HİDROJEN
Alm. Wasserstoff (m), Fr. Hydrogene (m), İng. Hydrogen. Sembolü H olan renksiz, kokusuz, tatsız ve tabîatta oldukca bol bulunan kimyâsal bir element.
Özellikleri: Peryodik cetvelde birinci elementtir. Atom ağırlığı 1,00797, yoğunluğu 0,0899 g/1, kaynama noktası -252,76°C ve erime noktası -259,06°C'dir. Sıvı hidrojenin yoğunluğu 0,070 g/cm3tür. Kristal hâlindeki yoğunluk ise 0,088 g/cm3tür. 1H, 2H, 3H şeklinde üç tâne izotopu vardır. En hafifi ve en çok bulunanı kütle numarası 1 olan (1H) izotopudur. Bu izotopa protiyum da denir. Bir proton ve bir elektrondan meydana gelmiştir.
Döteryum, 2H olup kararlı izotoptur ve çekirdeğinde bir proton ile bir nötron vardır. Tabiî olarak meydana gelen hidrojen yaklaşık % 0,0156 kadar döteryum izotopu ihtivâ eder. Aynı şekilde tabiî su, az oranda döteryum oksit (D2O, ağır su) ihtivâ eder.
Trityumun (3H) çekirdeğinde 2 nötron 1 proton bulunur. Trityum radyoaktif element olup, yarılanma süresi yaklaşık 12,5 yıldır. Trityum tabiî olarak eser miktarda bulunur. Nükleer reaktörlerde elde edilir ve "reaksiyon mekanizması"nı inceleyen ilim adamları tarafından geniş ölçüde kullanılır.
Hidrojen, iki atomlu moleküler yapıya sâhiptir. Hidrojen molekülünden serbest hidrojen atomu elde etmek için çok büyük enerjiye ihtiyâç vardır. Serbest hidrojen atomları tekrar molekül vermek üzere birleşirken çok miktarda ısı ve enerji salar (103,4 kcal). Bir tâne olan elektronunu kaybetmiş hidrojen atomu 1+ yüklü olur ve buna proton denir. Proton dâimâ bileşik hâlindedir. Yalnız başına bulunmaz. Ancak iyonlaştırılmış gaz içinde bulunabilir. Suda iyonlaşma sonucu meydana gelen proton, su molekülü ile birleşerek hidronyum iyonunu (H3O+) meydana getirir.
Hidrojen atomları arasındaki bağ hemen hemen kovalenttir. Moleküllerde iki hidrojen çekirdeği arasındaki mesâfe 0,74 Å'dur. Hidrojenin indirgen özelliği vardır. Metal oksidleri metale kadar indirgeyebilir. Doymamış organik ve azot bileşikleri hidrojen ile doyurulabilir.
Bulunuşu: Hidrojen tabiatta çok yaygın olarak bulunur. Bileşikleri yönünden de en zengin elementtir. Dünyâyı meydana getiren elementler arasında atom yüzdesi olarak, 15,5, ağırlık yüzdesi olarak da 0,8'dir. En çok, su bileşiğinde, azotlu bileşiklerde ve karbonlu bileşiklerde bulunur.
Hidrojen serbest hâlde az olarak tabiî gaz kuyularında, kömür depolarında ve organik bozulmalarda bulunur. Atmosferin yeryüzüne yakın yerlerinde ortalama % 5.10-5 oranında bulunur. Atmosferin yüksek kısımlarında daha yoğundur. Güneş ve yıldızlarda da mevcut olduğu spektral analizlerle anlaşılmıştır.
Elde edilişi: Hidrojen ticârî olarak en çok hidrokarbon yakıtlarından, çeşitli metodlar uygulanarak elde edilir. Metan, etan ve bâzı hafif hidrokarbonlar, 650 ilâ 1000°C arasında nikelin katalitik etkisi ve buhar ile muâmele edilir. Bu işlemin sonunda hidrojen ve karbonun oksidleri elde edilir.
Kızgın kok üzerinden sıcak su buharı geçirilerek karbonmonoksit (CO) ve hidrojen elde edilir ki bu karışıma sugazı denir.
Kömürün koklaştırılması sırasında da hidrojen elde edilir.
Laboratuvar çapında hidrojen aktif metallere asit etki ettirmekle:
Zn + H2SO4 ® ZnSO4 + H2
ve suyun elektrolizi ile elde edilir:
2H++ 2e ® H2 (katodda) 2OH-2e ® H2O+ 1/2O2 (anotta)
Keşfedilişi: 1776 yılında Sir H.Cavendish tarafından çinko, kalay ve demire seyreltik sülfat veya hidroklorik asit etki ettirilerek elde edildi. H.Cavendish hidrojenin hava ile karışımının su buharı vermek üzere patladığını gördü ve bu elemente tutuşucu hava ismini verdi. 1783'te Atoine Lavoisier bu elemente hidrojen ismini verdi ki bunun mânâsı su meydana getirici demektir. Hidrojenin kendinden daha ağır iki izotopu olan D ve T, 150 yıl sonra keşfedildi. Döteryum 1931'de ağır sudan elde edildi. Trityum ise 1934'te bulundu.
Bileşikleri: Hidrojenin bileşikleri diğer elementlerinkinden daha fazladır. Çünkü, asal (necip) gazlar hâric bütün elementler ile reaksiyon verir. Hidrojenin herkes tarafından bilinen ve tabiatta çok miktarda bulunan bileşiği sudur. Su ve karbondioksid bileşiklerinde hidrojen, daha elektronegatif olan elemente kovalent bağla bağlıdır. Mamafih hidrojen atomları daha elektro pozitif olan alkali metallerle ve kalsiyum, baryum gibi, elementlerle iyonik bileşikler teşkil edebilir.
Ortaya çıkan ve hidrür denilen bileşikler suda hidrojen vererek ayrışır.
