TÜBİTAK-BİDEB Lise Öğretmenleri (Fizik, Kimya, Biyoloji ve Matematik) Proje Danışmanlığı Eğitimi Çalıştayı LİSE-2 (ÇALIŞTAY 2012) Grup Adı: SESSİZ GEMİ PROJE ADI SUYUN DANSI Proje Ekibi Ali EKRİKAYA Ömer BİROL PROJE DANIŞMANLARI Prof. Dr. Birsen DEMİRATA ÖZTÜRK Doç. Dr. Nurettin ŞAHİNER ÇANAKKALE OCAK-2012
PROJENİN AMACI Bu projede kimyasal tepkime hızına etki ettiği bilinen faktörlerden başka bir faktör olarak ses dalgalarının etkisinin olup olmadığının araştırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla gelecekte çok daha fazla kullanım alanı bulacak olan ve potansiyel bir yakıt olması beklenen, çevre dostu ve yeşil yakıt olarak tanımlanan hidrojen gazının elde edilmesinde yaygın olarak kullanılan elektroliz yöntemine ultrasonik ses dalgalarının etkisi araştırılmıştır. 1. GİRİŞ Hidrojen gazı, kimyada çok çeşitli ürünlerin elde edilmesinde ve geleceğin, çevre dostu olarak tanımlanan bir yakıt olacağı bugünkü çalışmalarla görülmektedir.(1, 2) Doğada serbest halde oldukça az miktarda bulunan hidrojen gazının sudan ayrıştırılması için elektroliz yaygın kullanılan yöntemlerden biridir. (3) Elektroliz, elektrik enerjisi yardımıyla erimiş tuzların ve elektrolit çözeltilerin elementlerine ayrıştırılması işlemidir.(3) Çok çeşitli bileşikler için elektroliz düzenekleri kurulabilir. Bunlardan birisi de suyun elektrolizidir. Suyun elektroliz edilmesi ile hidrojen ve oksijen gazları elde edilebilmektedir. Şekil 1. Suyun Elektrolizi deney düzeneği Şekildeki düzeneği kurup elektrotların birer uçları su içerisinde ters çevrilmiş deney tüplerinin ağızlarından içeri girmiş olmalıdır. Elektrotlara bağlanan bağlantı kablolarının diğer uçları doğru akım kaynağının (+) ve ( - ) kutuplarına bağlanır. (4) 1
Elektrik, metallerde elektronlar, çözeltilerde ise elektrikle yüklü tanecikler (iyonlar) tarafından iletilir. Beherglasa konulan saf su iyon bulundurmadığı için elektrik akımını kuramsal olarak iletmeyecektir. Yani, elektrotlarda hızlı bir değişme olmayacaktır. Elektrotlardaki değişimi hızlandırmak için suyun içindeki iyon miktarını arttırmak gerekir. Suda iyon oluşturmak için çamaşır sodası (Na 2 CO 3 ) kullanılabilir. (4) Kimyasal olaylarda tepkime hızı, önemsenmesi gereken bir kavramdır. Bu nedenle tepkime hızına etki eden faktörleri en iyi şekilde bilmek ve bunların etkilerini istenilen şekilde değiştirmek mümkündür. Bir kimyasal olayda, olaya giren maddelerin miktarları zamanla azalırken, olaydan çıkan ürünlerin miktarları artar. Bazı kimyasal olaylarda olaya girenler hızlı azalırken, bazı olaylarda yavaş azalır. Günlük yaşamımızda gözlediğimiz birçok olayda bunu görmek mümkündür. Toz şeker, kesme şekerden daha çabuk suda çözünür. Benzin, kömürden daha çabuk yanar. Bir kimyasal tepkimede birim zamanda harcanan ya da oluşan madde miktarına o tepkimenin ortalama hızı denir. Madde miktarı mol sayısı, kütle veya derişim olarak ifade edilirken, zaman ölçüsü olarak da tepkimenin cinsine göre saniye, dakika, saat, gün, ay gibi süreler alınabilir. Tepkime hızı başlangıçta alınan madde miktarlarına göre belli bir değerle başlar, zaman içinde olaya giren maddeler azalacağından tepkime hızı da azalır. Tepkime hızları genellikle zamanla ters orantılıdır.