Enerji Kaynakları ve Bilimsel Gelişmeler

Gömülmüş güneş enerjisi

Ocaktaki doğal gaz, depodaki benzin ve santraldeki kömür, milyonlarca yıl önce yaşamış canlıların kalıntısıdır. O canlılar enerjilerini fotosentezle Güneş’ten almıştı; yaktığımız şey o eski güneş enerjisidir.

Levhadaki kesitte bataklık bitkileri gömülüyor, üstlerine yeni katmanlar biniyor. Basınç ve sıcaklık arttıkça bitkiler kömür damarına, deniz tabanındaki planktonlar petrol ve gaz cebine dönüşüyor.

Isınma

Başlamadan: yanma, entalpi ve karbon

Puansız. Takıldığın yer olursa ön koşul konuya göz at.

Kendini dene

Puan yok, deneme sınırsız

Propan (

\text{C}_3\text{H}_8

) yeterli oksijenle tamamen yandığında hangi ürünler oluşur?

Açıklama

Hidrokarbonun tam yanması: $\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \longrightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}$ . Ayrıntı: hidrokarbonlar ve alkanlar.

Kendini dene

Puan yok, deneme sınırsız

Yanma tepkimelerinin entalpi değişimi (

\Delta H

) için hangisi doğrudur?

Açıklama

Yanma ekzotermiktir: ürünlerin entalpisi girenlerinkinden düşüktür, fark ısı olarak açığa çıkar. Ayrıntı: tepkimelerde ısı değişimi.

Kendini dene

Puan yok, deneme sınırsız

Aşağıdakilerden hangisi karbonun bir allotropu değildir?

Açıklama

Allotroplar tek bir elementin farklı yapılarıdır. $\text{CO}_2$ bir bileşiktir. Ayrıntı: karbon allotropları.

Temel

Fosil yakıtlar, yanma ve çevre

1. Fosil Yakıtlar: Gömülmüş Canlılardan Yakıta

Yakıt	Neyden oluştu?	Ana bileşen	Kullanım
kömür	bataklıkta gömülen bitkiler	karbon	termik santral, ısınma, demir-çelik
ham petrol	deniz tabanında gömülen plankton	sıvı hidrokarbonlar	benzin, motorin, plastik hammaddesi
doğal gaz	petrolle aynı kökenden	metan, $\text{CH}_4$	ısınma, ocak, elektrik üretimi

Ham petrol rafineride damıtılarak benzin, motorin ve fueloile ayrılır; ayrıntısı alkanlar sayfasında.

Kömür gömülü kaldıkça su ve uçucu maddelerini kaybeder, karbonca zenginleşir: turba → linyit → taşkömürü → antrasit.

Kömürleşme: gömülme sürdükçe karbon oranı ve ısı değeri artar

Türkiye’deki kömürün büyük kısmı linyittir. Linyitin ısı değeri düşüktür; kül, nem ve kükürt oranı çoğu zaman yüksektir.

Kendini dene

Puan yok, deneme sınırsız

Aşağıdaki kömür türlerinden hangisinin karbon oranı ve ısı değeri en yüksektir?

Açıklama

Kömürleşme sırası turba → linyit → taşkömürü → antrasit’tir; en uzun süre gömülen antrasit karbonca en zengin olanıdır.

2. Yanma: Isı Verir, $\text{CO}_2$ Bırakır

Aynı ısı, farklı $\text{CO}_2$

Levhada karbon, oktan ve metan yanıyor; üçü de aynı miktarda ısı verene kadar yakılıyor. Her yakıtın üstündeki rafta çıkan $\text{CO}_2$ molekülleri yığılıyor (bir molekül $0{,}1$ mol): karbonda $112$ g, oktanda $64$ g, metanda $49$ g. En yüksek yığın karbonun, en alçak yığın metanın.

Örnek

kolay

Metanın yanma ısısı

Oluşum entalpileri $\text{CO}_2(\text{g})$ için $-393{,}5$ , $\text{H}_2\text{O}(\text{s})$ için $-285{,}8$ , $\text{CH}_4(\text{g})$ için $-74{,}8\ \text{kJ/mol}$ ’dür. $1$ mol metanın yanma entalpisi kaç kJ’dir? $1$ g metan yanınca kaç kJ ısı açığa çıkar? ( $\text{CH}_4 = 16$ g/mol)

Tepkime: $\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$ . Elementlerin ( $\text{O}_2$ ) oluşum entalpisi sıfırdır.

Ürünler: $-393{,}5 + 2 \cdot (-285{,}8) = -965{,}1$ kJ. Girenler: $-74{,}8$ kJ.

