Kimya Her Yerde

Kimya gündelik hayatın içinde

Sabah elini yıkadığın sabun, kahvaltıda içtiğin sütün kutusu, yüzüne sürdüğün güneş kremi, baş ağrısı için aldığın tablet: hepsi kimyacıların tasarladığı ya da iyileştirdiği maddelerdir. Bu ünitede yeni bir hesap yöntemi öğrenmeyeceksin. Daha önce öğrendiğin kavramları, yani polar ve apolar moleküllerin birbirini nasıl çektiğini, asitlerle bazların davranışını ve mol hesabını, evde ve markette karşılaştığın maddelere uygulayacaksın.

Önceki konulardan iki fikir burada sürekli işine yarayacak. Birincisi "benzer benzeri çözer" kuralıdır: polar maddeler polar çözücülerde, apolar maddeler apolar çözücülerde iyi çözünür. Su polardır; yağ ve kir ise büyük ölçüde apolardır, bu yüzden yağlı bir tabak yalnızca suyla temizlenmez. İkincisi, kimyasal tepkimelerin denkleştirilmiş denklemlerle yazılması ve kütlenin korunmasıdır. Tehlikeli bir karışımda ne kadar gaz çıkacağını ya da bir sabun yapımında ne kadar baz gerektiğini bu denklemler söyler.

Sabun: yapısı ve nasıl temizlediği

Sabun, uzun zincirli yağ asitlerinin sodyum ya da potasyum tuzudur. Bitkisel ve hayvansal yağlar kuvvetli bir bazla, çoğunlukla sodyum hidroksitle (NaOH, sud kostik) ısıtıldığında sabun ve gliserin oluşur. Bu tepkimeye sabunlaşma denir. Örneğin hayvansal yağlarda bulunan gliseril tristearat için:

Oluşan sodyum stearat (\(\text{C}_{17}\text{H}_{35}\text{COONa}\)) tipik bir sabun molekülüdür. Sodyum sabunları katıdır ve kalıp sabun yapımında kullanılır; potasyum sabunları daha yumuşaktır, sıvı sabunların ve arap sabununun temelini oluşturur.

Sabun molekülünün iki ucu birbirine hiç benzemez. Bir ucunda negatif yüklü karboksilat grubu (\(-\text{COO}^-\)) vardır. Bu polar (iyonik) baş, su molekülleriyle iyon-dipol etkileşimi kurar; suyu "sever", yani hidrofildir. Öteki uçta yalnızca karbon ve hidrojenden oluşan uzun bir zincir bulunur. Bu apolar kuyruk suyla etkileşmez, yağ ve kir molekülleriyle London kuvvetleri üzerinden etkileşir; suyu "sevmez", yani hidrofobdur. Hem suya hem yağa tutunabilen bu tür moleküllere yüzey aktif madde denir. Sabun aynı zamanda suyun yüzey gerilimini düşürür; su kumaşın liflerine ve kirin altına daha kolay sızar.

Kirli bir kumaşı sabunlu suya soktuğunda şunlar olur:

1. Sabun moleküllerinin apolar kuyrukları yağlı kire gömülür, polar başlar suda kalır.
2. Kir parçası çevresi sabun molekülleriyle sarılarak kumaştan koparılır; ovalamak ve çalkalamak bu ayrılmayı hızlandırır.
3. Yağ damlası, kuyrukları içe, başları dışa dönük sabun molekülleriyle kaplı küçük bir küre içinde kalır. Bu yapıya misel denir.
4. Misellerin dış yüzeyi negatif yüklü olduğundan miseller birbirini iter; yağ damlacıkları birleşip yeniden büyüyemez ve suyla birlikte durulanıp gider.

