KİMYA NE İŞE YARAR? BÖLÜM. Kimya Disiplinleri

Transkript

1 2. KİMYA NE İŞE YARAR? BÖLÜM Resim 1.11: Günlük yaşamda kullandığımız temizlik malzemeleri kimyasal madde içerir. Kimyayı neden öğrendiğinizi hiç düşündünüz mü? Bunun birçok nedeni olmakla beraber ilk olarak kimyanın günlük yaşantımızla alakalı olmasından bahsedilebilir. Kimya biliminin günlük yaşantımızdaki uygulaması akıl almaz derecede çoktur (Resim 1.11). Bunun için çok uzaklara gitmeniz gerekmiyor. Basit olarak bu sabah güne nasıl başladığınızı düşünebilirsiniz. Sabahleyin uyanmanızı sağlayan çalar saatten tutun da elinizi yüzünüzü yıkamada kullandığınız su ve sabun, kullandığınız kremler ve parfümler, yaptığınız kahvaltı ve buna benzer birçok etkinlik kimyasal maddeleri ve birçok kimyasal olayı içermektedir. Bunun dışında ilaç ya da gıda malzemesi alınırken etiketlerini okuyarak ne alındığı hakkında bilgilenmek bilinçli tüketici olmayı da sağlar. Dahası, çevremizi nasıl korumamız gerektiği konusunda da bilgilenmemize yardımcı olmaktadır. Örneğin hava kirliliğine neden olmayan yakıtlar kullanabilir ve geri dönüşüme katkı sağlayabiliriz. Günlük yaşantımızda faydalı bilgiler edinme yanında, kimya öğrenmemiz bizlerin düşünme, problem çözme ve iletişim gibi birçok becerimizi de geliştirmeye katkıda bulunmaktadır. Kimya öğrenmemizdeki üçüncü önemli sebep de kimya biliminin diğer fen bilimlerinden fizik ve biyoloji ile de çok yakından ilişkili olmasıdır. Birçok fiziksel ve biyolojik olayın açıklanmasında kimya biliminden yararlanılmaktadır. Kimya Disiplinleri Resim 1.12: Yaşam kaynağımız su bir inorganik maddedir. Kimya, içerdiği konular ve çalışma yöntemleri bakımından farklılık gösteren fakat aralarında ilişkilerin olduğu alt dallara ayrılmıştır. Kimya bilimi incelediği konu alanlarına göre beş temel alt alana ayrılmaktadır: inorganik kimya, organik kimya, analitik kimya, fizikokimya ve biyokimya. İnorganik kimya, genellikle karbon içermeyen bileşiklerin özelliklerini ve kimyasal davranışlarını inceler. Örneğin metaller, ametaller, yarı metaller, mineraller ve su (Resim 1.12) inorganik kimyanın çalışma alanına girer. Organik kimya, temel olarak karbon ve hidrojen elementi içeren bileşiklerin yapısını, özelliklerini ve tepkimelerini inceler. Yediğimiz içtiğimiz gıdalar, giydiğimiz elbiseler, kullandığımız plastikler ve ilaçlar organik maddelerdir. Analitik kimya, belirli bir maddenin kimyasal bileşenlerinin ya da bileşenlerden bir bölümünün niteliğinin ve niceliğinin belirlenmesini inceler. Örneğin şeker pancarındaki şeker oranı ile kan ve idrardaki üre, şeker ve azot tayini analitik kimyada kullanılan yöntemler ve cihazlarla yapılabilmektedir. Fizikokimya, kimyasal sistemlerde fiziksel özellikleri ve enerji-iş dönüşümlerini inceleyen bir alt disiplindir. Fizikokimyanın amacı, kimyasal 16

2 maddelerin ölçülebilen bütün özelliklerini incelemek, ölçüm yapmak için gerekli olan deney metotları geliştirmek, cihazlar tasarlamak ve yapılan ölçümleri yorumlayıp matematiksel ifadelerle verilebilecek bağıntı veya teoriler geliştirmektir. Termodinamik ve kimyasal kinetik fizikokimyanın ilgilendiği başlıca alanlardır. Biyokimya, canlıların yapısında yer alan kimyasal maddeleri, tepkimeleri ve yaşamları boyunca devam eden kimyasal süreçleri inceler. Yeni ilaçların ve aşıların insan vücudundaki