Maddenin halleri

04150032008/TUĞÇE NUR ÇİÇEK, 04150032018/SEDA NUR DELİKTAŞ,04150032024/BÜŞRANUR HIZ,04150032036/ÖZGE ERTAŞ,04150032044/FURKAN SÜTÇÜ,04150032075/ESLEM ÇOLAK

MADDENİN HALLERİ

Etkinliğin Amacı: Maddenin hal değişimlerini gözlemlemek

Etkinliğin Süresi: 45 dakika

Sınıf/Ünite/Konu: 5. Sınıf/Madde ve Değişim/Maddenin Hal Değişimi
ÖN BİLGİLER

Maddeler doğada katı, sıvı, gaz ve plazma hallinde bulunurlar. Bir maddenin fiziksel halini belirleyen temel nokta taneciklerin birbirlerine olan uzaklıkları ve buna bağlı olarak hareket edebilme yetenekleridir. Maddenin halleri iki seviyede karşılaştırılır:

1.Makroskobik Seviye: Cisimlerin dış görünüşlerine göre maddeyi nasıl algıladığımıza bağlıdır.



2.Mikroskobik Seviye: Maddeyi kimyacıların düşündüğü şekilde yani; atomlar ve moleküllere ve bunların davranışına göre tanımlar.


Biz de maddenin hallerini makroskobik seviye de tanımlayıp mikroskobik seviyede inceleyeceğiz.

Katı: Bu hali oluşturan taneciklerin arasındaki çekim kuvveti çok büyük olduğundan birbirlerine çok sıkı bağlanmışlardır. Tanecikler arası boşlular yok denecek kadar azdır.

Belirli bir şekli ve hacmi vardır. Tanecikler bulundukları yerde sadece titreşim hareketi yaparlar. Taneciklerin hız çok yavaştır. Maddenin en düzenli halidir.

Katı taneciklerini mikro düzeyde incelediğimizde bazı katıların düzenli bir geometriye sahip olduğunu, bazı katıların da düzensiz bir geometriye sahip olduğunu görürüz. Geometrik şekli düzgün olmayan, yani; tanecikleri gelişigüzel duran katılara “amorf katılar” denir. Belirli bir şekli ve erime noktası yoktur. Cam, tereyağı, plastikler vb. örnek olarak verilebilir. Tanecikleri daha düzenli olan katılara ise “kristal katılar” denir. Belirli bir şekli ve erime noktası vardır.CO_2, SİO₂,NaCI ve CaCI₂ örnekleri verilebilir.

Sıvı: Bu hali oluşturan tanecikler arasındaki çekim kuvveti maddeye belirli bir şekil kazandıracak kadar büyük olmadığından tanecikler arası boşluklar fazla olup taneciklerin bu boşluklara hareketiyle sıvılar akışkanlık özelliği kazanırlar. Tanecikleri titreşim, öteleme ve dönme hareketi yaparlar. Belirli bir hacmi vardır. Tanecikler katılara göre daha hızlı gazlara göre ise daha yavaştır.

Gaz: Bu hali oluşturan tanecikler arası çekim kuvveti yok denecek kadar az olduğundan birbirlerinden oldukça uzakta bulunurlar ve birbirlerinden bağımsız oldukları kabul edilir. Belirli şekli ve hacimleri yoktur, titreşim, öteleme ve dönme hareketi yaparlar, tanecikleri çok hızlıdır.

Plazma: Çok yüksek sıcaklılara kadar ısıtılan gaz molekülleri atomlarına ayrışmakta atomlar ise iyonlaşmaktadır. Böylece molekül, atom iyon ve elektron karışımından oluşan bir sistem ortaya çıkmaktadır. Maddenin dördüncü hali olarak düşünülen bu sisteme plazma denir. Sıcaklık ne kadar yükselirse plazma özelliği o kadar artar. Güneş, yıldızlar, yıldırımlar.

Lav plazma mıdır?

Lavın plazma halde olduğu düşünülür. Ancak bu sadece erimiş metaldir. Plazma oluşabilmesi için lavın bulunduğu sıcaklıktan çok daha büyük sıcaklıklar, yüksek bir manyetik alan veya çok yüksek bir potansiyel fark oluşması gerekir.

Maddenin bu dört hali dışında Bose(bozon )yoğunlaştırması, Einstein yoğunlaştırması ve fermionik (fermiyonik) yoğunlaştırması gibi fiziksel olaylar maddenin halleri kabul edilirse madenin 7. Haline ulaşılmış olur.

Maddenin, mutlak sıfır sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta soğutulmasına Bose –Einstein yoğunlaşması denir. Bu yoğunlaşma ile maddenin yeni bir fiziksel hali oluşmaktadır. Maddenin bu şekilde yoğunlaştırılması 1995 yılında Eric Cornell ve Carl Wieman tarafından gerçekleştirilmiştir.