Sert su, sabun ve deterjan

İçinde \(\text{Ca}^{2+}\) ve \(\text{Mg}^{2+}\) iyonları fazla olan suya sert su denir. Kireçli topraklardan geçen yer altı suları çoğunlukla serttir. Sabun sert suda iyi köpürmez, çünkü karboksilat iyonları bu iyonlarla suda çözünmeyen tuzlar oluşturur:

Bu çökelek, banyo küvetinde ve lavaboda kalan grimsi tortudur. Çökelen sabun temizlik yapamaz; sert suda aynı temizliği elde etmek için daha çok sabun harcanır. Suya eklenen sabun önce \(\text{Ca}^{2+}\) ve \(\text{Mg}^{2+}\) iyonlarını çöktürür, bu iyonlar tükendikten sonra fazla sabun köpürmeye başlar. Sabun asitli suda da iyi çalışmaz: karboksilat iyonları \(\text{H}^+\) iyonlarıyla birleşerek suda az çözünen yağ asidine dönüşür.

Deterjanlar sabunun bu zayıflıklarını gidermek için geliştirilmiş sentetik yüzey aktif maddelerdir ve çoğunlukla petrol türevlerinden üretilir. Yapıları sabuna benzer: yine bir apolar hidrokarbon kuyruk ve bir polar baş vardır. Yaygın deterjanlarda baş, karboksilat yerine bir sülfonat grubudur (\(-\text{SO}_3^-\)). Sülfonatların kalsiyum ve magnezyum tuzları suda çözünür; bu yüzden deterjanlar sert suda da köpürür ve asitli ortamda da etkisini korur. Çamaşır ve bulaşık deterjanlarına ayrıca suyu yumuşatan maddeler, enzimler ve ağartıcılar eklenir.

Deterjanların çevreye etkisi de önemlidir. Dallanmış zincirli eski deterjanlar mikroorganizmalarca zor parçalandığı için akarsularda köpük birikmesine yol açıyordu; bugün daha kolay parçalanan düz zincirli türler kullanılır. Bazı deterjanlara suyu yumuşatmak için eklenen fosfatlar ise göllerde ve denizlerde alglerin aşırı çoğalmasına, dolayısıyla suyun oksijeninin azalmasına neden olabilir.

Çamaşır suyu, tuz ruhu ve kireç çözücüler

Çamaşır suyu, sodyum hipokloritin (NaOCl) sulu çözeltisidir. Hipoklorit iyonu kuvvetli bir yükseltgen olduğu için renkli maddeleri ağartır ve mikroorganizmaları öldürür; bu yüzden hem ağartıcı hem dezenfektan olarak kullanılır. Çözeltisi baziktir, cildi tahriş eder ve renkli kumaşları soldurur.

Tuz ruhu, hidrojen klorürün (HCl) sulu çözeltisidir; kuvvetli bir asittir. Kireç çözücüler ise asidik temizlik ürünleridir; içlerinde hidroklorik asit, fosforik asit ya da sitrik asit gibi asitler bulunabilir. Musluklarda ve su ısıtıcılarında biriken kireç büyük ölçüde kalsiyum karbonattır (\(\text{CaCO}_3\)). Asit kireçle tepkimeye girer, suda çözünen bir tuz ve karbon dioksit gazı oluşur; kireç çözücü dökülen yüzeyde görülen köpürme bu gazdır:

Sirke (asetik asit) ve limon tuzu (sitrik asit) de daha yavaş olmakla birlikte kireci çözer. Aynı tepkime yüzünden asidik temizleyiciler mermer gibi kalsiyum karbonat içeren yüzeylere zarar verir. Lavabo açıcılarda ise çoğunlukla sodyum hidroksit gibi kuvvetli bir baz bulunur; baz, gideri tıkayan yağları sabunlaştırarak çözer. Kuvvetli asit ve bazlar deriyi ve gözü yakar, bu ürünler eldivenle kullanılır.

Klor sarımsı yeşil renkli, keskin kokulu ve zehirli bir gazdır; solunum yollarını ve gözleri ağır biçimde tahriş eder. Çamaşır suyu amonyak içeren cam temizleyicilerle karıştırıldığında da zehirli gazlar (kloraminler) oluşur: \(\text{NaOCl} + \text{NH}_3 \rightarrow \text{NH}_2\text{Cl} + \text{NaOH}\). Bu yüzden temizlik maddeleri tek tek, iyi havalandırılan ortamda ve etiketindeki uyarılar okunarak kullanılır; başka bir kaba aktarılmaz, çocukların ulaşamayacağı yerde saklanır.