etkilerini araştıran biyokimya günlük yaşamda birçok alanda önemli rol oynar. Yiyeceklerdeki katkı maddelerinin, tarımda kullanılabilecek gübrelerin ve içme sularını arıtmak için katılan kimyasal maddelerin önce biyokimyasal yöntemlerle sınanması gerekir. Radyasyonun canlı dokular üzerindeki etkilerini incelemek için de yine biyokimyasal yöntemlerden yararlanılır. Son yıllarda teknoloji alanında gözlenen değişimler ve özelleşmiş alanlardan elde edilen yeni bilgiler sonucunda yeni araştırma alanları ortaya çıkmıştır. Kimya bilimi altında aşağıdaki bilim dallarından da bahsedebiliriz: Elektrokimya, elektrik akımı etkisiyle meydana gelen kimyasal değişmeleri ve kimyasal tepkimelerde oluşan enerjiyi elektrik üretiminde kullanma konularını inceler (Resim 1.13). Çekirdek kimyası (nükleer kimya), atom altı taneciklerin atomu nasıl oluşturduklarını inceleyen alt disiplindir. Polimer kimyası, yüksek molekül ağırlıklı bileşiklerin yapısını ve tepkimelerini inceler. Gıda kimyası, besin maddelerinin kimyasal yapılarını ve organizmadaki işlevlerini inceler. Çevre kimyası, kimyasal maddelerin yol açtığı çevre kirlenmesini ve bu kirlenmenin önlenmesini konu alır. Tıbbi (medikal) kimya, kimyasal maddelerin hastalıkların tedavisinde kullanılmasını ve tedavi mekanizmasını konu alır. Farmasötik kimya, kimya ile eczacılığın kesiştiği noktadaki etken madde sentezi ve ilaç (Resim 1.14) geliştirmekle ilgili alt bilim dalıdır. Jeokimya, yerküredeki doğal kimyasal olayları inceleyen bilim dalıdır. Agrokimya, tarım bilimlerindeki kimyasal uygulamaları inceler. Tekstil kimyası, boya ve tekstil sanayisinde kullanılan kimyasal maddelerin tekstil üzerindeki etkilerini inceler. Endüstriyel kimya, sanayide kullanılan kimyasal maddelerin üretim süreçlerini inceler. Supramoleküler kimya, moleküller arasındaki ve molekül içindeki etkileşimleri inceleyen bilim dalıdır. Fotokimya, ışık etkisiyle oluşan kimyasal tepkimeleri inceleyen bilim dalıdır. Termokimya, kimyasal tepkimelerin ısı ile olan ilişkisini konu edinir. Görüldüğü gibi hemen hemen bütün bilimler kimya biliminden yararlanmaktadır. Kimya bu bağlamda merkezî bir bilim olarak da kabul edilmektedir. İleride hangi mesleği seçerseniz seçin, bu kitapta bahsedilen kavramların sizin için yararlı olacağını unutmayınız. Resim 1.13: Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren piller elektrokimyanın çalışma alanına girer. Resim 1.14: Günlük hayatta kullandığımız ilaçlar farmositik kimyanın çalışma konusudur. Araştıralım Son yıllarda kimya biliminin temelleri üzerine kurulmuş yeni bir kavram olan yeşil kimya kavramı ile karşılaşmaktayız. Yeşil kimyanın ne olduğunu araştırınız ve sınıfınızda arkadaşlarınız ile paylaşınız. 17

3 Kimyanın Başlıca Uygulama Alanları Kimya biliminin gündelik hayatımızdaki bazı uygulamaları aşağıda verilmiştir: Resim 1.15: İlaç İlaç İnsanlar var oldukları günden bu yana mevcut hastalıklarını tedavi için çeşitli yöntemlere başvurmuşlardır. Tıbbın gelişmediği dönemlerde de insanlar bitkilerden ilaç elde etmişlerdir. İlaç, canlı hücre üzerinde değişiklik meydana getiren kimyasal maddedir (Resim 1.15). İlaçlar, bitkisel ve hayvansal kaynaklı olabileceği gibi sentetik de olabilir. İlaç endüstrisi, günümüzde en yüksek araştırma-geliştirme potansiyeline sahip bir endüstri koludur. Dünyada bulunan birçok