$\Delta H = \sum \text{ürünler} - \sum \text{girenler} = -965{,}1 - (-74{,}8) = -890{,}3$ kJ.

Gram başına: $\dfrac{890{,}3}{16} = 55{,}6$ kJ.

Sonuç

$\Delta H = -890{,}3$ kJ/mol; $1$ g metan $55{,}6$ kJ ısı verir.

Aynı hesap öbür yakıtlara da uygulanır. Hidrojenin gram başına ısısı en yüksektir, çünkü çok hafiftir ve ürünü yalnız sudur.

Tam yanmada 1 g yakıtın verdiği ısı (su sıvı; oluşum entalpilerinden hesaplandı)

Örnek

kolay

Kömür mü, doğal gaz mı?

Kömürü saf karbon kabul edelim. $1000$ kJ ısı elde etmek için yakılan karbondan ve metandan kaçar gram $\text{CO}_2$ çıkar? ( $\Delta H_{\text{yanma}}$ : $\text{C}$ için $-393{,}5$ , $\text{CH}_4$ için $-890{,}3$ kJ/mol; $\text{CO}_2 = 44$ g/mol)

İki yakıtta da $1$ mol yakıt $1$ mol $\text{CO}_2$ verir. Yani $1$ mol $\text{CO}_2$ başına ısı, yanma ısısının kendisidir.

Karbon: $\dfrac{1000}{393{,}5} = 2{,}54$ mol $\text{CO}_2$ , yani $2{,}54 \cdot 44 \approx 112$ g.

Metan: $\dfrac{1000}{890{,}3} = 1{,}12$ mol $\text{CO}_2$ , yani $1{,}12 \cdot 44 \approx 49$ g.

Fark nereden geliyor? Metanın ısısının bir kısmı hidrojenin suya dönüşmesinden gelir; bu kısım $\text{CO}_2$ bırakmaz.

Sonuç

Karbon $112$ g, metan $49$ g $\text{CO}_2$ . Aynı ısı için metan, karbonun yarısından az $\text{CO}_2$ bırakır.

1000

kJ ısı için açığa çıkan

\text{CO}_2

(g): hidrojen oranı arttıkça azalır

Kendini dene

Puan yok, deneme sınırsız

Bir belediye aynı ısıyı sağlamak için kömürlü kazanları doğal gaz kazanlarıyla değiştiriyor. Hangisi doğrudur?

Açıklama

Aynı $1000$ kJ için karbon $112$ g, metan $49$ g $\text{CO}_2$ bırakır. Salım azalır ama sıfırlanmaz; doğal gaz da fosil yakıttır.

3. Fosil Yakıtların Çevreye Etkileri

Kirletici	Kaynağı	Etkisi
$\text{CO}_2$	her fosil yakıtın yanması	sera etkisini artırır, küresel ısınma
CO	eksik yanma	kanda oksijen taşınmasını engeller
$\text{SO}_2$	kükürtlü kömür ve fueloil	asit yağmuru, solunum yolu hastalıkları
$\text{NO}$ , $\text{NO}_2$	motor ve kazanda havadaki $\text{N}_2$ ile $\text{O}_2$	asit yağmuru, fotokimyasal sis
is, kül	kömür ve dizel yanması	solunum hastalıkları, hava kirliliği

Bacadan buluta, buluttan yağmura

Termik santral bacasından $\text{SO}_2$ ve $\text{NO}_2$ molekülleri yükseliyor. Bulutta su damlalarına karışıp $\text{H}_2\text{SO}_4$ ve $\text{HNO}_3$ ’e dönüşüyorlar; anahtarla bacaya kireç taşı filtresi takılınca $\text{SO}_2$ filtrede kalıyor, $\text{NO}_2$ geçmeyi sürdürüyor.

\begin{aligned} \text{S} + \text{O}_2 &\longrightarrow \text{SO}_2\\ 2\,\text{SO}_2 + \text{O}_2 &\longrightarrow 2\,\text{SO}_3\\ \text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} &\longrightarrow \text{H}_2\text{SO}_4 \end{aligned}

Azot oksitler de suyla nitrik asit ( $\text{HNO}_3$ ) oluşturur. Asit yağmurunun mermer ve metallere etkisi asitler, bazlar ve tuzlar sayfasında.

Sera etkisi kendi başına kötü değildir: atmosfer, yerin yaydığı ısının bir kısmını tutar. Fosil yakıtlarla artan $\text{CO}_2$ bu tutmayı güçlendirir ve ortalama sıcaklığı yükseltir.

Kendini dene

Puan yok, deneme sınırsız

Kükürt oranı yüksek linyitin yakıldığı bir şehirde asit yağmurunun asıl nedeni hangi gazdır?

Açıklama

Kömürdeki kükürt yanarak $\text{SO}_2$ ’ye, havada $\text{SO}_3$ ’e, suyla da $\text{H}_2\text{SO}_4$ ’e dönüşür.

Orta

Çözüm önerileri ve alternatif enerji kaynakları

4. Zararı Azaltmak: Daha Az Yak, Daha Temiz Yak

İsrafı azalt: binayı yalıtmak, verimli lamba ve cihaz kullanmak aynı işi daha az yakıtla görür.
Ulaşım: toplu taşıma, bisiklet ve verimli araçlar kişi başına yakıtı düşürür.
Yakıt değiştir: kömürden doğal gaza, oradan yenilenebilir kaynaklara geçmek $\text{CO}_2$ ’yi azaltır.
Bacayı ve egzozu temizle: santralde toz tutucu ve kükürt tutma, araçta katalitik konvertör.
Karbonu geri al: ağaçlandırma ve $\text{CO}_2$ ’yi yakalayıp depolama.

Katalitik konvertörde platin, paladyum ve rodyum yüzeyinde iki zehirli gaz zararsız gazlara dönüşür:

2\,\text{CO} + 2\,\text{NO} \longrightarrow 2\,\text{CO}_2 + \text{N}_2

Örnek

orta

Bacada kükürt tutma

Bir termik santralde kütlece % $1{,}6$ kükürt içeren kömür yakılıyor. Baca gazındaki $\text{SO}_2$ kireç taşıyla tutulup alçı taşına çevriliyor:

\begin{aligned} &2\,\text{CaCO}_3 + 2\,\text{SO}_2 + \text{O}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}\\ &\longrightarrow 2\,\text{CaSO}_4{\cdot}2\text{H}_2\text{O} + 2\,\text{CO}_2 \end{aligned}

$1$ ton kömür için en az kaç kg $\text{CaCO}_3$ gerekir ve kaç kg alçı taşı oluşur? ( $\text{S} = 32$ , $\text{CaCO}_3 = 100$ , $\text{CaSO}_4{\cdot}2\text{H}_2\text{O} = 172$ g/mol)

Kükürt: $1000\ \text{kg} \cdot 0{,}016 = 16$ kg $= 16\,000$ g, yani $\dfrac{16\,000}{32} = 500$ mol S.

Her S atomu bir $\text{SO}_2$ verir: $500$ mol $\text{SO}_2$ . Denklemde $\text{CaCO}_3$ ile $\text{SO}_2$ $1:1$ ’dir; $500$ mol $\text{CaCO}_3$ gerekir.

$\text{CaCO}_3$ : $500 \cdot 100 = 50\,000$ g $= 50$ kg. Alçı taşı da $500$ mol: $500 \cdot 172 = 86\,000$ g $= 86$ kg.

Bedeli de var: denkleme göre her mol S için $1$ mol $\text{CO}_2$ çıkar, yani $500 \cdot 44$ g $= 22$ kg $\text{CO}_2$ .

Sonuç

$50$ kg $\text{CaCO}_3$ , $86$ kg alçı taşı. Asit yağmuru önlenir; karşılığında az miktar $\text{CO}_2$ açığa çıkar.

5. Güneş, Rüzgâr, Jeotermal: Yakıt Yakmadan Enerji

Alternatif enerji kaynakları fosil yakıtların yerini alabilecek kaynaklardır. Güneş, rüzgâr, jeotermal ve biyokütle doğada kendini yeniler; bunlara yenilenebilir kaynak denir.

Gece hangisi üretir?

Levhada güneş paneli, rüzgâr türbini ve jeotermal santral yan yana; her birinin yanında bir enerji çubuğu var. Güneş batınca panelin, rüzgâr durunca türbinin çubuğu sönüyor; jeotermal çubuk gece de dolu kalıyor.

Kaynak	Nasıl çalışır?	Artısı	Eksisi
güneş	güneş pili ışığı doğrudan elektriğe çevirir; kolektör suyu ısıtır	tükenmez, salımsız	gece ve bulutlu havada üretim düşer
rüzgâr	rüzgâr pervaneyi, pervane jeneratörü döndürür	salımsız, yakıt gerekmez	rüzgâra bağlı, kesintili
jeotermal	yer altındaki sıcak su ve buhar türbini döndürür ya da binayı ısıtır	gece gündüz sürekli	yalnız uygun bölgelerde; akışkanda $\text{CO}_2$ ve $\text{H}_2\text{S}$ olabilir
biyokütle	bitkisel ve hayvansal atık yakılır ya da biyoyakıta çevrilir	atık değerlendirilir	tarım alanı ve su ister
hidrojen	yakılır ya da yakıt pilinde elektrik üretir	ürünü yalnız su	doğada serbest bulunmaz, üretilmesi gerekir

Türkiye’nin ilk jeotermal elektrik santrali Denizli Kızıldere’de kuruldu; Ege’deki sıcak su kaynakları sera ve konut ısıtmada da kullanılır.