Polimerler: monomerden makromoleküle

Çok sayıda küçük molekülün birbirine kovalent bağlarla bağlanarak oluşturduğu çok büyük moleküllere polimer, polimeri oluşturan küçük birimlere monomer, bu birleşme tepkimesine de polimerleşme denir. Bir polimer zincirinde yüzlerce, hatta yüz binlerce monomer birimi bulunabilir. Zincirde aynı yapı tekrar tekrar sıralandığı için polimer, tekrar eden birim ve bu birimin kaç kez tekrarlandığını gösteren \(n\) sayısıyla yazılır. Zincirin uçları toplam kütleye göre çok küçük olduğundan ihmal edilir ve polimerin mol kütlesi şöyle hesaplanır:

Polimerlerin bir kısmı doğaldır: pamuktaki ve odundaki selüloz ile patatesteki nişasta glikoz birimlerinden, proteinler amino asitlerden, DNA nükleotitlerden oluşur; doğal kauçuk da bir polimerdir. Plastikler ise sentetik polimerlerdir ve çoğunlukla petrolden elde edilen monomerlerle üretilir. Plastikler hafiftir, kolay şekil alır, paslanmaz, elektriği ve ısıyı iletmez, ucuzdur. Bu özellikler onları ambalajdan tıbba kadar vazgeçilmez yapmıştır. Aynı dayanıklılık, kullanıldıktan sonra doğada çok uzun süre bozulmadan kalmalarına da yol açar.

Katılma ve kondenzasyon polimerleşmesi

Katılma polimerleşmesinde monomerlerde karbon atomları arasında bir çift bağ bulunur. Tepkime sırasında çift bağın bir bağı açılır, açılan uçlar komşu monomerlerle yeni C–C tekli bağları kurar ve uzun bir zincir oluşur. Hiçbir atom ayrılmadığı için tekrar eden birimin formülü monomerin formülüyle aynıdır. En basit örnek, etilenden (eten) polietilen oluşumudur:

Polipropilen, PVC, polistiren ve teflon da katılma polimerleridir. Monomerdeki bir H atomunun yerine farklı bir grup geçtiğinde farklı bir plastik elde edilir: H yerine \(-\text{CH}_3\) gelirse propilen ve polipropilen, Cl gelirse vinil klorür ve PVC, benzen halkası (\(-\text{C}_6\text{H}_5\)) gelirse stiren ve polistiren oluşur. Bütün H atomları F ile değiştirilirse tetrafloroetilen ve onun polimeri teflon (PTFE) elde edilir.

Kondenzasyon polimerleşmesinde ise iki farklı fonksiyonel grup taşıyan monomerler birleşir ve her bağ oluşumunda su gibi küçük bir molekül ayrılır. Bu yüzden tekrar eden birim, monomerlerin toplamından ayrılan küçük moleküller kadar eksiktir. Su şişelerinin yapıldığı PET, etilen glikol (\(\text{C}_2\text{H}_6\text{O}_2\)) ile tereftalik asidin (\(\text{C}_8\text{H}_6\text{O}_4\)) kondenzasyonuyla oluşur. Bir etilen glikolün OH grubu ile tereftalik asidin COOH grubu birleşirken bir su molekülü ayrılır. Naylon 6,6 da bir kondenzasyon polimeridir.

Yaygın plastikler ve geri dönüşüm kodları

Plastik ürünlerin çoğunun üzerinde, üç oktan oluşan bir üçgenin içinde 1'den 7'ye kadar bir sayı bulunur. Bu geri dönüşüm kodu, ürünün hangi plastikten yapıldığını gösterir. Farklı plastikler farklı sıcaklıklarda erir ve birbirine karıştığında düşük kaliteli ürün verir; kodlar, toplanan atıkların türüne göre ayrılmasını sağlar. Kodun bulunması ürünün her yerde gerçekten geri dönüştürüldüğü anlamına gelmez; yalnızca malzemeyi tanıtır.