üniversite laboratuvarlarında ilaç endüstrisi alanında araştırmalar yapılmaktadır. Günümüzde artan kanser ve AİDS gibi ölümcül hastalıklarla mücadele etmek için yeni ilaçlar keşfedilmekte ve sentezlenmektedir. Kimyacılar bu alanda; biyoloji, mikrobiyoloji ve farmakoloji gibi farklı disiplinlerde çalışan bilim insanları ile iş birliği içindedirler. Ekip hâlinde çalışan bilim insanları, bir yandan çevre dostu ilaçları çeşitli kimyasal yöntemleri kullanarak sentezlerken bir yandan da yaşam kalitesini artırmak için araştırmalar yapmaktadırlar. Resim 1.16: Kimyasal gübre Gübre Bitkiler, fotosentez yoluyla kendi besinlerini üretirler. Bitkiler kökleriyle topraktan su alırken, suda çözünmüş mineralleri de alarak fotosentez yapımında kullanır. Zamanla toprağın yapısındaki mineraller azaldığı için toprağın verimi de azalmaya başlar. Toprağın verimini artırmak amacıyla toprağa verilen maddelere gübre, bu olaya da gübreleme denir. Bunun için genellikle kimyasal gübreler kullanılır (Resim 1.16). Daha çok bu gübrelerin azot, fosfor ve potasyum içerenleri kullanılmaktadır. Ayrıca toprağın ihtiyacına göre kalsiyum, magnezyum ve kükürt içeren gübreler de kullanılır. Ülkemizde büyük ölçüde tarıma dayalı bir ekonomi olduğu için birim alandaki verime katkısı bakımından gübre üretimi önemli bir sanayi koludur. Kimyacılar; biyokimya, biyoloji ve ziraat gibi birçok alanda uzman kişiler ile iş birliği içerisindedirler. Gübre sanayisinde çalışan kimyacılar, toprak ve bitki analizi yaparak toprağın yapısında eksik olan ve bitkinin ihtiyaç duyduğu mineralleri tespit ederek çiftçilere tavsiyelerde bulunurlar. Resim 1.17: Petrokimya tesisi Petrokimya Petrokimya, petrol ya da doğal gazdan tamamen ya da kısmen türetilen kimyasal maddeler ile ilgilenen endüstri koludur yıllarında petrolün yan ürünlerinin değerlendirilmesi petrokimya endüstrisini ortaya çıkarmıştır (Resim 1.17). II. Dünya Savaşı sırasında patlayıcı madde ve sentetiklere duyulan ihtiyaç bu endüstri dalının gelişmesine neden olmuştur. Petrokimya endüstrisinde temel ham madde olarak petrol rafineri ürünleri ve doğal gaz kullanılmasına rağmen çok çeşitli organik maddeler üretilebilmektedir. Üretilen bu ürünler daha sonra çeşitli plastik ürünler, sentetik elyaflar, reçineler, temizlik maddeleri, boyalar, ambalaj malzemesi, ilaç, gübre, araba lastiği gibi birçok madde üretiminde ham madde 18

4 olarak kullanılır. İhtiyaç duyulan ham maddeyi sağlaması bakımından kimya sanayisi büyük ölçüde petrokimya endüstrisine dayalıdır. Bu nedenle petrokimya endüstrisi özellikle de polimer kimyacılarına ve kimya mühendislerine çeşitli iş imkânı sunmaktadır. Kimyacılar, petrokimya tesislerinde ve petrol ürünleri işleyen fabrikalarda petrol ürünlerinin elde edilmesi sürecinde rol alabilirler ve elde edilen ürünlerin çeşitli kimyasal analizler yoluyla kalite kontrolünü gerçekleştirebilirler. Bunların yanında kimyacılar, farklı disiplinlerdeki bilim insanları ile iş birliği içerisinde çalışarak daha kaliteli ürünlerin elde edilebilmesine yönelik araştırmalar da yapmaktadırlar. Arıtım Faydalı Bilgi Polimerler, çok sayıda küçük molekülün birbirine bağlanarak oluşturdukları büyük moleküllerdir. Örneğin polivinil klorür (PVC) vinil klorür moleküllerinin birbirine bağlanmasıyla oluşur. Proteinler, doğal kauçuk ve selüloz doğal kaynaklı