(5) Bir kimyasal tepkimenin hızı, tepkimenin cinsine göre ölçülür. Tepkimede meydana gelen değişmeler; renk, koku, tat, şekil gibi fiziksel değişimler, basınç, iletkenlik, ısı, ph ve benzeri özelliklerin değişimi hızın belirlenmesinde yararlanılan özelliklerdir. (5) Tepkimeye giren maddeler birbirlerinden ne kadar kolay ayrılırsa ve yeni bileşikleri ne kadar kolay oluştururlarsa, tepkime o kadar hızlı yürür. Tepkimelerin hızına aşağıdaki faktörler etki eder. 2
Tepkimeye giren maddelerin türü Sıcaklık Derişim Basınç ve Hacim değişimi Katalizör Temas yüzeyi Ultrasonik banyolar, geniş yüzeyli çalkalama sistemi sayesinde tüm banyo haznesine güçlü ultrasonik dalgalar yayar. Sıvı içerisinde oluşturulan yüksek frekansta milyonlarca vakum enerjili mikroskobik hava kabarcığının deney kabı yüzeyine çarparak patlaması ile deney ortamında etkileşime neden olur. Bu işlem deney kabı üzerinde bir etkiye neden olmaz. (6) Şekil 2. Ultrasonik Banyo ve suda oluşturduğu titreşim dalgaları Ultrasonik ses dalgaları insan kulağının işitemeyeceği frekanslara sahiptirler. İnsan kulağının işitme aralığı, normalde, 16 Hz - 16 khz arasındadır. Ultrasonik ses dalgalarının genel olarak 20 khz - 500 MHz arasındaki frekanslara sahip oldukları düşünülmektedir. Ultrasonik enerji, yıllar boyunca mühendislik, bilim ve tıpta çok yaygın olarak kullanılmıştır. Kimyadaki uygulamaları ise oldukça yenidir. Tablo 1 de ultrasonik enerjinin hangi alanlarda hangi işlemler için kullanıldığı gösterilmektedir. (7) 3
Tablo 1. Ultrasonik ses dalgalarının kullanım alanları Uygulama Sahası Biyoloji ve Biyokimya Mühendislik Dişçilik Jeografi ve Jeoloji Endüstri Tıp Plastikler ve Polimerler Kimya Kullanıldığı İşlemler Hücrenin içyapısı üzerinde çalışmak için hücre duvarlarının parçalanmasında Delme, öğütme ve kesme işlemlerine yardımcı olarak. Özellikle cam, seramik gibi sert ve kırılgan malzemelerin işlenmesinde çok yararlıdır. Dişlerin oyulmasında ve temizlenmesinde kullanılır. Deniz ve okyanus diplerindeki mineral ve petrol yığıntılarının yerinin tesbitinde. Pigmetlerin ve katıların, boya, mürekkep ve reçinelerin içerisinde kolay dispers olmalarını sağlar. Ultrasonik banyoda mühendislik malzemelerinin temizlenmesinde kullanılır. İmajın ortaya çıkarılması, ultrasonik enerjiyle 2-10 MHz arasında yapılır. Güçlü ultrasonik enerjinin kullanılması ile, termoplastiklere uygulanan kaynak işlemleri kolaylıkla yapılır. Polimerizasyon başlatılması ve polimerin bozunumu etkileri icin kullanılır. a) Ses Hızındaki Değişimin Değerlendirilmesiyle 1- Reaksiyon Gelişiminin Gözlenmesinde 2- Kalite Kontrol 3- Konformasyonel Enerji Değişimlerinin hesaplanmasında b) Puls/Eko Tekniğinin Kullanıldığı Yerler 1- Tekneler içindeki malzemenin hacminin ölçülmesi 2- Heterojen ara fazına olan uzaklığın ölçülmesi 3- Biomoleküllerin şekillerinin sınıflandırılabilmesi için farklı frekanslardaki sesin absorblanmasındaki değişikliklerden yararlanılarak kullanılmaktadır. 4
