Suyun Fiziksel Özellikleri
Suyun kimyasal ve fiziksel özellikleri genellikle birlikte tartışılır. Bu özellikler hidroloji, çevre çalışmaları, kimya mühendisliği, çevre mühendisliği, inşaat mühendisliği gibi birçok disiplinin temelini oluşturur. Elbette kimyagerlerin ve fizikçilerin de ilgisini çeker.
İşte suyun fiziksel özelliklerinden bazı önemli noktalar. Saf sıvı su, 4.182 J K-1 g-1 gibi yüksek bir ısı kapasitesine sahiptir; iyi bir ısı iletkenidir, ancak kötü bir elektrik iletkenidir. İyonik ve polar maddeleri çözmek için bir çözücüdür, ancak polar olmayan maddelerle zayıf etkileşime girer. Suyun yüzey gerilimi oldukça yüksektir ve küçük miktarlar ince tabakalar halinde yayılmak yerine damlalar halinde toplanır.
Hidrojen bağı, sırasıyla 273.15 K ve 373.15 K olan olağandışı ancak normal olarak bilinen donma ve kaynama noktaları gibi birçok fiziksel ve kimyasal özelliğe katkıda bulunur. Kritik sıcaklık ve basınç 647.3 K ve 220.5 bar (22050 kPa) ve kritik hacim = 0.056 m3 kmol-1‘dir.
Suyun birçok uygulaması nedeniyle, suyun özellikleri hakkında daha fazla ayrıntı arzu edilir. Bu nedenle, su özelliklerini takip etmek ulusal bir çıkar konusudur. Örneğin, Amerikan Makine Mühendisleri Derneği (ASME) böyle bir kuruluştur. Araştırma ve bilgi alışverişinde uluslararası işbirliği daha ekonomiktir ve termal özellikler için Uluslararası Su ve Buhar Özellikleri Birliği (IAPWS) kurulmuştur. Kanada bu kuruluşun bir üyesidir.
Uygulama açısından, aşağıdaki özelliklerin sıcaklık ve basıncın fonksiyonu olarak değişimleri gereklidir.
- Çeşitli sıcaklıklarda basınca bağlı olarak buhar ve suyun sıkıştırılabilirliği
- Sıcaklığa bağlı suyun yoğunluğu
- Sıcaklığa bağlı suyun viskozitesi
- Çeşitli termodinamik değerlendirmeler için suyun entalpisi
- Basınç ve sıcaklığın fonksiyonları olarak su ve buharın molar hacimleri ve genleşme katsayıları
- Sıcaklık ve basıncın fonksiyonları olarak su ve buharda ses hızı ve hava-buhar karışımında ses hızı
- Sıcaklık ve basıncın fonksiyonu olarak suyun entropisi
- Su ve buharın ısıl iletkenliği
- Boru ve pompa tasarımı için herhangi bir sıcaklıktaki suyun viskozitesi
- Sıcaklık ve basıncın fonksiyonları olarak dielektrik sabiti
- Sıcaklık ve basıncın fonksiyonları olarak yüzey gerilimi
- Çeşitli sıcaklık ve basınçlarda Gibbs enerjisi
- Süperkritik suyun (akışkan) dielektrik sabitleri ve iyon ürünleri gibi özellikleri
- Süperkritik su uygulamaları: Plastik atık geri dönüşümü, toluendiamin geri kazanımı, PET (polietilen tereftalat) hidrolizi vb.
Konuyu açıklamak için bunlardan bazılarını tartışacağız, ancak hepsini değil.
Suyun Yoğunluğu
| Suyun Yoğunluğu | ||
|---|---|---|
| T /K | Yoğunluk g/mL | D2O |
| 273 | 0.999841 | 1.10469 |
| 274 | 0.999900 | |
| 275 | 0.999941 | |
| 276 | 0.999965 | |
| 277 | 0.999973 | 1.1057 |
| 278 | 0.999965 | 1.10562 |
| 279 | 0.999941 | |
| 280 | 0.999902 | |
| 281 | 0.999849 | |
| 282 | 0.999781 | |
| 281 | 0.999700 | |
Yoğunluk, birim hacim başına kütledir. Suyun yoğunluğu genellikle 277 K’de 1.0 g/mL veya 1.000 × 103 kg m-3 olarak alınır. Bu, yoğunluğun sıcaklıkla değiştiğini ve su yoğunluğunun 277 K’de en yüksek olduğunu gösterir; CRC Handbook of Chemistry and Physics kaynağından alınan 273 ve 281 K arasındaki yoğunluk verileri buradaki tabloda verilmiştir. Bu veriler, 276.98 K’deki standarda dayalı olarak saf su için deneysel verilerden hesaplanmıştır. Aynı kaynak, normal suyun yoğunluğunu 277 K’de 1.000000 g/mL olarak verir.
Bir mol maddenin kapladığı hacme molar hacim denir. Sıvı suyun molar hacmi 18.016/yoğunluk tur. 277 K’de molar hacim 18.016 mL’dir. Sıvı su için molar hacimler hem 269 K’de hem de 285 K’de 18.03 mL’ye çıkar.
Buzun yoğunluğu 273 K’de 0.917’dir ve molar hacmi 19.65 mL’dir, bu da sıvının molar hacminden %9 daha fazladır. Böylece, hava kabarcığı içermeyen bir buz küpünün %9’u yüzeyin üzerinde yüzer ve %91’i su hattının altındadır. Yoğunluk, buzdağlarının davranışını ilginç kılar. Buzdağları, Kanada’nın Newfoundland ve Labrador bölgelerinde önemli turistik cazibe merkezleridir.
