Enerji Kaynakları ve Bilimsel Gelişmeler

Enerji kaynakları ve sınıflandırılması

Sabah kahvaltısını pişiren doğal gaz, okul servisinin motorundaki motorin, cebimizdeki telefonun bataryası ve geceleri sokağı aydınlatan elektrik farklı enerji kaynaklarından gelir. Doğada hazır bulunan ve doğrudan kullanılabilen kaynaklara birincil enerji kaynakları denir: kömür, ham petrol, doğal gaz, uranyum, güneş ışığı, rüzgâr, akarsular, yer altındaki sıcak su ve bitkiler bunlardandır. Elektrik, benzin ve hidrojen ise birincil kaynaklardan dönüştürülerek elde edilen ikincil enerji biçimleridir. Enerjiyi üretildiği yerden kullanılacağı yere taşıdıkları için bunlara enerji taşıyıcı da denir.

Kaynakları yenilenme hızına göre de sınıflandırırız. Oluşumu milyonlarca yıl süren ve insan ömrü ölçeğinde yerine konamayan kaynaklara yenilenemez enerji kaynakları denir: kömür, petrol ve doğal gaz (fosil yakıtlar) ile nükleer santrallerde yakıt olarak kullanılan uranyum. Doğada sürekli yenilenen kaynaklara ise yenilenebilir enerji kaynakları denir.

Kimya bu kaynakların hemen hepsinin merkezindedir. Fosil yakıtların ve biyoyakıtların enerjisi yanma tepkimelerinden gelir. Güneş pilleri özel olarak hazırlanmış yarı iletkenlerle çalışır. Elektrik bataryalarda kimyasal enerji olarak depolanır. Nükleer enerji ise atom çekirdeğindeki değişimlerden doğar. Bu konuda kaynakları tek tek inceleyecek, her birinin arkasındaki kimyayı göreceğiz.

Fosil yakıtlar: kömür, petrol ve doğal gaz

Fosil yakıtlar, milyonlarca yıl önce yaşamış canlıların kalıntılarının yer altında, oksijensiz ortamda, basınç ve sıcaklığın etkisiyle dönüşmesinden oluşmuştur. Hepsinin temel elementi karbondur; bu yüzden yandıklarında karbon dioksit oluşur.

Kömür, bataklıklarda biriken bitki kalıntılarının üzeri tortullarla örtüldükten sonra uzun süre ısı ve basınç altında kalmasıyla oluşur. Bu süreçte kalıntılardaki su ile oksijen ve hidrojenin bir kısmı uzaklaşır, geriye karbonca zenginleşen bir madde kalır. Kömürleşme ilerledikçe karbon içeriği artar; kömür türleri karbon içeriği artan sırayla turba, linyit, taş kömürü ve antrasittir. Turba kömürleşmenin ilk evresidir; nemi çok, karbonu azdır. Linyit genç bir kömürdür; nem ve kül oranı genellikle yüksektir. Taş kömürü daha yaşlıdır ve ısı değeri linyitinkinden yüksektir. Antrasit karbon içeriği en yüksek olan, parlak siyah, az dumanla yanan kömürdür. Türkiye'deki kömür rezervlerinin büyük kısmı linyittir (Afşin-Elbistan ve Soma gibi havzalar); taş kömürü ise Zonguldak havzasından çıkarılır.

Petrol (ham petrol), büyük ölçüde deniz canlılarının, özellikle planktonların kalıntılarından oluşmuş, çok sayıda farklı hidrokarbonun sıvı karışımıdır; az miktarda kükürt, azot ve oksijen içeren bileşikler de bulunur. Ham petrol rafinerilerde ayrımsal damıtmayla kaynama noktası aralıklarına göre kesimlere ayrılır: petrol gazı, benzin, nafta, gazyağı (jet yakıtı), motorin, fuel oil ve en ağır kesim olan asfalt. Talebi çok olan benzin kesimini artırmak için büyük moleküller ısı ve katalizör yardımıyla daha küçük moleküllere parçalanır; bu işleme kraking denir. Petrol yalnızca yakıt değildir: plastiklerin, sentetik liflerin, boyaların ve birçok ilacın hammaddesi de petrokimya sanayisinden gelir.

Doğal gaz, büyük kısmı metan (\(\text{CH}_4\)) olan, az miktarda etan, propan ve bütan içeren bir gaz karışımıdır. Boru hatlarıyla ya da yaklaşık −162 °C'ye soğutularak sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) olarak gemilerle taşınır. Mutfak tüplerindeki LPG ise doğal gazdan farklıdır: sıvılaştırılmış petrol gazı adını taşır ve propan ile bütanın karışımıdır. Metan kokusuz bir gazdır; kaçakların fark edilmesi için şebekedeki gaza keskin kokulu, kükürt içeren maddeler (merkaptanlar) katılır. "Gaz kokusu" dediğimiz şey aslında bu katkı maddesinin kokusudur.