Hidrojenin flor, klor, brom veya iyot ile yaptığı bileşiklerin sudaki çözeltileri asittir. Diğer yaygın asitlerin bileşikleri nitrat (HNO3), sülfat (H2SO4) ve fosfat (H3PO4) asitleridir. Hidrojen iyonlarının bir çözeltideki konsantrasyonu pH cinsinden ifâde edilir. (Bkz. PH cetveli)
Reaksiyona girme kâbiliyeti pek fazla olmamakla berâber ısı veya güneş ışığı gibi bâzı şartlar altında oksijen ve klorla patlama şeklinde reaksiyon verir. İçerisinde % 4 ile % 74 arasında hidrojenle ihtivâ eden hava yanıcı ve patlayıcıdır. Hidrojen, oksijen ile yakıldığında çok yüksek sıcaklıkta bir alev elde edilir. Oda sıcaklığında hidrojenle oksijen arasındaki reaksiyon, çok tanecikli platin katalizörü olmadığında çok yavaştır. Hidrojen 700°C'de pratik olarak ânında tutuşur.
Halojenler, bor ve benzeri elementlerle, verdiği bileşikler uçucudur. Metallerin elektropozitif karakterlerine bağlı olarak iyon bağlı veya kovalent bağlı bileşikler verir.
Kullanılışı: Hidrojen üretiminin üçte ikisi amonyak elde edilmesinde kullanılır. İkinci derecede önemli kullanma alanı petrol rafinasyonundaki katalitik parçalama işlemidir. Üçüncü derece kullanıldığı alan metanol îmâlatıdır. Bundan başka yağların hidrojene edilmesinde de kullanılır. Doymamış, yağların hidrojenlendirilmesi ile margarin elde edilir (Bkz. Hidrojenlendirme). Hidrojenlendirme işi aynı zamanda birçok organik bileşiklerin îmâlâtında da kullanılır. Plastik madde yapımında plastifiyan olarak kullanılır. Metalurjide kaynak işlerinde yakıt olarak kullanılır.
Hidrojen yandığı zaman çevreye kirletici artıklar vermemektedir. Bu yüzden otomobillerde yakıt olarak kullanılmak istendiğinden bu konuda çalışmalar yapılmaktadır.
Alm. Wasserstoff bombe (f), Fr. Bombefà hydrogène (bombe H), İng. Hydrogen bomb. Tahrip gücü yüksek termonükleer bomba. Altmış megatona kadar çıkarılabilen tahrip gücü ile 390 km2'lik bir alanda (takriben 11 km yarıçaplı dâiresel bir alan) tahribat meydana getirir. Yakıcı sıcaklığı 26 km yarıçaplı dâiresel alanı etkiler. Hidrojen bombası hidrojenin izotopları olan döteryum ile trityumun çekirdeklerinin kaynaşması (füzyon) reaksiyonunun zincirleme olarak devam etmesiyle meydana getirilir (Bkz. Nükleer enerji). Füzyon reaksiyonunun başlayabilmesi için yaklaşık 3,5x107 °K civarında kritik bir sıcaklığın elde edilmesi gerekir. Bu da atom bombasının patlatılmasıyla açığa çıkan ısı ile elde edilir. Atom bombası bir kere patlatıldıktan sonra füzyon reaksiyonu başlar ve bundan sonraki füzyon reaksiyonları için yeterince enerji açığa çıkar.
Atom bombası ile hidrojen bombası (termonükleer bomba) arasındaki esas fark, hidrojen bombasında, iki hafif atom çekirdeğinin daha ağır bir çekirdek (helyum çekirdeği) oluşturacak biçimde kaynaşması sonucunda açığa çıkan enerjiden faydalanılması, atom bombasında ise ağır bir atom çekirdeğinin daha hafif iki çekirdek oluşturacak biçimde bölünmesiyle (fisyon) açığa çıkan enerjiden faydalanılmasıdır.
Atom çekirdeği pozitif yüklü olduğundan normal şartlarda diğer bir atomun çekirdeğini iter. Ancak bir atom bombasının patlatılması ile ulaşılan milyonlarca derecelik sıcaklık neticesinde çekirdekler bu itme kuvvetini yenecek kadar bir kinetik enerjiye kavuşur. Çok hafif olan hidrojen çekirdekleri küçük pozitif yüklerinden dolayı nispeten az bir itme direnci gösterirler. Bu bakımdan hidrojen çekirdeklerinin kaynaşması (füzyonu) başka atomlarınkine göre daha kolay gerçekleşir.
Hidrojenin izotoplarının kaynaşarak helyum çekirdeğini meydana getirmeleri esnasında kütlelerinin yaklaşık % 0,6'sı yok olur ve enerjiye dönüşür. Bunun sonucunda meydana gelen enerji miktarı Albert Einstein'in ünlü E= m c2 formülü ile belirlidir. Bu formülde E açığa çıkan enerji, m kütle değişmesi ve c de ışık hızıdır.
Bir termonükleer bomba patladığında büyük bir gürültü, ışık, ısı ve nükleer serpintiler meydana gelir. Patlama sonucu meydana gelen şok dalgası kilometrelerce mesâfelerdeki binâları yerle bir edebilecek kadar güçlüdür. Bombanın ışığı kilometrelerce uzaktaki insanlarda körlüğe bile yol açabilir. Bombanın yüksek ısısı geniş bir alandaki ağaç ve çalılıkları yakarak büyük yangınlara sebep olur.
Hidrojen bombasının tahrip gücü uranyum ve plutonyum kullanılan atom bombalarının tahrip gücünden oldukça yüksektir. Meselâ SSCB'nin 1961 de patlattığı 60 megatonluk hidrojen bombası, İkinci Dünyâ Savaşında Hiroşima'ya atılan 15 kilotonluk atom bombasından yaklaşık 4 bin defa daha güçlüydü. Bir termonükleer bombanın gücü bir milyon ton dinamitin gücüne eşit olan megaton cinsinden ifade edilir. Stratejik füzelere yerleştirilebilen hidrojen bombalarının gücü 100 kiloton ile 1,5 megaton arasında değişir. Termonükleer bombalar kıtalararası balistik füzelerin savaş başlıklarına sığabilecek boyutlarda da üretilebilirler. Bu bombalar dünyanın çevresini yarım saatten az bir sürede dolanabilecek bir hızla giderken tesbit edilen hedefin birkaç yüz metre yakınına düşürülebilirler.
