Maddenin Hâl Değişim Noktaları

Giriş: Maddenin Hâlleri ve Hâl Değişimi

Çevremizdeki maddeler doğada üç temel fiziksel hâlde bulunabilir: katı, sıvı ve gaz. Bir maddenin dışarıdan ısı alarak veya dışarıya ısı vererek bulunduğu fiziksel hâlden başka bir fiziksel hâle geçmesine hâl değişimi denir. Hâl değişimi, maddenin kimyasal yapısını (özünü) değiştirmez, sadece tanecikleri arasındaki boşlukları ve taneciklerin hareketliliğini değiştirir. Bu nedenle hâl değişimleri fiziksel olaylardır.

Günlük yaşantımızda hâl değişimlerine birçok örnek verebiliriz. Kışın yağan karın güneş açtığında suya dönüşmesi (erime), ocakta kaynayan suyun buhara dönüşmesi (buharlaşma), buzdolabının dondurucu bölümüne konulan suyun buza dönüşmesi (donma) veya kışın araba camlarında oluşan buzlanma (kırağılaşma) sıklıkla karşılaştığımız hâl değişimi olaylarıdır.

Saf Madde ve Özellikleri

Maddelerin hâl değişim noktalarını incelemeden önce, "saf madde" kavramını anlamak büyük önem taşır. Yapısında kendinden başka hiçbir yabancı madde bulundurmayan, yani tek bir çeşit tanecikten (atomdan veya molekülden) oluşan maddelere saf madde adı verilir.

Saf maddelere örnek olarak altını, gümüşü, demiri, bakırı, oksijeni, saf suyu, tuzu, şekeri ve cıvayı verebiliriz. Ancak günlük hayatta tükettiğimiz musluk suyu veya içme suları genellikle saf su değildir; içlerinde çeşitli mineraller ve çözünmüş gazlar bulunur.

Saf maddelerin en önemli özelliklerinden biri, kendilerine özgü belirli erime, donma ve kaynama noktalarının olmasıdır. Bu noktalar (sıcaklık değerleri), saf maddeler için "ayırt edici özelliklerdir". Ancak, örneğin tuzlu su veya kolonya gibi karışımların (saf olmayan maddelerin) belirli bir erime, donma veya kaynama noktası yoktur. Karışımların bu sıcaklık değerleri, içerdikleri maddelerin oranlarına göre değişiklik gösterir.

Erime ve Donma Noktası

Erime Noktası (Erime Sıcaklığı)

Katı hâldeki saf bir maddenin dışarıdan sürekli ısı alarak sıvı hâle geçmeye başladığı, yani tamamen sıvılaşıncaya kadar sıcaklığının sabit kaldığı değerine erime noktası veya erime sıcaklığı denir.

Örneğin; buzluktan çıkardığımız -10°C'deki bir buzu oda sıcaklığında beklettiğimizde, ortamdan ısı alarak ısınmaya başlar. Sıcaklığı 0°C'ye ulaştığında buz yavaş yavaş sıvı hâle (suya) geçmeye başlar. İşte buzun erimeye başladığı bu 0°C sıcaklığına, buzun erime noktası denir. Buzun tamamı eriyip su oluncaya kadar, kaba dışarıdan ısı verilmeye devam edilse bile sıcaklık 0°C'de sabit kalır. Alınan ısı, taneciklerin arasındaki bağları koparmak ve onları birbirinden uzaklaştırmak için harcanır.

Donma Noktası (Donma Sıcaklığı)

Sıvı hâldeki saf bir maddenin dışarıya (çevresine) sürekli ısı vererek katı hâle geçmeye başladığı, yani tamamen katılaşıncaya kadar sıcaklığının sabit kaldığı değerine donma noktası veya donma sıcaklığı denir.

Örneğin; +20°C'deki saf suyu dondurucuya koyduğumuzda, su çevresine ısı vererek soğumaya başlar. Sıcaklığı 0°C'ye düştüğünde su yavaş yavaş katılaşmaya (buza dönüşmeye) başlar. Suyun donmaya başladığı bu 0°C sıcaklığına, suyun donma noktası denir. Suyun tamamı donup buz oluncaya kadar sıcaklık 0°C'de sabit kalır.

Erime ve Donma Noktası Arasındaki İlişki

Saf bir maddenin erime noktası ile donma noktası birbirine eşittir. (Erime Noktası = Donma Noktası)

Yukarıdaki örneklerde de görüldüğü gibi, saf su 0°C'de donarak buza dönüşürken, buz da yine aynı sıcaklıkta, yani 0°C'de eriyerek suya dönüşür.

Başka maddelerden örnekler verecek olursak: * Demirin erime noktası 1535°C'dir. Sıvı demirin donma noktası da 1535°C'dir. * Altının erime ve donma noktası 1064°C'dir. * Gümüşün erime ve donma noktası 961°C'dir.

Bu sıcaklık değerleri maddeden maddeye farklılık gösterdiği için, erime ve donma noktası saf katı ve sıvılar için ayırt edici bir özelliktir.

Hâl Değişimi Süresince Sıcaklığın Sabit Kalması

Saf maddeler hâl değiştirirken (erirken, donarken veya kaynarken), işlem tamamlanıncaya kadar sıcaklıkları asla değişmez. Bu çok önemli bir kuraldır.

Bunun nedenini şöyle açıklayabiliriz: Erime sırasında maddeye verilen ısı enerjisi, maddenin sıcaklığını artırmak yerine, katı tanecikleri bir arada tutan çekim kuvvetlerini yenmek ve tanecikleri birbirinden uzaklaştırarak sıvı hâle geçmelerini sağlamak için kullanılır. Madde tamamen sıvılaştıktan sonra, eğer ısı verilmeye devam edilirse, işte o zaman sıcaklık tekrar yükselmeye başlar.