Yakıtların ısı değeri

Bir yakıtın değeri, yandığında ne kadar ısı verdiğiyle ölçülür. Tepkimelerde enerji konusunda gördüğün gibi yanma entalpisi, 1 mol maddenin oksijenle tamamen yanmasındaki entalpi değişimidir ve yanma ekzotermik olduğundan negatiftir. \(n\) mol yakıt yandığında açığa çıkan ısı şöyle bulunur:

Ancak yakıtları mol başına karşılaştırmak yanıltıcıdır: 1 mol oktan 114 g, 1 mol hidrojen yalnızca 2 g'dır. Bir aracın deposuna ya da bir tüpe yakıt doldururken önemli olan kütle (ya da hacim) başına enerjidir. Bu yüzden yakıtlar ısı değeri ile karşılaştırılır: 1 g (ya da 1 kg) yakıtın tamamen yanmasıyla açığa çıkan ısı. Isı değeri, molar yanma entalpisinin mol kütlesine bölünmesiyle bulunur:

Metan için \(|\Delta H_{\text{yanma}}| = 890\) kJ/mol ve \(M = 16\) g/mol olduğundan ısı değeri \(\frac{890}{16} \approx 55{,}6\) kJ/g'dır. Aynı hesap hidrojen için \(\frac{286}{2} = 143\) kJ/g verir. Hidrojen gram başına yaygın yakıtların hepsinden fazla ısı verir, çünkü molekülü çok hafiftir.

Şekildeki sıralamanın kimyasal bir mantığı vardır. Etil alkol (\(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}\)) ve metil alkol (\(\text{CH}_3\text{OH}\)) moleküllerinde oksijen bulunur; bu yakıtlar bir bakıma kısmen yükseltgenmiş durumdadır. Molekül kütlesinin bir bölümünü yanmaya katkı yapmayan oksijen oluşturduğu için gram başına verdikleri ısı hidrokarbonlarınkinden düşüktür. Saf karbon ise hidrojen içermediği için hidrokarbonların gerisinde kalır.

Hidrojenin bir zayıf yanı da vardır: gaz halindeki hidrojenin yoğunluğu çok küçüktür. Gram başına çok enerji veren hidrojen, normal basınçta litre başına az enerji verir. Bu yüzden hidrojen ya çok yüksek basınçta sıkıştırılarak ya da −253 °C'ye kadar soğutulup sıvılaştırılarak depolanır; ikisi de enerji ve dayanıklı tank gerektirir.

Yanma ve karbon dioksit hesabı

Karbon içeren bir yakıt tamamen yandığında yakıttaki her karbon atomu bir \(\text{CO}_2\) molekülüne, her iki hidrojen atomu bir su molekülüne dönüşür. Karbon atomları korunduğu için oluşan \(\text{CO}_2\)'nin mol sayısı, yakılan yakıttaki karbon atomlarının mol sayısına eşittir. Propanın yanmasında 1 mol yakıttan 3 mol (132 g) \(\text{CO}_2\) oluşur:

Benzinin temsilcisi olarak alınan oktanda (\(\text{C}_8\text{H}_{18}\)) 1 mol yakıttan 8 mol \(\text{CO}_2\) oluşur:

Çevre açısından asıl önemli olan, elde edilen enerji başına salınan \(\text{CO}_2\) miktarıdır. Metan 1 mol \(\text{CO}_2\) oluştururken 890 kJ ısı verir; kömürün ana bileşeni olan karbon ise 1 mol \(\text{CO}_2\) oluştururken yalnızca 394 kJ verir (\(\text{C}(k) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g)\), \(\Delta H = -394\) kJ). Aynı ısıyı elde etmek için karbon, metanın iki katından fazla \(\text{CO}_2\) salar (\(\frac{890}{394} \approx 2{,}3\)). Hidrojenin yanma ürünü ise yalnızca sudur.

Fosil yakıtların çevresel etkileri

Sera etkisi, asit yağmurları ve hava kirleticileri dokuzuncu sınıfta "Doğa ve Kimya" konusunda işlendi. Burada fosil yakıtların hangi kirleticileri neden ürettiğine kimyasal gözle bakalım.