Hidrojen bombasından ilk defa 1950'lerin başında süper bomba diye bahsedilmeye başlandı. Amerikalıların 1 Kasım 1952'de denediği 5 ilâ 7 megatonluk hidrojen bombasının patlatılmasıyla bir ada ortadan kayboldu ve 5-6 m derinliğinde 1609 m çapında bir çukur açıldı. SSCB ilk termonükleer bomba denemesini 12 Ağustos 1953'te gerçekleştirdi. Günümüzde birçok ülkenin ordularında 20 binden fazla termonükleer bomba bulunduğu tahmin edilmektedir. 5 Mart 1970'te nükleer silahların yaygınlaştırılmasını yasaklayan bir anlaşma kabul edildiği halde bilhassa büyük devletler silah yapımına bütün hızları ile devam etmektedirler.
(Bkz. Hidrobromik Asit)
(Bkz. Hidroflorik Asit)
Alm. Wasserstoffion (n), Fr. Lon (m) d'hydrogene, İng. Hydrogen ion. Proton adı da verilen (1+) elektrik yüklü hidrojen atomu. Bir proton ve bir elektrondan meydana gelmiş hidrojen atomu bir elektronunu verdiği zaman geriye çıplak bir proton kalır. Hidrojen iyonuna asitlerin sulu çözeltisinde rastlanır. Bu sulu çözeltilerde bulunan hidrojen iyonları su molekülleri ile birleşerek hidronyum veya oksonyum denilen iyonu (H3O+) meydana getirirler.
Protonun büyüklüğü ortalama olarak diğer iyonların 1/100.000'i kadardır. Yükün, protonun yarıçapına oranı oldukça büyüktür. Protonun suda ayrı olarak mevcut kalması mümkün değildir.Çünkü protonun büyük yükü sebebi ile su molekülünün etrafındaki elektrikî alanı tahrif olur. Bu tahrifin sonucu olarak su molekülü ile hidrojen iyonu arasında bir bağ teşekkül eder ve böylece hidronyum iyonu hâsıl olur.
H3O+ iyonu 10-3 saniye yaşayabilir ve varlığı spektroskopik metodlarla ispatlanmıştır. Son yapılan araştırmalar, hidronyum iyonunun üç su molekülü ile hidrojen köprüleriyle birleştiği ve H9O4+ iyonunu meydana getirdiğini göstermiştir.
Herhangi bir asit suda çözündüğü zaman hidronyum iyonu meydana gelir. Zayıf asitler suda çözündüğü zaman az, kuvvetli asitler çözündüğü zaman ise çok miktarda hidronyum iyonu meydana gelir. Buna rağmen H+ iyonunun yazılışı H3O+ iyonunun yazılışından kolay olduğu için kimyâsal denklemlerin yazılışında H+ şekli kullanılır.
Hidrojen iyonu, hidroksil iyonu ile birleşerek suyu meydana getirir. Bu olaya nötralleşme denir. Hidrojen iyonu aktif metaller ile reaksiyona girer. Bu reaksiyonda metal, iyon haline geçerken kendisi indirgenir, elementel hidrojen haline geçer. Hidrojen iyonları canlı organizmada meydana gelen birçok reaksiyonun ve endüstrideki kimyâsal işlemlerin yönünü tâyin eder. Hidrojen iyonu konsantrasyonu birçok kimyâsal işlemle de çok önemlidir.
(Bkz. Hidroklorik Asit)
Alm. Wesserstoff peroxyd (n), Fr. Peroxyde (m) d'hydrogene, İng. Hydrogen peroxide.Formülü H2O2 olan ve kimyâsal olarak kararlı olmayan yoğun bir sıvı.
Özellikleri:Hidrojen peroksit, renksiz ve kokusuz bir sıvı olup, suda bol miktarda çözünür. Alkolde de çözünür. Kolaylıkla su ve oksijen vermek üzere bozunur. Saf hidrojen peroksit 1 atmosfer basınçta -0,43°C'de donar ve 150,2°C'de kaynar. Sıvı halde ve 255°C'de yoğunluğu 1,44 g/cm3tür. % 90'lık hidrojen peroksit çözeltisi patlayıcı olmamakla berâber % 75'ten % 90'lığa kadar H2O2 ihtivâ eden çözeltiler patlayabilir.
Saf hidrojen peroksit yavaşca bozunur. Meselâ metal gibi az bir safsızlık bozulmanın hızını artırır. Burada metal safsızlığı katalitik etki yapmaktadır. Bozunması, saflaştırma ve bâzı kararlılık veren meselâ 8-hidroksikkinolin, sodyum piro fosfat ve alkali metal silikat gibi maddeler ile durdurulabilir. Bozunmada en güçlü katalizör kolloidal plantindir.
Hidrojen peroksit ortama bağlı olarak indirgen ve yükseltgen özelliğe sâhiptir.
Bulunuşu: Hidrojen peroksit tabiatta kar ve yağmur içerisinde eser miktarda bulunmaktadır. Suyun elektrolizi esnâsında katot çevresinde meydana gelir.
Elde edilişi: 1. Baryum oksidin havada 500°C'ye ısıtılması ile elde edilen baryum peroksidin sülfat asidi ile muâmelesinden elde edilir ki bu en eski metoddur.
BaO2 + H2SO4 ® BaSO4 + H2O2
derişik sülfat asidi elektroliz edildiğinde peroksidisülfat asidi elde edilir. Bunun su ile reaksiyonundan hidrojen peroksit elde edilir:
H2S2O8 + 2H2O ® 2H2SO4 + H2O2
2. Etil antrakinonun otoksidasyonundan da elde edilir.
Kullanılışı: Hidrojen peroksidin çok yaygın kullanılışı vardır. % 3'lük çözeltisi mikrop öldürücü olarak kullanılır ve buna halk arasında oksijenli su denir. % 3-6'lık çözeltisi saçları sarartmakta kullanılır. % 30'luk çözeltisine perhidrol denir ve kimyâ laboratuvarlarında, elektronik sanâyiinde kullanılır. % 30-50 arasındaki konsantrasyonlar tekstil sanâyiinde pamuklu kumaşları beyazlatmak maksadıyla kullanılır. Kumaştaki renk bozukluğunu elyafın kalitesini bozmadan gidererek etkili bir şekilde beyazlatır. Elde edilen beyazlık fevkalâde ve kalıcıdır. Aynı çözelti, kâğıt hamurunu, ahşap yüzeylerini, yün, ipek, yağ ve bâzı yiyecekleri beyazlatmak için de kullanılır. % 70'lik çözeltisi geniş miktarda organik maddeleri ve anorganik iyonları oksitlemede kullanılır.Derişik hidrojen peroksit deriyi tahriş edicidir.