polimerlerdir. Bir maddede bulunan istenmeyen bileşenlerin uzaklaştırılma işlemine arıtım denilir. Arıtım işlemleri başta suyun arıtımında olmak üzere petrol rafinerileri ve metalürji gibi birçok alanda yapılmaktadır. Örneğin ham petrolün yapısında hidrokarbon bileşikleri dışında düşük oranlarda ama malzemenin yapısını etkileyebilecek düzeyde kükürt, azot ve oksijenden oluşan bileşikler de bulunur. Arıtım yoluyla yabancı maddeler petrolden uzaklaştırılır ve petrol; benzin, mazot, yağlama yağı ve petrokimya ürünleri gibi kullanışlı ve istenilen özellikte ürünlere dönüştürülür. Günümüzde artan kentleşme ve endüstrileşme su kirliliği problemini de beraberinde getirmiştir. Evsel ve endüstriyel atık suları son derece kirli olup bunların arıtıma tabi tutulmaksızın doğaya verilmesi (toprağa, nehirlere, göllere, derelere, denizlere) çevre kirliliğine neden olur, bu da insan sağlığı açısından büyük riskler oluşturmaktadır. Atık suların arıtımının yapılıp tarımsal sulama gibi farklı alanlarda kullanılarak geri kazanımının sağlanması oldukça önemlidir (Resim 1.18). Resim 1.18: Su arıtma tesisi Arıtım elektroliz, ayrımsal damıtma, kristallendirme, süzme, ters osmoz gibi çeşitli fiziksel, kimyasal ve biyolojik yöntemler kullanılarak yapıldığından arıtımda kimyacılara da ihtiyaç duyulmaktadır. Kimyacılar, arıtım yapılacak maddeleri analiz ederek uzaklaştırılması gereken kimyasal maddeleri tespit ederler ve uygun arıtım yöntemleri önerirler. Arıtımı yapılan maddenin kalite kontrolünü gerçekleştirerek istenilen özellikte ürün elde edilebilmesine yönelik çalışmalar da yürütürler. Bunların yanında, kimyacılar, araştırmalar yaparak yeni kimyasal arıtım yöntemleri de geliştirirler. Ahşap İşleme Ahşap işleme, ahşap malzeme üzerine yapılan bir çizimin, özel kesici aletlerle istenmeyen yerlerinin yontulması ile elde edilmesi sanatıdır. Ahşap malzeme çağımızın getirdiği teknik yeniliklere ve çok sayıdaki yeni malzeme ile rekabetine rağmen, sahip olduğu üstün özellikleri nedeniyle birçok kullanım alanında önemini korumaktadır (Resim 1.19). Bugün neredeyse hiç kimsenin ahşap ve ahşap ürünlerinden soyutlanarak yaşaması mümkün değildir. Ancak ahşap malzeme doğal hâlde iken fiziksel, kimyasal, mekanik ve biyolojik faktörlere karşı dayanıklı değildir. Biyolojik bir malzeme olan ahşap; böcek, küf ve hava koşullarının etkisiyle bozulabilmektedir. Odun ve odun esaslı ürünlerin, çelik ve beton gibi diğer yaygın malzemelere benzer güvenilir bir hizmet sunabilmesi için bu faktörlere karşı korunması gerekmektedir. Boya ve vernik gibi çeşitli kimyasal maddeler kullanılarak ahşap malzemeler korunmakta ve böylelikle malzemenin Resim 1.19: Ahşap işleme 19

5 çürümeye ve dış hava koşullarına karşı dayanıklılığı artırılmış olmaktadır. Ahşap malzeme cinsine uygun özellikte boya ve vernik gibi koruyucu kimyasal maddelerin seçimi kimya bilgisi gerektirmektedir. Ahşap malzemelerin yapısının analizine, korunmasına ve dayanıklılığının artırılmasına yönelik uygulamalar kimyacıların çalışma alanı kapsamındadır. Resim 1.20: Boya Boya Boya, süsleme ya da koruyucu amaçlarla çeşitli yüzeylere farklı şekillerde uygulanan ve uygulandığı yüzeylerde ince bir film tabakası oluşturan renk verici kimyasal maddedir (Resim 1.20). Günlük hayatımızda tekstil ürünlerinin renklendirilmesinde, evlerin duvarlarının