• Karbon dioksit: Karbonlu her yakıtın tam yanma ürünüdür. Önlenemez; ancak daha az yakıt yakarak ya da enerji başına daha az karbon içeren yakıt seçerek azaltılabilir. Başlıca sera gazıdır.
• Kükürt dioksit: Yakıtın kendi içindeki kükürtten oluşur: \(\text{S}(k) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{SO}_2(g)\). Kükürt oranı yüksek linyit ve fuel oil, \(\text{SO}_2\) salımı yüksek olan yakıtlardır. Asit yağmurlarının başlıca nedenlerindendir.
• Azot oksitleri (\(\text{NO}_x\)): Çoğunlukla yakıttan değil, havanın kendisinden gelir. Motor silindirindeki ve kazandaki yüksek sıcaklıkta havanın azotu ile oksijeni birleşir: \(\text{N}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\text{NO}(g)\). Bu yüzden hidrojen bile havayla yüksek sıcaklıkta yakılırsa \(\text{NO}_x\) oluşabilir.
• Karbon monoksit ve is: Eksik yanmanın ürünleridir.
• Partikül madde: Kömür ve odun yanmasından, dizel motorlardan çıkan is, kül ve çok küçük katı taneciklerdir. Solunum yollarına ve akciğerlere zarar verir.

Baca gazındaki \(\text{SO}_2\) kireç taşı ile tutulabilir. Kireç taşı tozu ya da çamuru baca gazıyla karşılaştırıldığında kükürt dioksit, oksijenin de katılmasıyla kalsiyum sülfata dönüşür; bu ürün alçı yapımında kullanılabilir:

Tepkimede yine \(\text{CO}_2\) oluştuğuna dikkat et: bu yöntem asit yağmuru sorununu azaltır ama sera gazı sorununu çözmez. Taşıtlardaki katalitik konvertörler CO ile \(\text{NO}_x\)'i, toz filtreleri partikülleri azaltır. \(\text{CO}_2\) için ise ya daha az yakıt yakmak ya da \(\text{CO}_2\)'yi baca gazından ayırıp yer altında depolamak (karbon yakalama ve depolama) gerekir. Fosil yakıtların çıkarılması ve taşınması da çevreye zarar verir: açık kömür madenleri araziyi bozar, petrol sızıntıları denizlerde ve kıyılarda büyük kirliliğe yol açar.

Hidrojen: elde edilişi ve depolanması

Hidrojen yandığında yalnızca su oluşur ve gram başına çok enerji verir. Ancak yeryüzünde serbest hidrojen gazı neredeyse yoktur; hidrojen, su ya da hidrokarbon moleküllerindeki atomlarından ayrılarak üretilmelidir. Bu yüzden hidrojen bir enerji kaynağı değil, bir enerji taşıyıcısıdır: onu üretmek için harcanan enerji, kullanıldığında geri alınan enerjiden her zaman fazladır.

Suyun elektrolizi: Suya doğru akım uygulanınca katotta hidrojen, anotta oksijen gazı toplanır. Saf su elektriği çok az ilettiği için suya bir miktar elektrolit eklenir.

Bu tepkime hidrojenin yanmasının tersidir ve en az o tepkimede açığa çıkan kadar enerji ister. Elektrik güneş ya da rüzgârdan sağlanırsa üretim sırasında \(\text{CO}_2\) salınmaz; bu yolla üretilen hidrojene "yeşil hidrojen" denir.

Buhar reformasyonu: Bugün üretilen hidrojenin büyük kısmı doğal gazdan elde edilir. Metan, yüksek sıcaklıkta ve katalizör (çoğunlukla nikel) üzerinde su buharıyla tepkimeye sokulur. Oluşan karbon monoksit de ikinci bir tepkimede su buharıyla daha fazla hidrojene dönüştürülür:

İki denklem toplanınca net tepkime \(\text{CH}_4(g) + 2\text{H}_2\text{O}(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) + 4\text{H}_2(g)\) olur. Yöntem ucuzdur ama her 4 mol hidrojen için 1 mol \(\text{CO}_2\) açığa çıkar; üstelik tepkimeye gereken yüksek sıcaklık için de yakıt yakılır. Kızgın kömürün su buharıyla tepkimesinden de (\(\text{C}(k) + \text{H}_2\text{O}(g) \rightarrow \text{CO}(g) + \text{H}_2(g)\)) hidrojen ve karbon monoksit karışımı elde edilir. CO ile \(\text{H}_2\)'den oluşan bu tür karışımlara sentez gazı denir.

Hidrojen havayla geniş bir oran aralığında yanıcı ve patlayıcı karışımlar oluşturur. Bu nedenle depolanması ve taşınması, yüksek basınca dayanıklı tanklar ve sıkı güvenlik önlemleri gerektirir.