Alm. Wasserstoffsulfid (n), Fr. Hydrosulphure (m), İng. Hydrogen Sulfide. Renksiz, çürük yumurta kokusunda zehirleyici bir gaz. Formülü H2S şeklinde olup 1796'da C.Louis Berthallet tarafından bileşiği meydana getiren elementler tâyin edildi.
Çok şiddetli zehir olan hidrojen sülfürün 10-5lik bir konsantrasyonda da kokusu hissedilebilir. Sıvılaştırılmış hidrojen sülfür elektriği iletmez. Kaynama noktası -60,75°C, erime noktası ise -83,70°C'dir. Havadan 1.19 defâ daha ağırdır. Kaynama noktasında yoğunluğu 0,993'tür. Suda ve alkolde oldukça çözünür. Yanıcıdır. % 4,5-45,5 oranında hidrojen sülfür ihtivâ eden hava patlayıcıdır.
Hidrojen sülfür az miktarda petrolde, kaplıcalarda ve tabiî gaz kuyularında bulunur. Elementlerinden de elde edilen hidrojen sülfür laboratuvarlarda demir sülfür üzerine hidrojen klorür etki ettirmekle elde edilir. Saf hidrojen sülfür elde etmek için kalsiyum veya baryum sülfür kullanılmaktadır.
Alm. Wagen (m) mit Wasserstoff als Treibstoff, Fr. Voiture (f) a hydrogene, İng. Hydrogen car. Yakıt olarak sıvı hidrojen kullanan araba. Hidrojen için "unutulmuş yakıt" tâbirini kullanmak hiç de yanlış olmamaktadır. Bugün içinde bulunulan enerji krizinin bu tatbikatla kolayca sona erdirilebileceği ve çok yakın bir gelecekte, hidrojenin kara ve hava ulaşımının en büyük enerji kaynağı olabileceği iddiâ edilmektedir. Meziyetleri ilk keşfedildiği günden beri, hidrojen hep "geleceğin yakıtı" ünvânını muhâfaza etmiştir. Çok yüksek sıcaklıkta yanması, aynı ağırlıktaki petrolden çok daha fazla enerji ihtivâ etmesi ve çok az hava kirliliğine sebebiyet vermesi elverişli özelliklerinden bâzılarıdır.
Hidrojen atmosferde bulunan az miktar dışında tabîatta saf olarak bulunmaz, fakat üretmek için gerekli olan hammaddesi oldukça boldur. Bu iş için lâzım olan sâdece su ve başka bir çeşit enerjidir. Son yıllarda hidrojen üretme usûlleri hızla gelişmektedir.
Petrolle çalışan içten yanmalı motorlar, sâdece birkaç değişiklikle hidrojenle kullanılabilir hâle çevrilebilirler. Hidrojenin havada yanması, bugün kullanılan hidrokarbon-hava karışımından on iki kere daha çabuktur. Tecrübe edilmekte olan bâzı hidrojen motorlarında vakitsiz yanma sonucu meydana gelen alevlerin karbüratöre sirâyet ettiği görüldü ise de mikro kompüterlerle yanmanın zamanlamasını çok hassas şekilde kontrol etmek kolayca mümkündür.
Hidrojen motorlarının bir üstünlüğü de, hava kirliliğine çok az katkıda bulunmalarıdır. Hidrojen reaksiyonun yüksek sıcaklığında havadaki nitrojenle oksijen birleşip bir miktar nitrojen oksidi meydana getirmesine rağmen yanmamış hidrokarbon ihracı sözkonusu değildir. Nitrojen oksit ihracını önlemenin bir yolu silindirlere su enjekte etmektir. Böylece ısının çok yükselmesi ve dolayısıyle nitrojen reaksiyonu önlenebilir. Böyle su eklemenin diğer bir faydası da, su buharının pistonlarda genleşmekte olan gazın kuvvetini pekiştirmesi ve dolayısıyla motor gücünün daha verimli olmasına yol açmasıdır. Eski tip hidrojenli araçlarda, sık sık doldurulması gereken bir su deposu bulunurdu. Yeni modellerde ise egzoz sistemindeki su buharı kullanılmaktadır ve böylece sık sık su doldurma müşkilatı ortadan kaldırılmaktadır.Temizlenmesi pahalı birçok hava kirletici madde yayan petrol ile mukâyese edildiği zaman, hidrojenin çok daha iyi bir yakıt olduğu anlaşılır.
Bu problemlere farklı bir çözüm de karbüratörsüz motor kullanmaktır. Bu motorlarda, pistonun her vuruşunda aynı miktarda hava emilir ve gaz pedalıyla ayarlanabilecek şekilde ölçülü miktarda hidrojen püskürtülür.
Daha önemli bir problem ise yakıt tankı meselesidir. Hidrojenin gaz hâlinde depolanması pratik bir çözüm değildir. Çünkü en kısa mesâfeler için bile çok miktarda gaz hidrojen gerekli olmaktadır. Bunun yerine, aya uçuşlarda başarılı olarak kullanılmış bulunan sıvı hidrojen de kullanılabilir. Fakat sıvı hidrojenin -253°C'den düşük sıcaklıklarda muhâfaza edilmesi gerekmektedir ki bu da güçlü soğutma sistemleri ve termoslama gerektirir. Üstelik, sıvı hidrojen bile belirli bir mesâfe için gerekli olan bir petrol tankından daha büyük bir tank gerektirmektedir.
Yakıt taşıma meselesiyle ilgili olarak teklif edilen çözümlerden biri de metal hidrit parçaları kullanmaktır. Bilhassa demir ve titaryum alaşımları gibi belirli bâzı metal alaşımları oda sıcaklığında oldukça fazla hidrojen emerler ve bu esnâda da ısı yayarlar. Bu usûl ters çevrilebilir, yâni bir metal alaşım ısıtılırsa hidrojen gazı yayar.
