11. Sınıf Yeşil Hidrojen, Nano Ürünler ve Mikroplastik — Konu Anlatımı

Kantinin Çöpünden Hidrojen

Bir okul kantini haftada yaklaşık 50 kg meyve kabuğu, bayat ekmek ve sebze artığı atıyor. Bu atık çöp alanında çürürse metan ve karbondioksit salar. Aynı atık kapalı bir tankta, oksijensiz ortamda bakterilere verilirse içindeki şekerlerden hidrojen gazı elde edilebilir. Bu yönteme karanlık fermantasyon denir: ışık gerekmez, bakteriler (ör. Clostridium türleri) şekeri parçalarken hidrojen açığa çıkarır.

Glikozdan asetik asit yolu en çok hidrojen veren yoldur:

$\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 2\mathrm{H_2O} \rightarrow 2\mathrm{CH_3COOH} + 2\mathrm{CO_2} + 4\mathrm{H_2}$

Denkliği sayalım: solda 6 C, 16 H, 8 O; sağda $2 \cdot 2 + 2 = 6$ C, $2 \cdot 4 + 4 \cdot 2 = 16$ H, $2 \cdot 2 + 2 \cdot 2 = 8$ O. Denklem denk.

Çözümlü örnek: 90 g glikoz tamamen bu yolla parçalanırsa kaç gram hidrojen oluşur? ($\mathrm{C_6H_{12}O_6}$: 180 g/mol, $\mathrm{H_2}$: 2 g/mol)

• Glikoz: $90 / 180 = 0{,}5$ mol
• Hidrojen: $0{,}5 \cdot 4 = 2$ mol, yani $2 \cdot 2 = 4$ g
• Normal koşullarda hacim: $2 \cdot 22{,}4 = 44{,}8$ L

Gerçek tankta verim bunun altında kalır; bakteriler şekerin bir kısmını başka ürünlere çevirir. Tanktan çıkan asetik asitli sıvı ise ikinci bir tankta biyogaza dönüştürülebilir. Atık sorunu ile yakıt ihtiyacı aynı süreçte karşılanmış olur.

Hidrojenin Rengi Üretim Yolundan Gelir

Hidrojen renksiz bir gazdır; "gri" ve "yeşil" sıfatları üretildiği yolu anlatır.

Yandığında ürün yalnız sudur: $2\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{H_2O}$. Bu yüzden kullanım anında temizdir. Ama elektroliz için gereken elektrik kömürden geliyorsa kazanç kaybolur. Hidrojen bir enerji kaynağı değil, enerji taşıyıcısıdır.

Çözümlü örnek: Bir elektroliz düzeneğine 900 kJ elektrik enerjisi veriliyor, üretilen hidrojende 585 kJ depolanıyor. Verim $\dfrac{585}{900} \cdot 100 = \%65$; kalan 315 kJ ısı olarak kaybolur. Bir de depolama sorunu var: hidrojen çok hafif bir gazdır, araç tanklarında 700 bar gibi yüksek basınçla sıkıştırılır ya da çok soğutularak sıvılaştırılır. Benzin gibi kolay depolanmaz.

Markette İki "Nano" Ürün

Rafta iki spor çorabı var. Birinin etiketinde "nano gümüş, koku yapmaz" yazıyor, öbürü sıradan pamuk. Hangisini almalı? Önce "nano"nun ne demek olduğunu bilelim: 1-100 nanometre boyutundaki parçacıklar. Bir nanometre metrenin milyarda biridir; saç telinin kalınlığı bunun on binlerce katıdır.

Nano boyutun gücü yüzeyden gelir. Kenarı 1 cm olan bir küpün yüzeyi $6\ \text{cm}^2$'dir. Aynı küp kenarı 1 mm olan küplere bölünürse 1000 küp çıkar ve toplam yüzey $1000 \cdot 6\ \text{mm}^2 = 60\ \text{cm}^2$ olur. Kütle aynı, yüzey 10 kat. Kenar her 10'da bire indiğinde yüzey 10 katına çıkar. Katalizör, antibakteriyel kaplama ve güneş pili gibi yüzeyde çalışan her uygulama bu yüzden az maddeyle çok iş yapar.

