Gerçek Gazlar - İdeal Gaz Yasasından Sapma

Bu noktaya kadar, ideal gaz yasası, PV = nRT, reaksiyon stokiyometrisi ve ampirik ve moleküler formül problemlerinden bir gazın yoğunluğunu ve molar kütlesini belirlemeye kadar çeşitli farklı problem türlerine uygulanmıştır. Bununla birlikte, bir gazın davranışı genellikle ideal değildir. Bu da basıncı, hacmi ve sıcaklığı arasındaki gözlenen ilişkilerin gaz yasaları tarafından doğru bir şekilde tanımlanmadığı anlamına gelir. 

Kinetik moleküler teoriye göre, ideal bir gazın parçacıkları birbirleri üzerinde çekici veya itici kuvvetler göstermezler. Kabın hacmine kıyasla ihmal edilebilir hacme sahip oldukları varsayılır. Oda sıcaklığında ve 1 atm veya daha düşük basınç altında, gazlar ideal gaz denkleminde belirtilen ideal davranışı izler.

Bununla birlikte, daha yüksek basınçlarda veya daha düşük sıcaklıklarda, ideal gaz yasasından sapmalar meydana gelmektedir ve bu da gazın basıncı, hacmi ve sıcaklığı arasında gözlemlenen ilişkilerin doğru bir şekilde takip edilmediği anlamına gelmektedir.

n‘yi çözmek için ideal gaz denklemini yeniden düzenlemek şunu verir:

1 mol ideal gaz için basınçtan bağımsız olarak PV/RT = 1’dir. Bu oranın birden herhangi bir tarafa sapması, ideal olmayan davranışın göstergesidir.

İdeal gaz yasası, nispeten yüksek basınçlardaki gaz davranışını tam olarak tanımlamaz. Yani, oran sadece düşük basınçlarda 1’e eşittir. Ancak basınç yükseldikçe, PV/RT 1’den sapmaya başlar ve bu sapma tek tip bir sapma değildir. Yüksek basınçlarda ideal davranıştan sapma miktarı da büyük olup, her gaz için farklıdır. Diğer bir deyişle, gerçek gazlar yüksek basınçta ideal olarak davranmazlar. Daha düşük basınçlarda (genellikle 10 atm’nin altında), ideal davranıştan sapma küçüktür ve ideal gaz denklemini kullanabiliriz.

Varsayımsal bir ideal gazın parçacıkları önemli bir hacme sahip değildir ve birbirlerini çekmez veya itmezler. Genel olarak, gerçek gazlar nispeten düşük basınçlarda ve yüksek sıcaklıklarda bu davranışa yaklaşır. Yüksek basınçlarda, bir gazın molekülleri birbirine yaklaşır ve moleküller arasındaki boşluk miktarı azalır. Daha yüksek basınçlarda, gaz moleküllerinin hacmi, gazın kapladığı toplam hacme göre kayda değer hale gelir. Bu nedenle gaz, yüksek basınçlarda daha az sıkıştırılabilir hale gelir. Hacmi artan basınçla azalmaya devam etse de, bu azalma Boyle yasasının öngördüğü gibi orantılı değildir.

Nispeten düşük basınçlarda, gaz molekülleri pratik olarak birbirlerini çekmezler çünkü (ortalama olarak) birbirlerinden oldukça uzaktırlar ve neredeyse ideal bir gazın parçacıkları gibi davranırlar. Daha yüksek basınçlarda, çekim gücü de artık önemsiz değildir. Bu kuvvet molekülleri birbirine biraz daha yaklaştırır, basıncı hafifçe azaltır (hacim sabitse) veya hacmi azaltır (sabit basınçta). Bu değişiklik, düşük sıcaklıklarda daha belirgindir. Çünkü moleküller, çekici kuvvetlere göre daha düşük KE’ye sahiptir. Bu nedenle, birbirleriyle çarpıştıktan sonra bu çekimlerin üstesinden gelme konusunda daha az etkilidirler.

İdeal gaz yasasına göre gaz davranışına daha iyi yaklaşan birkaç farklı denklem vardır. Bunlardan ilki ve en basiti, 1879’da Hollandalı bilim adamı Johannes van der Waals tarafından geliştirilmiştir. Van der Waals Denklemi, iki terim ekleyerek ideal gaz yasasını modifiye etmiştir: terimlerden biri gaz moleküllerinin hacmini ve diğeri ise aralarındaki çekici kuvvetleri hesaba katmak için eklenmiştir.

a sabiti , belirli bir gazın molekülleri arasındaki çekimin gücüne, b sabiti ise belirli bir gazın moleküllerinin boyutuna karşılık gelir. İdeal gaz yasasındaki basınç terimi an²/V² ile “düzeltilir” ve hacim ise nb ile “düzeltilir”. V nispeten büyük ve n nispeten küçük olduğunda, bu iki düzeltme terimlerinin de ihmal edilebilir hale geldiğini ve van der Waals denkleminin ideal gaz yasasına PV = nRT indirgendiğini unutmayınız. Böyle bir durum, nispeten düşük sayıda molekülün kapladığı nispeten büyük hacmi, yani düşük basınç altındaki bir gaza karşılık gelir.

Düşük basınçlarda, moleküller arası çekim düzeltmesi a, moleküler hacim b için olan düzeltmeden daha önemlidir. Yüksek basınçlarda ve küçük hacimlerde, moleküllerin hacminin düzeltilmesi önemli hale gelir. Çünkü moleküllerin kendisi sıkıştırılamaz ve toplam hacmin kayda değer bir kısmını oluşturur. Bazı ara basınçlarda, iki düzeltmenin zıt etkileri vardır ve gaz, küçük bir basınç aralığında PV = nRT ile verilen ilişkiyi izler görünmektedir.

Açıkça söylemek gerekirse, ideal gaz denklemi, gaz molekülleri arasındaki moleküller arası çekimler ihmal edilebilir olduğunda ve gaz moleküllerinin kendileri tüm hacmin kayda değer bir kısmını işgal etmediğinde doğru sonuçlar verir. Bu kriterler, düşük basınç ve yüksek sıcaklık koşulları altında karşılanır. Bu koşullar altında, gazın ideal şekilde davrandığı söylenir ve gaz yasalarından sapmalar, göz ardı edilebilecek kadar küçüktür — ancak bu durum çoğu zaman geçerli değildir.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 9.2: Non-ideal Gas Behavior.