Metal ağır olmasına rağmen yine de gaz silindirlerinden daha hafif ve taşıması daha kolay olur. Makul bir ağırlık, taşıta takriben 175 km mesâfelik yakıt temin edebilir. Fakat bu metodun da uygulanması zordur. Metal parçalarının belirli zamanlarda yenilenmesi lazımdır ve bu parçalar zamanla ufalanıp hidrojen akımını engelleyebilir. Bu konuda daha çok gelişmelere ihtiyaç vardır.
Bütün bunlara rağmen, beklenen teknolojik patlama hiç de umulmadık bir yönde olabilir. Belki de içten yanmalı motorların yerine, hidrojenle oksijenin birleşmesi sonucu meydana gelen elektrik enerjisiyle çalışan elektrik motorları geleceğin nakil vâsıtalarının motorları olabilecektir.
HİDROJENLENDİRME (Hidrojenasyon)
Alm. Hydrieren (n); Hydrierugn (f), Fr. Hydrogenation (f), İng. Hydrogenation. Hidrojeni diğer bir madde ile birleştirme işlemi. Petrol sanâyiinde sıvı yakıt îmâlatında, margarin endüstrisinde önemli bir ameliyedir. Umûmiyetle, hidrojenin katıldığı madde, iki ve üç bağı olan doymamış, organik bileşiklerdir. Hidrojenin katıldığı bâzı kimyâsal reaksiyonlarda, doymamış bileşikler birbirine benzeyen bileşiklere ayrışabilir ki bu "hidrojenasyon bölünmesi" olarak bilinir. Hidrojenasyon reaksiyonları umûmiyetle belirli sıcaklık, basınç ve katalizör mevcudiyetinde yapılır.
Benzin, petrolün ağır yağlarının hidrojenasyonu ile elde edilir. Yâni benzin, kömür veya tabiî gazların hidrojenlendirilmesi ile de elde edilebilir. Kömür 1800°C'de oksijen ve su buharı ile muamele edilir. Karbon monoksit elde edilir ve bu da hidrojenasyona uğratılarak daha geliştirilir. Kömür ince öğütülüp pasta hâline getirilir. Bu pasta kalın (ağır) yağ ve metal sülfür ile karıştırılır, sonra 200-250 atmosfer baskı altında 400°C'ye kadar ısıtılır. Daha sonra 450-500°C'de hidrojene edilir ve hafif yağlar veya benzin elde edilir.
Hoşa gitmeyen koku ve tatdaki tabiî yağlar hidrojene edilerek yenebilen katı yağ hâline çevrilir. Bu işlemde doymamış yâni sıvı hâldeki yağ, doymuş (katı) yağ hâline getirilir. Pamuk ve çiçek yağları hidrojene edilerek margarin elde edilir.
Alm. Kohlenwasserstoffverbindung (f), Kohlenhydra, Fr. Hydrocarbone (m), İng. Hydrocarbon. Sâdece karbon ve hidrojen atomları ihtivâ eden organik bileşikler. Hidrokarbonlar çok çeşitlidir. Birçok üyesi endüstriyel bakımdan önemlidir. Meselâ metan tabiî gazların temel maddesidir. Benzin hidrokarbonlar karışımı olduğu gibi benzen, naftalin ve asetilen de birer hidrokarbondur. Hidrokarbonlar teorik bakımdan da önemlidir. Çünkü organik bileşiklerin birçok sınıfının sistematik olarak adlandırılmasında hidro karbonların adlandırılması esastır.
Hidrokarbon Tipleri
Hidrokarbonlar yapılarına bağlı olarak alifatik, aromatik ve alisiklik bileşikler olarak tasnif edilebilir. Alifatik ve alisiklik bileşikler de doymuş ve doymamış olarak sınıfandırılır. Doymuş hidrokarbon, mümkün olan en çok hidrojen ihtivâ eder ve karbonlar birbirlerine bir elektron çiftinin meydana getirdiği tek elektron bağı ile bağlıdırlar. Doymamış hidrokarbonlarda ise karbonlar birbirlerine çift veya üç bağ ile bağlanmışlardır. Alifatik hidrokarbonlar, hidrojen atomlarının bağlı olduğu düz veya dallanmış karbon zincirlerinden meydana gelmiştir.
Doymuş alifatik hidrokarbonlar: Bunlara alkanlar veya parafinler de denir. Genel formülü CnH2n+2'dir (n: karbon sayısı). Alkanlar bir homolog seri meydana getirir ki bu seride birbirini tâkip
FORMÜL VARRR!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (1)
eden bileşikler arasında (CH2) kadar fark vardır. Karbon sayısının Lâtincesinin sonuna (AN) eki getirilerek adlandırılır.
Karbon sayısı birden ona kadar olan alkanlar metan, etan, porapan, bütan, pentan, hekzan, heptan, oktan, nonan ve dekan şeklinde adlandırılır. Dört karbonlu hidrokarbonlardan îtibâren izomeri (kapalı formülü aynı, açık formülü farklı olma) olayı başlar:
FORMÜL VARRRRRRRRR!!!!!!!!!!!!! (2)
Bu iki bileşiğin fiziksel ve kimyâsal özellikleri farklıdır. Karbon sayısı arttıkca mümkün olabilecek izomer sayısı da artar. C40H82 bileşiğinin izomeri ihtimâli 62 tirilyon kadardır.
Özellikleri: Karbon sayısı beşten düşük olan alkanlar oda sıcaklığında gaz hâlindedir. Hekzandan daha büyük alkanların karbon sayısı çoğaldıkça erime ve kaynama noktaları da yükselir. Bunlar oda sıcaklığında sıvı, katı olabilirler. Alkanlar aktif değildirler yâni reaksiyona girmek istemezler.
Üretimi: Alkanların en önemli ve ticârî üretim kaynağı tabiî gaz ve petrol kuyularıdır. Tabiî gaz içinde en çok metan bulunur. Fakat etan, propan, bütan ve daha büyük moleküllü alkanlar da bulunabilir.
