Alm. Gas (n), Fr. Gaz (m), İng. Gas. Maddenin üç hâlinden biri. Bu hâldeyken maddenin yoğunluğu çok az, akışkanlığı ise son derece fazladır. Gaz hâlindeki maddelerin belirli bir şekli ve hacmi yoktur.

Katı bir madde ısıtıldığı zaman, katı hâlden sıvı, sıvı hâlden de gaz hâline geçer. Bu duruma faz (safha) değişikliği denir. Sıvıyı meydana getiren tânecikler (atom veya moleküller) birbirlerini çeker. Sıvı ısıtıldığı zaman, tânecikler arasındaki çekim kuvveti yenilir ve tânecikler sıvı fazdan (ortamdan) ayrılarak gaz hâline dönüşürler. Gazı meydana getiren tânecikler her yönde hareket edebilir ve bulundukları kabın hâlini alırlar. Meselâ hava bir gaz karışımıdır ve azot, oksijen, çok az miktarda asal gazlar ve karbondioksitten meydana gelmiştir.

Gazlar birbiriyle her oranda karışabilir. Hacimleri, dolayısıyle yoğunlukları basınç ve sıcaklığa tâbidir. Genellikle gazın basınç veya sıcaklığının az miktarda değişmesi, gazın hacminde çok büyük değişiklikler meydana getirir. Bütün gazların genişleme ve sıkışma katsayıları aynıdır. Fakat sıvı ve katıların böyle bir özelliği yoktur. Bu yüzdendir ki, gazlar, katı ve sıvılardan daha kolay incelenir. Hareket hâlindeki gaz moleküllerinin (tâneciklerinin), bulunduğu kabın cidârına (duvarına) çarpması sonucu meydana gelen etkiye, gazın basıncı denir. Bir silindir içindeki gaz, piston ile sıkıştırılırsa pistonun geri itildiği, ilk hâline döndürülmek istendiği görülür ki, bu yukarıdaki olayın sonucudur. Pistonu ittirmek için yapılan iş, gazın basıncına karşı yapılan iştir. İzole hâlde yâni çevreden yalıtılmış bir gaz, sıkıştırılınca ısınır. Sıkıştırılmış gaz genişletilirse soğur, yâni yine bir iş yapar ve gaz moleküllerinin ortalama hızları düşer. Böylece basınç da azalmış olur.

Târihçesi

Gazlar hakkındaki mevcut bilgilerin ana kaynakları, hava üzerindeki ilmî çalışmalar, çeşitli gazların keşfi ve ısıyla ilgili araştırmalardır.

Toriçelli, hava ile deneyler yaptı ve atmosfer basıncını keşfetti. 1643’te ilk cıva barometresini yaptı. Pascal ise, yüksek yerlerdeki hava basıncının deniz seviyesindekinden daha düşük olduğunu gösterdi. Otto von Guericke de, birbiri ile birleştirilmiş ve içindeki havası boşaltılmış iki yarım kürenin birbirinden ayrılması ile ilgili deneyi yaptı. Bu deneyde yarım küreleri birbirinden ayırmak için sekizerden 16 tâne at kullanıldı.

Gaz Kânunları

Robert Boyle, sâbit sıcaklıkta, belli kütledeki bir gazın basıncının hacmi ile ters orantılı olduğunu buldu. Boyle Kânunu denilen bu buluş, P.V=Sâbit formülü ile ifâdelendi (P= basınç, V= hacim).

A.C.Charles, kendi adıyla söylenen kânunu ortaya koydu. Buna göre, belirli miktarda ve sâbit basınçta bir gazın hacmi, sıcaklığı ile doğru orantılıdır. Meselâ bir (m) gram gaz 300°K’de 3 hacim kaplıyorsa, 100°K’de 1 hacim kaplar (°K: Kelvin derecesi). Aynı kânun John Dalton ve Joseph Gay Lussac tarafından da bulunmuştur. Bunlar denemelerini sâbit basınçta yaptılar ve hacmin sıcaklıkla değiştiğini gördüler. Sıcaklığın her derece santigrad değişmesinde hacmin değişmesinin 1/267 olduğunu buldular ki, bu a ile gösterilir. a, bütün gazlar için aynı olup termik genişleme veya sıkışma katsayısıdır. Bu araştırmacıların buldukları a yaklaşık olup, doğrusunu Henri Regnault a = 1/273,16 olarak tesbit etti.