Yakıt pilleri

Hidrojeni yakarak önce ısı, sonra bir türbin ya da motorla elektrik elde edebiliriz. Yakıt pili ise yakıtın kimyasal enerjisini yanma olmadan, doğrudan elektrik enerjisine çevirir. Yapısı bir pile benzer: iki elektrot ve aralarında iyonları ileten bir elektrolit. Farkı, tepkimeye giren maddelerin pilin içinde depolanmaması, dışarıdan sürekli verilmesidir; yakıt verildikçe pil çalışmayı sürdürür.

Pillerde anot, yükseltgenmenin (elektron kaybının) gerçekleştiği elektrottur; katot ise indirgenmenin (elektron kazancının) gerçekleştiği elektrottur. Hidrojen-oksijen yakıt pilinde hidrojen anoda, oksijen (ya da hava) katoda gönderilir. Elektrolit asidikse, örneğin yalnızca \(\text{H}^+\) iyonlarını geçiren bir polimer zarsa, tepkimeler şöyledir:

• Anot (yükseltgenme): \(\text{H}_2 \rightarrow 2\text{H}^+ + 2\text{e}^-\)
• Katot (indirgenme): \(\text{O}_2 + 4\text{H}^+ + 4\text{e}^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}\)
• Net tepkime: \(2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}\)

Anottaki yarı tepkime 2 ile çarpılıp katottakiyle toplanınca elektronlar ve \(\text{H}^+\) iyonları sadeleşir. Hidrojenin bıraktığı elektronlar dış devreden (lamba, motor) geçerek katoda ulaşır; \(\text{H}^+\) iyonları da zarın içinden katoda geçer. Elektronlar anotta açığa çıktığı için anot pilin negatif (−), katot pozitif (+) kutbudur. Denklemlerden şu oranlar çıkar: 1 mol \(\text{H}_2\) harcandığında dış devreden 2 mol elektron, 1 mol \(\text{O}_2\) harcandığında 4 mol elektron geçer.

Elektrolit bazik olduğunda, örneğin potasyum hidroksit çözeltisinde, aynı net tepkime farklı yarı tepkimelerle yürür: anotta \(\text{H}_2 + 2\text{OH}^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O} + 2\text{e}^-\), katotta \(\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 4\text{e}^- \rightarrow 4\text{OH}^-\) tepkimesi gerçekleşir. Bu tür yakıt pilleri uzay araçlarında hem elektrik hem içme suyu sağlamak için kullanılmıştır.

Yakıt pilinin üstünlükleri şunlardır: tek ürün sudur, sessiz çalışır ve kimyasal enerjiyi doğrudan elektriğe çevirdiği için verimi, aynı yakıtı yakan ısı makinelerininkinden genellikle yüksektir. Zayıf yanları ise elektrotlarda pahalı platin katalizör kullanılması ile hidrojenin üretimi ve depolanmasıdır. Hidrojenle çalışan otobüs ve otomobiller bu tür piller kullanır. Metanol gibi başka yakıtlarla çalışan yakıt pilleri de vardır.

Biyokütle ve biyoyakıtlar

Biyokütle, bitkilerden ve hayvanlardan elde edilen organik maddelerin genel adıdır: odun, tarım atıkları (sap, saman, kabuk), hayvan gübresi, gıda atıkları ve enerji amacıyla yetiştirilen bitkiler. Biyokütledeki kimyasal enerjinin kaynağı güneştir; bitkiler fotosentezle güneş enerjisini glikozun kimyasal bağlarında depolar:

Biyokütle doğrudan yakılabildiği gibi daha kullanışlı yakıtlara da dönüştürülebilir.

• Biyogaz: Hayvan gübresi, gıda atıkları ve arıtma çamuru gibi organik atıklar oksijensiz ortamda bakterilerce ayrıştırılınca büyük kısmı metan, geri kalanının çoğu \(\text{CO}_2\) olan bir gaz oluşur. Biyogaz ısınmada ve elektrik üretiminde kullanılır; geriye kalan çamur gübre olarak değerlendirilir.
• Biyoetanol: Şeker kamışı, şeker pancarı ya da mısır gibi şeker ve nişasta yönünden zengin bitkilerden elde edilen şekerler mayalarla fermente edilir: \(\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6(suda) \rightarrow 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}(suda) + 2\text{CO}_2(g)\). Nişasta önce glikoza parçalanır. Oluşan etil alkol damıtmayla sudan ayrılır ve benzine karıştırılarak ya da tek başına yakıt olarak kullanılır.
• Biyodizel: Bitkisel yağlar (kanola, ayçiçeği, soya yağı) ya da atık kızartma yağları, sodyum hidroksit ya da potasyum hidroksit gibi bir katalizör varlığında metanolle tepkimeye sokulur. Yağ molekülü (trigliserit), gliserolün üç yağ asidiyle oluşturduğu bir esterdir; metanol bu esterdeki gliserolün yerini alır. Bu tepkimeye transesterleşme denir. Ürünler, biyodizeli oluşturan yağ asidi metil esterleri ve yan ürün gliseroldür (gliserin).

