Fosil yakıtlar

Muhsin, emekli tanker şoförü dedesi Nazif Bey'le köye giden yolda arabadaydı. Coğrafya ödevi için okuduğu bir paragrafı kendi sözleriyle özetledi: «Benzin ham petrolün içinde hazır duruyor. Rafineri petrolü çamurundan, suyundan süzüyor; geriye kalan sıvı benzin.» Nazif Bey otuz yıl aynı rafinerinin dolum peronundan yük almıştı. Bir sabah tankerine benzin doldurulurdu, ertesi gün motorin, bazen de ısıtmalı bir tankerle sıcak asfalt. «Hepsi aynı boru hattından gelen ham petroldü,» dedi. «Bir süzgeçten bu kadar farklı yük çıkar mı?» Sonra camdan dışarıyı, tekerleklerin altında akan siyah şeridi gösterdi: «Şu yol da o petrolden. Benzini alıp gerisini döken bir rafineri görmedim.» Muhsin defterindeki «süzmek» fiilinin üstünü çizdi. Aynı sıvıdan hem yakıt hem yol çıkıyorsa, rafinerinin yaptığı iş bir ayıklamadan daha fazlası olmalıydı.

• Fosil yakıtların nasıl oluştuğunu ve neden yenilenemez sayıldığını açıklarsın.
• Ham petrolün ayrımsal damıtmayla hangi kesimlere ayrıldığını ve kraking ile oktan sayısının ne işe yaradığını yorumlarsın.
• Verilen yanma entalpilerinden yakıtların kütle başına ısısını ve aynı ısı için saldıkları CO₂ miktarını hesaplarsın.
• Yanma ürünlerinden CO₂, CO, SO₂ ve azot oksitlerin kaynağını ve çevresel etkisini ayırt edersin.

Toprağın altında saklanmış güneş

Bir bitki fotosentezle güneş ışığının enerjisini karbon ile hidrojen arasındaki bağlara yerleştirir. Bitki ya da deniz yüzeyindeki mikroskobik canlılar öldüğünde bu kalıntılar çoğunlukla çürüyüp yeniden karbon dioksite döner. Bazı ortamlarda ise süreç yarıda kalır: bataklık dibine ya da deniz tabanına çöken kalıntıların üstünü çamur ve tortu örter, oksijen ulaşamaz. Katmanlar kalınlaştıkça gömülü madde artan sıcaklık ve basınç altında milyonlarca yıl boyunca dönüşür. Kara bitkilerinden çoğunlukla kömür, deniz canlılarının kalıntılarından çoğunlukla petrol ve doğal gaz oluşur. Bu yakıtlara fosil yakıt denir; yaktığımızda açığa çıkan enerji, çok eski bir güneş ışığının bağlarda bekleyen payıdır.

Oluşumun ölçeği bir sonucu da beraberinde getirir. Bir yatağın birikmesi milyonlarca yıl alırken insanlık onu birkaç kuşakta tüketebilir. İnsan ömrüyle ölçüldüğünde yerine konamayan bu kaynaklar yenilenemez enerji kaynakları arasında sayılır.

Kömür: karbonca zenginleşen bir dizi

Kömür, gömülme süresi ve maruz kaldığı sıcaklık arttıkça değişen bir dizinin genel adıdır. Dizinin başında, bitki dokusu hâlâ seçilebilen nemli ve gevşek turba durur. Onu kahverengimsi linyit, sonra sert ve parlak taş kömürü, en sonda da en sert ve en parlak tür olan antrasit izler. Bu sırayla ilerledikçe nem ve uçucu madde oranı azalır, kütlece karbon oranı artar ve yakıtın gram başına verdiği ısı genel olarak yükselir. Dolayısıyla aynı kütlede linyit, antrasitten daha az ısı verir ve daha çok kül bırakır. Kömürde karbonun yanında az miktarda kükürt ve azot bileşikleri de bulunabilir; bu küçük pay, aşağıda yanma ürünlerine gelindiğinde önem kazanacak.

Ham petrol bir karışımdır

Kuyudan çıkan ham petrol, koyu renkli ve yoğun kokulu bir sıvıdır. Bileşiminin çok büyük kısmı hidrokarbonlardır: «Alkanlar» dersinde gördüğümüz düz ve dallı zincirler, halkalı alkanlar ve aromatik halkalar bir arada bulunur. Az miktarda kükürt, azot ve oksijen içeren bileşikler de karışıma katılır. Muhsin'in ödevindeki yanılgının kökü buradadır: benzin, ham petrolün içinde ayrı bir kap gibi duran tek bir madde değil, yaklaşık beş ile on karbon arasındaki pek çok hidrokarbonun ortak adıdır. Bu moleküller ham petrolde daha küçük ve daha büyük moleküllerle iç içe çözünmüş hâldedir; süzgeç kâğıdı onları birbirinden ayıramaz, çünkü hepsi aynı sıvı fazdadır.