Düşük sıcaklıklarda fermiyonik taneciklerle süper akışkan faz oluşumuna fermiyonik yoğunlaşması denir. Fermiyonik yoğunlaşma ile de maddenin yeni bir fiziksel hali oluşmaktadır. Fer-Miyonik yoğunlaşma 2003 yılında Deberah S.Jin tarafından gerçekleştirilmişir.

Maddenin Hal Değişimleri

Şekil 1: Maddenin hal değişimleri
Saf maddelerin ısı alarak veya ısı vererek bir fazdan başka bir faza geçişine hal değişimi denir.

Erime: Kristal bir katı ısıtıldıkça katının yapısındaki atomlar, iyonlar ya da moleküller daha şiddetli titreşirler. Sonunda bu titreşimlerin kristal yapısını bozacağı bir sıcaklığa ulaşılır; atomlar ya da moleküller birbirinin üzerinden kayar; katı belli biçimini kaybeder ve sıvıya dönüşür. Bu olaya “erime” denir. Erimenin oluştuğu sıcaklığa “erime noktası” denir. Erime noktası katılar için ayırt edici bir özelliktir.

Donma: Sıvı bir maddenin ısı vererek katı bir hale geçmesine donma denir. Donmanın olduğu sıcaklığa “donma noktası” denir. Bir katının erime noktasıyla bir sıvının donma noktası aynıdır. Bu sıcaklıkta katı eğer dengedeki katı-sıvı karışımına düzenli biçimde ısı vermeyi sürdürürse, katı erirken sıcaklık sabit kalmış olur.

Ancak tüm katı eridikten sonra sıcaklık yükselmeye başlar. En bilinen erime notası suyun erime noktası olan 0°C tır. Bu sıcaklık, sıvı ve katı suyun hava ile temas halinde ve standart atmosfer basıncında dengede olduğu sıcaklıktır.

Tablo1: Bazı maddelerin erime ve kaynama noktaları

MADDE	E.N(°C)	K.N(°C)
OKSİJEN	-219	-189
AZOT	-210	-196
ETİL ALKOL	-114.5	78
SU	0	100
KÜKÜRT	119	444
YEMEK TUZU	801	1465
KARBONDİOKSİT	-78°C da süblimleşme

Buharlaşma: Moleküllerin sıvı yüzeyinden gaz ya da buhar haline geçişine “buharlaşma” denir. Sıvılar her sıcaklıkta az veya çok buharlaşır. Buharlaşma sıvı maddenin yüzeyinde gerçekleşir. Ağzı açık bir kapta bulunan bir sıvı düşünelim. Bu sıvıda birbiriyle çarpışan taneciklerin kinetik enerjisi çevresindeki diğer tanecikler tarafından çekilir ve tanecikler artık tutulamayacak hale gelir ve sıvıdan ayrılarak havaya karışır. Bazı taneciklerin buharlaşması için ise diğer taneciklerden onlara kinetik enerji aktarılır ve buharlaşma sonucu sıvıdaki taneciklerin kinetik enerjisi düşer, dolayısıyla sıvının sıcaklığı düşer, sıvı soğur. Yüksek kinetik enerjili moleküller sürekli gaz fazına geçerek sıvı üzerinden uzaklaşacağından, buharlaşma sıvı bitene kadar devam eder. Kolonya dökülen elin soğuması, denizden çıkan bir kişinin üşümesi örnek verilebilir.

Kaynama: Bir sıvı atmosfere açık bir kapta ısıtıldığında belli bir sıcaklıkta, yalnız yüzeyde değil tüm sıvı kitlesinde buharlaşma görülür. Sıvı kitlesindeki buhar kabarcıkları yüzeye çıkar ve uzaklaşır. Uzaklaşan bu moleküllerin oluşturduğu bu basınç atmosfer moleküllerinin oluşturduğu basınca eşittir. Bu olaya “kaynama” denir. Kaynama buharlaşmanın en hızlı olduğu durumdur.

Yoğunlaşma: Gaz halindeki bir maddenin ısı vererek sıvı hale geçmesine denir. Pencere camının buğulanması, yağmur yağması yoğunlaşmaya örnektir. Doğadaki su döngüsü buharlaşma ve yoğunlaşma olaylarına örnektir. Deniz, göl ve akarsular gibi su kaynaklarındaki su güneş ve ısının etkisiyle atmosfere yükselir. Bu su buharı atmosferdeki sıcaklık farkından dolayı gaz halinden sıvı hale geçer. Atmosferde belli bir seviyeye gelen su damlaları yeryüzüne tekrar yağış şeklinde düşer.