2. MATERYAL VE YÖNTEM 2.1. Kullanılan Materyaller Proje sürecinde kullanılan materyal ve kimyasallar aşağıda verilmiştir. DC Akım Üreteci (0-12 Volt Gerilim aralıklı) Kablo (Krokodilli, 2 renk, 50 cm boyunda) Ultrasonik Banyo (Bandelin Sonolex RK-100H Modeli) Döküm ayak kıskaç Mezür (100 ml lik) Beherglas (500 ml lik) Üç boyunlu balon Su tutucu Saf su Na 2 CO 3 H 2 SO 4 Çözeltisi (Derişik) 2.2. Elektroliz Düzeneğinin Hazırlanması ve Deneyin Yapılışı Suyun Elektrolizine ait düzenek aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi hazırlanmıştır. Şekil 3. Suyun elektrolizi düzeneği (ultrasonik banyo içinde) 5
Burada açığa çıkan H 2 ve O 2 gazları birlikte alınarak toplama kabında biriktirilmiştir. Biriktirilen toplam gaz hacmi ölçülerek tepkime hızı hakkında veri olarak değerlendirilmiştir. Saf suyun normal şartlarda elektrolit olmadığı kabul edilir. Bu nedenle suyun elektrolit olması için ortama serbest hareket eden iyon sağlaması için 0,1 M lık Na 2 CO 3 (ph 12 olacak şekilde) çözeltisi elektrolit olarak kullanılmıştır. Üç boyunlu balonun iki ayrı ucuna çelik elektrotlar yerleştirilerek kablo ile Doğru Akım Güç Kaynağına bağlanmıştır. Güç kaynağı 12 Volt ve 5,92 Amper olacak şekilde cihazın en yüksek değerlerine ayarlanmıştır. Orta boyundan çıkan gazları bir hortum vasıtasıyla nem tutucuya (H 2 SO 4 çözeltisi) gönderilerek safsızlık olan su buharı tutulup H 2 ve O 2 gazları su üzerinde ters çevrilmiş mezürün içerisinde toplanması sağlanmıştır. Şekil 4. Üç boyunlu balona elektrotların yerleştirilmesi Şekil 5. Deneyde kullanılan ultrasonik banyo ile elektroliz düzeneği 6
3. BULGULAR Bu projede, Ultrasonik ses dalgalarının tepkime hızına nasıl etki ettiği suyun elektrolizi işlemi ile tespit edilmiştir. Bu çalışma yapılırken sabit sıcaklıkta ve titreşimsiz ortamda yapılan elektroliz işlemi ile değişen sürelerdeki toplam gaz hacmi belirlenmiştir. Ayrıca, sabit frekansta ve sürelerde değişen sıcaklıklarda deneyler gerçekleştirilmiştir. Yapılan deneysel çalışmalara ait bulgular Tablo 2, Tablo 3, Tablo 4 ve Tablo 5 de verilmiştir. Tablo 2. Titreşimsiz ortamda 20 C sıcaklıkta ölçülen gaz miktarları Deney No Süre (dk) Toplam Gaz Hacmi (ml) 1 1 5,5 2 2 11,0 3 3 16,0 4 4 21,5 5 5 27,0 Tablo 3. Titreşim frekansı 35 khz olan ortamda 20 C sıcaklıkta ölçülen gaz miktarları Deney No Süre (dakika) Toplam Gaz Hacmi (ml) 1 1 4,8 2 2 9,5 3 3 14,7 4 4 20,0 5 5 25,5 7
Tablo 4. Titreşimsiz ortamda farklı sıcaklık değerlerinde yapılan ölçümler Deney No Süre (dk) Toplam Gaz Hacmi (ml) Sıcaklık ( C) 1 5 27,0 20 2 5 32,0 30 3 5 47,0 40 4 5 55,0 50 5 5 64,0 60 Tablo 5. Titreşim frekansı 35 khz olan ortamda sabit sürede sıcaklık değişimi ile ölçülen gaz miktarları Deney No Süre (dk) Toplam Gaz Hacmi (ml) Sıcaklık ( C) 1 5 25,5 20 2 5 34,0 30 3 5 41,0 40 4 5 52,0 50 5 5 62,0 60 8
