kübik birim hücre bir kübün herbir köşesinde bir atom vediğer atomlar kübün yüzey merkezindedir.Her birim hücrede 4 atom vardır. Kordinasyon numarası 12, ve verimlilik 74%. 96 kristaller; altıgen samimi paket • Altıgen samimi paket tepeler üzerinde atom yığınları olan,katmanlardan oluşan bir yapıdır. (tabaka A) ve tabaka B yarım küre oluşturur, bir altıgen birim hücrenin kordinasyon numarası 12ve verimliliği 74%. 97 Kristaller : Kübik samimi paket • Kübik samimi paket yükseklerde ve alçaklarda (katman A ve C) , arada katman B ve altıgen bir şekil oluştururlar, bir altıgen birim hücrenin kordinasyon numarası 12 ve verimliliği 74%. 98 X-ışını kristalografisi • Atomları görselleştirerek sıralamak için kısa dalgaboyunun ışığınuı kullanırız. • Teknik olarak X-ray ışınları kırınımı X ışınları katı bir maddenin kristallerinden geçirilir; yayılan X ışınlarının kristaller ile yaptığı açı gözlemlenir; atomların pozisyonları kararlı yapıda olabilir, buna ek olarak kovelent bağların uzunlukları ve madde içi bağların arasındaki açılar görülebilir. 99 Şekil 11.42 X-ışını kristalografisi 100 Figure 11.43 Kristal katıların türleri Figure 11.50 101 Kristal katıların türleri Type of Solid Moleküler katılar Intermolecular Forces Properties Examples London forces, Soft, low melting dipole-dipole H2O, Br2, CO2, points, forces, hydrogen CH4 nonconducting bonds Brittle, hard, İyonik katılar iyon-iyon kuvveti high melting points NaCl, KBr, MgCl2 Bağsız London forces atomk katılar Very low melting Ar, Kr, Xe points Metalik atomik katılar Variable hardness and melting point, conducting Metalik bağlar Covalent network solids Na, Zn, Cu, Fe C (diamond, graphite), SiO2 (quartz, etc.) 102 kristal katıların türleri : Moleküler katılar • Kristal katıların üç temel türü vardır: moleküler, iyonik ve atomik katılar • Moleküler katılar moleküllerarası kuvvetler tarafından kristal kafes içerisinde düzenli tutulmasıyla oluşur. onlar oldukça yumuşak ve nispeten düşük erime noktalarına sahiptirler. ısıyı ve elektriği hafif iletirler. (E.g, H2O). 103 Kristal katıların türleri : İyonik katılar • İyonik katılar zıt yükler olan anyon ve katyonlarınarasındaki güçlü çekimin etkisiyle kristal kafes içinde tutulmasıyla oluşur. • Kristal yapı formundaki bir iyonik bileşiğin anyon ve katyonları arasında bir denge vardır, iyonların kordinasyon numaraları ve nötr özelliklerini korumaya ihtiyaçları vardır. • Bu maddeler sert,kırılgan ve yüksek erime noktasına sahiptirler.(e.g., CsCl, NaCl, ZnS). 104 Kristal katıların türleri : Atomik katılar • Atomik katılar birbirinden ayrı atomlardan oluşur. • Bağsız atomik katılar London kuvvetleri tarafından tutulur. Çok düşük erime noktalarına sahiptirler ve atomik kütle arttıkça artar. Buna asal gazların katı formlarıda dahildir. (Ar, mp - 189°C; Xe, mp -112° C). 105 Kristal katıların türleri: Atomik katılar • Metalik atomik katılar metal atomların geniş dizisinden oluşur.bunlar kısmen gevşek olarak birbirine tutunur (elektron deniz modeli). – Erime noktaları çok düşükten çok yükseğe değişir (Hg, -38.8°C) t (Fe, mp 1809° – Sıcaklığı ve elektriği son derece iyi iltirler. (e.g., Cu, Fe, Al). 106 Şekil 11.56 Kristal katıların türleri: Atomik katılar • Kovalent bağlı katılar atomların kovelent bağlarla bağlanmasıyla oluşan dev üç boyutlu dizidir. Çok sert,uç derecede yüksek erime ve kaynama noktalarına sahiptirler. – Elmaslar bir karcon atomunun diğer karbon atomuyla yaptığı tetral geometriden oluşur. Elmasın erime noktası (3800°C) dir ve karbonkarbon kovalent bağlar güçlü yasıma yaparlar.Grafit karbon atomlarının düzenli tabakalarından oluşur. – Sİlikatlar dünya kanuğunun neredeyse 90% lık kısmıını oluşturur,silikatın formülü (SiO2). Kuvars SiO4 gruplarının tetrahedral şekilde diziliminden oluşur. 107 Şekil 11.57 Şekil 11.58 Kovalent bağlı katılar Grafit Elmas Kovalent bağlı katılar Buckminsterfullerene (C60) “Fullerenes” “Buckyballs” 108 Carbon nanotube 109 Amorf katılar • Amorf katılar uzun zincirlerden oluşur, moleküllerin herbiri diğerine karışmış şekildedir – Bu maddeler genel olarak ısı ve elektriği iyi iletmezler. – Erime noktaları düşüktür. Soğudukça kademeli olarak sertleşirler ve ısıtıldıkça yumuşarlar. – Ör: kömür,plastik,kauçuk,cam 110 Sıvı kristaller • Bazı sıcaklıklarda bazı maddeler ne sıvı ne de katı haldelerdir. Bu maddelerde viskoziteli sıvılar gibi sıvı kristaller hareket eder fakat katılar gibi hareket aralıkları sınırlıdır. • Sıvı kristallerin molekülleri uzun,sert ve çubuğa benzer şekildedir; birlikte tutulduklarında her biri diğerine paralel olur. Moleküllerde olabilecek şekiller slaytta gösterilmiştir. Fakat onlar sonunda dönmeyedebilir. • En yaygın durumlardan ikisi; moleküllerin en sonunda rasgele dizildiği nematik durum ve moleküllerin katman şeklinde dizildiği simatik durumdur. 111 Sıvı kristaller 112 Sıvı kristallerin görüntüsü • Sıvıların kristal molekülleri elektriksel alana oldukça duyarlıdır. • sıvı kristallere küçük voltajda elektrik verildiğinde, tabakalar arasından geçen ışık miktarı çeşitli olabilir, piksel çeşitli görüntüler oluşturabilir. 113 Sıvı kristallerin görüntüsü 114 İletkenler,yarıiletkenler ve yalıtkanlar • Bağ teorisi kristal maddelerdeki elektronların davranışlarını inceler.Her bir atomun üzerinde kristal orbitallerin koleksiyonu vardır. – Bağ içeren orbitallerde azalan enerji aralığında enerji durumu sürekli olana kadar denge durumundadır. – Orbitallerde bağ yoksa ve sürekli enerji verilirse iletkenlik artar. 115 İletkenler,yarıiletkenler ve yalıtkanlar • Metallerde iletim ve denge bantları arasında küçüktür, elektron şeritleri vardır.Böylece metaller ısıyı ve elektriği ileten madde gibi davranırlar. • Ametallerde bant aralığı çok geniştir,elektronlar birbirine uzaktır.Bu yüzden ametaller yalıtkandır. • Yarı iletkenlerde bant aralığı küçüktür,bazı durumlarda bazı durumlarda elektron iletim bantına yaklaşır.Sonuçta da sınırlı yetenekte elektrik iletilir. 116