Denklemde R uzun bir hidrokarbon zinciridir. Biyodizel, ham yağdan çok daha akışkan olduğu için dizel motorlarda tek başına ya da motorine karıştırılarak kullanılabilir.

Biyoyakıtların en önemli üstünlüğü karbon döngüsündeki yerleridir. Bir biyoyakıt yandığında açığa çıkan \(\text{CO}_2\)'deki karbon, hammaddesi olan bitkinin birkaç ay ya da birkaç yıl önce fotosentezle havadan aldığı karbondur. Fosil yakıtlarda ise karbon milyonlarca yıldır yer altında depolanmıştır ve yakıldığında atmosfere yeniden karbon eklenir. Yine de biyoyakıtlar tam olarak "karbon nötr" değildir: tarlanın sürülmesi, gübre üretimi, taşıma ve damıtma da enerji harcar. Ayrıca gıda üretilebilecek tarım arazilerinin yakıt bitkilerine ayrılması tartışma konusudur; bu yüzden atık yağlardan ve tarım atıklarından üretilen biyoyakıtlar daha uygun görülür.

Güneş enerjisi ve güneş pilleri

Rüzgârın, akarsuların, biyokütlenin ve fosil yakıtların enerjisinin kökeni güneştir. Güneş enerjisinden doğrudan iki şekilde yararlanılır. Güneş kolektörleri (çatılardaki güneş enerjili su ısıtıcıları) ışığı soğuran koyu renkli yüzeylerle suyu ısıtır. Güneş pilleri (fotovoltaik piller) ise ışık enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çevirir.

Güneş pillerinin çoğu silisyumdan yapılır. Silisyum periyodik sistemin 4A grubundadır ve kristalinde her atom dört değerlik elektronuyla komşu dört silisyum atomuna kovalent bağlanır. Saf silisyum bir yarı iletkendir: elektriği metaller kadar iyi iletmez ama yalıtkan da değildir ve iletkenliği sıcaklık arttıkça ya da ışık düştükçe artar. Silisyumun iletkenliği, kristale çok az miktarda başka bir element katılarak (katkılama) denetlenir. Beş değerlik elektronlu fosfor (5A) katılırsa her fosfor atomundan bir elektron artar; buna n tipi yarı iletken denir. Üç değerlik elektronlu bor (3A) katılırsa bir elektron eksik kalır ve "boşluk" adı verilen pozitif yük taşıyıcıları oluşur; buna p tipi yarı iletken denir.

Güneş pili, n tipi ve p tipi silisyum katmanlarının birleştirilmesiyle oluşan bir p-n eklemidir. Eklem bölgesinde kendiliğinden bir elektrik alanı oluşur. Yeterli enerjiye sahip bir foton silisyumdaki bir elektronu bağından koparınca bir elektron-boşluk çifti oluşur; eklemdeki elektrik alanı elektronu n tipi katmana, boşluğu p tipi katmana iter. Pilin iki yüzü bir dış devreyle birleştirilirse elektronlar n tipi katmandan dış devre üzerinden p tipi katmana akar ve elektrik akımı oluşur.

Silisyum yer kabuğunda oksijenden sonra en bol bulunan elementtir, ama doğada serbest halde değil, kum ve kuvarsta silisyum dioksit (\(\text{SiO}_2\)) halinde ve silikat minerallerinde bileşik olarak bulunur. Kuvars, elektrik ark fırınlarında çok yüksek sıcaklıkta karbonla indirgenir: \(\text{SiO}_2(k) + 2\text{C}(k) \rightarrow \text{Si}(s) + 2\text{CO}(g)\). Bu yolla elde edilen silisyum güneş pili için yeterince saf değildir; ek arıtma basamakları gerekir ve bu basamaklar çok enerji harcar.

Güneş pilleri çalışırken yakıt yakmaz, gaz salmaz ve ses çıkarmaz. Zayıf yanları, yalnızca gündüz ve en çok açık havada üretim yapmaları ve ürettikleri elektriğin depolanması gereğidir. Güneş ve rüzgâr gibi kesintili kaynakların yaygınlaşmasıyla bataryalar (lityum iyon piller gibi) ve elektrolizle hidrojen üretimi birer enerji depolama yolu olarak öne çıkmaktadır. Bilim insanları perovskit adı verilen kristal yapıdaki malzemelerle daha ucuz güneş pilleri geliştirmek için de çalışmaktadır.