Ayrımsal damıtma

Hidrokarbonları birbirinden ayıran ölçüt, TYT'deki «Ayırma yöntemleri» dersinden bilinen kaynama noktası farkıdır. Alkanlarda zincir uzadıkça London kuvvetleri güçlenir ve kaynama noktası yükselir; rafineri bu düzenden yararlanır. Ham petrol bir fırında yaklaşık 400 °C'ye kadar ısıtılır ve buharı uzun bir kolonun alt kısmına gönderilir. Kolonun içi aşağıdan yukarıya doğru soğur; yükselen buharın her bileşeni, sıcaklığın kendi kaynama noktasının altına düştüğü yükseklikteki tablada yoğuşur ve oradan alınır. Küçük moleküller tepeye kadar çıkar, büyükler alt tablalarda kalır, en ağır kısım hiç buharlaşmadan dipte birikir.

Tablodaki sınırlar kaynaktan kaynağa birkaç on derece oynar ve komşu kesimler birbirine karışır; kesin olan sıralamadır. Bir kesim birçok maddeden oluştuğu için ortak bir kaynama noktası taşımaz, belirli bir sıcaklık aralığında kaynar. Ayrımsal damıtma fiziksel bir ayırmadır: hiçbir molekülü değiştirmez, karışımın içindekileri gruplara böler. Nazif Bey'in taşıdığı benzin, motorin ve asfaltın aynı boru hattından gelmesi bundandır.

Kraking: molekülü bölmek

Damıtmadan çıkan kesimlerin oranı ham petrolün bileşimine bağlıdır ve çoğu zaman piyasanın istediğiyle örtüşmez. Benzin gibi hafif kesimlere talep, damıtmanın doğrudan verdiğinden fazla olabilir; ağır kesimler ise artar. Rafineri bu açığı kimyasal bir dönüşümle kapatır: büyük hidrokarbon moleküllerini yüksek sıcaklıkta, çoğu zaman bir katalizör yardımıyla daha küçük moleküllere böler. Bu işleme kraking (parçalama) denir. Örneğin on altı karbonlu bir alkan, sekiz karbonlu bir alkan ile sekiz karbonlu bir alkene ayrılabilir:

C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + C₈H₁₆

Hidrojen sayısına bakınca neden ürünlerden birinin doymamış olduğu anlaşılır: tek bir doymuş zincir, iki doymuş zincire yetecek hidrojeni taşımaz. Kraking hem benzin aralığında yakıt hem de etilen, propilen gibi alkenler üretir; bu alkenler plastik sanayisinin hammaddesidir. Damıtmanın aksine kraking yeni maddeler oluşturur; kimyasal bir değişimdir.

Oktan sayısı

Benzin motorunda yakıt-hava karışımı sıkıştırılır ve bir kıvılcımla tutuşturulur. Bazı moleküller kıvılcımı beklemeden, sıkışmanın etkisiyle erken tutuşur; motordan duyulan metalik vuruntu sesi bundandır ve motora zarar verir. Bir benzinin bu erken tutuşmaya direnci oktan sayısı ile ifade edilir. Ölçek iki saf maddeyle kurulmuştur: vuruntuya çok dayanıklı, dallı bir alkan olan izooktana (2,2,4-trimetilpentan) 100, kolayca vuruntu yapan düz zincirli n-heptana 0 değeri verilir. Oktan sayısı 95 olan bir benzin, standart bir test motorunda hacimce %95 izooktan ve %5 n-heptan içeren bir karışım kadar vuruntuya dayanır. Bu sayı benzinde ne kadar «oktan» bulunduğunu söylemez. Dallı alkanlar ve aromatik bileşikler oktan sayısını yükseltir, düz zincirler düşürür; rafinerilerde düz zincirleri dallı izomerlerine çevirmek bu yüzden yaygın bir işlemdir.

Doğal gaz ve LPG

Doğal gaz büyük ölçüde metandan oluşur; yanında az miktarda etan, propan ve başka gazlar bulunabilir. Doğal hâliyle kokusuzdur, bu yüzden şehir şebekesine verilmeden önce kaçağın fark edilmesi için keskin kokulu kükürtlü bir madde katılır. LPG (sıvılaştırılmış petrol gazı) ise propan ve bütan karışımıdır; tüpte basınç altında sıvı hâlde tutulur, vana açılınca buharlaşır. İki gazın mol kütleleri güvenlik açısından önemlidir. Havanın ortalama mol kütlesi yaklaşık 29 g/mol alınırsa metan (16 g/mol) havadan hafiftir ve kaçakta yükselir; propan (44 g/mol) ve bütan (58 g/mol) havadan ağırdır, zemine yakın çukurlarda birikir.