HDPE ile LDPE aynı monomerden oluşur; fark zincirlerin dizilişindedir. HDPE'de zincirler az dallanmıştır ve sıkı istiflenir, bu yüzden daha yoğun ve serttir. LDPE'de zincirler çok dallanmıştır, sıkı istiflenemez; daha az yoğun ve esnektir. Teflon (politetrafloroetilen, PTFE) çok güçlü C–F bağları sayesinde yüksek sıcaklığa ve kimyasallara dayanıklıdır, hemen hiçbir şey yüzeyine yapışmaz; tava kaplamalarında ve contalarda kullanılır.

Plastiklerin çevresel etkileri ve geri dönüşüm

Plastiklerin çoğu mikroorganizmalarca parçalanamadığı için doğada çok yavaş bozunur. Güneş ışığı ve aşınma onları yok etmez, yalnızca küçük parçalara böler. Boyu 5 mm'den küçük plastik parçacıklara mikroplastik denir; denizlerde, topraklarda ve canlıların vücutlarında bulunmaktadır. Denize ulaşan poşetler ve şişeler deniz canlılarının yem sanıp yutmasına ya da bunlara dolanmasına yol açar. Plastik atıkları açıkta yakmak da çözüm değildir: yanma sırasında zehirli gazlar çıkar, örneğin klor içeren PVC yandığında hidrojen klorür ve dioksin gibi zararlı bileşikler oluşur.

Geri dönüşümde plastikler toplanır, koduna göre ayrılır, yıkanır, kırılarak küçük parçalara dönüştürülür, eritilir ve yeniden şekillendirilir. Böylece hem atık miktarı azalır hem de ham madde (petrol) ve enerji tasarrufu sağlanır. Geri dönüşümden de önce gelen adımlar, gereksiz tüketimi azaltmak ve ürünleri yeniden kullanmaktır: bez torba kullanmak, şişeyi doldurup tekrar kullanmak. Mısır nişastası gibi bitkisel kaynaklardan üretilen ve uygun koşullarda mikroorganizmalarca parçalanabilen biyobozunur plastikler (ör. polilaktik asit, PLA) de çevre sorununa çözüm olarak geliştirilmektedir.

Kozmetik malzemeler

Kozmetikler; cildi, saçı, tırnakları ve dişleri temizlemek, korumak, güzel göstermek ya da kokulandırmak için kullanılan ürünlerdir. Bir kremin içindekiler listesi uzun görünse de bileşenler birkaç türe ayrılır:

• Çözücü ve taşıyıcılar: Çoğu üründe ana bileşen sudur; yağlı ürünlerde bitkisel ya da mineral yağlar bulunur.
• Nemlendiriciler ve yumuşatıcılar: Gliserin gibi su tutan maddeler ve cildi yumuşatan yağlar.
• Emülgatörler (yüzey aktif maddeler): Su ile yağın ayrılmadan karışık kalmasını sağlar; krem ve losyonlar bu sayede kararlı bir emülsiyondur. Şampuanlarda temizleyici olarak da görev yaparlar.
• Koruyucular: Su içeren ürünlerde bakteri ve küf üremesini önler.
• Renklendiriciler, parfümler ve etkin bileşenler: Güneş kremlerindeki UV filtreleri bunlara örnektir; çinko oksit ve titanyum dioksit, ışığı yansıtıp saçarak koruyan mineral filtrelerdir.