Şekil 2: Su döngüsü olayı
Süblimleşme: Sıvılar gibi katılar da buharlaşır. Ancak katılarda moleküller arası kuvvetler çok büyük olduğundan belli bir sıcaklıkta sıvılar kadar uçucu değildir. Moleküllerin katı halden doğrudan buhar hale geçmesine “süblimleşme” denir. Naftalin ve kuru buz(katı karbondioksit) süblimleşen maddelerdir.

Kırağılaşma: Gaz halindeki bir maddenin ısı vererek doğrudan katı hale geçmesine kırağılaşma denir. Süblimleşme ve kırağılaşma eşit hızda olduğunda katı ve buhar arasında dinamik bir denge vardır.



Şekil 3: Maddenin hal grafiği

Faz Nedir?

Sıcaklık, basınç, yoğunluk, derişim, kırılma indisi ve dielektrik sabiti gibi tüm şiddet özelliklerinin her noktasında aynı olduğu sistem bölgelerine denir. Bir bileşen birkaç fazlı olduğu gibi bir faz içinde birkaç bileşen de olabilir. Örneğin, birbiri ile dengede olan su ile buzun kimyasal formülleri, sıcaklıkları aynı olduğu halde yoğunluk ve kırılma indisi gibi şiddet özellikleri farklı olduğundan, sistem bir bileşenli ve iki fazlıdır.

Hal Nedir?

Bir atomun bütün elektronlarının en düşük enerjili haline sahip olduğu durumdaki elektron dağılımıdır. Diğer bir deyişle hal, maddenin aldığı farklı fazlardır. Bunlar; katı, sıvı, gaz ve plazmadır.

Maddenin Faz Diyagramı: Saf haldeki bir maddenin belirli basınç ve sıcaklıkta hangi fiziksel halde bulunduğunu belirleyen diyagrama faz diyagramı denir. Her maddenin kendine özgü faz diyagramı vardır. Diyagramdaki nokta ve çizgiler faz dengelerini, çizgi araları ise fazların kendilerini göstermektedir.



Şekil 4: Faz diyagramı
Grafik düzlemi OA, OB, OC doğruları olmak üzere üç bölgeye ayırır. Her bir bölgenin temsil ettiği hal; katı, sıvı ve gaz olarak temsil edilmiştir. Maddenin basınç ve sıcaklığının tespit ettiği nokta hangi bölgeye düşerse madde o fiziksel haldedir. OB doğrusu, katı-sıvı denge durumunu belirler, doğru üzerindeki noktalar maddenin çeşitli basınçlardaki erime noktasını (donma noktasını) gösterir. OC eğrisi, sıvı- gaz denge durumunu belirler. Bu eğri üzerindeki çeşitli basınçlardaki kaynama(yoğunlaşma) noktasını gösterir. OA eğrisi ise, katının gaz hale geçmesine, yani süblimleşme (kırağılaşma) aittir. O noktası ise üç halin birlikte bulunduğu yerdir. Bu noktaya “üçlü nokta” denir.

Kuru Buz

Kuru buz dondurulmuş karbon dioksittir. Karbon dioksit bileşiği normal şartlarda gaz halinde bulunur. Yüksek basınç altında sıvılaştırılan karbon dioksit gazı daha sonra laboratuar ortamında gaz haline dönüştürülür. Kuru buzun yüzey ısısı, -78,5 derecedir. Yani suyun N.Ş.A.'daki donma noktasından selsiyus ölçeğine göre -78,5 derece daha düşüktür.

Kuru buz süblimleşme özelliğinden dolayı solunması tehlikeli olabilen bir maddedir. Yani dondurulmuş karbondioksit sıvı hale geçmeden direkt gaz haline geçer. Bu sebepten ötürü kuru buz bulundurulan ortam çok iyi havalandırılmalıdır. Çünkü karbon dioksit havadan ağır bir gazdır ve tabanda çöker. Özellikle küçük oda veya araba gibi dar hacimli mekânlarda daha tehlikeli olur. Normal havanın %78'i azot, %21'i oksijen %0.03 kadarı da karbon dioksittir. Bu oran %5'ler civarında yaklaşırlarsa toksik hale gelir. Karbon monoksitte toksite sınırı daha da düşüktür.

Kuru buzun bir diğer tehlikeli yanı da onunla temas ettiğinizde ortaya çıkmaktadır. Aşırı soğuk bir madde olan kuru buz, elinize aldığınızda hücrelerdeki duyuyu anında dondurarak yanma olayına sebep olur. Tıpkı ateşle yakılmış gibi bir his ve acı oluşur. Bunun önüne geçmek için kuru buzla çalışırken kalın eldiven giyilmesi tavsiye edilmektedir. Aynı sebepten dolayı yenmez, yutulmaz.

