9. SINIF KİMYA · ÜNİTE 24 · METAL, ALAŞIM VE NANOPARÇACIKLARIN ÇEVRESEL ETKİLERİ

“Bugünkü periyodik tabloda 91 tane metal bulunmaktadır. Yoğunlukları 5 g/cm³’ten yüksek metaller ağır metal olarak adlandırılır. Sayıları 60’ı geçen bu metallerin bazıları kurşun, kadmiyum, krom, demir, kobalt, bakır, nikel, cıva ve çinkodur.”

“Metaller çoğunlukla kristal katı yapıdadır. Sahip oldukları metalik bağ, metallere önemli özellikler kazandırır. Sert ve yoğun olmaları, dayanıklılıkları, ısı ve elektriği iyi iletmeleri, yüksek erime noktalarına sahip olmaları gibi özellikler metallerin kullanım alanlarını artırır.”

“Öte yandan metaller genellikle asit, baz ve su ile tepkimeye girer; bu nedenle metallerin saf hâlde ticari olarak kullanımı oldukça sınırlıdır.”

Kaydırak eşiği 1 ile 14 g/cm³ arasında gezdiriyor. Eşik 5 g/cm³; kaydırağı oraya getir ve hangi metallerin çizginin üstünde, hangilerinin altında kaldığına bak. Metallerin yoğunlukları standart fiziksel sabitlerdir; ders kitabı eşiği veriyor ama hiçbir metalin yoğunluğunu yazmıyor, o yüzden eklendi.

Tanım şu: ağır metal, yoğunluğu 5 g/cm³’ten yüksek metaldir. Ama toksik etki tablosunda alüminyum da var — oysa alüminyumun yoğunluğu 2,70 g/cm³, yani eşiğin altında.

Doğru okuma şudur: alüminyum zararlı bir metaldir ama tanım gereği ağır metal değildir. İki kavram çakışır, ama aynı şey değildir.

• · Ağır metal — yoğunluğa göre tanımlanır (fiziksel ölçüt).
• · Toksik metal — canlıya etkisine göre tanımlanır (biyolojik ölçüt).

(Alüminyumun yoğunluğu ders kitabında yazmıyor; tanım ile tablo arasındaki bu farkı görünür kılmak için eklendi.)

Tabloda dikkat çeken iki satır işaretli: demir-çelik sanayisi ve termik enerji üretimi sekiz metalin hepsini kullanıyor. Yani bu iki endüstrinin atık suyunda hepsi birden bulunabilir — ve bu, ileride göreceğin temizleme yöntemlerinin neden birden çok metali aynı anda alabilmesinin istendiğini açıklıyor.

“İki veya daha fazla metalin karıştırılıp eritildikten sonra soğutulmasıyla elde edilen homojen karışımlara alaşım denir. Elde edilen malzeme yine metal karakterlidir ancak karıştırılan metallerden farklı özellikler gösterir. Saf metallerin yüksek sıcaklık, aşınma ve kimyasal dayanıklılık gibi etkilere karşı yetersiz kaldığı durumlarda, gerekli olan özellikleri sağlayan niteliklerde alaşımlar kullanılır.”

Tanımdaki üç kelimeyi işaretle: homojen karışım (bileşik değil — belirli bir formülü yok, oranı değişebilir), metal karakterli (yine iletken, yine parlak) ve farklı özellikler (yoksa karıştırmanın anlamı olmazdı).

Bir alaşım seç: içindeki elementler daire olarak çizilir, altında hangi özellik için kullanıldığı yazar. Dairelerin büyüklüğü ana bileşeni gösterir, gerçek yüzde oranı değil — oranlar verilmemiş.

“bakır”, “havacılık”, “korozyon” aratabilirsin.

“Çok çeşitli kaynaklara sahip nanoparçacıkların çoğunluğu doğal kökenlidir ve ortamda sürekli bulunabilir. Suda bulunan kolloitler, ince taneli çöl kumu, petrol dumanları, volkanik aktivitelerden veya orman yangınlarından ortaya çıkan duman ve bazı atmosferik tozlar doğada üretilen nanoparçacık örnekleridir.”

