Maddenin Fiziksel Halleri

Maddenin halleri ve tanecik modeli

Bir bardak su, içindeki buz küpleri ve bardağın üstündeki su buharı aynı maddedir: hepsi \(\text{H}_2\text{O}\) moleküllerinden oluşur. Onları birbirinden ayıran şey moleküllerin kendisi değil, nasıl dizildikleri ve nasıl hareket ettikleridir. Maddenin fiziksel hali, taneciklerin (atom, molekül ya da iyon) birbirine ne kadar yakın olduğuna, ne kadar düzenli dizildiğine ve ne tür bir hareket yaptığına göre belirlenir. Hal değiştiren bir maddenin kimliği değişmez; erime, kaynama ya da süblimleşme fiziksel değişimdir.

Bu farkın arkasında iki zıt eğilim vardır. Tanecikler arasındaki çekim kuvvetleri onları bir arada tutmaya çalışır; taneciklerin hareket enerjisi (kinetik enerji) ise onları birbirinden uzaklaştırmaya çalışır. Sıcaklık düşükken çekim baskındır ve madde katıdır. Isıtıldıkça tanecikler hızlanır, önce yerlerinden kayabilecek kadar serbestleşir (sıvı), sonra çekimden tamamen kurtulup birbirinden uzaklaşır (gaz).

Katı ve sıvılarda tanecikler zaten birbirine dokunacak kadar yakındır; bu yüzden ikisi de neredeyse sıkıştırılamaz. Gazda ise taneciklerin kapladığı hacim, gazın toplam hacminin yanında çok küçüktür; aradaki boşluklar sayesinde gaz kolayca sıkıştırılır. Bir maddenin genellikle katısı sıvısından yoğundur. Su önemli bir istisnadır: buzda su molekülleri arasında boşluklu bir düzen oluşur ve buz sudan daha az yoğundur. Göllerin yüzeyden donması ve buzun suda yüzmesi bundandır.

Oda koşullarında sıvı ya da katı olan bir maddenin gaz haline buhar denir: su buharı, iyot buharı, alkol buharı. Oda koşullarında zaten gaz olan maddeler için (oksijen, azot) "gaz" sözcüğü kullanılır.

Katılar: kristal ve amorf katılar

Katılarda tanecikler yerlerinde titreşir ama yer değiştirmez; bu yüzden katıların belirli bir şekli ve hacmi vardır. Katılar, taneciklerinin dizilişine göre ikiye ayrılır. Kristal katılarda tanecikler üç boyutta, uzun mesafe boyunca kendini tekrar eden düzenli bir örgü oluşturur. Sofra tuzu, buz, kuvars, şeker ve metaller kristal katılardır. Amorf katılarda ise düzen yalnızca birkaç tanecik çevresinde vardır; uzun mesafede tanecikler gelişigüzel dizilir. Pencere camı, kauçuk ve birçok plastik amorf katıdır.

Bu yapı farkı ısıtıldıklarında açıkça görülür. Kristal bir katının bütün tanecikleri aynı ortamda bulunduğu için hepsi aynı sıcaklıkta serbestleşir: kristal katıların belirli bir erime noktası vardır. Amorf katılarda ise bazı tanecikler daha zayıf tutulduğu için önce onlar serbestleşir; amorf katı ısıtıldıkça belirli bir sıcaklık aralığında yavaş yavaş yumuşar. Cam ustasının camı kızdırıp şekil verebilmesi bu yumuşama aralığı sayesindedir. Kristaller kırıldığında düzgün yüzeyler verir; cam ise kavisli, keskin kenarlı parçalara ayrılır.

Kristal katıların türleri

Kristal katılar, örgüyü oluşturan taneciklerin türüne ve onları bir arada tutan etkileşime göre dört gruba ayrılır. Hangi grupta olduğunu bilmek, bir katının erime noktasını, sertliğini ve elektrik iletkenliğini tahmin etmeyi sağlar.