boyanmasında, kozmetik ürünlerinde, saç boyalarında ve daha birçok alanda boyalar kullanılmaktadır. Eski çağlarda kullanılan bitkisel ve hayvansal doğal boyaların yerini 19. yüzyılda yapay boyalar almış ve boya sanayisinde hızlı gelişmeler olmuştur. Günümüzde sentetik boya üretimi yapılmakta ve bunun için çözücü, pigment (renklendirici), reçine ve katkı maddesi gibi çeşitli kimyasal maddeler kullanılmaktadır. Boya sektöründe çalışan kimyacılar, insan sağlığı açısından daha az zararlı kimyasalları kullanarak daha uzun süre rengini koruyabilen dayanıklı boya üretimi için çalışmalar ve araştırmalar yapmaktadırlar. Bunların yanında farklı renkte boya elde edebilmek için yeni pigment sentezleme de kimyacıların ilgi alanlarındandır. Resim 1.21: Tekstil ürünleri Araştıralım Kimya Alanında Meslekleri Tanıyalım Bu etkinlik için arkadaşlarınızla 3-5 kişilik gruplar oluşturunuz. İlaç, gübre, petrokimya, arıtım, ahşap işleme, boya ve tekstil gibi sektörlerde yer alan bir kuruma ya da iş yerine gidiniz. Orada uğraş alanı kimya olan kişilerle görüşmeler yapınız. Yaptıkları işler hakkında bilgi edininiz. İzin alarak fotoğraf da çekebilirsiniz. Oradan edindiğiniz bilgileri ve izlenimlerinizi poster hâline getirerek sınıfınızda arkadaşlarınızla paylaşınız. Tekstil Dünyada ve ülkemizde en eski ve yaygın endüstri kollarından biri olan tekstil, kullanılacak malzemenin elde edilmesinden (pamuk, keten, ipek, yün vb.) kullanıma hazır hâle gelmesine kadar (kumaş, kıyafetler, dekorasyon ürünleri vb.) geçirdiği işlemlerin tamamını kapsar. Tekstil endüstrisinde kimyanın kullanımı Sanayi Devrimi ile birlikte hız kazanmıştır. Makinelerin kullanımı ile birlikte dokuma ürünlerinin ağartılmasına duyulan ihtiyaç da artmış ve çeşitli kimyasal ağartıcıların keşfedilmesi zorunluluğu oluşmuştur. Tekstil kimyası, kimyanın özelleşmiş uygulamalı bir alanıdır. Kimyanın temel ilkeleri ve prensipleri tekstil maddelerine uygulanmakta, kullanışlı ve istenen özellikte tekstil üretimine katkıda bulunmaktadır (Resim 1.21). Tekstil ürünlerinin üretimi sürecinde, iplik hazırlanmasından konfeksiyona kadar, yapılan işlemleri kolaylaştırmak ya da daha kaliteli ürün elde etmek amacıyla kimyasal maddeler ve yardımcı kimyasal maddeler kullanılmaktadır. Değişen müşteri istekleri ve gelişen teknolojiyle birlikte artan yaşam standartları tekstil kalitesinin artmasını da zorunlu kılmıştır. İşte, bu noktada kimyasal madde kullanımı tekstil endüstrisinde çok önem kazanmaktadır. Tekstil malzemeleri kıyafetlerde, halılarda, dikiş ipliklerinde, döşemecilikte ve hava yastıkları gibi birçok ürün yapımında kullanılmaktadır. Bazı tekstil kimyacıları üretimden ziyade lif teknolojilerine odaklanmışlardır. Belirli uzunluk ve incelikte eğilip bükülebilen tekstilin en küçük ham maddesine lif denilmektedir. Tekstil kimyası alanında çalışmalar doğal ve sentetik lifler hakkında bilgili olmayı gerektirmektedir. Günümüz tekstil endüstrisinde sentetik lif kullanımı önemli olduğu için özellikle polimer kimyacılarına ihtiyaç duyulmaktadır. Tekstil kimyası malzeme kimyası ile de ilişkilidir. Tekstil endüstrisinde kullanılan malzemelerin üretimi ve yeni malzemelerin sentezlenmesinde organik kimyadan faydalanılmaktadır. Tekstil kimyası özellikle de temizleme ve boyama gibi işlemlerde yüzey kimyası bilgilerinin uygulama alanıdır. 20