Maddenin Farklı Hallerde Olmasının Önemi

Doğada bulunan maddeleri incelediğimizde üç farklı fiziksel hâlde bulunduklarını görürüz. Bunlar; maddenin katı, sıvı ve gaz hâlleridir.

Toprak ve kayaçlar katı, denizler ve göllerde bulunan su sıvı, hava ise gaz hâlindedir. Kimya, yüzyıllarca maddenin bu üç hâli ile ilgilenmiş ve birbirlerine göre karşılaştırmalarını yapmıştır. Ancak 1930 yılından beri maddenin döndüncü hâlinden bahsedilmektedir. Bu fiziksel hâl, maddenin plazma hâlidir.

Maddenin katı, sıvı ve gaz hâlleri
Maddenin katı, sıvı ve gaz hâlleri

Yukarıdaki şekilde maddenin katı, sıvı ve gaz hâllerinde bulunan taneciklerin birbirlerine göre konumları görülmektedir.

Maddelerin tanecikleri arasında bulunan zayıf etkileşimlerin farklı güçlerde olduğunu biliyoruz. Zayıf etkileşimler içinde hidrojen bağı en güçlü, London kuvvetleri ise en zayıf etkileşimlerdir. Bu sebeple farklı maddelerin erime ve kaynama noktaları çoğunlukla farklıdır. Doğada bulunan maddeler farklı erime ve kaynama noktalarına sahip oldukları için farklı fiziksel hâllerde bulunurlar. Bir taş parçası katı hâldeyken zeytinyağı sıvı, metan ise gaz hâlindedir.

Maddenin Sıvı Hali

Maddelerin tanecikleri arasında farklı güçteki çekim kuvvetlerinin bulunması, farklı fiziksel hâllerde bulunmalarını sağlar. Yeterli enerji alışverişi ile maddenin hâlleri arasında geçişler olması da Dünya’yı yaşanabilir bir gezegen hâline getirir.

Su molekülünün kutuplu (polar) yapısı
Su molekülünün kutuplu (polar) yapısı

Dünya’da en bol bulunan maddelerden birisi sudur. Su, hidrojen ve oksijen atomlarından oluşan, H2 O molekül yapısında bulunan polar moleküllü bir maddedir. Su molekülleri arasında kaynama noktasında belirleyici olan hidrojen bağları bulunur. Suyun normal atmosfer basıncındaki (1 atm) erime noktası 0 °C, kaynama noktası ise 100 °C değerindedir.

Normal atmosfer basıncında 0 °C ve altındaki sıcaklıklarda katı hâlde olan saf su
Normal atmosfer basıncında 0 °C ve altındaki sıcaklıklarda katı hâlde olan saf su

Su, bütün sıvılarda olduğu gibi sıvı olduğu her sıcaklıkta buharlaşabilen bir maddedir. Bunun için doğada 0 °C ve altındaki sıcaklıklarda katı hâlde, 0 °C ve üzerindeki sıcaklıklarda ise sıvı ve gaz hâlinde bulunur. Dünya yüzeyindeki sıcaklık değişimleri sayesinde su sürekli fiziksel hâlini değiştirerek bir döngü oluşturur.

Su Döngüsü

Su döngüsü
Su döngüsü

Doğal bir şekilde gerçekleşen suyun doğadaki bu hareketine su döngüsü denir.

Yeryüzünde okyanuslarda, göllerde ve toprağın yapısında bulunan su, Güneş ışınlarından alınan enerji ile buharlaşır. Bu buharlaşma olayında suyun içinde bulunan safsızlıklar yeryüzünde kalır. Bu şekilde deniz suyu tuzundan, kirlenmiş bir su kaynağı da içindeki kirleticilerden arınarak buharlaşır. Atmosferin üst tabakalarına çıkan su buharı, sıcaklığın düşmesi ile çok küçük su zerrecikleri hâlinde yoğunlaşarak bulutları oluşturur. Bulutlar yeterli doygunluğa ulaştığında su zerrecikleri büyür ve kütlesinin artmasından dolayı yeryüzüne yağmur olarak düşer.

Bulutlardaki su buharı çok düşük sıcaklıklarla karşılaştığında kar veya dolu şeklinde de yeryüzüne dönebilir. Su döngüsü sayesinde daha yüksek veya kurak olan bölgelere bulutlar yardımı ile su taşınır. Yağış olarak temiz bir şekilde yeryüzüne düşen su, insanlar ve diğer canlılar tarafından kullanılarak kirletilir. Okyanuslarda ve çeşitli alanlarda biriken bu sular tekrar döngüye katılarak temizlenir. Bu işlem doğal bir damıtma işlemidir.

Dünyada sürekli olarak gerçekleşen bu doğal damıtma işlemi suyun temizlenmesini ve her yere ulaşmasını sağlayan bir sistemdir. Bu durum, buzun erime ve suyun buharlaşması sırasındaki sıcaklıkların Dünya’daki sıcaklık aralıklarında olması ve suyun her üç fiziksel hâlde de bulunabilmesi ile gerçekleşir.

Maddenin Gaz Hali

Maddelerin farklı sıcaklık ve basınç değerlerinde farklı hâllerde olmaları sayesinde günlük hayatta ve sanayide birçok maddenin farklı kullanım alanları oluşmuştur. Demir metali yüksek sıcaklıklarda kesinlikle erimediği ve sertliğini kaybetmediği için inşaat sektöründe çok yaygın olarak kullanılır.