Kozmetikler genellikle güvenlidir, ama bazı tehlikeler bilinmelidir. Denetimsiz ya da kaçak üretilen bazı cilt beyazlatıcı kremlerde cıva bileşikleri, bazı sürmelerde ve kalitesiz boyalarda kurşun bulunabildiği bildirilmiştir; bu ağır metaller vücutta birikerek zehirlenmeye yol açar. Bazı saç düzleştirici ürünlerde formaldehit açığa çıkabilir. Herhangi bir bileşen, "doğal" olsa bile, bazı kişilerde alerjiye yol açabilir. Güvenli kullanım için ürün kayıtlı ve etiketli olmalı, içindekiler listesi okunmalı, yeni ürün önce küçük bir deri bölgesinde denenmeli ve son kullanma süresine uyulmalıdır. Ambalajdaki açık kavanoz simgesinin içindeki "12M" gibi bir ifade, ürünün açıldıktan sonra 12 ay içinde kullanılması gerektiğini gösterir. Türkiye'de kozmetik ürünleri Türkiye İlaç ve Tıbbi Cihaz Kurumu denetler.

İlaçlar: etken madde ve bilinçli kullanım

Bir ilacın tedavi edici etkisini gösteren maddeye etken madde (aktif madde) denir. Tablet ya da şurubun geri kalanı, ilacın şekil almasını, tadının düzelmesini ya da korunmasını sağlayan yardımcı maddelerdir. Aynı etken maddeyi aynı miktarda içeren ilaçlar farklı ticari adlarla satılabilir; bu yüzden ilacın kutusunda ticari adın yanında etken maddenin adı ve miktarı da yazar. Örneğin aspirinin etken maddesi asetilsalisilik asittir.

Aynı etken madde farklı formlarda hazırlanabilir ve her formun bir nedeni vardır. Şurup, tablet yutamayan küçük çocuklara kolayca verilir. Merhem ve krem, etken maddenin yalnızca uygulandığı deri bölgesinde etki göstermesini sağlar. Enjeksiyonda etken madde sindirim sistemine uğramadan doğrudan dolaşıma geçer ve hızlı etki eder. Göz damlası ve astım spreyi ilacı doğrudan hedef organa ulaştırır. Bazı tabletler mide asidine dayanıklı bir kaplamayla kaplanır; böylece etken madde mideden geçip bağırsakta çözünür. Efervesan tabletlerde çoğunlukla sodyum hidrojen karbonat ve sitrik asit bulunur; tablet suya atıldığında bu ikisi tepkimeye girer ve tablet karbon dioksit çıkararak hızla çözünür:

İlaçların bilinçli kullanımı için doktorun önerdiği doz ve süreye uyulur, kullanma talimatı (prospektüs) okunur, son kullanma tarihi geçmiş ilaç kullanılmaz ve ilaç belirtilen koşullarda saklanır. Kullanılmayan ilaçlar lavaboya ya da çöpe atılmaz, atık ilaç toplama noktalarına bırakılır.

Antibiyotikler, bakterileri öldüren ya da çoğalmalarını durduran ilaçlardır. Penisilini Alexander Fleming 1928'de, bir küf mantarının çevresindeki bakterilerin ölmesini fark ederek keşfetti. Antibiyotikler virüslere etki etmez; grip ve soğuk algınlığı gibi viral hastalıklarda işe yaramaz. Bir bakteri topluluğunda ilaca biraz daha dayanıklı bireyler bulunabilir. Antibiyotik gereksiz yere kullanılırsa ya da belirtiler geçti diye tedavi yarıda bırakılırsa, duyarlı bakteriler ölür ama dayanıklı olanlar hayatta kalıp çoğalır. Zamanla ilacın artık etki etmediği dirençli bakteriler yayılır. Bu antibiyotik direnci, bugün dünya genelinde ciddi bir sağlık sorunudur.

Gıdalar: hazır gıdalar, katkı maddeleri ve E-kodları

Fabrikada işlenip ambalajlanmış, satın alındıktan sonra az bir hazırlıkla tüketilen yiyeceklere hazır gıda denir. Hazır gıda seçerken etiket okunur: içindekiler listesi bileşenleri miktarı azalan sırayla verir, yani listenin başındaki bileşen üründe en çok bulunandır. Bozulabilir ürünlerde son tüketim tarihi, bu tarihten sonra güvenlik açısından tüketilmemesi gerektiğini; uzun ömürlü ürünlerde tavsiye edilen tüketim tarihi, ürünün kalitesini koruduğu süreyi gösterir. Ambalajı yırtık, şişmiş ya da paslanmış konserveler alınmaz; soğuk zincir gerektiren ürünlerin (süt, et) buzdolabı reyonunda tutulmuş olmasına dikkat edilir.