Karbondioksitin katı halidir. Katı halden faz atlayarak direk olarak gaz haline geçer. Bu yüzden eridiğinde hiç bir tortu geride kalmaz. Çeşitli kaynaklardan elde edilen karbondioksit gazı, saflaştırma işlemlerinden geçirildikten sonra -20°C'ye soğutularak 20 Bar basınç altında sıvı hale getirilir. Sıvı halde 20 Bar basınç altında bulunan karbon dioksit atmosferik basınç altındaki bir kabın içine püskürtülerek genleştirilmesi ile kendi kendini dondurarak katı hale geçen buz ve kar halinde bir üründür. Özel preslerde sıkıştırılarak, blok, palet veya nugat formuna getirilen CO² karı hiç bir katı ve sıvı atık bırakmada doğrudan gaz fazına geçer süblime olur. Süblimasyon işlemi, çok düşük sıcaklıklarda (-79°C) yüksek soğutma kapasitesi (152 Kcal/Kg) sağlar.
YÖNTEM

Araştırma Sorusu: Kuru buzun içerisine madde ilave edilmesi süblimleşmeyi etkiler mi?

Hipotez: Süblimleşme her koşulda gerçekleşeceği için madde ilave edilmesi süblimleşmeyi etkilemez.

Bağımsız Değişken: Deterjan, gıda boyası

Bağımlı Değişken: Süblimleşme

Sabit Tutulan Değişkenler: Kuru buz miktarı

Deney ve Kontrol Grubu: Sıcak su, gıda boyası

Deneyin Yapılışı:

1. 250 ml’lik behere sıcak su konulur. Sıcak suyun içerisine bir miktar deterjan ve gıda boyası atılır. Beherin içerisine bir parça kuru buz atılır.

2. 
   Bir tane balonun içerisine kuru buz parçaları atılır ve balonun ağız kısmı bağlanır.
   

Gerekli Araç Gereçler: Kuru buz, eldiven, balon

Güvenlik Önlemleri: Kuru buz çıplak elle tutulmamalı, bir eldiven yardımıyla tutulmalı.
ÖLÇÜM SONUÇLARI VE BULGULAR


Şekil 5: Kuru buzun sıcak suda süblimleşmesi


Şekil 6: Kuru buzun süblimleşmesiyle şişirilen balon
SONUÇ VE DEĞERLENDİRME

Yaptığımız deneyde kuru buzun süblimleşmesini daha iyi gözlemlemek için gıda boyası ve deterjan kullandık. Malzeme kullanımının süblimeşmeye ya da süblimleşmenin süresine bir etkisi olmadığını, aynı zamanda süblimleşme sonucu ortaya çıkan gazın balonu şişirdiğini gözlemledik.

GERİ DÖNÜT SORULARI

1. 
   Lav bir plazma mıdır?
   
2. 
   Kaynama ile buharlaşma arasındaki fark nedir?
   

GÜNLÜK YAŞAMA UYARLAMA VEYA GÜNLÜK YAŞAMDAN ÖRNEKLER:

Besi hayvanlarının damgalanmasında (Tarım-Hayvancılık): Kuru buz, hayvan damgalamak için yeni bir yöntemdir. Büyükbaş hayvanların canını yakmak ve yara izi bırakmak yerine soğuk-damga ile saç köklerinin beyaz kıl üretmesine neden olur. Bu da herhangi bir yara izi olmadan gözle görünür bir damga oluşmasını sağlar.

Sushi için kullanılan balıkların dondurulmasında (Gıda):Yakalanmış taze balıkların kuru buz ile şoklanması sayesinde taptaze sushi hazırlanabilmektedir.

Tank (Tüp) tamirinin daha güvenli hale getirilmesinde (Sanayi): Kuru buz, yanıcı çözücüler içeren tanklardaki oksijenin uzaklaştırmasını sağlar ve tankların onarımında veya yok edilmesinde kullanılır.

Asfaltın hızla soğutulmasında (Sanayi): Asfalt serme çalışmaları kaba bir işlem gibi görünebilir ancak bir inceliğe sahiptir. Sıcak karışım, üretim fabrikasından şantiyeye gelene kadar serpmek için uygun sıcaklığı gelmek zorundadır. Asfaltlama makinelerine sürekli tedarik ihtiyacı kamyonlarla karşılanır. Asfaltın uzun ömürlü olması için silindirlerin etkin bir şekilde asfaltı sıkıştırması gerekir.
KAYNAKLAR

http://kimyaca.com/kuru-buzun-kullanim-alanlari-ii/

Genel kimya 1. Cilt/Tahsin UYAR 2005/sy 478-496