Elektrik Dipol Momenti ve Dielektrik Sabiti
Yüklü iyonlar, elektrostatik çekim veya itme nedeniyle birbirleriyle etkileşime girer. r mesafesiyle ayrılmış q1 ve q2 yüklü iki parçacık arasındaki F kuvveti şöyledir:
$$ F = \frac{q_1 q_2}{4 \pi \epsilon_0 r^2} $$
| Cl δ- | Na δ+ |
Yüksüz moleküller elektrostatik etkileşim nedeniyle değil, elektrik dipol etkileşimi nedeniyle birbirleriyle etkileşime girerler. Elektrik dipol momenti, zıt yüklerin düzensiz dağılımından kaynaklanan bir vektördür. İki atomlu sistemlerde, elektrik dipol momentinin büyüklüğü, iki atomun Pauling elektronegatiflikleri arasındaki fark olarak tahmin edilebilir. Kolaylık sağlamak için, Na-Cl’nin pozitif ve negatif merkezlerinin l mesafesiyle ayrıldığını varsayalım, o zaman elektrik dipol momenti, μ şöyledir:
μ = q l
Geleneksel olarak, moleküllerin dipol momentleri elektrostatik birimlerle tablolaştırılmıştır; bu durumda bir elektronun yükü 4.80 × 10-10 esu’dur (= (1.6 × 10-19 C) (3 × 109 esu/C)). NaCl kristallerinde, Na ve Cl iyonları arasındaki mesafe 240 pm’dir. Eğer NaCl molekülü (gaz halinde) idealize edilmiş iyonlar arasında aynı mesafeye sahipse, dipol momenti aşağıda hesaplanmıştır:
μ = q l
= (1.60 × 10-19) (240 × 10-12 m)
= 3.84 × 10-29 C m.
veya cgs-esu birimlerinde
μ = 4.8 × 10-10 esu × 2.40 × 10-8 cm
= 11.5 × 10-18 esu cm
Cgs-esu biriminde, 1 × 10-18 esu cm bir Debye (sembol D) olarak tanımlanır. Böylece, şuna sahibiz:
1 D = 1 × 10-18 esu cm
= 3.355 × 10-30 C m (yukarıdaki hesaplamadan)
İdealize edilmiş NaCl gaz molekülü için μ = 11.5 D
fakat
NaCl gazında gözlemlenen μ = 9 D = 3 × 10-29 C m.
| Bazı Gaz Moleküllerinin Elektrik Dipol Momenti | |
|---|---|
| Molekül | μ /D |
| NaCl | 9.0 |
| KCl | 10.3 |
| CO | 0.1 |
| HF | 1.8 |
| HCl | 1.1 |
| HBr | 0.8 |
| H2O | 1.8 |
| SO2 | 1.6 |
| N2O | 0.2 |
| NH3 | 1.5 |
Bununla birlikte, NaCl gazı için deneysel dipol momenti = 9 D’dir. Bu nedenle, hesaplama modeli, yüklerin kısmi delokalizasyonunu hesaba katacak şekilde veya Na-Cl bağında bazı kovalent karakterler dahil edilerek değiştirilmelidir. Her durumda model, dipol momentinin değerlendirilmesi için fiziksel bir yöntem (model) gösterir. Bazı gaz moleküllerinin dipol momentleri buradaki tabloda verilmiştir.
Dipol momenti, bağ boyunca negatiften pozitif yüke doğru bir vektördür. Su gibi üç atomlu moleküller için, toplam elektrik dipol momenti, her bir bağ için tüm dipollerin toplamıdır. Su için deneysel dipol momenti 1.8 D’dir, bu da H-F ninkiyle aynıdır. Su çok polar bir bileşiktir. Üç N-H bağına sahip amonyak, 1.5 D’lik bir dipol momentine sahiptir.
Homonükleer iki atomlu moleküller elbette sıfır dipol momentine sahiptir. Doğrusal CO2 ve CS2 molekülleri de öyledir.
Yüksek dipol momenti suyu çok özel bir madde yapar. Su çok yüksek bir dielektrik sabitine, 80’e sahiptir. Dipol-yük etkileşimi nedeniyle su, iyonik maddeler, özellikle tek değerlikli iyonlar için evrensel bir çözücüdür. Suda çözünmeye hidrasyon denir.
Dipol momentinin mikrodalga ile etkileşimiyle bir ilgisi vardır. Buzbilimde Yer Nüfuz Eden Radarın Uygulanması, radar teorisini veren ve radarın suyla etkileşimini tartışan bir web sitesidir. Ayrıca buzbilimdeki uygulamayı da göstermektedir.
Buna karşılık, süperkritik su düşük bir dielektrik sabitine sahiptir ve bu da onu polar olmayan maddeler için iyi bir çözücü yapar.
Örnek 1
H-F molekülünün iki iyondan, bir pozitif ve bir negatif iyondan oluştuğunu varsayalım. 1.8 D’lik bir dipol momenti vermek için bu iki iyonu ayıran mesafe nedir?
Çözüm
Yukarıdaki dipol momenti tartışmasından ilk formülü hatırlayın ve hesaplamaya gösterildiği gibi devam edin:μ = q l
q l = 4.8 × 10-10 esu × l
= 1.8 × 10-18 esu cm.$$ l = \frac{1.8 \times 10^{-18} \text{ esu cm}}{4.8 \times 10^{-10} \text{ esu}} = 0.375 \times 10^{-8} \text{ cm} \quad (37.5 \text{ pm}) $$
TARTIŞMA
Normal H-F bağ mesafesi nedir? (Cevap: 92 pm).Görünür bağ uzunluğu olan 38 pm’yi gözlemlenen bağ uzunluğu olan 92 pm’ye bölmek, iyonik karakteri verir: 38/92 = %41 iyonik karakter.