“Diğer nanoparçacıklara örnek olarak araba egzozu, endüstriyel emisyonlar ve kaynak yapımında kullanılan lehim dumanları verilebilir. İnsan faaliyetlerinin yan ürünü olan bu nanoparçacıklar çevreye istem dışı salınır.”

“Nanoboyuttaki özelliklerinden faydalanmak için nanoparçacıklar özel olarak tasarlanır ve nanoteknolojik ürünler için üretilir.”

Görsel 3.14, nanoparçacık kullanımının 2020–2031 arasında sektörlere göre ne kadar artmasının öngörüldüğünü veriyor. Bir sektör seç; çubuk grafikte o sektör vurgulanır ve neden o kadar arttığı yazar.

On dört satır, olduğu gibi. Son sütun toksisite kademesi tablosundan geliyor. “balık”, “DNA”, “kozmetik”, “nanoparçacık” aratabilirsin.

Dikkat: Bu kademe tablosu genel toksisite sıralamasıdır. Aşağıdaki deniz suyu sıralaması ondan farklıdır — ortam değişince sıralama da değişir.

“Deniz suyunda bulunan bazı ağır metallerin toksidite sırası; en toksik olan metalden başlayarak cıva, kadmiyum, gümüş, nikel, kurşun, krom, kalay, çinko şeklindedir.”

Genel kademe tablosuyla karşılaştır: orada Cd birinci, Hg ikinci gruptaydı. Deniz suyunda ise Hg başa geçiyor. Ayrıca bu listede gümüş var — üçüncü sırada. Ünite 22’de gümüş nanoparçacığın antibakteriyel olarak ne kadar işe yaradığını gördün; aynı özellik, istenmeyen yerde toksisite demek.

“Ağır metal, alaşım ve nanoparçacıklar deniz, göl, nehir, ırmak ve yer altı suları gibi sucul ekosistemde birikerek sucul ekosistemin sürdürülebilirliğine zarar verir ve ekolojik dengeyi bozar. Deniz canlıları; beslenme, solunum ve deri yoluyla su alır. Kirli deniz suyunun organizmaya girmesiyle gerçekleşen fizyolojik faaliyetler sonucunda böbrek, ciğer, kas ve diğer dokularda suya karışan kirleticiler birikebilir.”

“Deniz canlılarının solungaçlarında biriken ağır metaller, kan dolaşımını yavaşlatabilir ve kalp sorunlarına neden olabilir.”

Ağır metaller “birikebilir” ve “besin zincirine karışması engellenmelidir”. Bu iki cümlenin arkasında birbirine benzeyen ama farklı iki kavram var:

(İki kavramın adı ders kitabında geçmiyor; oradaki anlatıyı — özellikle Minamata’yı — açıklamak için eklendi.)

Kaydırak, suya karışan metalin derişimini değiştiriyor. Zincirin dört halkası — alg → küçük balık → büyük balık → insan — soldan sağa diziliyor; her halkanın altındaki ölçüt çubuğu o halkadaki göreli derişimi gösteriyor. Su temiz göründüğü hâlde üst halkaların nasıl kırmızıya döndüğüne bak. Şema nitelikseldir.

“Sucul ekosistemde olduğu gibi ağır metal, alaşım ve nanoparçacıklar toprakta birikerek kara ekosistemine de zarar verir. Toprakta biriken ağır metaller bitkilerin ve toprakta yaşayan hayvanların fizyolojisini bozarak ekolojik dengeyi etkiler. Bu durum hem kara ekosisteminin sürdürülebilirliğini hem tarımda sürdürülebilirliği etkiler.”

Bir önceki ünitede 12. hedefi (sorumlu tüketim ve üretim) görmüştün. Üç hedef aynı zincirin halkaları: 12 atığın oluşmasını engelliyor, 14 suya gideni, 15 toprağa gideni koruyor.

“Gönüllü olarak alınacak tedbirlerle ekolojik ayak izi azaltılarak suda ve karada yaşamın korunmasına katkıda bulunulabilir.”

• · enerji tüketimini azaltmak,
• · fosil yakıtların kullanımını sınırlandırmak,
• · daha az plastik ürün kullanmak,
• · geri dönüşüme önem vermek,
• · yeşil kimya ilkelerini bilmek ve uygulamak,
• · ekosistem genelinde yıkıcı sonuçlara yol açabilecek kimyasalların kullanımını azaltmak,
• · besin zincirini değiştirebilen kimyasalların besin zincirine karışmasını engellemek.