Alkanların adlandırılması: Alkan serisindeki bileşiklerin adlandırılması en uzun zincir içindeki karbon sayısına dayandırılır. En uzun zincir esas zincir olup, buna bağlı kısa zincirler vardır. Bu kısa zincirlere radikal veya alkil denir. Alkilin genel formülü CnH2n+1 şeklinde olup, türediği alkanın isminin sonundaki AN eki kaldırılıp İL eki getirilerek adlandırılır.
CH3 — Metil, C2H5 — Etil, C3H7 — Propil Bu alkiller esas zincire bağlı yan dallardır. Önce alkilin bağlı olduğu karbonun numarası, sonra alkilin sayısı latince söylenir ve esas zincirin adı ilâve edilir:
FORMÜL VAR!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (3)
Doymamış hidrokarbonlar:
Alkenler: Bu sınıfa olefinler sınıfı da denir. Bu sınıfta hiç olmazsa iki karbon arasında çift bağ vardır. Karbon sayısının latincesinin sonuna EN ve İLEN eki getirilerek adlandırılır. Çift bağın hangi karbonlar arasında olduğunu belirtmek için rakam kullanılır. Bu rakam çift bağın bağlı olduğu karbonlardan ilkine âittir.
CH2 == CH2 CH3 — CH == CH — CH3
Eten-etilen 2-Bütilen
Alkenler oldukça aktiftir. Doymamış karbonlara hidrojen, halojen ve diğer bâzı bileşikler katılır:
Formül Var!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (4)
Alkinler: Doymamış diğer hidrokarbon grubudur. Karbonlardan bir çiftinin arasında üç bağ vardır. Karbon sayısının Lâtincesinin sonuna İN eki getirilerek adlandırılır:
FOrmül Var!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (5)
Alkinler kimyâsal olarak alkenlere göre çok daha aktiftir.
Aromatik hidrokarbonlar: Aromatik hidrokarbonlar bir veya daha çok benzen halkası ihtivâ ederler. Benzen halkasının yapısı çok çeşitli şekilde gösterilmiştir:
FORMÜL VAAAAR!!!!!!!!!!!!!!!!! (6)
Birinci formül açık formül olup bağlanma şekillerini, karbon ve hidrojen sayılarını göstermektedir. 2 ve 3 numaralı formüller ise basitleştirilmiş benzen formülüdür.
Benzen halkasına çeşitli grupların girdirilmesi ile çeşitli bileşikler elde edilir. Toluen, ksilen, naftalin gibi misaller vermek mümkündür.
Alisiklik hidrokarbonlar: Alisiklik hidrokarbonlar üç veya daha fazla karbon bulunduran halkalı bileşiklerdir. Bu halkalar benzen halkalarından farklıdır.
FORMÜL VAAAARR!!!!! !!!!!!!!!!! (7)
Alm. Salzsaure (f), Fr. Acid (m) chlorhydrique, İng. Hydrochloric acid. Hidrojen klorürün (HCl) sudaki çözeltisi olup, klorür asidi de denir. Hidrojenklorür, nemli havada sis meydana getiren ve suda çok çözünebilen, aşındırıcı olmayan renksiz bir gazdır.
Hidroklorik asit 1400 yıllarında elde edildi. Tuz ruhu olarak bilinir. Hidrojen klorürün tersine olarak oldukça aşındırıcı, çürütücüdür. Zehirli de olan hidroklorik asidin, volkanik alanlarda bâzı nehirlerde eser miktarda bulunduğu bilinir. Mide suyunda da hidroklorik asit vardır.
Hidroklorik asit kuvvetli bir asittir. Berrak, renksiz veya sarı, tüten ve hoşa gitmeyen bir sıvıdır. Alkolde çözünür. En çok % 38'lik derişimdedir. Bütün aktif metallerle ve aynı zamanda bazlarla da reaksiyon verir.
Hidroklorik asit sanâyide geniş ölçüde kullanılır. Metallerin temizlenmesinde, lehimcilikte, ecza ve organik madde imalâtında, alüminyum elde etmek için alüminyum oksit îmâlatında, deniz suyundan magnezyum çekilmesinde, klorür tuzlarının elde edilmesinde, cevher muâmelelerinde ve boyaların üretiminde kullanılır. Hidrojen klorür gazı -83°C'de kaynar, -111°C'de ise katılaşır. Hidroklorik asidi elde edebilmek için önce hidrojen klorür gazını elde etmek gerekir:
1. Hidrojen klorür, sodyum klorür tuzuna sülfat asidi etki ettirmekle elde edilir:
2NaCl+H2SO4 ® Na2SO2 + HCl
2. Kükürtdioksit ve oksijen karışımlarının sodyum klorüre etkisiyle elde edilir:
SO2+1/2O2 + H2O+NaCl®Na2SO4+2HCl
3. Doğrudan elementlerinden elde edilir. Hidrojen ve klor gazı karışımı uygun katalizörlerle reaksiyona sokulur. Reaksiyon şiddetlidir. Hidrojen klorür gazı genellikle sudaki çözeltisi olan hidroklorik asit hâlinde kullanılır.
Türkiye'de, hidrojenklorür, İzmit kloralkali fabrikalarında büyük ölçüde üretilmekte ve üretilen miktarlar ihtiyacı karşılamaktadır.
Alm. Hydraulik, Fr. Hydraulique (f), İng. Hydraulics. Sıvıların ve bilhassa suyun mekanik özellik ve davranışlarını deneysel (tecrübî) ve teorik olarak inceleyen uygulamalı (tatbikî) bir bilim dalı. Sıvılar vâsıtasıyla kuvvetlerin nakil ve kontrolü.
Hidroliğin târihçesi: Nehir kenarında kurulan çok eski medeniyetlerde insan, hayvan ve bitkilere su sağlamak üzere pratik hidrolik bilgileri kullanılmıştır. Binlerce yıl önce Mısırlılar çok geniş rezervuar (hazne, sun'î göl), sulama ve su yolları ağlarını planlamış ve inşâ etmiştir. Süleymân aleyhisselâm devrinden kalma su hazneleri hâlâ hayranlık uyandırır. M.Ö. 3000 yıllarından Mennes'in, Memphis bölgelerini sellerden korumak için Nil üzerine kargir bir baraj yaptığı söylenmektedir. Bu baraj, içme ve kullanma suyu da sağlıyordu. M.Ö. 2000 yıllarında Mısırlıların Nil Deltasını Kızıldeniz'e bağlayan bir kanal yaptığı ve bunun 1000 yıldan fazla bir süre Akdeniz ile Kızıldeniz arasında gemi geçişi için kullanıldığı sanılmaktadır.
