Prof.Dr. Mustafa ODABAŞI Dokuz Eylül Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Tınaztepe Yerleşkesi, 35160 Buca/İzmir E-mail : mustafa.odabasi@deu.edu.tr
Ders İçeriği Organik kimyaya giriş Temel fonksiyonel gruplar Temel Gruplara örnekler Doymuş (alkanlar), doymamış (alkenler) ve aromatik hidrokarbonlar Oksijenli bileşikler Halojenli bileşikler Kükürtlü bileşikler Azotlu bileşikler 2
Çevresel açıdan önemli bazı organik bileşik grupları ve kaynakları Uçucu organik bileşikler (Volatile Organic Compounds - VOC) Kalıcı toksik organikler (Persistent Organic Pollutants - POP lar) PAH Polycyclic aromatic hydrocarbons PCB - Polychlorinated biphenyls OCP - Organochlorine pesticides PBDE - Polybrominated diphenyl ethers PCN - Polychlorinated napthalenes PCDD/F Polychlorinated dibenzodioxins/furans Organik kirleticilerin atmosfer ve canlılar üzerine etkileri Troposferde-ozon oluşumu İkincil partiküllerin oluşumu Stratosferde-ozon tabakasının incelmesi Küresel ısınma Sağlık etkileri 3
Organik Kimyaya Giriş Milyonlarca üyesi olan, doğal veya insan tarafından sentezlenmiş olan organik bileşikler temel olarak bir kaç elementten oluşurlar: Karbon (C) Hidrojen (H) Oksijen (O) Azot (N) Metan Kükürt (S) Fosfor (P) Halojenler: Klor (Cl), Brom (Br), Flor (F), İyot (I) Bazı metaller (Hg, Pb, Sn) 4
Sınırlı sayıdaki bu elementlerden neredeyse sınırsız sayıda organik bileşik oluşabilmesinin temel nedeni karbon atomunun 4 adet karbonkarbon bağı yapabilmesidir. Bu da, karbon atomları diğer heteroatomlara (karbon ve hidrojen haricindeki element atomları) bağlansa bile çok sayıda üç boyutlu karbon iskeleti oluşmasına olanak tanımaktadır. Organik bileşiklerin temel tanımlayıcı özellikleri elementel bileşimleri, molekül formülleri, molar kütleleri ve molekül yapılarıdır. 5
Elementel Bileşim Bir bileşiğin hangi elementlerden oluştuğudur. Sözgelimi klorlu hidrokarbon denildiği zaman o bileşiğin karbon, hidrojen ve klor dan oluştuğunu anlaşılır. Molekül Formülü Bileşiğin molekülünde kendisini oluşturan elementlerin herbirisinden kaç tane olduğudur. Örneğin: C 4 H 9 Cl Molar Kütle Molekül formülünden hesaplanabilen, bileşiği oluşturan elementlerin kütleleri toplamıdır. 12x4 + 1x9 + 35.5 = 92.5 g/mol 6
Molekül yapısı Formülünü bildiğimiz bileşiklerin molekül yapısı hakkında fikir sahibi olabiliriz. Örnek: C 4 H 9 Cl (Kloro bütan) İzomer Aynı kimyasal bileşime sahip olan ancak atomları arasındaki bağlantı yapıları farklı olan moleküllerdir. 7
C 4 H 9 Cl için olası molekül yapıları: (1) Açık formül, (2) Hidrojen bağları hariç gösterim, (3) Bağlar olmadan gösterim (dallanma parantez ile gösteriliyor), (4) Basitleştirilmiş gösterim (Karbon iskelet) 8
Organik bileşikleri oluşturan Karbon ve diğer element atomlarının dış orbitallerinde bulunan değişik sayıdaki elektronlar, ve bunların değişik şekillerdeki paylaşımı atomlar arasında: Tekli Çift Üçlü bağlar oluşmasına olanak sağlar. Bağlar ve bunlar vasıtasıyla paylaşılan elektronların konumları ve sayıları da organik bileşiklerin birbirinden çok farklı özellikler taşımasına neden olmaktadır. Bu durum da bileşiklerin fizikokimyasal özelliklerini (Örneğin, polar, nonpolar olma, suda az veya çok çözünebilir olmaları) ve çevresel davranışlarını etkilemektedir. 9