Motor yağları belirli sıcaklık aralıklarında sürekli sıvı hâlde bulunduğundan sürtünmeyi azaltmak için araç motorlarında kullanılır. Bunun gibi sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG), sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG), deodorantlardaki itici gazlar ve soğutucularda kullanılan gazlar maddenin farklı fiziksel hâllerde bulunmasının farklı işlevler kazanmasına belirgin örneklerdir.

Sıvılaştırılmış petrol gazı (likit petrol gazı, LPG) ham petrolün damıtılmasından elde edilen ilk üründür. Renksiz, kokusuz ve yanıcı bir gaz olan LPG; yaklaşık %70 bütan, %30 propan gazlarını içerir. Petrol olan belirli bölgelerde çıktığı veya rafinerilerde petrolün damıtılması sırasında elde edildiği için kullanılması amacı ile dünyanın her yerine taşınabilmesi gerekmektedir.

LPG’nin özkütlesi gaz hâlinde 0,00186 g/mL, sıvılaştırılmış hâlinde ise 0,560 g/mL değerindedir. Bu değerler oranlandığında gaz hâlinden sıvı hâle getirilen bu maddenin hacminin yaklaşık 300 kat azaldığı görülür. Sıvılaştırıldığında hacmi 300 kat azalan bir maddenin taşınmasının da sıvı hâlde yapılması uygundur. Bu amaçla gaz 3-4 atmosferlik basınç altında sıvılaştırılıp karada tanker kamyonlarla, denizde ise tanker gemilerle kıtalar arasında taşınabilir.

LPG, tüplere doldurularak ısıtma amaçlı olarak evlerde kullanılabildiği gibi araçlarda yakıt olarak da kullanılmaktadır. Basınç altında tanker kamyonlarla taşınan LPG, benzin istasyonlarındaki depolarda basınç altında tutulur. Araçların LPG tanklarına basınç altında doldurulan sıvılıştırılmış gaz, araç motorunda gaz hâlinde yakılır. Bu şekilde araçlarda kullanılan LPG, otogaz olarak bilinir.

Sıvılaştırılmış doğal gaz (likit natürel gaz, LNG) yaklaşık %90 oranında metan gazı, %10 oranında da etan, propan ve diğer hidrokarbonları içerir. Sıvılaştırılması çok düşük sıcaklıklarda veya yüksek basınçlarda gerçekleştirilebildiği için depolanması ve nakliyesi zordur. Normal atmosfer basıncında (1 atmosfer) ancak –163 °C sıcaklığında sıvılaştırılabilir. LPG’nin taşındığı gibi tankerler yardımı ile deniz yolundan taşınabilse de karada daha çok doğal gaz boru hatları ile taşınır. Boru hatlarında bulunan doğal gaz, yoğunlaştırılmış gaz hâlindedir.

Metal ambalaj içinde bulunan deodorantlarda sıvı hâlde bulunan koku verici maddenin dışarıya püskürtülmesini, sıvısı ile denge hâlinde bulunan gaz sağlar. Propan, n-bütan veya izobütan gazları, deodorant kutularının içinde bulunan sıvı maddeyi dışarıya zerrecikler hâlinde püskürtürler. Bu gazlardan itici gazlar olarak bahsedilir.

Buzdolabı veya klimalarda kullanılan gazlara ise soğutucu akışkanlar denir. Soğutucu akışkanların kolaylıkla gaz ve sıvı hâlleri arasında geçiş yapabilmeleri özelliklerinden dolayı soğutucularda düşük sıcaklıklar elde edilebilir. Şimdiye kadar kullanılan freon-12 soğutucu akışkanı ozon tabakasına verdiği zarardan dolayı terk edilmiş, yerine puron gazı (%50 difloro metan, %50 floro etan) soğutucu akışkan olarak kullanılmaya başlanmıştır.

Hava bir gaz karışımıdır. Karışımda bulunan gazların oranları Dünya atmosferinde farklı yüksekliklerde değişmekle birlikte kuru havada yaklaşık olarak hacimce %78 azot (N2 ), %21 oksijen (O2 ), %0,9 argon (Ar) ve %0,1 oranında ise diğer gazlar bulunur. Havada yüksek oranda bulunan iki gaz N2 ve O2 gazlarıdır. Sanayide çeşitli amaçlar için kullanılan bu gazlar büyük oranda havadan elde edilir.

Hava, sıcaklığı düşürülerek soğutulur. Sıcaklığı –195,8˚C değerinin altına düşen hava sıvılaşır. Daha sonra sıvı hâldeki havada bulunan N2 sıvısı öncelikle kaynar ve ayrılır. Sıcaklık –183 °C değerine geldiğinde O2 gazı da kaynayarak gaz hâle geçer. Bu şekilde farklı sıcaklıklarda hâl değiştirdikleri için havada bulunan N2 ve O2 gazları ayrı ayrı elde edilmiş olur.

Elde edilen oksijen gazı kaynakçılıkta, hastalara solunum desteği için suni solunum cihazlarında ve çelik sanayisinde yaygın olarak kullanılır. Havadan elde edilen azot gazının en yoğun kullanıldığı alanlardan biri de suni gübre sanayisidir. Elde edilen N2 gazı, H2 gazı ile tepkimeye sokularak amonyak (NH3 ) elde edilir. Elde edilen NH3 maddesinden de çeşitli azotlu gübreler üretilir. Ayrıca sıvı azot tepkime verme yatkınlığı çok düşük olduğundan soğutucu olarak da kullanılır. Tıpta çeşitli ilaçlar, dokular veya bazı gıdalar sıvı azot içinde saklanır.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir