Bir Evin Yıllık Faturası
Orta büyüklükte bir ev, ısınma ve mutfak için yılda yaklaşık 1000 m³ doğal gaz yakıyor. Faturada metreküp yazıyor; atmosfere ne kadar karbon dioksit gittiği yazmıyor. Hesaplayalım.
Doğal gazın büyük kısmı metandır: $\mathrm{CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O}$. Her mol metan bir mol $\mathrm{CO_2}$ verir. Normal şartlarda (0 °C, 1 atm) bir mol gaz 22,4 L kaplar.
1000 m³ = $10^6$ L. Metan: $10^6 / 22{,}4 \approx 44\,600$ mol. $\mathrm{CO_2}$ kütlesi: $44\,600 \cdot 44 \approx 1\,960\,000$ g, yani yaklaşık 2 ton. Gerçek sayaç koşulları biraz farklıdır ama büyüklük bu kadardır.
Gazın verdiği ısı: metanın yanma ısısı 890 kJ/mol, $44\,600 \cdot 890 \approx 4 \cdot 10^7$ kJ. Peki başka bir yakıt aynı ısıyı daha az karbonla verebilir mi?
Yakıtları Yan Yana Koymak
| Yakıt | Yanma ısısı (kJ/mol) | kJ/g | MJ başına CO2 (g) |
|---|---|---|---|
| Hidrojen, $\mathrm{H_2}$ | 286 | ~142 | 0 |
| Metan, $\mathrm{CH_4}$ | 890 | ~55,6 | ~49 |
| Oktan, $\mathrm{C_8H_{18}}$ | 5471 | ~48,0 | ~64 |
| Karbon (kömür yaklaşımı) | 394 | ~32,8 | ~112 |
Son sütunun hesabı: metanda 890 kJ = 0,89 MJ başına 44 g $\mathrm{CO_2}$ çıkar, $44 / 0{,}89 \approx 49$ g. Kömürde aynı 44 g yalnız 0,394 MJ için çıkar, $44 / 0{,}394 \approx 112$ g. Aynı ısı için kömür, doğal gazın iki katından fazla karbon dioksit salar. Hidrojen hiç salmaz.
Fosil Yakıtın Yolculuğu
Kömür, petrol ve doğal gaz milyonlarca yıl önce yaşamış canlıların kalıntılarından, basınç ve ısı altında oluşmuştur. İnsan ömrü ölçeğinde yenilenmedikleri için yenilenemez sayılırlar.
Ham petrol rafineride ayrımsal damıtma ile ayrılır; ayırma kaynama noktası farkına dayanır. Kulenin tepesinden küçük moleküller (LPG: propan ve bütan, C3-C4), ortasından benzin (yaklaşık C5-C12), altına doğru motorin ve ağır yağlar çıkar.
Yanma yeterli oksijenle olursa ürün $\mathrm{CO_2}$ ve sudur. Oksijen yetmezse eksik yanma olur: $\mathrm{2CH_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO + 4H_2O}$. Karbon monoksit renksiz, kokusuz ve zehirlidir; kanda oksijen taşıyan hemoglobine oksijenden çok daha sıkı bağlanır. Sobalı evlerde baca bakımının hayati olmasının kimyasal nedeni budur.
Yakıttaki kükürt $\mathrm{SO_2}$'ye, yüksek sıcaklıkta havanın azotu $\mathrm{NO_x}$'e dönüşür. Bu gazlar atmosferde suyla birleşip sülfürik ve nitrik asit oluşturur: asit yağmuru.
Hidrojen: Kaynak mı, Taşıyıcı mı?
Hidrojen yakıt hücresinde yanma alevsiz, elektrokimyasal olarak yürür. Anotta $\mathrm{H_2 \rightarrow 2H^+ + 2e^-}$, katotta $\mathrm{O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O}$. Toplam: $\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}$. Tek ürün sudur.
Ama doğada serbest hidrojen gazı yok denecek kadar azdır; onu sudan ya da doğal gazdan üretmek için enerji harcanır. Bu yüzden hidrojen bir enerji taşıyıcısıdır, bir kaynak değil. Temizliği, üretiminde kullanılan enerjinin temizliğine bağlıdır. Elektrikli araçlar için de aynı soru geçerli: egzoz yok ama şarj elektriği kömürden geliyorsa salım santrale kaymıştır.
Güneş, rüzgâr, hidroelektrik, biyokütle ve jeotermal yenilenebilir kaynaklardır. Jeotermalin ısısı yer kabuğunun derinlerindeki radyoaktif bozunmadan beslenir. Biyoyakıtlar bitkisel yağlardan, şeker ve nişastadan üretilir. Kaynak seçen bir ülke süreklilik, çevresel etki, maliyet ve dışa bağımlılığı birlikte tartar.
Küçüldükçe Değişen Madde
Nanoteknoloji 1-100 nm aralığında çalışır (1 nm = $10^{-9}$ m). Asıl değişen şey bu ölçekte yüzeydir.
Mini soru: 1 cm kenarlı bir küpün yüzeyi 6 cm²'dir. Aynı küpü 10 nm kenarlı küplere bölersek toplam yüzey ne olur? Toplam yüzey, kenar küçüldükçe ters orantılı büyür: kenar $10^{-6}$ kat küçüldüğü için yüzey $10^6$ kat artar, $6 \cdot 10^6$ cm² = 600 m². Bir şeker küpü kadar malzeme, bir basketbol sahasından geniş yüzey açar.
Katalizör tepkimeyi yüzeyinde hızlandırdığı için nano boyutta hazırlanan katalizör çok daha etkindir. Grafen tek atom kalınlığında karbon tabakasıdır; sarılıp silindir olduğunda karbon nanotüp oluşur ve aynı kütledeki çelikten kat kat dayanıklıdır. Tıpta nano taşıyıcılar ilacı doğrudan tümör dokusuna ulaştırmak için geliştirilir.
Sık Yapılan Hata
"Hidrojen sınırsız ve temiz bir enerji kaynağıdır." Hidrojen üretilmesi gereken bir taşıyıcıdır; temizliği üretim yoluna bağlıdır.
"Nano malzeme, aynı maddenin küçük hâlidir, özellikleri aynıdır." Yüzey/hacim oranı binlerce kat değiştiği için tepkime hızı, renk ve dayanım da değişir.
"Eksik yanma yalnız verimi düşürür." Asıl sorun zehirli CO'nun oluşmasıdır.
AYT ipucu: "sera gazı" sorularında $\mathrm{CO_2}$, metan ve su buharı; "asit yağmuru" sorularında $\mathrm{SO_2}$ ve $\mathrm{NO_x}$ aranır. İkisini karıştıran seçenekler sık kullanılır.
Sık sorulanlar
Elektrikli araç gerçekten temiz mi?
Kullanımda egzoz salımı yoktur ama kullandığı elektrik kömürden üretiliyorsa salım santrale kayar. Toplam etki elektriğin kaynağına ve aracın üretimine bağlıdır.
Jeotermal neden yenilenebilir sayılıyor?
Kaynağı yerin derinlerindeki ısıdır; radyoaktif bozunmayla sürekli beslenir ve insan ölçeğinde tükenmez.
LPG neyden oluşur?
Başlıca propan ve bütandan. Ham petrolün ayrımsal damıtılmasında kulenin tepesinden alınan küçük hidrokarbonlardır.