Yakıtları enerjiyle karşılaştırmak

«Endotermik ve ekzotermik tepkimeler» dersinde gördüğümüz gibi yanma ısı verir ve bu ısı mol başına yazılır. Ancak bir depoyu doldururken kilogramla ya da litreyle ölçeriz, molle değil. Yanma entalpisini mol kütlesine bölmek kütle başına ısıyı verir. Ürünlerdeki su sıvı kabul edilerek alınan yaklaşık değerlerle (kömür saf karbon sayılarak):

Son sütun şöyle hesaplanır: bir mol metan 890 kJ verirken bir mol CO₂ (44 g) oluşturur; 1000 kJ için 44 × 1000 / 890 ≈ 49,4 g CO₂ çıkar. Tablonun söylediği açıktır: hidrojen oranı yüksek yakıtlar enerjinin bir kısmını su oluşumundan sağlar, bu yüzden aynı ısı için daha az CO₂ salarlar. Karbondan başka yanacak bir şeyi olmayan kömür aynı ısıyı metanın iki katından fazla CO₂ ile verir. Yanma entalpilerinin kendisi de «Oluşum entalpisi» dersindeki formülle, ürünlerin ve yakıtın oluşum entalpilerinden hesaplanabilir.

Yanmanın havaya bıraktıkları

Tam yanmanın kaçınılmaz ürünü CO₂'dir. Bu gaz Dünya yüzeyinin yaydığı kızılötesi ışınımın bir kısmını soğurur; atmosferdeki derişiminin artması sera etkisini güçlendirir ve küresel ısınmayla ilişkilendirilir. Oksijen yetersiz kaldığında karbonun bir kısmı CO'ya kadar yükseltgenebilir ya da is olarak kalır. Karbon monoksit renksiz ve kokusuzdur; kandaki hemoglobine bağlanıp oksijen taşınmasını engellediği için zehirlidir. Kapalı ortamlarda yanan soba ve şofbenlerin iyi havalandırılması bu yüzden bir güvenlik kuralıdır.

Yakıttaki kükürt yanınca SO₂ oluşur. Havada bir kısmı daha da yükseltgenip SO₃'e dönüşür, yağmur damlasındaki suyla sülfürik asit oluşturur. Motorların ve kazanların yüksek sıcaklığında ise yakıtla hiç ilgisi olmayan havadaki azot ile oksijen birleşir ve azot oksitleri (NOx) ortaya çıkar; bunlar da suyla nitrik asit verir. TYT'deki «Asit ve bazların özellikleri» dersinde mermeri aşındırdığını gördüğümüz asit yağmuru bu iki kaynaktan beslenir. Yakıtlardan kükürdün önceden uzaklaştırılması ve egzozdaki katalitik dönüştürücüler bu salımları azaltır; CO₂ ise karbon yakıldığı sürece oluşmaya devam eder.

Karbonsuz enerji arayışı

Tablonun son sütunu bir sınırı da gösteriyor: yakıt seçimi CO₂ miktarını azaltabilir ama karbon içeren her yakıt yandığında CO₂ verir, üstelik bu yakıtların stoku milyonlarca yılda birikmiş ve sınırlıdır. Karbonsuz seçenekler arasında en sık anılanı hidrojendir, çünkü yanınca geriye su kalır. Oysa hidrojen yeryüzünde hemen her zaman suyun ya da organik bileşiklerin içinde bağlıdır; onu ayırmak için önce başka bir yerden enerji getirmek gerekir. Bir maddenin enerjiyi kendisi mi sağladığı, yoksa başka bir kaynağın enerjisini yalnız taşıdığı ayrımı, güneşten rüzgâra ve bitkilerden üretilen yakıtlara uzanan seçeneklerle birlikte «Alternatif enerji kaynakları» dersinde ele alınıyor.

Örnek 1 — Kolonda yükseklik

Soru: Ham petrolün ayrımsal damıtılmasında kullanılan kolonda aşağıdaki kesimlerden hangisi en yüksek tabladan alınır?

• A) Motorin
• B) Benzin
• C) Gazyağı
• D) Fuel oil
• E) Asfalt

Çözüm: Kolon aşağıdan yukarıya soğur; kaynama noktası düşük, yani karbon sayısı küçük kesimler daha yukarıda yoğuşur. Seçeneklerdeki kesimler arasında en küçük molekülleri benzin taşır (yaklaşık C₅–C₁₀). Gazyağı ve motorin daha aşağıda yoğuşur, fuel oil alt tablalarda kalır, asfalt hiç buharlaşmadan dipte birikir. Cevap: B.