Sadi Carnot, Boyle ve Charles-Gay Lussac kânunlarını birleştirerek:

P.V = nRT

denklemini elde etti (P = basınç, V = hacim, R= gaz sâbiti, T= Kelvin derecesi cinsinden sıcaklık (273,16+t°C), n= mol sayısı). Bu formül ideal veya mükemmel gazlar için geçerlidir.

Farklı gazların mevcûdiyeti 17. asırda anlaşıldı. Dalton, bir gazın toplam basıncının, gazı meydana getiren gazların kısmî basınçlarının toplamına eşit olduğunu buldu.

Gay-Lussac, aynı sıcaklık ve basınçta reaksiyona giren gazların hacimleri arasında sâbit bir oranın var olduğunu buldu. Eğer ürün gaz ise, reaksiyona girenler ile ürünler arasında da hacim bakımından sâbit bir oranın varlığını ifâde etti.

Amedeo Avagadro; aynı basınç ve sıcaklıkta gazların eşit hacimlerinde eşit sayıda “mol bulunur” hipotezini ortaya attı (mol=molekül).

Gaz tâneciklerinin her yöne hareket ettikleri ve bunun sonucu basıncın meydana geldiği ortaya konuldu. Sıcaklıkla hareketliliğin arttığı, dolayısıyla basıncın arttığı söylendi. 1850’de James Joule, ısıyla mekanik hareketler arasındaki münâsebeti deneylerle gösterdi. Rudolf Clauscus, Joule’nin fikirlerini geliştirdi ve böylece kinetik teori genişlemiş oldu. Josef Lochmıdth, gaz moleküllerinin çapları ve Avogadro sayısı için değerler hesapladı. Clark Maxwell gaz moleküllerinin hız dağılımı üzerinde kânun koydu.

Thomas Andrews, mükemmel gaz kânununda sapmaları inceledi. Regnault, gazların spesifik (özgül) ısısını hesapladı. Van der Waals mükemmel gaz konusunda tâdilâtlar yaptı.

Yirminci yüzyılda gazların sanâyide kullanılmasıyla gazların saflaştırılması, sıvılaştırılması ve analizi metodları çok geliştirildi.

Gazların Fiziksel Özellikleri

Mol gram veya kısaca mol, bir maddenin molekül ağırlığının gram ifâdesine eşit olan miktârıdır. Meselâ bir mol argon kütle olarak 40 gramdır ve kimyâsal moleküler ağırlığı, sayı ifâdesi olarak da 40’a eşittir. Gazlarda mol başına hacimden, enerjiden vs. bahsedilir.

Spesifik (özgül) miktarlar bakımından, bir gazın farklı fiziksel özellikleri arasındaki alâka oldukça basit ve bütün gazlar için aynıdır. Meselâ bileşimi bilinen herhangi bir gaz için basınç ve sıcaklık gibi sâdece iki değişkeni bilmek, o gazın hâlini tesbit etmeye yeterlidir. Mükemmel veya ideâl gaz kânunu, yaklaşık olarak bütün gazlara kullanılabilir. Bu kânun:

P.V = R.T.......(1)

olup, P gazın basıncı; V gazın bir molünün kapladığı hacim; T Kelvin derecesi (273,16+t°C) cinsinden gazın mutlak sıcaklığı; R gaz sâbitidir. R’nin sayı ile ifâdesinin değeri P ve V için seçilen birime bağlıdır ve R, 273,16°K (0°C) için hesaplanır. Eğer, V = cm3, P = dyn/cm2 ise, R = 8,31.107 erg/mol derece olur.

V = litre, P = atmosfer ise, R= 0,082 litre atm/mol derecedir. Bu formüle göre herhangi bir gazın, 1 molü, 293,16°K (20°C)da 24 litre hacim kaplar. (1) numaralı denklem (n) mol gaz için kullanılırsa:

P.V = nRT (2)

olur. V = n mol gazın hacmidir.

Çok büyük olmayan basınçlarda ve çok düşük olmayan sıcaklıklarda ideâl gaza en yakın olan gazlar, helyum, hidrojen, oksijen, azot ve karbonmonoksittir.

P.V = nRT formülüne uymayanlara gerçek gazlar denir. Bilhassa bu gazlar yüksek basınç ve düşük sıcaklıkta ideâl gaz formülüne uymazlar. Bu uyumsuzluğu yok etmek için (2) numaralı denkleme, ideal gazlar için (bir) olan, gerçek gazlar için birden farklı olan sıkışma faktörü denilen Z ilâve edilir ve formül:

P.V=ZnRT

şeklini alır.