Nükleer enerji: fisyon ve füzyon

Kimyasal tepkimelerde atomların yalnızca elektronları yeniden düzenlenir; çekirdekler değişmez ve her element tepkimeden sonra yine aynı elementtir. Nükleer (çekirdek) tepkimelerde ise atom çekirdeği değişir ve bir element başka bir elemente dönüşebilir. Çekirdekteki proton ve nötronları bir arada tutan kuvvet çok güçlü olduğundan bir nükleer tepkimede açığa çıkan enerji, bir kimyasal tepkimedekinden milyonlarca kat büyüktür.

Bu enerjinin kaynağı kütledir. Bir nükleer tepkimede ürünlerin toplam kütlesi girenlerin toplam kütlesinden biraz küçüktür; kaybolan kütle (kütle kaybı) Einstein'ın \(E = mc^2\) bağıntısına göre enerjiye dönüşür. Işık hızının karesi çok büyük bir sayı olduğundan çok küçük bir kütle kaybı bile çok büyük bir enerjiye karşılık gelir. Kimyasal tepkimelerdeki enerji alışverişine karşılık gelen kütle değişimi ise ölçülemeyecek kadar küçüktür; bu yüzden kimyasal tepkimelerde kütlenin korunduğunu söyleriz.

Fisyon (çekirdek bölünmesi): Uranyum-235 gibi ağır bir çekirdek bir nötron yakalayınca kararsızlaşır ve iki orta büyüklükte çekirdeğe bölünür; bu sırada 2 ya da 3 nötron ve büyük bir enerji açığa çıkar. Olası bölünmelerden biri şudur:

Açığa çıkan nötronlar başka uranyum çekirdeklerini bölebilir. Her bölünme yeni nötronlar doğurduğu için olay kendi kendini sürdürür; buna zincir tepkimesi denir. Zincir tepkimesinin sürmesi için bölünebilen maddenin miktarı belli bir değerin (kritik kütle) üstünde olmalıdır; daha az madde varsa nötronların çoğu bir çekirdeğe çarpmadan dışarı kaçar.

Nükleer santrallerde zincir tepkimesi denetim altında tutulur. Doğal uranyumun yalnızca yaklaşık %0,7'si bölünebilen uranyum-235'tir; santral yakıtında bu oran zenginleştirmeyle birkaç yüzdeye çıkarılır. Hızlı nötronları yavaşlatarak bölünme olasılığını artıran maddeye moderatör denir (su, ağır su ya da grafit). Bor ya da kadmiyum içeren kontrol çubukları nötron soğurur; çubuklar reaktörün içine daldırıldıkça tepkime yavaşlar. Fisyon ısısı suyu buhara çevirir, buhar türbini, türbin de jeneratörü döndürür. Nükleer santraller çalışırken \(\text{CO}_2\) salmaz; ama ürettikleri radyoaktif atıklar çok uzun süre güvenli biçimde saklanmalıdır ve kaza riski ciddi önlemler gerektirir. Mersin'deki Akkuyu Nükleer Santrali, Türkiye'nin ilk nükleer santral projesidir.

Füzyon (çekirdek kaynaşması): Hafif çekirdeklerin birleşerek daha ağır bir çekirdek oluşturmasıdır. Güneş ve onun gibi yıldızlar enerjilerini hidrojen çekirdeklerinin helyuma kaynaşmasından elde eder. Yeryüzünde en çok araştırılan füzyon tepkimesi, hidrojenin iki izotopu olan döteryum ile trityum arasındadır:

Pozitif yüklü çekirdeklerin birbirini itmesini yenmek için milyonlarca derecelik sıcaklık gerekir. Bu yüzden füzyonla elektrik üreten ticari bir santral henüz yoktur; Fransa'da yapımı süren ITER gibi deneysel reaktörlerle bu amaç için çalışılmaktadır. Döteryum deniz suyunda bulunur ve tepkimenin ürünü olan helyum radyoaktif değildir; trityum ise radyoaktiftir.

Nükleer tepkime denklemleri

Bir çekirdek \({}^{A}_{Z}\text{X}\) biçiminde gösterilir: \(A\) kütle numarası (proton ve nötron sayılarının toplamı), \(Z\) atom numarasıdır (proton sayısı). Nükleer denklemleri denkleştirmenin iki kuralı vardır:

1. Kütle numarası korunur: okun iki yanındaki \(A\) değerlerinin toplamı eşittir.
2. Atom numarası korunur: okun iki yanındaki \(Z\) değerlerinin toplamı eşittir; bu, yükün korunması demektir.