Muhtemelen M.Ö. 2300'de Mısırlılardan da önce mancınıklı kova şeklinde su yükseltme aracı Dicle-Fırat vâdilerinde geliştirilmiş, M.Ö. 2400 yılında Bâbilliler Dicle Nehri üzerinde büyük bir baraj, geniş bir sulama ve su iletim ağı inşâ etmiştir. Bunun kalıntıları hâlâ görülmektedir. Eski devirlere âit gelişmiş sulama tesislerinin kalıntılarına bugün İsrail'in elinde bulunan Necef bölgesinde, Arabistan'ın güneyinde ve Çin'de rastlanmaktadır.
Asur kraliçesi putperest Semiramis (M.Ö. 800) zamânında Van Ovasına su getirmek için yapılan 56 km'lik 4 m3/sn debili, Şamran Kanalı hâlâ sulamada kullanılmaktadır. M.Ö. 385'te Kızıldeniz Akdeniz'e bağlıydı. Şam'da her evde su vardı. Çinliler 500 m derinlikte kuyu kazmıştı. Peru'da Kızılderililer mükemmel su tesisleri yapmıştı. Yunanlılar ve Romalılar büyük su kemerleri, tüneller ve limanlar da yapmış olmalarına rağmen önceleri hız ve diğer temel kavramları pek bilmiyorlardı. M.Ö. 3. yüzyılda Arşimet meşhur prensibini buldu. M.S. 100 yılında İskenderiyeli Hero birçok hidrolik makinalar planladı. Kendisi hız, debi vb. kavramları da biliyordu. Bundan yüzlerce yıl sonra bile, kendinden sonra gelen zamânın bilginleri bunları anlayamadılar. Hindistan'da çok sayıda büyük hacimli açık su hazneleri yapılmıştı. Bergama'da 20 atmosfer basınca dayanan borular kullanılmıştı.
Hazret-i Muâviye zamânında Mekke'ye su getiren kemerler yapıldı. Halife Me'mûn zamânında 9. yüzyılda Nil üzerinde seviye ölçümü başlatıldı. Halîfe Mütevekkil zamânında ve sonraları ölçü tertibatı yenilendi ve hâlâ çalışmaktadır. Câbir, Bîrûnî, Cezerî, Harezmî, Hâzinî, Tûsî, Kerecî, Âmulî, Hirevî gibi âlimler hidroloji, hidrolik yer altı suyu mevzuunda eserler yazmış ve bunlara âit prensipler kullanarak otomatik âletler yapmışlardır. Öz ağırlık ölçümü için hassas terâzi yaptılar. Bunda ısı etkisini bile hesaba katmışlardı.
Rönesans'tan sonra Leonardo da Vinci, kendisine kadar pek gelişmeyen hidrolik konusunda, deneysel ve teorik çalışmalar yapmış, dalgalar, çevrintiler ve borulardaki akışı anlatmış ve dalgaların yayılma, yansıma ve girişimini şekillerle göstermiştir. Galileo, serbest düşme kânunu ile dolaylı olarak hidroliğe katkıda bulunmuştur. Evangelista Toricelli bu kânunu orifislerden (deliklerden) çıkan suya uygulamıştır.
On yedinci yüzyılda Blaise Pascal, Hidrolik pres ve basınç iletilebilirliği prensiplerine açıklık getirerek hidrostatik teorisini tamamlamış, aynı yüzyılın sonunda İsaac Newton hareket kânunlarını kurup, akışkan viskozitesi ve atâletten doğan akış direnci tariflerini geliştirmiştir. Bunun çalışmaları hidrolikte büyük ehemmiyet taşıyan "enerjinin korunumu" ve "momentumun korunumu" kânunlarına temel teşkil etmiştir.
Modern gelişmeler: On sekizinci yüzyılın ilk yarısında sürtünmesiz (ideal) akışkanların matematiksel incelemesini yapan Leonard Euler ve Daniel Bernouilli ile klasik hidrodinamik hızla gelişmiştir. Aynı yüzyılın ikinci yarısı ve 19. yüzyılın başlarında matematiksel hidrodinamik ve deneysel hidrolik birbirinden bağımsız iki disiplin olmuştur. Bunlardan ilki Lord Kelvin, Lord Rayleigh, Sir George G.Stokes, Harace Lamb ve diğerleri tarafından, ikincisi ise Antoine de Chezy, Henry Darcy, Henry Bazin, James B.Francis, Robert Manning ve diğer birçok araştırıcı tarafından geliştirilmiş, 20. yüzyılda ise bu iki alan akışkanlar mekaniği olarak birleştirilmiştir. Boyut analizi ve küçültülmüş modellerin geliştirilmesi bu modern sentezi sağlamıştır. Osborne Reynolds hareketli tabanlı (kum gibi) nehir modelini ortaya koymuş ve William Froude bir deney tankında su içinde gemi modellerini çekme tekniklerini geliştirmiştir. Böyle modelle tabiat arasında geçerli ampirik bağıntılar elde edilmesi mümkün olmuştur. Ludwig Prandtl'ın 1904'te geliştirdiği sınır tabaka teorisi ideal akışkanın matematiksel teorisi ile hakîkî akışkanların gerçek davranışı arasındaki boşluğu doldurmuştur.