Türkiye’de sanayi tesislerinin sulara bırakabileceği ağır metal miktarları Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği ile sınırlandırılmıştır — yani listedeki gönüllü tedbirlerin yanında zorunlu sınırlar da vardır. (Yönetmelik ders kitabında geçmiyor, eklendi; orada yalnız “uluslararası hukuk kuralları”ndan bahsediyor.)

Kanıt kartı: eşit derişimde TiO₂, Fe₂O₃ ve ZnO nanoparçacıklarına eşit süreyle maruz bırakılan Chlamydomonas reinhardtii alglerinin hayatta kalma oranları ölçülmüş; ayrıca farklı derişimlerde (19, 34, 62 mg/L) Fe₂O₃’e maruz kalan alglerin hayatta kalma oranları karşılaştırılmış.

“Yeşil algler, fotosentez ile suda oksijen üretimine katkı sağlamaları ve besin zincirinin ilk halkalarında bulunmaları nedeniyle önem taşımaktadır.”

Varılan sonuç: “Doğaya karışan Fe₂O₃, TiO₂, ZnO gibi metal nanoparçacıkların özellikle sucul çevrede giderek birikmesi ekosistem için bir risk oluşturmaktadır.”

İki bağlantı: Bir, bu üç madde tesadüfi değil — toksik etki tablosunda TiO₂ “UV koruyucu ürünler, kozmetik, gıda katkı maddesi”, ZnO ise “güneş kremi, antibakteriyel ürün” kullanımıyla geçiyor. Yani her yaz sürdüğün güneş kremi bu deneyin maddesini içeriyor olabilir. İki, alg besin zincirinin ilk halkası olduğu için alg sayısı düşerse zincirin üstündeki bütün halkalar etkilenir — bir önceki şemadaki zincirin en soldaki kutusu bu. (İki bağlantı da ders kitabında kurulmamış, eklendi.)

Aşağıdaki altı yöntemin üçü (pirina, membran filtre, manyetit) aynı olaya dayanıyor: adsorpsiyon.

Ünite 22’nin ana fikri burada karşına yeniden çıkıyor: yüzey alanı/hacim oranı büyükse adsorpsiyon güçlüdür. Pirinanın gözenekli yapısı, membranın gözenekleri ve manyetit nanoparçacıklarının nano boyutu — üçü de aynı sebeple işe yarıyor. (İki kavramın tanımı ders kitabında yok; orada “adsorbe” ve “adsorpsiyon” kelimelerini tanımlamadan kullanıyor.)

Her yöntemi seç: % giderim verimleri ölçüt çubuklarında görünür, altında yöntemin üstünlüğü ve sınırı yazar. Sayıların tamamı çözüm raporlarından; sayı verilmeyen yöntemde (su mercimeği) çubuk çizilmez, çünkü grafikte okunabilir bir değer yok.

Bir yöntemi seçerken bakılan üç şey: neyi temizliyor, ne kadar iyi temizliyor, hangi bedelle. “bakteri”, “bitki”, “maliyet” aratabilirsin.

“Fitoteknoloji, ekosistemi oluşturan bitkilerin çeşitli yollarla kullanılmasıyla bozulan doğal dengeyi eski hâline getirmeyi sağlar. Bazı metal biriktirici bitkiler, ağır metalleri ve nanoparçacıkları normal bitkilere göre bünyelerinde daha fazla miktarda tutar.”

Bilim insanlarının bitkilerin üzerinde biriktirdiği metaller: Ag, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Zn ve bu metallerin nanoparçacıkları.

Sınır: “Yüksek miktarda ağır metal içeren örnekler bitki ölümüne sebep olur.” Üstünlük: “Toprak yapısını bozmayan ekonomik bir yöntemdir.”

Fitoekstraksiyon tablosundaki 10 mg ve 40 mg sütunları kullanılan madde miktarını gösterir; 40 mg’da verimin her metalde artması bunu doğrular (Cd’de %31,91 → %99,08, Pb’de %37,57 → %99,52). (Sütun başlıklarının ne olduğu ders kitabında açıklanmıyor.)

