YİBO öğretmenleri(Fen ve Teknoloji, Fizik, Kimya, Biyoloji ve

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
ÇANAKKALE
OCAK-2012
Doç. Dr. Nurettin ŞAHİNER
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 (Na2CO3 ) 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
Kullanıldığı İşlemler
Biyoloji ve Biyokimya
Hücrenin içyapısı üzerinde çalışmak için hücre duvarlarının
parçalanmasında
Mühendislik
Delme, öğütme ve kesme işlemlerine yardımcı olarak. Özellikle
cam, seramik gibi sert ve kırılgan malzemelerin işlenmesinde çok
yararlıdır.
Dişçilik
Dişlerin oyulmasında ve temizlenmesinde kullanılır.
Jeografi ve Jeoloji
Endüstri
Tıp
Plastikler ve Polimerler
Kimya
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
 Na2CO3
 H2SO4 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 H2 ve O2 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 2CO3 (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 2SO4 çözeltisi)
gönderilerek safsızlık olan su buharı tutulup H2 ve O2 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
Süre
Toplam Gaz
No
(dk)
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
Süre
Toplam Gaz
No
(dakika)
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
Süre
Toplam Gaz
Sıcaklık
No
(dk)
Hacmi (mL)
(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
Süre
Toplam Gaz
Sıcaklık
No
(dk)
Hacmi (mL)
(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 (H2 ve O2) 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)
Seri 1
Seri 2
30
25
20
15
10
5
0
1
2
3
4
5
Süre (dk)
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
20
Sıcaklık (C)
Titreşimsiz Elektrolizde
5,4
Toplanan gaz hacmi (mL)
Titreşimli Elektrolizde
5,1
Toplanan gaz hacmi (mL)
Fark
30
40
6,4
9,4
11
6,8
8,2
10,4 12,4
-0,3 0,4
50
60
12,8
-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