Örnekler Tekli bağ: Etan Çift bağ: Eten Üçlü bağ: Asetilen 10
Temel fonksiyonel gruplar Fonksiyonal Grup: Belirli kimyasal davranış gösteren atom grupları. alkanlar R R R H R H H alkenler R N O R aminler organik asitler R H alkinler R OH O H O aldehitler R OR esterler R O R O R' ketonlar R N R R amitler R,R : Hidrokarbon zinciri 11
Alkil grupları Eğer basit hidrokarbonlar bir organik bileşiğin bir parçası iseler alkil grup adını alırlar. Bazı temel alkil gruplar: Metil- Etil- Propil- Bütil- 12
Doymuş, doymamış ve aromatik hidrokarbonlar Hidrokarbonlar karbon ve hidrojenden oluşan, tek, çift veya üçlü bağlar içeren bileşiklerdir. Karbon iskeleti sadece tek bağlardan oluşuyorsa bu bileşiklere doymuş hidrokarbonlar adı verilir. Eğer iskelet bir veya daha fazla çift veya üçlü bağ içeriyorsa bu bileşiklere doymamış hidrokarbonlar adı verilir. Alifatik: Düz veya dallanmış zincirli hidrokarbon Alisiklik: Bir veya daha fazla halkalı yapı içeren hidrokarbon Aromatik: Aromatik halka (benzen halkası) içeren bileşikler 13
Alkanlar Alkan ailesinin ilk altı üyesi: Kapalı Formül Adı C sayısı CH 4 metan 1 C 2 H 6 etan 2 C 3 H 8 propan 3 C 4 H 10 bütan 4 C 5 H 12 pentan 5 C 6 H 14 hekzan 6 14
Alifatik ve Alisiklik hidrokarbonlar 15
Doymamış hidrokarbonlar 16
Aromatik hidrokarbonlar 17
Oksijenli bileşikler: Alkoller ve Fenoller 18
Oksijenli bileşikler: Eterler 19
Oksijenli bileşikler: Aldehitler ve ketonlar 20
Oksijenli bileşikler: Karboksilik asitler ve esterleri 21
Halojenli bileşikler 22
Kükürtlü bileşikler 23
Kükürtlü bileşikler 24
Kükürtlü bileşikler 25
Azotlu bileşikler 26
Azotlu bileşikler 27
Azotlu bileşikler 28
Çevresel açıdan önemli bazı organik bileşik grupları ve kaynakları Uçucu organik bileşikler (VOC) Doymuş (alkanlar), doymamış (alkenler) ve aromatik hidrokarbonlar Petrol ve petrol ürünleri (benzin, motorin), solvent olarak kullanım, boya üretimi ve kullanımı, çeşitli endüstriyel faaliyetler, fosil yakıtların yakılması. Oksijenli bileşikler Endüstriyel faaliyetlerde solvent, hammadde ve katkı maddesi olarak kullanım, eksik yanma, atmosferdeki reaksiyonlar, doğal/biyolojik prosesler kökenli kaynaklar (organik maddelerin anaerobik olarak ayrışması, çöplerin depolanması). 29
Uçucu organik bileşikler (VOC) Halojenli bileşikler Endüstriyel faaliyetler, solvent olarak veya soğutucu gaz olarak kullanım, içme sularının dezenfeksiyonu (klorlama) sonucu oluşan yan ürünler, doğal/biyolojik prosesler (denizdeki algler tarafından salgılanma). Kükürtlü bileşikler Doğal/biyolojik proses kökenli kaynaklar (organik maddelerin anaerobik olarak ayrışması, çöplerin depolanması), petrol rafinasyonu, çeşitli endüstriyel prosesler, solvent veya hammadde olarak kullanım. Azotlu bileşikler Çok sayıda endüstriyel ürünün (boyalar, patlayıcılar, pestisitler, ilaçlar, antioksidanlar) üretimi ve kullanımı, atmosferde fotokimyasal reaksiyonlar sonucu oluşum. 30
Uçucu Organik Bileşikler (VOC) Benzene Toluene Kaynakları Petrol ve petrol ürünleri Çeşitli solventler Boyalar/vernikler Yapıştırıcılar Benzin kullanımı Trafik (egzoz gazları) Fosil yakıtların yanması Çeşitli ürünlerin üretimi ve kullanımı sırasında buharlaşarak atmosfere verilirler. 31