Kendini dene

Puan yok, deneme sınırsız

Rüzgârsız bir gecede de kesintisiz elektrik üretebilen yenilenebilir kaynak hangisidir?

Açıklama

Jeotermal enerji yerin iç ısısından gelir; hava durumuna ve gün ışığına bağlı değildir.

6. Biyokütle: Karbon Döngüde Kalır

Havadan bitkiye, bitkiden havaya

Levhada bir tarla, bir mayalanma tankı ve bir otomobil var. Bitkiler havadan $6$ $\text{CO}_2$ alıyor; şeker tankta etanole dönüşürken $2$ , etanol motorda yanarken $4$ $\text{CO}_2$ havaya dönüyor. Sayaç, dönen $2 + 4 = 6$ molekülün bitkinin aldığına eşit olduğunu gösteriyor.

Biyogaz: hayvan gübresi ve organik atıklar oksijensiz ortamda bakterilerle ayrışır; gaz çoğunlukla metan ve $\text{CO}_2$ ’dir.
Biyoetanol: şeker ve nişastalı bitkilerin mayalanmasıyla elde edilir; benzine katılır.
Biyodizel: bitkisel yağlar metanolle tepkimeye sokulup yağ asidi esterlerine çevrilir (esterler).

Biyoyakıtta karbon kapalı bir döngüde dolaşır

Örnek

orta

Şekerden yakıta, yakıttan havaya

$900$ g glikoz mayalanarak etanole çevriliyor, etanolün tamamı yakılıyor. Kaç gram etanol oluşur ve yanınca kaç kJ ısı verir? Süreç boyunca havaya verilen $\text{CO}_2$ , bitkinin bu glikozu yapmak için aldığı $\text{CO}_2$ ile karşılaştırıldığında nasıldır? ( $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 = 180$ , $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} = 46$ g/mol; etanolün yanma entalpisi $-1367$ kJ/mol)

Glikoz: $\dfrac{900}{180} = 5$ mol. Mayalanma $1:2:2$ ’dir: $10$ mol etanol ve $10$ mol $\text{CO}_2$ .

Etanol kütlesi: $10 \cdot 46 = 460$ g.

Yanma: $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 3\,\text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{CO}_2 + 3\,\text{H}_2\text{O}$ . $10$ mol etanol $10 \cdot 1367 = 13\,670$ kJ ve $20$ mol $\text{CO}_2$ verir.

Havaya giden toplam $\text{CO}_2$ : $10 + 20 = 30$ mol. Fotosentezde $5$ mol glikoz için $6 \cdot 5 = 30$ mol $\text{CO}_2$ alınmıştı.

Sonuç

$460$ g etanol, $13\,670$ kJ ısı. Havaya dönen $30$ mol $\text{CO}_2$ , bitkinin aldığına eşittir.

7. Hidrojen ve Bor

Hidrojen üç yoldan elde edilir:

Suyun elektrolizi: $2\,\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\,\text{H}_2 + \text{O}_2$ . Elektrik güneşten ya da rüzgârdan gelirse salımsızdır (elektroliz).
Doğal gazdan: metan su buharıyla tepkimeye girer; ucuzdur ama $\text{CO}_2$ açığa çıkar.
Bor bileşiklerinden: sodyum borhidrür ( $\text{NaBH}_4$ ) katalizör eşliğinde suyla hidrojen verir.

Türkiye, dünyanın bilinen en büyük bor yataklarına sahiptir; başlıca bor mineralleri tinkal (boraks), kolemanit ve üleksittir. Hidrojeni katı bir bor bileşiğinde güvenle taşıyıp gerektiğinde açığa çıkarmak bu yüzden ülkemiz için önemlidir.

Kristalden ve sudan hidrojen

Beherin dibinde, katalizör üstünde $\text{NaBH}_4$ kristali duruyor; kristalden ayrılan bir $\text{BH}_4^-$ iyonu iki su molekülüyle buluşup dört $\text{H}_2$ veriyor. Her $\text{H}_2$ molekülünün bir H atomu kristalden (turuncu hale), öbürü sudan (mavi hale) geliyor. Hidrojen borudan yakıt piline akıp lambayı yakıyor.