Aynı şekilde donma sırasında madde çevresine ısı verir, ancak maddenin tamamı katılaşana kadar kendi sıcaklığı sabit kalır.

Kaynama Noktası

Sıvıların ısı alarak gaz hâline geçmesine buharlaşma denir. Buharlaşma olayı sıvının sadece yüzeyinde gerçekleşir ve her sıcaklıkta olabilir. (Örneğin, ıslak çamaşırların kışın bile kuruması). Ancak kaynama olayı buharlaşmadan farklıdır.

Sıvı hâldeki saf bir maddenin dışarıdan ısı alarak sıcaklığının artması ve sıvının sadece yüzeyinde değil, her yerinde (içinde, dibinde) hızlı ve yoğun bir şekilde buharlaşmanın gerçekleştiği, fokurdamaların görüldüğü duruma kaynama denir.

Saf bir sıvının kaynamaya başladığı ve tamamı gaz hâline geçinceye kadar (kaynama süresince) sıcaklığının sabit kaldığı bu değere kaynama noktası veya kaynama sıcaklığı denir.

Örneğin; saf suyu ocağa koyup ısıttığımızda sıcaklığı giderek artar. Sıcaklık 100°C'ye (deniz seviyesinde) ulaştığında su kaynamaya başlar ve hızlıca su buharına dönüşür. Suyun tamamı buharlaşıncaya kadar ocağın altı ne kadar açık olursa olsun, suyun sıcaklığı 100°C'de sabit kalır. Bu nedenle saf suyun kaynama noktası 100°C'dir.

Diğer maddelere örnekler: * Etil alkolün kaynama noktası 78°C'dir. * Cıvanın kaynama noktası 357°C'dir. * Oksijenin kaynama noktası -183°C'dir.

Kaynama noktası da farklı maddelerde farklı değerler aldığı için, saf sıvılar için ayırt edici bir özelliktir.

Önemli Not: Kaynama noktası yoğuşma noktasına eşittir. (Kaynama Noktası = Yoğuşma Noktası). Yani 100°C'de kaynayan saf su, buhar hâlindeyken soğutulduğunda yine 100°C'de yoğuşarak (sıvılaşarak) su hâline döner.

Madde Miktarı Hâl Değişim Noktalarını Etkiler Mi?

Saf maddelerin erime, donma ve kaynama noktaları, o maddenin miktarına bağlı değildir.

• 1 bardak saf suyun kaynama noktası 100°C'dir.
• 1 tencere saf suyun kaynama noktası da 100°C'dir.
• 1 kova buz 0°C'de erir.
• Büyük bir buzdağı da (saf olduğunu varsayarsak) 0°C'de erir.

Madde miktarının artması, sadece erime, donma veya kaynama olayının süresini uzatır. Yani 1 bardak su 5 dakikada kaynarken, 1 tencere su 20 dakikada kaynayabilir. Ancak ikisinin de kaynamaya başladığı sıcaklık (100°C) aynıdır.

Günlük Hayattan Hâl Değişimi Örnekleri ve Uygulamaları

1. Termostatlar: Bazı termostat çeşitlerinde erime ve donma noktası düşük veya yüksek olan farklı maddeler kullanılarak ortam sıcaklığı kontrol edilir.
2. Buzlanmayı Önleme: Kışın yollara tuz atılmasının veya uçakların kanatlarının özel alkol bazlı sıvılarla yıkanmasının temel nedeni, suyun donma noktasını düşürmektir. Saf su 0°C'de donarken, tuzlu su veya alkollü su -10°C, -15°C gibi daha düşük sıcaklıklarda donar. Böylece yolların ve uçakların buz tutması geciktirilir veya engellenir.
3. Dondurma Yapımı: Dondurma yapımında kullanılan makinelerin etrafındaki suya bolca tuz eklenir. Bu sayede suyun sıcaklığı 0°C'nin çok altına düşse bile su donmaz ve bu çok soğuk sıvı, içerisindeki dondurma karışımının hızla donmasını (katılaşmasını) sağlar.
4. Termometreler: Kış aylarında veya çok soğuk iklime sahip bölgelerde, cıvalı termometreler yerine alkollü termometreler tercih edilir. Cıvanın donma noktası -39°C iken, alkolün donma noktası -114°C'dir. Antarktika gibi sıcaklığın -50°C'lere düştüğü yerlerde cıvalı termometre içindeki sıvı donup katılaşacağı için ölçüm yapamaz. Ancak alkollü termometreler bu çok düşük sıcaklıklarda bile sıvı hâlde kalarak ölçüm yapmaya devam edebilir.

Özet

• Saf Madde: İçinde kendinden başka madde bulundurmayan maddelerdir.
• Erime Noktası: Saf bir katının sıvıya dönüştüğü sabit sıcaklıktır.
• Donma Noktası: Saf bir sıvının katıya dönüştüğü sabit sıcaklıktır.
• Kaynama Noktası: Saf bir sıvının kaynayarak gaz hâline geçtiği sabit sıcaklıktır.
• Saf maddelerde Erime Noktası = Donma Noktası, Kaynama Noktası = Yoğuşma Noktası.
• Hâl değişimi süresince saf maddelerin sıcaklıkları sabittir.
• Erime, donma ve kaynama noktaları saf maddeler için ayırt edici özelliktir.
• Madde miktarı bu noktaları (sıcaklıkları) değiştirmez, sadece işlemin süresini etkiler.