Gıdaya, besin değeri için değil de rengini, tadını, kıvamını ya da raf ömrünü korumak gibi teknolojik bir amaçla eklenen maddelere gıda katkı maddesi denir. Avrupa'da ve Türk Gıda Kodeksi'nde izin verilen katkı maddelerine bir numara verilir; bu numaralara E-kodu denir. Numaranın ilk hanesi maddenin işlevi hakkında fikir verir:

E-kodu bir maddenin yapay ya da zararlı olduğunu göstermez; yalnızca o maddenin incelenip belirli sınırlar içinde kullanımına izin verildiğini gösterir. C vitamini (E300) ve limonda bulunan sitrik asit (E330) doğal maddelerdir, kurkumin de zerdeçaldan elde edilir. Katkı maddelerinin güvenli kabul edilen günlük alım miktarları bilimsel çalışmalarla belirlenir ve gıdalardaki miktarları buna göre sınırlandırılır. Yine de hazır gıdaların çok fazla tuz, şeker ve doymuş yağ içerebileceği unutulmamalıdır; dengeli beslenmenin temeli taze ve az işlenmiş gıdalardır.

Gıdaların bozulması ve korunması

Gıdaların bozulmasının üç ana nedeni vardır. Birincisi mikroorganizmalardır: bakteriler, mayalar ve küfler gıdada çoğalarak tadını ve kokusunu bozar, bazıları da hastalık yapan maddeler üretir. Mikroorganizmaların çoğalması için su, uygun sıcaklık ve besin gerekir; çoğu ayrıca oksijen ister. İkincisi gıdanın kendi enzimleridir: kesilen elmanın ya da patatesin kararması enzimlerin etkisiyle olur, limon suyu bu kararmayı geciktirir. Üçüncüsü oksidasyondur: yağlar havadaki oksijenle tepkimeye girerek acılaşır; ışık ve sıcaklık bu tepkimeyi hızlandırır.

Korunma yöntemlerinin hepsi bu nedenlerden birini ortadan kaldırır ya da yavaşlatır:

• Soğutma ve dondurma: Buzdolabı sıcaklığında (yaklaşık 4 °C) mikroorganizmaların çoğalması yavaşlar ama durmaz; derin dondurucuda (−18 °C) çoğalma durur. İkisi de mikroorganizmaları büyük ölçüde öldürmez; çözülen gıdada çoğalma yeniden başlar.
• Kurutma: Gıdadaki su uzaklaştırılır; kuru kayısı, bakliyat ve kuru et bu yolla uzun süre saklanır.
• Tuzlama ve şekerleme: Yüksek tuz ya da şeker derişimi, mikroorganizma hücrelerinden osmozla su çeker. Salamura peynir ve tuzlu balık birinci, reçel ve pekmez ikinci yönteme örnektir.
• Pastörizasyon: Gıda kısa süre ısıtılıp hızla soğutulur; süt için yaklaşık 72 °C'ta 15 saniye yaygın bir uygulamadır. Hastalık yapan mikroorganizmaların çoğu ölür ama gıda steril olmaz, bu yüzden pastörize süt buzdolabında saklanır. UHT yönteminde süt 135 °C'un üzerinde birkaç saniye ısıtılır ve steril ambalaja doldurulur; açılmamış UHT süt oda sıcaklığında aylarca dayanır, açıldıktan sonra buzdolabına konur.
• Ambalajlama: Vakum paketleme oksijeni uzaklaştırır; cips paketlerine hava yerine azot gazı doldurulması yağların oksidasyonunu geciktirir. Konservede gıda hava geçirmez kapta ısıl işlemden geçirilir.
• Fermantasyon ve asitlendirme: Turşu ve yoğurtta oluşan asitli ortam birçok bakterinin çoğalmasını engeller.