\text{NaBH}_4(\text{k}) + 2\,\text{H}_2\text{O}(\text{s}) \longrightarrow \text{NaBO}_2(\text{suda}) + 4\,\text{H}_2(\text{g})

Bu bir redoks tepkimesidir: $\text{NaBH}_4$ ’teki H’nin yükseltgenme basamağı $-1$ , sudaki H’ninki $+1$ ’dir; ikisi $\text{H}_2$ ’de $0$ ’da buluşur (redoks).

Örnek

orta

Bir kapsül sodyum borhidrür

$7{,}6$ g $\text{NaBH}_4$ suyla tamamen tepkimeye giriyor. Kaç gram $\text{H}_2$ oluşur, bu gaz normal koşullarda kaç litre kaplar? Oluşan hidrojenin kaç gramı sudan gelir? ( $\text{H} = 1$ , $\text{B} = 11$ , $\text{Na} = 23$ )

$\text{NaBH}_4 = 23 + 11 + 4 = 38$ g/mol; $\dfrac{7{,}6}{38} = 0{,}2$ mol.

Denklemde $1$ mol $\text{NaBH}_4$ $4$ mol $\text{H}_2$ verir: $0{,}8$ mol $\text{H}_2$ , yani $0{,}8 \cdot 2 = 1{,}6$ g.

Normal koşullarda hacim: $0{,}8 \cdot 22{,}4 = 17{,}92$ L.

$\text{NaBH}_4$ ’te $0{,}2 \cdot 4 = 0{,}8$ mol H atomu, yani $0{,}8$ g H var. Kalan $1{,}6 - 0{,}8 = 0{,}8$ g sudan gelir.

Sonuç

$1{,}6$ g $\text{H}_2$ , $17{,}92$ L; hidrojenin yarısı ( $0{,}8$ g) sudan gelir.

Yakıt pili, hidrojeni yakmadan elektrik üretir. Anotta $\text{H}_2$ yükseltgenir, katotta $\text{O}_2$ indirgenir; pil potansiyeli $E^\circ = 1{,}23$ V’tur (piller). Isı makinesi basamağı olmadığı için verimi içten yanmalı motordan yüksektir.

Hidrojen-oksijen yakıt pili: toplam tepkime

2\text{H}_2 + \text{O}_2 \longrightarrow 2\text{H}_2\text{O}

Kendini dene

Puan yok, deneme sınırsız

Hidrojen-oksijen yakıt pilinde

\text{H}_2

hangi elektrotta ve nasıl tepkimeye girer?

Açıklama

Anot: $\text{H}_2 \longrightarrow 2\,\text{H}^+ + 2e^-$ . Elektronlar dış devreden katoda gider: $\text{O}_2 + 4\,\text{H}^+ + 4e^- \longrightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}$ .

İleri

Nükleer enerji, sürdürülebilirlik ve nanoteknoloji

8. Nükleer Enerji: Küçük Kütle, Büyük Enerji

Bir nötron, bir zincir

Bir nötron $^{235}\text{U}$ çekirdeğine çarpıyor; çekirdek iki parçaya bölünüp iki üç yeni nötron saçıyor ve bunlar başka çekirdekleri bölüyor. Reaktör kalbinde kontrol çubukları nötron soğuruyor; kaydırıcıyla çubukları indirdikçe bölünen çekirdek sayısı azalıyor.

Santralde fisyon ısısı suyu buhara çevirir, buhar türbini döndürür. Termik santralden farkı ısının kaynağıdır: yanma yerine çekirdek tepkimesi.

Boyut	Artısı	Eksisi
bilim ve teknoloji	çok az yakıttan çok büyük enerji; tıpta ve sanayide radyoizotoplar	güvenlik ve atık için ileri teknoloji gerekir
çevre	çalışırken $\text{CO}_2$ ve $\text{SO}_2$ salmaz	kullanılmış yakıt binlerce yıl radyoaktif kalır
toplum	hava durumundan bağımsız, sürekli elektrik	kaza korkusu (Çernobil 1986, Fukuşima 2011), atık deposu tartışması
ekonomi	yakıt maliyeti düşük, uzun ömürlü	kuruluşu pahalı ve uzun; uranyum dışarıdan alınır

Türkiye’nin ilk nükleer santrali Mersin’deki Akkuyu’da, her biri $1200$ MW gücünde dört ünite olarak tasarlandı.