4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Bu projede, tepkime hızına ultrasonik ses dalgalarının suyun elektrolizi tepkimesine etkisinin olup olmadığı araştırılmıştır. Burada suyun elektrolizi tepkimesinin seçilmesinin nedeni, bu tepkime gerek sıcaklık kontrolü gerekse oluşan ürünlerin miktarlarının ölçülebilmesi açısından tercih edilmiştir. Ayrıca pek çok tepkime için de denenebilir. Elde edilen sonuçlara göre (Tablo 1, Tablo 2) ultrasonik ses dalgaları uygulandığında suyun elektroliz edilmesi sırasında toplanan gazın hacminde belli bir miktar düşme olmuştur. Bu düşme miktarı tepkime hızının da azaldığı anlamına gelmektedir. Ultrasonik ses dalgaları gönderilmeden yapılan elektroliz olayında 5 dakika süre sonunda elde edilen toplam gaz (H 2 ve O 2 ) hacmi 27,0 olup, tepkime hızı; olarak bulunmuştur. Ultrasonik ses dalgalarının gönderilmesinden sonra yapılan 5 dakika süreli elektroliz sonucunda elde edilen toplam gaz hacmi 25,5 ml olmuştur. Buna göre, olarak hız değeri tespit edilmiştir. Her iki hız karşılaştırıldığında aralarında 0,3 ml/dk lık bir farkın oluştuğu ve ultrasonik ses dalgalarının suyun elektrolizinde azaltıcı yönde etki yaptığı deneysel verilerle gözlenmiştir. Bu durum Şekil 6 da verilmiştir. 9
Toplam Gaz Hacmi (ml) 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 Süre (dk) Seri 1 Seri 2 Şekil 6. Sabit sıcaklıkta titreşimli ve titreşimsiz elektroliz tepkimelerinin karşılaştırılması Sabit sıcaklıkta titreşimsiz olarak yapılan tepkime, : Sabit sıcaklıkta 35 khz de yapılan tepkime Bu tepkimenin sıcaklığın değişiminde titreşimsiz ve titreşimli değerleri de araştırılmıştır. Bu işlemlere ait değerler Tablo-3 ve Tablo-4 de verilmiştir. Her iki tablonun değerleri incelendiğinde her sıcaklıkta bir miktar hacim düşmesi olduğu görülmektedir. Ancak, hacim değişmelerinde meydana gelen azalma doğrusal olmayıp değişen değerlerde değiştiği görülmektedir. Tablo 6. Değişken sıcaklıkta suyun elektrolizinde tepkime hızındaki değişme Sıcaklık ( C) 20 30 40 50 60 Titreşimsiz Elektrolizde Toplanan gaz hacmi (ml) 5,4 6,4 9,4 11 12,8 Titreşimli Elektrolizde Toplanan gaz hacmi (ml) 5,1 6,8 8,2 10,4 12,4 Fark -0,3 0,4-1,2-0,6-0,4 Arrhenius a göre bir tepkimenin başlayabilmesi için reaksiyona giren bileşenlerin sahip olması gereken minimum enerjiye aktivasyon enerjisi denir. Yani aktivasyon enerjisi olmayan bileşiklerin tepkimeye girmeleri beklenemez. Bir reaksiyonun sıcaklığının10 C artmasıyla reaksiyonun hızının 2-3 kat arttığı deneysel olarak bulunmuştur. Burada reaksiyon hızının artması moleküllerin aktivasyon enerjinin artmasıyla orantılıdır. (7) 10