Uçucu Organik Bileşikler (VOC) Vinyl chloride Kaynakları 1.2-Dichloroethane vinil klorür üretimindeki ara ürünlerden birisidir. Üretim ve kullanım sonucu atmosfere verilebilir. Uzun süre kurşunlu benzin içerisine katkı maddesi olarak eklenmiştir. 1.2-Dichloroethane Vinil klorür PVC üretiminde kullanılır. Üretimi ve kullanımı sonucu proses kaçakları sonucu havaya verilir. 32
Uçucu Organik Bileşikler (VOC) Kloroform Kaynakları Çeşitli endüstriyel faaliyetler (kağıt endüstrisi-hipoklorit kullanarak ağartma, sodyum hipoklorit üretimi, klorlu solventlerin üretimi) Karbon tetraklorür İçme sularının klorlanması sırasında aktif klor ile sudaki organik maddelerin reaksiyonu sonucu Çamaşır suyu içeren temizlik ürünlerindeki parfüm, deterjan vb. organik katkı maddeleriyle sodyum hipokloritin kimyasal reaksiyonları sonucu 33
Eucalyptol Parfüm olarak kullanılan bileşikler Limonene Kaynakları Kozmetikler, kişisel bakım ürünleri Evsel temizlik ürünleri Ürünlerin üzerinde parfüm genel başlığı altında tanımlanmalarına karşın, bu kategoride yüzlerce bileşik yeralmaktadır. Bu ürünlerin kullanımı sırasında buharlaşarak iç ortam havasına, oradan atmosfere karışırlar, Veya atıksularla arıtma tesislerine/ yüzeysel sulara taşınarak buradan atmosfere verilirler. 34
Biyojenik uçucu organik maddeler Kaynakları Bitkiler tarafından metabolik faaliyetler sonucu üretilip atmosfere atılırlar. Bu kategoride isopren, monoterpenler, sesquiterpenler, oksijenli bileşikler gibi çok sayıda bileşik yeralmaktadır. Çok reaktif oldukları için atmosferdeki fotokimyasal reaksiyonlara katılır ve troposferde ozon oluşumuna neden olurlar. 35
Kalıcı toksik organikler (POP lar) POP ların bir çoğunun toksik, kanserojen ve hormonal sistem üzerinde olumsuz etkilere sahip olduğu bilinmektedir. Biyolojik, kimyasal ve fotokimyasal proseslerle bozunma ve giderime dirençlidirler. Bu nedenle çevresel ortamlarda birikebilir ve on yıllarca bozunmadan kalabilirler. Uzun mesafeli taşınım ile uluslar arası ve kıtalar arası yayılabilirler. 36
POP ların Çevresel Dolanımları 37
Yüzlerce PAH bileşiği vardır. Polisiklik Aromatik Hidrokarbonlar (PAH) Naphthalene Benzo(a)pyrene Kaynakları Petrol ve petrol ürünleri üretimi ve kullanımı (çeşitli yakıtlar ve asfalt gibi). Fosil yakıtların yakılması (endüstriyel enerji eldesi, evsel ısınma, trafik)-özellikle eksik yanma sonucu. Çeşitli endüstriyel faaliyetler (özellikle demir-çelik üretimi) Orman yangınları 38
Toplam 209 üyesi bulunan bir bileşik grubudur. Kaynakları Klorlu bifeniller (PCB) 2,2',3,5'-Tetrachlorobiphenyl (PCB 44) Eski trafolar, çeşitli boyalar (binalarda ve gemilerde kullanılan), çeşitli elektrikli-elektronik ekipmanlar. Elektronik atıkların geri kazanıldığı tesisler Decachlorobiphenyl (PCB 209) Katı atık yakma tesisleri Demir-çelik üretimi Fosil yakıtların yanması 39
Klorlu dibenzo dioksin ve furanlar (PCDD/F) 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin Kaynakları Elektronik atıkların geri kazanıldığı tesisler Katı atık yakma tesisleri Demir-çelik üretimi 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzofuran Fosil yakıtların yanması İnsanlar tarafından üretilip kullanılmamalarına rağmen yakıtların içeriğindeki organik madde ve klorun termal prosesler sonucu oluşturduğu kirleticilerdir. 40