Örnek

zor

Bir gram uranyum kaç ton kömüre denk?

Bir $^{235}\text{U}$ çekirdeği bölünürken yaklaşık $200$ MeV enerji açığa çıkar. $1$ g $^{235}\text{U}$ ’nun tamamı bölünürse kaç kJ enerji verir? Bu enerjiyi karbon yakarak elde etmek için kaç ton karbon gerekir ve bu sırada kaç ton $\text{CO}_2$ oluşur? ( $1\ \text{MeV} = 1{,}6 \cdot 10^{-13}$ J; $N_A = 6 \cdot 10^{23}$ ; C’nin yanma entalpisi $-393{,}5$ kJ/mol; $\text{C} = 12$ , $\text{CO}_2 = 44$ g/mol)

Çekirdek sayısı: $\dfrac{1}{235} \cdot 6 \cdot 10^{23} = 2{,}55 \cdot 10^{21}$ .

Bir bölünme: $200 \cdot 1{,}6 \cdot 10^{-13} = 3{,}2 \cdot 10^{-11}$ J. Toplam: $2{,}55 \cdot 10^{21} \cdot 3{,}2 \cdot 10^{-11} \approx 8{,}2 \cdot 10^{10}$ J $= 8{,}2 \cdot 10^{7}$ kJ.

Karbon: $\dfrac{8{,}2 \cdot 10^{7}}{393{,}5} \approx 2{,}1 \cdot 10^{5}$ mol, yani $2{,}1 \cdot 10^{5} \cdot 12 \approx 2{,}5 \cdot 10^{6}$ g $= 2{,}5$ ton.

Her mol C bir mol $\text{CO}_2$ verir: $2{,}1 \cdot 10^{5} \cdot 44 \approx 9{,}1 \cdot 10^{6}$ g, yani yaklaşık $9$ ton $\text{CO}_2$ .

Sonuç

$1$ g $^{235}\text{U}$ $\approx 8{,}2 \cdot 10^{7}$ kJ; bu, yaklaşık $2{,}5$ ton karbonun ısısıdır. Karbon yakılsaydı yaklaşık $9$ ton $\text{CO}_2$ oluşurdu; fisyonda $\text{CO}_2$ oluşmaz.

Kendini dene

Puan yok, deneme sınırsız

Nükleer santrallerle ilgili hangisi yanlıştır?

Açıklama

Uranyum yer kabuğunda sınırlı miktarda bulunan bir madendir; kullanıldıkça tükenir. Nükleer enerji düşük karbonludur ama yenilenebilir değildir.

9. Sürdürülebilir Hayat: Kaynağı Gelecekle Paylaşmak

Kimya burada üretimi, enerjiyi ve atığı birlikte düşünür. Ders programı dört sektörü öne çıkarır:

Enerji: verimlilik ve yenilenebilir kaynaklar.
Polimer: plastikler petrolden üretilir, doğada yüzlerce yıl bozunmaz. Geri dönüşüm kodlarıyla (1 PET, 2 HDPE, 3 PVC, 4 LDPE, 5 PP, 6 PS, 7 diğer) ayrılır; mısır nişastasından yapılan PLA gibi biyobozunur polimerler de kullanılır.
Kâğıt: odundaki selülozdan üretilir. Geri dönüşüm ağaç, su ve enerji kazandırır; lifler her seferinde kısaldığı için kâğıt ancak birkaç kez geri dönüşebilir.
Metal: cevherden metal elde etmek çok enerji ister; metaller ise niteliğini yitirmeden yeniden eritilebilir.

Hammadde yolu uzun, geri dönüşüm yolu kısa

Levhada alüminyum kutu, PET şişe ve kâğıt bir döngü bandında dolaşıp geri dönüşüm tesisinden geçiyor. Önde her malzeme için iki enerji çubuğu var: hammaddeden üretim (sol) uzun, geri dönüşüm (sağ) kısa. Fark en çok alüminyumda: $1$ kg için $13{,}4$ kWh yerine $0{,}67$ kWh.

Örnek

zor

Bir kilogram alüminyumun elektrik faturası

Alüminyum, $\text{Al}_2\text{O}_3$ ’ün erimiş kriyolitte elektroliziyle üretilir; katotta $\text{Al}^{3+} + 3e^- \longrightarrow \text{Al}$ olur. Endüstriyel hücrelerin gerilimi $4$ ile $4{,}5$ V arasındadır. $4{,}5$ V’ta $1$ kg alüminyum için kaç kWh elektrik harcanır? Geri dönüşüm bu enerjinin yaklaşık % $95$ ’ini kurtarıyorsa kaç kWh kalır? ( $\text{Al} = 27$ g/mol, $1\ \text{F} = 96\,500$ C, elektrik enerjisi $=$ yük $\times$ gerilim, $1\ \text{kWh} = 3{,}6 \cdot 10^{6}$ J)

$\dfrac{1000}{27} = 37{,}0$ mol Al. Her Al için $3$ mol elektron: $111$ mol $e^-$ .