Gazların İyonlaşması

Gaz molekülleri veya atomları, nötr, yâni elektrik yüklü olmayan tâneciklerdir. Elektrik alanlarından etkilenmezler ve elektrik yüklerini taşımazlar. Bu sebeple yalıtkandırlar. Bununla berâber, X, kozmik ve ultraviyole ışınlar, gazların atom veya moleküllerinden elektron koparırlar ve pozitif yüklü tânecikler meydana getirirler. Kopan elektronlar da diğer tânecikleri yüklü hâle getirirler. Bu şekilde elektrik yüklü molekül veya iyon ihtivâ eden gazlara iyonize gaz denir ve bu gazlar, elektriği iletirler.

Gazların iyonlaştırılması husûsundaki ilmî araştırmalar birçok buluş ve teknik uygulamalara sebeb olmuştur. Meselâ floresan, civa buharlı, neon lambalar ve gaz doldurulmuş elektron tüpleri bunlardandır.

Gerçek Gazların Hal Denklemi

En eski bilinen hal denklemi Van der Waals denklemidir. İdeâl gazlarda, gazın kapladığı bütün hacmin yanında, gazın moleküllerine âit olan hacimler ihmâl edilir ve yine gazın iç enerjisinin yalnız sıcaklığa tâbi olduğu kabul edilir.

Gerçek gazlar için yapılan hacim düzeltmesi (V-b)dir. Gerçek gazın hacmi, içinde bulunduğu kabın V hacmiyle değil, (v-b) hacmiyle orantılıdır. b, her gaz için sâbit bir değer olup, buna sıkıştırılamayan hacim denir ve moleküllerin hacimlerinin dört katına (b = 4/3pr3N, N= Avogadro sayısı, r= molekülün çapı) eşittir.

Bir de moleküller arasındaki çekim (kohezyon) kuvveti göz önüne alınmalıdır. Gaz kütlesinin ortasında simetri sebebi ile kohezyon sıfır olduğu hâlde, kap cidarında, yâni gazın dış tarafına düşen moleküllerdeki kohezyon sıfır değildir. Dıştaki gaz molekülü merkeze çekilmek istenir. Bu kuvvete çeperin itme kuvveti de katılır. Buna göre gazın gerçek baskısında azalmanın olduğu bir gerçektir. Birim yüzey için basınç azalması, içeri çekilme sebebiyle, molar hacmin tersi (1/V) ile içeri çekenler için de 1/V ile orantılı olduğundan, a/V2 (iç basınç) ile orantılı olur. Eğer gazın basıncı, manometrede P ise, gazın molekülleri arasındaki basınç P+a/V2 olur.

Netîce olarak 1 numaralı ideal gaz denklemi gerçek gazlar için:

(P+a/V2) (v-b)=RT...(3)

olur ve bu denkleme gerçek gazların hal denklemi denir.

Basıncın oldukça yüksek veya sıcaklığın oldukça düşük olduğu şartlarda bir gaz ideâl olarak davranamaz ve yoğunlaşma meydana gelebilir. Yoğunlaşmanın vukû bulduğu en yüksek sıcaklığa, “kritik sıcaklık” denir. Bu sıcaklığa tekâbül eden hacim ve basınç değerlerine de kritik hacim ve basınç denir. Kritik basınç ve sıcaklıktaki yoğunluğa da kritik yoğunluk denir.

Gazların Birbirinden Ayrıştırılması

Bütün tabiî ve endüstride elde edilen gazlar, çok sayıda kimyâsal bileşikler ihtivâ eden karışımlardır. Ekonomik kullanma için çoğu zaman bu karışımları birbirinden ayırmak zarûrîdir.

Metodlardan birisinde, gaz, kimyâsal olarak katı veya sıvıya bağlayarak karışımdan ayrılabilir. Meselâ; bu metodla argon ve oksijen karışımındaki oksijen karışımdan ayrılabilir.

Bir başka metodda ise, gaz, bir çözücüsü olan sıvı ile karışımdan uzaklaştırılır. Meselâ karbondioksit ihtivâ eden hava, sudan geçirilirse, karbondioksit suda çözünerek havadan ayrılır. Katı emiciler kullanarak da ayırma yapılabilir. Asetilen ihtivâ eden hava, aktif kömürden geçirilirse, asetilen aktif kömür tarafından emilir.