Yukarıdaki fisyon denkleminde sol tarafın kütle numarası \(235 + 1 = 236\), sağ tarafınki \(141 + 92 + 3 \cdot 1 = 236\)'dır. Atom numaraları solda \(92 + 0 = 92\), sağda \(56 + 36 + 3 \cdot 0 = 92\)'dir. Denklemde bilinmeyen bir tanecik varsa önce bu iki toplamdan \(A\) ve \(Z\) bulunur, sonra periyodik sistemde atom numarası \(Z\) olan element seçilir. Sık karşılaşılan tanecikler şunlardır:

Bir çekirdek alfa ışıması yapınca kütle numarası 4, atom numarası 2 azalır: \({}^{238}_{92}\text{U} \rightarrow {}^{234}_{90}\text{Th} + {}^{4}_{2}\text{He}\). Beta ışımasında çekirdekteki bir nötron protona dönüşür; kütle numarası değişmez, atom numarası 1 artar: \({}^{14}_{6}\text{C} \rightarrow {}^{14}_{7}\text{N} + {}^{0}_{-1}\text{e}\). Gama ışıması ne kütle numarasını ne de atom numarasını değiştirir; çekirdek yalnızca enerji yayar. Bir çekirdeğe dışarıdan bir tanecik çarptırılarak da dönüşüm sağlanabilir: \({}^{14}_{7}\text{N} + {}^{4}_{2}\text{He} \rightarrow {}^{17}_{8}\text{O} + {}^{1}_{1}\text{p}\).

Rüzgâr, jeotermal ve hidroelektrik enerji

Bu üç kaynakta enerji yanma tepkimesinden gelmez, ama kimya yine işin içindedir.

Rüzgâr enerjisi: Rüzgârın hareket enerjisi türbin kanatlarını döndürür ve jeneratörde elektriğe dönüşür. Yakıt harcanmaz, gaz salınmaz. Uzun ve hafif kanatlar, cam ya da karbon lifiyle güçlendirilmiş polimer kompozitlerden yapılır; bazı türbinlerin jeneratörlerinde neodimyum içeren güçlü mıknatıslar kullanılır. Ömrünü dolduran kompozit kanatların geri dönüştürülmesi, kimyacıların üzerinde çalıştığı bir sorundur.

Jeotermal enerji: Yer altındaki sıcak su ve buhar ısınmada, seracılıkta ve elektrik üretiminde kullanılır; Türkiye'de Denizli, Aydın ve Manisa çevresi bu bakımdan zengindir. Jeotermal akışkan yer altında kayaçlarla temas ettiği için çözünmüş mineraller ve gazlar (\(\text{CO}_2\), çürük yumurta kokulu \(\text{H}_2\text{S}\)) içerir. Akışkan yüzeye çıkıp basıncı düşünce çözünmüş \(\text{CO}_2\) ayrılır ve kalsiyum hidrojen karbonat, kalsiyum karbonat olarak çöker:

Bu çökelti borularda kalın kabuklar oluşturur; önlemek için akışkana kabuklaşmayı engelleyen kimyasallar eklenir. Kullanılan akışkan çoğunlukla yeniden yer altına basılır. Jeotermal santraller akışkandaki \(\text{CO}_2\)'nin bir kısmını atmosfere verebildiği için tamamen salımsız değildir.

Hidroelektrik enerji: Barajda biriktirilen suyun potansiyel enerjisi, su türbinlerden geçerken elektriğe dönüştürülür. Kimyasal tepkime yoktur ve yakıt harcanmaz; ancak üretim yağışa bağlıdır. Baraj gölünün altında kalan bitki örtüsü ve göle taşınan organik maddeler oksijensiz ortamda çürüdüğünde metan oluşabilir. Barajın yapımında çok miktarda çimento ve çelik kullanılır; bu malzemelerin üretimi de enerji harcar.

Sürdürülebilirlik, yeşil kimya ve sentetik yakıtlar

Sürdürülebilirlik, bugünün ihtiyaçlarını gelecek kuşakların kendi ihtiyaçlarını karşılama olanağını azaltmadan karşılamaktır. Enerji açısından bu; enerjiyi verimli kullanmak, yenilenebilir kaynakların payını artırmak, atıkları ve kirleticileri azaltmak demektir. Dokuzuncu sınıfta ilkelerini gördüğün yeşil kimya bu hedefin kimyadaki karşılığıdır. Enerjiyle ilgili örnekleri şunlardır: tepkimeleri daha düşük sıcaklık ve basınçta yürüten katalizörler kullanmak, hammadde olarak petrol yerine biyokütle gibi yenilenebilir kaynakları seçmek, bir sürecin atık ısısını başka bir süreçte değerlendirmek.