Yük: $111 \cdot 96\,500 \approx 1{,}07 \cdot 10^{7}$ C (Faraday hesabı).

Enerji: $1{,}07 \cdot 10^{7} \cdot 4{,}5 \approx 4{,}8 \cdot 10^{7}$ J, yani $\dfrac{4{,}8 \cdot 10^{7}}{3{,}6 \cdot 10^{6}} \approx 13{,}4$ kWh.

Geri dönüşümde yalnız % $5$ harcanır: $13{,}4 \cdot 0{,}05 \approx 0{,}67$ kWh.

Sonuç

Cevherden yaklaşık $13{,}4$ kWh, hurdadan yaklaşık $0{,}67$ kWh. İçecek kutusunu geri dönüştürmek enerjinin büyük kısmını kurtarır.

Bulduğun $13{,}4$ kWh, gerçek tesislerde kilogram başına harcanan yaklaşık $13$ – $15$ kWh ile uyumludur. % $95$ tasarruf değeri Uluslararası Alüminyum Enstitüsü’nden alınmıştır.

Kendini dene

Puan yok, deneme sınırsız

Aşağıdakilerden hangisi sürdürülebilirliğe katkı sağlamaz?

Açıklama

Karışık çöpe giden plastik ayrıştırılamaz, geri dönüşemez ve yüzlerce yıl doğada kalır.

10. Nanoteknoloji: Ölçek Değişince Özellik Değişir

Saç telinden atoma

Kamera bir saç telinin yüzeyine yaklaşıyor: önce alyuvar, sonra bakteri, virüs, DNA sarmalı ve sonunda tek tek atomlar görünüyor. Ölçek çubuğu her adımda on kat küçülüyor; sağdaki cetvelde $1$ – $100$ nm bandı boyalı.

Logaritmik ölçek: her çentik on kat; saç teli yaklaşık

80\,000

nm kalınlıktadır

Tanecik küçüldükçe atomlarının daha büyük kısmı yüzeyde kalır. Yüzey atomları farklı davrandığı için renk, erime noktası ve tepkime yatkınlığı değişir: nano boyuttaki altın kırmızı görünür ve daha düşük sıcaklıkta erir.

Örnek

zor

Küpü böldükçe yüzey büyür

Kenarı $1$ cm olan bir küp, kenarı $10$ nm olan küplere bölünüyor. Kaç küp oluşur? Toplam yüzey alanı kaç katına çıkar ve kaç $\text{m}^2$ olur?

Birimleri eşitle: $1\ \text{cm} = 10^{-2}$ m, $10\ \text{nm} = 10^{-8}$ m. Bir kenara $\dfrac{10^{-2}}{10^{-8}} = 10^{6}$ küçük küp sığar.

Küp sayısı: $(10^{6})^3 = 10^{18}$ .

Bir küpün alanı $6a^2$ ’dir. Toplam alan: $10^{18} \cdot 6 \cdot (10^{-8})^2 = 6 \cdot 10^{2}\ \text{m}^2$ . Başlangıçta $6\ \text{cm}^2 = 6 \cdot 10^{-4}\ \text{m}^2$ ’ydi.

Oran: $\dfrac{6 \cdot 10^{2}}{6 \cdot 10^{-4}} = 10^{6}$ . Kenar kaç kat küçülürse toplam alan o kadar büyür.

Sonuç

$10^{18}$ küp; alan $10^{6}$ katına çıkar ve $600\ \text{m}^2$ olur. Nano tanecikli katalizörlerin bu kadar etkin olmasının nedeni budur.

Uygulama	Nano boyuttaki madde	Ne sağlar?
kendi kendini temizleyen yüzey	nano pürüzlü kaplama (lotus etkisi)	su damlası kirle birlikte yuvarlanır
güneş kremi	$\text{TiO}_2$ ve $\text{ZnO}$ nano tanecikleri	UV ışığını tutar, ciltte beyaz iz bırakmaz
yara örtüsü, kumaş	gümüş nano tanecikleri	bakterileri öldürür
hafif ve sağlam malzeme	karbon nanotüp, grafen	çelikten sağlam, çok hafif; iletken
ekran	kuantum noktaları	boyutuna göre farklı renkte ışık
ilaç	ilaç taşıyan nano tanecikler	ilacı hedef hücreye götürür

Karbon nanotüp ve grafenin yapısı karbon allotropları sayfasında. Kuantum noktalarını keşfedip geliştirenler 2023 Nobel Kimya Ödülü’nü aldı. Nano tanecikler yeni de değildir: 4. yüzyıldan kalma Roma yapımı Likurgos kupası, camındaki altın ve gümüş nano tanecikleri sayesinde ışığa göre yeşil ya da kırmızı görünür.