• İyonik kristaller: Örgü noktalarında pozitif ve negatif iyonlar sırayla dizilir ve güçlü iyonik bağlarla tutulur. NaCl (erime noktası 801 °C), MgO, KBr örnektir. Erime noktaları yüksektir, serttirler ama kırılgandırlar. Katı haldeyken iyonlar yerinden oynayamadığı için elektriği iletmezler; eridiklerinde ya da suda çözündüklerinde iyonlar serbestçe hareket eder ve elektriği iletirler.
• Moleküler kristaller: Örgü noktalarında moleküller bulunur. Molekül içindeki atomlar kovalent bağla bağlıdır, ama moleküller birbirine zayıf etkileşimlerle tutunur. Buz, iyot (\(\text{I}_2\), erime noktası 114 °C), kuru buz (katı \(\text{CO}_2\)) ve şeker örnektir. Erime noktaları genellikle düşüktür, yumuşaktırlar, katı ya da sıvı hallerinde elektriği iletmezler. İyot ve kuru buz gibi bazıları kolayca süblimleşir.
• Kovalent (ağ örgülü) kristaller: Bütün kristal, atomların birbirine kovalent bağlarla bağlandığı dev bir ağdır; ayrı moleküller yoktur. Elmas, grafit ve kuvars (\(\text{SiO}_2\), erime noktası yaklaşık 1 700 °C) örnektir. Erime noktaları çok yüksektir ve çoğu çok serttir; elmas bilinen en sert doğal maddedir. Genellikle elektriği iletmezler. Grafit önemli bir istisnadır: katmanlı yapısındaki serbest elektronlar sayesinde elektriği iletir ve kurşun kalem ucu olarak kullanılır.
• Metalik kristaller: Örgü noktalarında metal katyonları bulunur ve bu katyonların arasında serbestçe dolaşan değerlik elektronları (elektron denizi) vardır. Demir, bakır (erime noktası 1 085 °C), alüminyum ve sodyum örnektir. Katı halde de elektriği ve ısıyı iyi iletirler, parlaktırlar, tel ve levha haline getirilebilirler. Erime noktaları çok geniş bir aralıktadır: cıva oda sıcaklığında sıvıdır (erime noktası −39 °C), sodyum 98 °C'de erir, tungsten 3 400 °C'nin üstünde.

Sıvılar: buharlaşma ve buhar basıncı

Sıvıda tanecikler birbirine yakındır ama yerleri sabit değildir; birbirlerinin üzerinden kayarak hareket eder. Bu yüzden sıvılar akar, bulundukları kabın şeklini alır ama hacimleri belirlidir. Bir sıvıdaki taneciklerin hepsi aynı hızda hareket etmez; bazıları ortalamadan çok daha hızlıdır. Yüzeye yakın ve yeterince hızlı olan tanecikler, çevresindeki taneciklerin çekiminden kurtulup gaz haline geçer. Buna buharlaşma denir. Buharlaşma sıvının yalnızca yüzeyinde olur ve her sıcaklıkta gerçekleşir; açıkta bırakılan su, kaynamadığı halde zamanla azalır.

Buharlaşan tanecikler en enerjili olanlardır. Onlar ayrıldığında geride kalan taneciklerin ortalama enerjisi azalır, sıvı ve temas ettiği yüzey soğur. Terlemenin vücudu serinletmesi, ele sürülen kolonyanın serinlik hissi vermesi, toprak testideki suyun serin kalması hep buharlaşmanın soğutucu etkisindendir. Buharlaşma hızı sıcaklık arttıkça, sıvının yüzey alanı büyüdükçe, ortamdaki buhar (nem) azaldıkça ve hava hareketi (rüzgâr) arttıkça artar. Tanecikler arası çekimi zayıf olan sıvılar (eter, aseton, alkol) daha hızlı buharlaşır; bunlara uçucu sıvılar denir.

Şimdi sıvıyı kapalı ve havası boşaltılmış bir kaba koyalım. Başta yalnızca buharlaşma olur. Buhardaki tanecik sayısı arttıkça bazıları sıvı yüzeyine çarpıp yeniden sıvıya katılır (yoğuşma). Bir süre sonra birim zamanda buharlaşan ve yoğuşan tanecik sayıları eşitlenir; buhardaki tanecik sayısı artık değişmez. Bu durumda buharın yaptığı basınca sıvının o sıcaklıktaki buhar basıncı (denge buhar basıncı) denir.