• Tekstil: Nano kaplamalı leke tutmayan kumaş; su damlası yüzeye tutunmadan yuvarlanır.
• Enerji: Boyaya duyarlı güneş pillerinde boya molekülleri ışığı soğurup elektron verir; ışık enerjisi elektriğe dönüşür.
• Sağlık ve kozmetik: Titanyum dioksit ve çinko oksit nanoparçacıklı güneş kremleri ciltte beyaz iz bırakmaz.
• Taşıt: Katalitik konvertörde platin ve paladyum nanoparçacıkları egzozdaki $\mathrm{CO}$'yu $\mathrm{CO_2}$'ye çevirir.

Ürün seçerken sorulacak üç soru: Bu özelliğe gerçekten ihtiyacım var mı? Nano madde kullanımda ve yıkamada çevreye geçiyor mu? Ürün ömrü bitince nereye gidecek? Nano gümüşlü çoraptaki gümüşün bir kısmı yıkamada atık suya geçer ve orada arıtmadaki faydalı bakterilere de etki edebilir. Çok küçük parçacıklar hücre zarından geçebildiği için canlıya etkileri faydaları kadar dikkatle incelenir.

Kıyıdaki Plastik Nereye Gidiyor?

Boyutu 5 mm'nin altına inen plastik parçalara mikroplastik, 1 mikrometrenin altına inenlere genellikle nanoplastik denir. İki kaynakları vardır: baştan küçük üretilenler (bazı kozmetiklerdeki mikro boncuklar, sentetik kumaşların yıkamada kopan lifleri) ve büyük plastiğin güneş ışığı ve dalga etkisiyle ufalanmasıyla oluşanlar.

Denizdeki mikroplastiği planktonlar yutar, planktonu balık yer, balığı insan. Parçacığın geniş yüzeyi yağda çözünen kirleticileri de üzerinde toplar; plastik bu kirleticileri besin zincirinde yukarı taşır. Nanoplastik daha da küçük olduğu için dokulara geçebilir.

Burada hız kavramı devreye giriyor. Polietilen yandığında bol ısı verir; yani enerji açısından bozunmaya yatkındır. Ama uzun C–C zincirlerini koparacak enzim doğada neredeyse yoktur, soğuk deniz suyunda aktifleşme engeli aşılamaz. Bozunma hızı eklenme hızından küçük olduğu sürece plastik birikir. Biyobozunur polimerler doğal koşullarda parçalanır; geleneksel plastik parçalanmaz, yalnız ufalanır.

Mini soru: Bir okul tek kullanımlık plastik tüketimini bir yılda 800 kg'dan 600 kg'a indiriyor. Azalma yüzde kaçtır? (Cevap: $\dfrac{200}{800} \cdot 100 = \%25$.)

Yanılgılar ve Sınav İpucu

Sık yapılan hata 1: "Hidrojen her koşulda temiz yakıttır." Yanma anında sera gazı çıkmaz, ama temizlik üretim yoluna bağlıdır: doğal gazdan elde edilen gri hidrojen karbondioksit salarak üretilir.

Sık yapılan hata 2: "Geri dönüşüm mikroplastik sorununu kaynağında çözer." Geri dönüşüm yararlıdır ama plastik yine üretilir ve kullanılır. Kaynağında çözüm, tek kullanımlık plastiği hiç kullanmamak ya da yerine cam, bez veya biyobozunur malzeme koymaktır.

Sık yapılan hata 3: "Biyobozunur ambalaj her yerde hızla yok olur." Birçoğu ancak endüstriyel kompostta, 50-60 °C civarında ve nemli ortamda hızlı bozunur; soğuk denizde yavaş kalır.

Sınav ipucu: Grafikte kıyıdaki mikroplastik miktarı yıllara göre artıyorsa yorum "birikiyor" olmalıdır. Tabloda boyut küçülüyorsa yüzey/hacim oranı ve etkinlik büyür. Hidrojen sorusunda "yeşil" görürseniz yenilenebilir enerji ya da biyokütle, "gri" görürseniz fosil yakıt yazın. Katalizör hız ve denge kardeş anlatımlarda ayrıntılı: "Tepkime Hızı ve Hıza Etki Eden Faktörler", "Le Chatelier İlkesi".

Sık sorulanlar