Sentetik yakıtlar, doğrudan doğadan alınmayıp kimyasal tepkimelerle üretilen yakıtlardır. Kömürden, doğal gazdan ya da biyokütleden elde edilen sentez gazı (CO ve \(\text{H}_2\)) katalizörler üzerinde sıvı hidrokarbonlara dönüştürülebilir; bu yönteme Fischer-Tropsch yöntemi denir. Sentez gazından metanol de üretilir: \(\text{CO}(g) + 2\text{H}_2(g) \rightarrow \text{CH}_3\text{OH}(g)\). Son yıllarda üzerinde çok çalışılan bir yol, baca gazından ya da havadan yakalanan \(\text{CO}_2\)'nin yenilenebilir elektrikle üretilen hidrojenle birleştirilmesidir:

Bu yakıt yandığında \(\text{CO}_2\) yeniden açığa çıkar; ama hammadde olarak yakalanmış \(\text{CO}_2\) kullanıldığı ve hidrojen yenilenebilir enerjiyle üretildiği için atmosfere net olarak eklenen karbon çok azalır. Kimyadaki bilimsel gelişmeler enerji sorununa başka yollardan da katkı yapar: lityum iyon pillerin geliştirilmesi 2019 Nobel Kimya Ödülü'ne konu olmuştur ve bu piller elektrikli araçları ve yenilenebilir elektriğin depolanmasını mümkün kılmıştır.

Nanoteknoloji ve yeni karbon malzemeleri

Bir nanometre metrenin milyarda biridir (1 nm = \(10^{-9}\) m). En az bir boyutu yaklaşık 1–100 nm arasında olan malzemelere nanomalzeme, bu ölçekte maddeyi tasarlayıp kullanan bilim ve teknolojiye nanoteknoloji denir. Nanoparçacıkların özellikleri aynı maddenin büyük parçasından farklı olabilir. Bunun önemli bir nedeni yüzey alanıdır: bir katı küçük parçalara bölündükçe toplam yüzey alanı büyür. Kenarı \(a\) olan küplere bölünen bir katının toplam yüzey alanı \(\frac{6V}{a}\) olduğu için kenar uzunluğu 10 kat küçülünce toplam yüzey alanı 10 kat artar. Yüzeyi büyük olan madde daha hızlı tepkimeye girer ve daha etkili bir katalizör olur. Altın nanoparçacıkların çözeltileri, parçacık boyutuna göre kırmızı ya da mor renkte görünür; gümüş nanoparçacıklar mikrop öldürücü özellikleri nedeniyle bazı kumaşlarda ve yara örtülerinde, titanyum dioksit ve çinko oksit nanoparçacıklar da güneş kremlerinde UV ışınlarını engellemek için kullanılır.

Karbonun farklı yapılardaki halleri (allotropları) nanoteknolojinin en ilgi çekici malzemelerini oluşturur.

• Elmas: Her karbon atomu dört karbon atomuna tek bağla bağlıdır ve üç boyutlu, çok sert bir ağ yapı oluşur. Elektriği iletmez.
• Grafit: Her karbon atomu aynı düzlemdeki üç karbon atomuna bağlanarak altıgenlerden oluşan katmanlar yapar. Katmanlar birbirine zayıf kuvvetlerle tutunduğu için kolayca kayar; grafit elektriği iletir.
• Grafen: Grafitin tek bir katmanıdır; karbon atomlarının bal peteği gibi dizildiği, tek atom kalınlığında bir tabakadır. Çok sağlam ve esnektir, elektriği ve ısıyı çok iyi iletir, neredeyse saydamdır. Grafen 2004'te Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından grafitten yapışkan bant yardımıyla ayrılmış, bu çalışma 2010 Nobel Fizik Ödülü'nü getirmiştir.
• Karbon nanotüp: Grafen tabakasının silindir biçiminde sarılmış hali olarak düşünülebilir. Çok hafif ve çok sağlamdır; yapısına göre metal gibi iletken ya da yarı iletken olabilir.
• Fulleren: En bilineni olan \(\text{C}_{60}\), 60 karbon atomunun futbol topuna benzeyen kapalı bir kafes oluşturduğu moleküldür.

Grafen ve karbon nanotüpler, hafif ve sağlam kompozit malzemelerde (spor malzemeleri gibi), batarya ve süperkapasitör elektrotlarında, esnek ekranlarda, algılayıcılarda ve su arıtma zarlarında kullanılmak üzere geliştirilmektedir. Enerji alanında nanomalzemelerin önemi büyüktür: yakıt pillerinde platinin nanoparçacıklar halinde kullanılması aynı etki için gereken pahalı metal miktarını azaltır, bataryalarda nanoyapılı elektrotlar şarj hızını artırmak için araştırılmaktadır.