Örnek 2 — Kraking denkleminde eksik ürün

Soru: Bir kraking işleminde C₁₆H₃₄ molekülü C₁₆H₃₄ → C₁₀H₂₂ + 2X denklemine göre parçalanıyor. X maddesi hangisidir?

• A) X = C₆H₁₂
• B) X = C₃H₈
• C) X = C₂H₄
• D) X = C₃H₆
• E) X = C₆H₁₄

Çözüm: Denklemde girenden C₁₀H₂₂ çıkarılınca 6 karbon ve 12 hidrojen kalır. Bu atomlar iki X molekülüne paylaşıldığı için her X'te 3 karbon ve 6 hidrojen bulunur: C₃H₆, yani bir alken (propen). A katsayı 2'yi görmeden kalan atomların hepsini tek moleküle yükler. B hidrojen sayısını alkan formülüne zorlar; o zaman hidrojen denkliği tutmaz. C ile E iki molekülle çarpıldığında karbon sayısını altıya getiremez. Cevap: D.

Örnek 3 — Aynı ısı, farklı CO₂

Soru: Bir kazanda 3560 kJ ısı elde edilecek. Metanın yanma entalpisi −890 kJ/mol, kömürünki saf karbon kabul edilerek −394 kJ/mol alınıyor. Bu ısı kömürden sağlanırsa açığa çıkan CO₂ kütlesi, metandan sağlandığındakinin yaklaşık kaç katı olur? Karbon dioksidin mol kütlesini hesapta 44 g/mol kullanın.

• A) eşit, 1 kat
• B) yaklaşık 1,3 kat
• C) yaklaşık 1,7 kat
• D) yaklaşık 2,3 kat
• E) yaklaşık 0,44 kat

Çözüm: Metandan 3560 / 890 = 4 mol yakılır; her mol bir mol CO₂ verdiği için 4 × 44 = 176 g CO₂ oluşur. Kömürden 3560 / 394 ≈ 9,04 mol karbon yakılır ve ≈ 397,6 g CO₂ oluşur. Oran 397,6 / 176 ≈ 2,26, yani yaklaşık 2,3 kattır; kısa yol 890 / 394 oranıdır. A, «ikisi de molekül başına bir CO₂ verir» diye düşünüp ısıyı hesaba katmaz. B yakıtın gramı başına oluşan CO₂'yi karşılaştırır. C gram başına ısıların oranını alır. E oranı ters kurar. Cevap: D.

Örnek 4 — Kükürtten sülfürik aside

Soru: Kütlece %1,28 kükürt içerdiği varsayılan 5 kg kömür yakılıyor. Kükürdün tamamının SO₂'ye, havada da sırasıyla SO₃'e ve sülfürik aside dönüştüğü kabul edilirse en çok kaç gram H₂SO₄ oluşabilir? (H = 1, O = 16, S = 32 alınız.)

• A) m = 98 g
• B) m = 128 g
• C) m = 160 g
• D) m = 392 g
• E) m = 196 g

Çözüm: Kömürdeki kükürt 5000 × 0,0128 = 64 g, yani 2 moldür. Her kükürt atomu sırayla bir SO₂, bir SO₃ ve bir H₂SO₄ molekülüne geçer; dönüşüm boyunca kükürt korunur. 2 mol H₂SO₄, 2 × 98 = 196 g eder. A bir mol kükürt varsayar. B SO₂'nin kütlesini, C SO₃'ün kütlesini yazar. D mol sayısını iki kez ikiyle çarpar. Cevap: E.

• Benzini ham petrolde hazır duran tek bir madde sanmak. Benzin yaklaşık beş ile on karbonlu pek çok hidrokarbonun karışımıdır; tek bir kaynama noktası yoktur, bir aralıkta kaynar.
• Ayrımsal damıtmayı kimyasal değişim saymak. Damıtma molekülleri yalnız gruplara ayırır; molekülü bölen kraking kimyasal bir değişimdir.
• Oktan sayısını benzindeki oktan yüzdesi sanmak. Sayı vuruntu direncidir; izooktan 100, n-heptan 0 kabul edilerek kurulmuş bir karşılaştırma ölçeğidir.
• Mol başına ısıyı kütle başına ısıyla karıştırmak. Oktanın mol başına ısısı metanınkinin altı katından fazladır, ama gram başına metan daha çok ısı verir.
• Asit yağmurunu CO₂'ye bağlamak. Asit yağmurunun asıl kaynakları SO₂ ve azot oksitleridir; CO₂ sera etkisiyle anılır. Azot oksitleri yakıttaki azottan çok, yüksek sıcaklıkta havadaki azotla oksijenin birleşmesinden doğar.
• LPG ile doğal gazı aynı davranışta sanmak. Metan havadan hafiftir ve yükselir; propan ve bütan havadan ağırdır, zemine çöker.