Buhar basıncı yalnızca iki şeye bağlıdır:

• Sıcaklık: Sıcaklık arttıkça yüzeyden kopabilecek kadar hızlı tanecik sayısı artar ve buhar basıncı hızla yükselir.
• Sıvının cinsi (tanecikler arası çekim): Aynı sıcaklıkta tanecikler arası çekimi zayıf olan sıvının buhar basıncı büyüktür. 20 °C'de suyun buhar basıncı yaklaşık 18 mmHg, etanolünkü 44 mmHg, dietil eterinki 440 mmHg'dir. Su molekülleri arasındaki etkileşim üçünün içinde en güçlü olanıdır.

Kaynama ve dış basınç

Bir sıvı ısıtıldıkça buhar basıncı artar. Buhar basıncı sıvının üzerindeki dış basınca eşit olduğunda buhar kabarcıkları yalnızca yüzeyde değil, sıvının her yerinde oluşup büyüyebilir; sıvı kaynar. Kabarcık içindeki buharın basıncı dış basınçtan küçük olsaydı kabarcık ezilip kaybolurdu. Bu yüzden kaynama koşulu

biçiminde yazılır. Dış basınç 1 atm (760 mmHg) iken ölçülen kaynama noktasına normal kaynama noktası denir: suyunki 100 °C, etanolünki 78,4 °C, dietil eterinki 34,6 °C'dir. Saf bir sıvı kaynarken verilen ısı sıvıyı buhara dönüştürmek için kullanılır ve sıvının sıcaklığı sabit kalır. Isıtıcıyı güçlendirmek kaynamayı hızlandırır ama sıcaklığı yükseltmez.

Kaynama noktası sıvının miktarına bağlı değildir; bir bardak su da bir tencere su da deniz kıyısında 100 °C'de kaynar. Değişen, kaynamaya kadar geçen süre ve suyun tamamının buharlaşması için gereken ısıdır. Kaynama noktası ise dış basınca bağlıdır:

• Dış basınç azalırsa kaynama noktası düşer. Yükseklere çıktıkça atmosfer basıncı azalır. Yaklaşık 3 000 m yükseklikte hava basıncı 526 mmHg civarındadır ve su yaklaşık 90 °C'de kaynar. Everest zirvesinde (yaklaşık 250 mmHg) su 72 °C civarında kaynar; bu sıcaklıkta makarna ve yumurta zor pişer.
• Dış basınç artarsa kaynama noktası yükselir. Düdüklü tencerede buhar dışarı kaçamaz ve içerideki basınç yaklaşık 2 atm'ye çıkar. Su ancak buhar basıncı bu değere ulaştığında, yani yaklaşık 120 °C'de kaynar. Daha sıcak suda yemek daha kısa sürede pişer.

Buharlaşma ile kaynamanın farkını bir arada görmek işe yarar: buharlaşma her sıcaklıkta ve yalnız yüzeyde olur; kaynama belirli bir sıcaklıkta (buhar basıncı dış basınca eşitken) ve sıvının her yerinde olur. İkisi de ısı alan (endotermik) olaylardır.

Viskozite ve yüzey gerilimi

Viskozite, bir sıvının akmaya karşı gösterdiği dirençtir. Bal, gliserin ve motor yağı viskozitesi yüksek, su ve aseton viskozitesi düşük sıvılardır. Viskoziteyi belirleyen etkenler şunlardır:

• Tanecikler arası çekim: Çekim kuvvetleri güçlü olan sıvının tanecikleri birbirinin üzerinden zor kayar, viskozitesi büyüktür. Gliserin moleküllerinin her biri üç –OH grubuyla komşularına güçlü biçimde tutunur; gliserinin viskozitesi oda sıcaklığında suyunkinin bin katından fazladır.
• Taneciklerin büyüklüğü ve şekli: Uzun zincirli, birbirine dolanabilen moleküllerden oluşan sıvılar (yağlar) daha viskozdur.
• Sıcaklık: Sıcaklık arttıkça tanecikler çekimi daha kolay yener ve viskozite azalır. Bal ısıtılınca akışkanlaşır; soğuk havada motor yağı koyulaşır.