Hâlen üniversite ve hükûmete âit (Ankara DSİ Araştırma Laboratuvarı gibi) laboratuvarlarda hidrolik konusundaki araştırmalar sürmektedir. Sıvıların mekaniği statik ve kinetik olarak ikiye ayrılır. Kinetik ise kinematik ve dinamik kısımlarından ibârettir. Fiziksel hidrostatik kanunları, sükûnetteki (durgun) akışkanların tesirlerini ve özellikle basınç, basınç kuvveti, mutlak veya rölatif dengeyi inceler. Sıvı içinde birim yüzeye sâhip bir noktadaki toplam (mutlak) basınç, yüzeydeki atmosfer basıncı ile o nokta üzerindeki sıvının ağırlığının toplamına eşittir. Havanın her tarafta var olması düşünülerek, aksi gerekmedikçe genellikle mutlak basınç yerine sâdece sıvı ağırlığının doğurduğu efektif (etkin) basınç kullanılır. Ucu atmosfere açık basınç ölçekleri de bu basıncı gösterdiğinden buna ölçüm basıncı da denir. Basınç kuvveti, basınçla tesir alanının çarpımına eşittir. Sıvı içinde bir noktadaki basınç, her yönde aynı olduğundan ve sıvılar basıncı her tarafa aynen ilettiğinden, kaldırma kuvveti de bu basıncın yukarı yönelmiş değeri ile etki alanının çarpımından doğar. Basınç kuvveti etki ettiği yüzeye diktir. Küresel yüzeylerde merkezden geçer. Mutlak dengede sıvı tam durgun haldedir. Rölatif dengede, sıvıyı taşıyan kap hareket etmektedir. Hidrokinematik, etkiyen kuvvetler gözönüne alınmaksızın akışkan hareketini inceler. Hidrodinamik, ilgili kuvvetler ve birlikte meydana gelen enerji değişimleri de dâhil olarak akışkan hareketini ele alır.
Akışkan özellikleri, rölatif zaman ve mekan durumu, akışın basınçlı (boru içinde) veya câzibeli (açık kanal veya boru içinde yerçekimi etkisiyle) cereyan etmesi, hidrolik olayların karakteristiklerini teşkil eder.
Sıvı özellikleri: Hidrolik, homojen olduğu kabûl edilen kütlesel boyuttaki sıvılarla ilgilenir, moleküler boyutlarla meşgul olmaz. Katılardan farklı olarak, denge hâlindeyken sıvılar kesme kuvvetine mukâvemet edemezler. Belirli bir şekle sâhib olmayan bir sıvı kütlesinin sıcaklık ve basınçla sâdece pek az değişen muayyen bir hacmi vardır.
Fizik kânunları matematik eşitliklerle ifâde edilir. Mekaniğin üç temel prensibi, hidrolikte de aynen uygulanır. Bunlar kütlenin korunumu (süreklilik), enerjinin korunumu (Bernoulli) ve momentumun korunumu prensipleridir. Hidrolik problemlerinin çözümünde bu prensipler ve ilgili eşitlikler yardımıyla gerekli hesaplamalar yapılmaktadır.
Hidroliğin uygulama alanları: İnşaat mühendisliği içindeki hidrolik (su) mühendisliği alanında su getirme, kanalizasyon, sulama, kurutma, su ulaştırması, taşkın kontrolu, hidroelektrik enerji, erozyon kontrolu, arâzi ıslahı, çevre kirlenmesi kontrolu, dinlenme tesisleri vb. projelerinde hidrolik bilgileri kullanılmaktadır. Su alma, iletim, biriktirme, dağıtma, toplama, tasfiye, ölçme ve kontrol yapıları vb. hep hidrolik esaslarına göre şekillendirilmektedir. Bu maksatla baraj, bağlama, kuyu, pompa, boru, galeri, açık kanal, denge bacası, cebri boru, türbin, kanal, menfez, hazne, sedde, kıyı duvarları, dalgakıran, kaplama duvarı, savak, köprü ayağı, gemi geçit ve inşâ tesisleri, kapak, vana, ızgara, kum ve silt tutucu, çökeltim havuzu, havalandırma havuzu, yüzme havuzu, yüzdürme havuzu, çürütme tankı, kurutma yatağı vb. teşkilinde hep hidrolikten istifâde edilmektedir. Hidrolik yardımı ile bilhassa sıvıların takriben sıkışmama ve aldıkları basıncı aynen iletme özelliklerinden faydalanılarak çeşitli makina ve mekanizmalar geliştirilmiştir. Cendereler, liftler, otomatik kontrol tertibatları, frenler, inşaat makinaları, silahlar, hava ve deniz vâsıtalarına âit makinalar vb. hep hidrolik prensiplerine dayanmaktadır. Hidrolik, boru içinde katı madde taşınması, bitkilerde su ve kan dolaşımının incelenmesinde de kullanılmaktadır.
Alm. Hydrolyse (f), Fr. Hydrolyse (f), İng. Hydrolysis. Bir bileşiğin su vasıtası ile bölündüğü kimyasal bozunma reaksiyonu. Bu reaksiyonda su da bölünmeye uğrar. Hidroliz reaksiyonunun genel ifâdesi:
RX+HOH ® RH+XOH
şeklindedir. Metalik, metalik olmayan ve organik bileşikler hidrolize uğrayabilirler. Hidroliz olayı, su yerine başka sıvı ile olursa bu olaya solvaliz denir.
Yağlar hidrolize edilirse sabun elde edilir. Bu reaksiyona da sabunlaşma reaksiyonu denir. Çay şekeri (sakkaroz) hidrolize edilirse glikoz ve fruktoz elde edilir. Odun artıklarındaki selülozun hidrolizi ile şeker ve alkol elde edilebilir.Bitki ve hayvan hücrelerindeki hidroliz reaksiyonları enzimler tarafından katalize edilir ve böylece nişasta, maltoz ve dekstrine hidrolize olur.
Metal tuzlarının hidrolizi ile baz ve asid meydana gelir. Mesela potasyum siyanürün (KCN) hidrolizinden potasyum hidroksit (KOH) ve siyanür asidi (HCN) elde edilir. Potasyum hidroksit kuvvetli baz olduğundan reaksiyonun yapıldığı ortam bazik olur. Yine benzer şekilde amonyum klorür (NH4Cl) suda çözülürse hidrolize uğrar ve amonyum hidroksit ile hidrojen klorür asidi elde edilir. Hidrojen klorür asidi kuvvetli olduğundan ortam asidik olur. Organik bileşiklerin hidrolizine tipik misâl olarak etil klorürün (C2H5Cl) hidrolizi verilebilir:
C2H5Cl + HOH ® C2H5OH + HCl
Ametal halojenürler su ile hidroliz olarak iki ayrı aside bölünür.