Toplanan Gaz Hacmi (ml) 70 60 50 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 Deney Sayısı Grafik-2: Değişen sıcaklık değerlerinde tepkime hızına Ultrasonik ses dalgasının etkisi Sabit sıcaklıkta titreşimsiz olarak yapılan tepkime, : Sabit sıcaklıkta 35 khz de yapılan tepkime Sıcaklık artışında da Ultrasonik ses dalgalarının uygulanması halinde tepkime hızı düşüş göstermiştir. Ultrasonik ses dalgalarının tepkime hızını azalttığı sonucuna ulaşılmıştır. Kontrol edilebilir çok sayıda tepkime ile tekrar edilecek denemeler ile daha anlamlı sonuçlar elde edilebileceği düşünülebilir. TEŞEKKÜR Çalıştay süresince her konuda yakın ilgi ve yardımlarını esirgemeyen, saygıdeğer hocam Sayın Prof. Dr. Mehmet AY a, en içten teşekkürlerimi sunarım. Proje çalışmalarımızın her aşamasında bize her zaman destek veren Sayın Prof. Dr. Birsen DEMİRATA ÖZTÜRK ve Doç. Dr. Nurettin ŞAHİNER e teşekkürü bir borç biliriz. Ayrıca, teknik konularda bizlerle yakından ilgilenerek bizlere yol gösteren Sayın Tuğba GÜNGÖR e teşekkür ederiz. 11
KAYNAKLAR (1) J.O M. Bokris, T.N. Veziroğlu, Int. J. Hydrogen Energy, 8(1983) 323 340. (2) T.N. Veziroğlu and F. Barbir, Int. J. Hydrogen Energy, 17(1992) 391 404. (3) R. Solmaz, Değişik Metal Elektrotlarla Elektrokimyasal Yolla Asidik ve Bazik Ortamlarda Hidrojen Gazı Eldesi, Yüksek Lisans Tezi, 2004, ADANA (4) G. Kardaş, B. Yazıcı, M. Erbil, Int. J. Hydrogen Energy, 28 (2003) 1213 1218. (5) Anadolu Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi Yrd.Doç.Dr. Hayrettin TÜRK (6) B. Yazıcı, G. Kardaş, G. Galip ve M. Erbil, Int. J. Hyd. Energy, 20 (1995) 957 965. (7) C. Hitz, A. Lasia, J. Electroanal. Chem., 500 (2001) 213. GRUP ÜYELERİNİN ÖZGEÇMİŞLERİ Ali EKRİKAYA (Kayseri Merkez Teknik ve Endüstri Meslek Lisesi-KAYSERİ) 25.06.1968 yılında Kayseri İli Tomarza ilçesinde dünyaya geldi. İlk ve orta öğrenimimi Kayseri merkezde tamamladı. 1984 yılında Yıldız Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Kimya bölümüne girdi, kısa süre sonra bıraktı. 1986 yılında Ankara Gazi Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Kimya bölümüne girdi ve 1990 yılında tamamladı. 1991 yılında Kayseri Merkez Endüstri Meslek Lisesi nde kimya öğretmenliğine başladı. Aynı yıl Kayseri Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Bölümünde Yüksek Lisansını tamamladı. Yüksek lisans konusu olarak Bazı Amberlit Reçineri ile Eser Element Geri Kazanılma Değerlerinin Teorik İncelenmesi çalışmasını 1994 yılında tamamladı. Evli ve 3 çocuk babası olup, orta seviyede İngilizce bilmektedir. Ömer BİROL (Rize TOBB Fen Lisesi-RİZE) 01.03.1978 tarihinde Amasya İlinde dünyaya geldi. İlk ve orta öğrenimimi Amasya merkezde tamamladı. 1994 yılında Atatürk Üniversitesi Eğitim Fakültesi Kimya bölümüne girdi, kısa süre sonra Amasya Eğitim Fakültesine yatay geçiş yaptı. 1998 yılında üniversiteden mezun oldu. 1998 yılında Çorum Sungurlu İmam Hatip Lisesinde öğretmenlik görevine başladı. 2003 yılında Rize Fen Lisesine atandı ve halen burada görev yapmaktadır. Orta seviyede İngilizce bilmektedir. 12