Viskozite sıvının miktarına bağlı değildir: bir kaşık bal ile bir kavanoz bal aynı sıcaklıkta aynı viskozitededir.

Yüzey gerilimi, bir sıvının yüzeyinin gerilmiş ince bir zar gibi davranmasıdır. Sıvının içindeki bir tanecik her yönden komşuları tarafından eşit çekilir. Yüzeydeki taneciğin ise üstünde komşusu yoktur; yanlardan ve içeriden çekilir. Bu net içe doğru çekim yüzeyi olabildiğince küçültmeye çalışır. Yüzey gerilimi sayesinde serbest düşen damlalar küreye yakın şekil alır (aynı hacim için en küçük yüzey küredir), kuru bir toplu iğne ya da jilet suyun yüzeyinde dikkatle bırakılırsa batmadan kalabilir, bazı böcekler su yüzeyinde yürüyebilir.

Yüzey gerilimi de tanecikler arası çekim güçlendikçe artar ve sıcaklık arttıkça azalır. Su, güçlü etkileşimleri nedeniyle yüzey gerilimi yüksek bir sıvıdır; cıvanınki ise metalik bağ nedeniyle çok daha yüksektir ve cıva damlaları neredeyse tam küre şeklindedir. Sabun ve deterjanlar suyun yüzey gerilimini azaltır; su böylece kumaşın liflerinin arasına daha kolay girer ve temizlik kolaylaşır. Sıcak suyla yıkamanın daha etkili olmasının nedenlerinden biri de sıcaklıkla yüzey geriliminin azalmasıdır.

Gazlar ve kinetik teori

Gaz tanecikleri birbirinden çok uzaktır ve aralarındaki çekim neredeyse yok sayılabilir. Bu yüzden gazlar bulundukları kabın tamamını doldurur, belirli bir şekilleri ve hacimleri yoktur, kolayca sıkıştırılır ve birbirleriyle her oranda karışarak homojen karışım oluşturur. Bir gazın başka bir gaz içinde kendiliğinden yayılmasına difüzyon denir; odanın bir köşesinde açılan parfümün kokusunun kısa sürede her yere ulaşması bir difüzyon örneğidir.

Gazların davranışını açıklayan kinetik teorinin temel fikirleri şunlardır:

• Gaz tanecikleri sürekli, gelişigüzel ve doğrusal hareket eder; yönleri yalnızca çarpışmalarla değişir.
• Taneciklerin kendi hacimleri, aralarındaki boşluğun yanında çok küçüktür.
• Tanecikler arasındaki çekim ve itme kuvvetleri ihmal edilecek kadar küçüktür.
• Tanecikler birbirleriyle ve kabın çeperiyle çarpışır; çarpışmalarda toplam kinetik enerji korunur. Gazın basıncı, taneciklerin kabın çeperine çarpmasından doğar.
• Taneciklerin ortalama kinetik enerjisi yalnızca mutlak sıcaklığa bağlıdır ve sıcaklıkla artar. Aynı sıcaklıktaki bütün gazların ortalama kinetik enerjisi eşittir.

Son madde önemli bir sonuç verir. Aynı sıcaklıkta He atomları ile \(\text{SO}_2\) moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi aynıdır. Kinetik enerji \(\frac{1}{2}mv^2\) olduğundan, kütlesi küçük olan He atomları ortalama olarak çok daha hızlı hareket eder ve daha hızlı yayılır. Gazların basınç, hacim, sıcaklık ve miktar ilişkileri sayısal olarak AYT'deki Gazlar konusunda işlenir.

Plazma: maddenin dördüncü hali

Bir gaz çok yüksek sıcaklığa ısıtılırsa ya da güçlü bir elektrik alanına konursa atomlarından elektronlar kopar. Ortaya pozitif iyonlar, serbest elektronlar ve bir miktar nötr tanecikten oluşan bir karışım çıkar. Bu hale plazma denir. Plazma bütün olarak elektrikçe nötrdür ama içinde serbest yüklü tanecikler bulunduğu için elektriği iletir ve elektrik ile manyetik alanlardan etkilenir; bu özellikleriyle gazdan ayrılır.