Bedeli de tartışılır: nano tanecikler hücre zarından geçebilir; sağlığa ve çevreye uzun vadeli etkileri tam bilinmiyor. Üretimleri pahalıdır; kullanımları için güvenlik kuralları hâlâ yazılıyor.

Kendini dene

Puan yok, deneme sınırsız

Aşağıdaki taneciklerden hangisi nano ölçektedir?

Açıklama

Nano ölçek yaklaşık $1$ – $100$ nm’dir. $50$ nm bu aralıktadır; öbürleri binlerce nanometredir.

Özet

Bu konudan aklında kalacaklar

Fosil yakıtlar (kömür, petrol, doğal gaz) canlı kalıntılarından milyonlarca yılda oluşur; yenilenemez. Kömürleşme: turba → linyit → taşkömürü → antrasit.
Yanma: tam yanmada $\text{CO}_2$ ve $\text{H}_2\text{O}$ , eksik yanmada CO ve is. Aynı ısı için $\text{CO}_2$ : karbon $112$ g, metan $49$ g, hidrojen $0$ .
Kirleticiler: $\text{CO}_2$ sera etkisi; $\text{SO}_2$ ve $\text{NO}_x$ asit yağmuru; CO zehirlenme. Ozonu CFC’ler inceltir, $\text{CO}_2$ değil.
Çözüm: israfı azaltmak, yalıtım, toplu taşıma, kükürt tutma, katalitik konvertör, yenilenebilir kaynaklar.
Alternatifler: güneş ve rüzgâr kesintili, jeotermal sürekli; biyokütle karbonu döngüde tutar.
Hidrojen gram başına en çok ısıyı verir, ürünü sudur ama üretilmesi gerekir. $\text{NaBH}_4 + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{NaBO}_2 + 4\text{H}_2$ ; yakıt pilinde anotta $\text{H}_2$ yükseltgenir.
Nükleer: fisyon çok az yakıttan çok büyük enerji verir, $\text{CO}_2$ salmaz; atık ve kaza riski taşır, yenilenebilir değildir.
Sürdürülebilirlik: bugünün ihtiyacını geleceği tüketmeden karşılamak; alüminyumu geri dönüştürmek enerjinin yaklaşık % $95$ ’ini kurtarır.
Nanoteknoloji: $1$ – $100$ nm; tanecik küçülünce yüzey oranı artar, renk, erime noktası ve tepkime yatkınlığı değişir.

Gömülmüş güneş enerjisi

1. Fosil Yakıtlar: Gömülmüş Canlılardan Yakıta

2. Yanma: Isı Verir, CO2\text{CO}_2CO2​ Bırakır

Aynı ısı, farklı CO2\text{CO}_2CO2​

Metanın yanma ısısı

Kömür mü, doğal gaz mı?

3. Fosil Yakıtların Çevreye Etkileri

Bacadan buluta, buluttan yağmura

4. Zararı Azaltmak: Daha Az Yak, Daha Temiz Yak

Bacada kükürt tutma

5. Güneş, Rüzgâr, Jeotermal: Yakıt Yakmadan Enerji

Gece hangisi üretir?

6. Biyokütle: Karbon Döngüde Kalır

Havadan bitkiye, bitkiden havaya

Şekerden yakıta, yakıttan havaya

7. Hidrojen ve Bor

Kristalden ve sudan hidrojen

Bir kapsül sodyum borhidrür

8. Nükleer Enerji: Küçük Kütle, Büyük Enerji

Bir nötron, bir zincir

Bir gram uranyum kaç ton kömüre denk?

9. Sürdürülebilir Hayat: Kaynağı Gelecekle Paylaşmak

Hammadde yolu uzun, geri dönüşüm yolu kısa

Bir kilogram alüminyumun elektrik faturası

10. Nanoteknoloji: Ölçek Değişince Özellik Değişir

Saç telinden atoma

Küpü böldükçe yüzey büyür

2. Yanma: Isı Verir, $\text{CO}_2$ Bırakır

Aynı ısı, farklı $\text{CO}_2$