Hâlen kullanılan güzel bir ayırma işlemi, bir gaz karışımındaki bir veya daha çok bileşeni sıvılaştırma şeklindedir. Gazların birçoğunun kritik sıcaklığı 0°C’nin altında olduğu için, bu işlemde gaz genellikle dışardan soğutulur. Saf gaz endüstride çok kullanılır ki, bunlar oksijen, azot, hidrojen vs. olup, havadan veya kok gazından soğutma işlemiyle bir veya daha çok sıvı fazlar meydana getirerek elde edilir. Kaynama noktası büyük olan, yâni kolay buharlaşmayan önce sıvılaşır. Eğer gaz karışımını meydana getiren gazların kaynama sıcaklıkları birbirinden çok farklı ise, bu işlem daha kolaylaşır. Sıvı hâle getirilmiş gaz karışımı kademeli destilasyona tâbi tutularak da ayrıştırılır.

Ayrıca gazların molekül büyüküğü farkından yararlanarak da karışımdaki gazlar ayrıştırılabilir. Aynı sıcaklık ve basınç şartlarında gazların eşit hacimlerinin çok ince bir delikten diffüzlenme hızları mol tartılarının kare kökü ile ters orantılıdır. Uranyum -235 ve Uranyum -238 izotopları birbirinden bu yolla ayrılır. Bu iki izotoptan gaz olan U F6 bileşiği elde edilir. Mol ağırlığı küçük olan daha hızlı olarak, çok ince porözden geçeceği için öbür tarafta U-235 bileşiği çoğalmış olacaktır.

İzotopları birbirinden ayırmaya yarayan diğer bir metod da termal diffüzyon metodudur. Ayrılması istenen gaz içteki sıcak, dıştaki soğuk olan içiçe geçirilmiş sisteme verilir. Hafif olan gaz, sıcak tüpe, ağır olan gaz da soğuk tüpe geçer. Burada ayrılma işlemine, gazların konveksiyon hareketleri de yardımcı olur.

Santrifüj (merkezkaç) olayından faydalanılarak da izotoplar birbirinden ayrışabilir. Hızla dönen bir santrifüje yerleştirilmiş olan içi gaz dolu kapalı silindirde ağır izotoplar merkezden uzaklaşır, hafif izotoplar ise merkeze yakın kalır. Böylece ayırma işlemi yapılmış olur.

Gaz Analiz Teknikleri

1935’ten bu yana gaz analizinde kullanılan birçok fizikî metodlar geliştirildi. Bu âletler gaz karışımı veya gaz tâneciklerinin konsantrasyonu hakkında, sâniye içinde cevap vermektedir. Bu metodların petrol, çelik, kimyâ sanâyii ve tıp gibi çok geniş alanlarda kullanımı mümkündür.

Infrared (kızılötesi) gaz analiz cihazı: 1938’de Almanya’da geliştirildi. Oldukça duyarlı bir âlet olup, akış hâlindeki bir gazın içindeki bileşik tâneciklerinin konsantrasyonunu (derişimini) devamlı olarak gösterir.

Infrared analiz cihazıyle % 0,0001 oranındaki maddeyi tâyin etmek mümkündür. Bu cihaz, hava kirliliği, kimyâsal ve petrokimyâ işlemlerinin kontrolünde ve birçok ilmî araştırmalarda kullanılır.

Mass (kütle) spektrometresi ile gaz karışımının analizi oldukça hassas ve çok az bir nümûne çalışılarak yapılır. Gaz molekülleri, ısıtılmış flamandan çıkan elektrik alanından hızla dâiresel olarak geçirilir. Kütleye bağlı olarak alanda sapma gösterir m.v’leri (m=kütle v=voltaj) manyetik alanının gücüne eşit olan bâzı iyonlar toplayıcıya girerler. Diğer iyonlar toplayıcının dışına düşerler. Çünkü o iyonların meydana getirdiği m.v manyetik alanın gücüne eşit değildir. Toplama oranı ossiloskopta, kütlesi (m) olan moleküllerin çokluğu kaydedilir. Bu cihazın hassâsiyeti % 10-5 oranındadır.

Gaz kromotografisi ile de çok az bir gazın kompozisyonunu sâniye veya dakika içinde tâyin etmek mümkündür. Herhangi bir gaz veya buharın bir sıvıda çözünmesine ve orada tutulma süresine dayanan bu metod da çok kullanışlı ve hassastır.