Güneş ve diğer yıldızlar büyük ölçüde plazma halindedir; evrendeki görünür maddenin büyük bölümü bu haldedir. Dünya'da şimşek ve yıldırım, kutup ışıkları, neon reklam lambaları ve floresan lambaların içi plazma örnekleridir. Plazmayı oluşturmak için yüksek enerji gerektiği için Dünya yüzeyinde doğal olarak kalıcı plazma pek bulunmaz.

Hal değişimleri ve ısınma eğrisi

Hal değişimleri, maddenin ısı alarak ya da vererek bir halden diğerine geçmesidir. Isı alan (endotermik) değişimler tanecikleri birbirinden uzaklaştırır, ısı veren (ekzotermik) değişimler yaklaştırır:

Naftalinin ve kuru buzun zamanla küçülmesi süblimleşmedir. Kışın soğuk gecelerde havadaki su buharının sıvıya dönüşmeden doğrudan buz kristallerine dönüşmesiyle oluşan kırağı ise kırağılaşmadır. Saf bir madde için aynı basınçta erime noktası donma noktasına, kaynama noktası yoğuşma noktasına eşittir. Su 0 °C'de hem erir hem donar; hangi yönde ilerleyeceğini ısının alınması ya da verilmesi belirler.

Saf bir katıyı sabit hızla ısı veren bir ısıtıcıyla ısıtıp sıcaklığını zamana karşı çizersek ısınma eğrisi elde ederiz:

Eğri beş parçadan oluşur. Eğimli parçalarda madde tek haldedir (katı, sıvı ya da gaz) ve aldığı ısı sıcaklığını yükseltir; taneciklerin ortalama kinetik enerjisi artar. Yatay parçalarda ise iki hal bir aradadır ve sıcaklık, madde ısı almaya devam ettiği halde sabit kalır. Bu sırada alınan ısı, tanecikler arasındaki çekimi yenmek için harcanır: taneciklerin ortalama kinetik enerjisi değişmez, potansiyel enerjisi artar. İlk düzlük erime noktasında, ikincisi kaynama noktasındadır. Isıtıcı sabit hızla ısı verdiğine göre bir düzlüğün uzunluğu, o hal değişimi için gereken ısıyla orantılıdır. Kaynama düzlüğünün erime düzlüğünden genellikle çok daha uzun olmasının nedeni, taneciklerin birbirinden tamamen ayrılması için daha çok enerji gerekmesidir.

Aynı maddeden daha büyük kütleli bir örnek aynı ısıtıcıyla ısıtılırsa erime ve kaynama noktaları değişmez; yalnızca her parça daha uzun sürer. Erime ve kaynama noktası ayırt edici özelliktir; kütle ve hal değişimi süresi ise ayırt edici değildir. Soğuma eğrisi aynı şeyin tersidir: gaz soğur, yoğuşma düzlüğü (kaynama noktasında), sıvı soğur, donma düzlüğü (erime noktasında), katı soğur. Soğuma sırasında madde çevresine ısı verir.

Saf madde ile karışımın farkı

Saf bir madde sabit basınçta belirli bir sıcaklıkta erir ve belirli bir sıcaklıkta kaynar; hal değişimi süresince sıcaklık sabit kalır. Karışımlarda durum farklıdır. Tuzlu su ısıtıldığında 100 °C'nin biraz üstünde kaynamaya başlar. Kaynadıkça yalnızca su buharlaşır, tuz geride kalır; çözelti derişikleşir ve kaynama sıcaklığı giderek yükselir. Benzer biçimde tuzlu su 0 °C'nin altında donmaya başlar ve donarken sıcaklığı düşmeye devam eder. Karışımlarda hal değişimi tek bir sıcaklıkta değil, bir sıcaklık aralığında gerçekleşir.

Bu fark, bir sıvının saf olup olmadığını anlamak için kullanılır: kaynama ya da erime süresince sıcaklık değişiyorsa örnek karışımdır. Kışın buzlu yollara tuz serpilmesi de aynı ilkeye dayanır. Tuz, buzun yüzeyindeki ince su tabakasında çözünür; oluşan tuzlu su 0 °C'de donmaz, buz erir ve yol daha düşük sıcaklıklara kadar buzlanmaz. Hava çok soğuksa tuzun etkisi azalır.