Toplam 75 üyesi bulunan bir bileşik grubudur. Kaynakları Eski trafolar, çeşitli elektriklielektronik ekipmanlar. Klorlu naftalinler (PCN) Octachloronaphthalene Elektronik atıkların geri kazanıldığı tesisler Katı atık yakma tesisleri Demir-çelik üretimi Fosil yakıtların yanması 41
Toplam 209 üyesi bulunan bir bileşik grubudur. Kaynakları Bromlu difenil eterler (PBDE) Decabromodiphenyl ether (PBDE 209) Çeşitli elektrikli-elektronik ekipmanlar. Yanmayı önleyici olarak eklendiği kumaş ve döşemelerin kullanımı Elektronik atıkların geri kazanıldığı tesisler Katı atık yakma tesisleri Hurdadan demir-çelik üretimi 42
Organoklorlu pestisitler (OCP) p,p -DDT Kaynakları: Geçmişteki veya günümüzdeki tarımsal kullanımları Chlorpyrifos γ-hexachlorocyclohexane Endosulfan I 43
Nonil Fenoller Kaynakları 4-nonylphenol-polyethyleneglycol-ether lerin atıksu arıtma tesislerinde ve doğada mikrobiyal olarak bozunması sonucu oluşurlar. 44
Organik kirleticilerin atmosfer ve canlılar üzerine etkileri 1. Troposferde ozon oluşumu VOC lerin önemli bir kısmı reaktif olup atmosferde azot oksitler ile girdikleri reaksiyonlar sonucu ozon oluşumuna neden olurlar (troposferik ozon). Ozonun yanısıra formaldehit gibi bir çok ikincil organik kirletici de oluşur. 45
Organik kirleticilerin atmosfer ve canlılar üzerine etkileri 2. İkincil partiküllerin oluşumu Reaktif VOC ler dış havada veya bina içi havada ozon ile tepkimeye girerek çok ince partiküller oluşmasına da yol açarlar. Reaktif VOC lerin bina içi ortamlardaki önemli kaynaklarından birisi de bunları içeren kozmetiklerin ve temizlik maddelerinin kullanımıdır. 46
Atmosfer ve canlılar üzerine etkileri 3. Stratosferde-ozon tabakasının incelmesi Kloroflorokarbonlar grubundaki VOC lerin önemli bir kısmı reaktif olup atmosferde girdikleri reaksiyonlar ozon tabakasındaki ozonun bozunmasına ve sonuç olarak ozon tabakasının incelmesine neden olurlar. 4. Küresel ısınma Halojen içeren VOC lerin önemli bir kısmı (kloroflorokarbonlar ve karbon tetraklorür gibi) güçlü sera gazlarıdır. Atmosferdeki konsantrasyonlarının artışı küresel ısınmayı arttırmaktadır. 47
Atmosfer ve canlılar üzerine etkileri 5. Sağlık etkileri Toksik Yüksek konsantrasyonlara kısa süreli veya nispeten düşük konsantrasyonlara daha kısa süreli maruz kalınması durumunda zehirlenme, belli organlarda (karaciğer, böbrek gibi) harabiyete neden olabilirler. Kanserojen Bir çoğunun yaşamboyu maruz kalınması durumunda kansere neden olduğu bilinmektedir. Mutajen Canlılarda mutasyona neden olabilirler. Allerjen Bazı kimyasallar allerjik reaksiyonlara neden olabilmektedir. 48
Sağlık etkileri (devam) Gözler ve solunum yolları üzerine etkiler Kısa süreli maruz kalınmaları durumunda bile gözleri ve solunum yollarını tahriş edebilirler. Hormonal sistemi bozucu (endocrine disrupter) Bazı POP lar (OCP ler, PBDE ler, nonil fenoller gibi) vücutta belli bir hormon gibi davranabilirler. En yaygın örneklerden birisi östrojendir. Bu nedenle bazı bileşikler östrojenik olarak adlandırılırlar. İnsandan başka canlılarda da benzer etkiler gösterip üreme fonksiyonlarını etkileyebilir. Bu nedenle doğal yaşam üzerinde olumsuz etkilere sahiptirler. 49