Gazların Sıvılaştırılması

Gazların çeşitli usûllerle sıvı hâline gelmesi. Her bir gaz kendine has kritik bir sıcaklığın altında sıvılaştırılabilir. CO2’nin kritik sıcaklığı 31°C (304°K)dir. Bu gaz kolayca sıvılaştırılıp endüstride kullanma gâyesiyle basınçlı çelik silindirler içinde depo edilir. Hava, oksijen, azot, hidrojen ve helyumun kritik sıcaklıkları ise çok daha düşüktür. Bu gazların sıvılaştırılması büyük bir teknik başarı olmuş ve birçok endüstriyel uygulamalarla sonuçlanmıştır. Sıvı havadan elde edilen oksijenden çelik üretiminde büyük miktarlarda istifâde edilmiştir. Sıvı hidrojen ise uzay araçlarının motorlarında yakıt olarak kullanılmıştır. Sıvı helyum Cryogenics sahasını açmış ve süperiletkenlik etkisi vâsıtasıyla elektrik teknolojisinde yenilik doğurmuştur. Bir gazın sıvılaştırılmasında esas problem soğutmadır.Soğutmada buharlaştırma, adyabatik genleştirme ve jikleli genleştirme olarak üç çeşit fizikî işlem yapılır. Bunların hepsi hava hidrojen ve helyumun sıvılaştırılmasında kullanılır.

Kaskat işlemi: 1877’de İsviçreli fizikçi Raoul Pictet, buharlaşmanın soğutma ve basıncın sıvılaştırma etkilerini müştereken kullanarak, oksijeni sıvılaştırdı. Oksijenin kritik sıcaklığın altındaki -140°C(133°K) sıcaklığına inmek için iki kademe kullanmıştır. İlk kademede SO2 sıkıştırılarak sıvılaştırıldı ve sonra buharlaştırıldı. Böylece yine sıkılaştırılarak sıvılaştırılmış CO2 ihtivâ eden ikinci kademenin soğutulması sağlandı. Bunun da buharlaştırılması ile üçüncü kademedeki O2 soğutuldu ve 500 atmosferlik bir basınç altında sıkıştırılıp sıvı oksijen elde edildi.

Sıcaklık kademeler hâlinde düşürüldüğü için Pictet’in metoduna kaskat işlemi denir. Bu işlem helyum veya hidrojeni sıvılaştırmada kullanılamaz. Çünkü hiçbir madde buharlaştırılarak hidrojenin kritik sıcaklığı olan -240°C(33°K) elde edilemez.

Linde-Hampson metodu: 1895’te Alman Kimyâgeri Karl von Linde, İngiliz Fizikçisi William Hampson aynı zamanda bir jeneratif (geribesleme) sistemi keşfettiler. Bir jikleyi terk eden gazdan faydalanarak, giren sıkıştırılmış gazın soğutulması sağlandı. Giren gazın sıcaklığı o kadar düşük olur ki, çıkan gazın bir kısmı sıvılaşır. Diğer kısmı ise giren gazın ön soğutmasını sağlamak üzere devamlı geri beslenir.

Hampson’un hava sıvılaştırıcısında sıkıştırılmış hava, bir ısı eşanjörünün borularından beslenir ve daha sonra bir jikleden geçer. Gazın bir kısmı sıvı hava olur. Geri kalan kısmı boruların dışından geçirilerek içeri sıkıştırılmış havanın soğutulmasında kullanılır. Bu metodla neon, hidrojen ve helyum hâriç, herhangi bir gaz sıvılaştırılabilir.

Claude metodu: 1902’de Fransız Kimyâcısı George Claude adiyabetik genleştirme yoluyla havayı sıvılaştırmıştır. Onun metodunda pistonlu bir makinanın içindeki yüksek basınçlı hava, çevresiyle herhangi bir ısı alışverişinde bulunmadan iş yapmaktadır. Havanın iş yapması, iç enerjisinin azalmasına, dolayısıyla sıcaklığının düşmesine sebeb olur. Soğutulmuş olan havanın bir kısmı, bir sıvılaştırıcının tüplerinin içine gönderilip sıvılaştırılır. Diğer bir kısmı ise pistonlu makinaya gelen yüksek basınçlı havayı ön-soğutmaya tâbi tutmak için kullanılır. Ön-soğutmadan geçen yüksek basınçlı havanın bir kısmı ise sıvılaştırıcının tüplerinin dış kısmına gönderilir. Pistonlu makinanın teteranlı kullanılması sonucu, soğuk tüplerin üzerinden geçen hava sıvılaşır ve sıvılaştırıcının dibinde birikir.

C.W.P Heylandt da adiyabatik genleşmeyi kullanan bir hava sıvılaştırıcısı geliştirmiştir. Onun metodunun Claude metodundan farklılığı pistonlu makinadaki adiyabatik genleşmeyi Linde-Hampson metoduna ilâve olarak kullanmasıdır.