Son yöntem şöyle: “Manyetik özellik gösteren demir oksit nanoparçacıklar ile metal nanoparçacıkları sudan uzaklaştırmak mümkündür… Bu yöntem; filtrelerin tekrar kullanılabilir olması, adsorpsiyonun ve ağır metal gideriminin çok kısa sürede gerçekleşmesi ve özellikle kurşun (Pb) ve bakır (Cu) gibi ağır metallerde gösterdikleri mükemmel giderim ile birçok yönden avantajlıdır.”

Manyetitin formülü Fe₃O₄’tür ve adından anlaşılacağı gibi mıknatısla çekilir. Yöntemin can alıcı noktası budur: parçacıklar suya salınıp metali yüzeylerinde topladıktan sonra bir mıknatısla toplanabilirler. Süzmeye, çöktürmeye gerek yok. “Tekrar kullanılabilir olma” üstünlüğünün sebebi tam olarak bu manyetik özelliktir. (Formül ve mıknatısla toplama açıklaması ders kitabında yok; oradaki saydığı üstünlüğün sebebini göstermek için eklendi.)

“Tarihteki ağır metal zehirlenmelerinin en önemli örneklerinden biri 1950’lerde Japonya’nın Minamata Körfezi’nde gerçekleşmiştir. Yeni kurulan bir kimyasal madde fabrikasının cıva içeren atıklarını kontrolsüzce körfeze boşaltmaya başlamasından yaklaşık bir yıl sonra vatandaşlar evcil kedilerinde ani titremeler gözlemlemeye başladılar. Birkaç yıl sonra halk arasında “kedileri dans ettiren hastalık” olarak adlandırılan hastalığın ilk insan kurbanı teşhis edildi ve bu hastalık “Minamata hastalığı” olarak adlandırıldı.”

“Bölgede yapılan araştırmalar sonucunda özellikle balıkçılıkla geçinen ve körfezdeki balık ile kabuklu canlıları tüketen insanlarda bu hastalığın görüldüğü yetkililer tarafından tespit edildi. İlerleyen yıllarda fabrikanın üretimi durduruldu ve körfezde deniz ürünleri avlanması yasaklandı. Küresel kamuoyunun gündemine oturan bu olaydan yıllar sonra cıva kaynaklı çevre kirliliğinin küresel ölçekte önlenebilmesi amacıyla Birleşmiş Milletler Çevre Programı (UNEP) liderliğinde “Cıvaya İlişkin Minamata Sözleşmesi” hazırlanmıştır.”

Olayın halkalarını sırayla gez. Her halkada ne olduğu ve bu ünitede öğrendiğin hangi mekanizmanın çalıştığı yazıyor.

İki soru da bu ünitenin iki kavramıyla cevaplanıyor:

Neden kediler önce? Minamata’da kediler evlerden çıkan balık artıklarıyla besleniyordu; yani insandan çok daha yüksek oranda ve çok daha küçük bir vücutta balık tüketiyorlardı. Etki onlarda daha erken göründü.

Neden balıkçılar? Çünkü biyomagnifikasyon: körfezdeki suyun cıva derişimi düşük olsa bile, zincirin üstündeki büyük balıkta derişim katlanarak artıyordu. En çok balık tüketen grup en yüksek dozu aldı.

Suya bırakılan cıva, sudaki mikroorganizmalar tarafından metil cıva hâline getirilir. Metil cıva yağda çözünür — bu yüzden canlının dokularında tutulur, kolayca atılamaz ve her halkada birikerek yukarı taşınır. Cıvanın besin zincirinde bu kadar tehlikeli olmasının kimyasal sebebi budur. (Metil cıva ve yağda çözünürlük ders kitabında geçmiyor; oradaki anlattığı olayın mekanizmasını açıklamak için eklendi.)

Sözleşme: Cıvaya İlişkin Minamata Sözleşmesi 2013’te imzalanmış, 2017’de yürürlüğe girmiştir. (Tarihler ders kitabında yok, eklendi.)

Sürdürülebilir tarım konusu Türkiye’den bir örnekle bağlanıyor:

“Türkiye’de sürdürülebilir tarımın ilk adımları 1923’te yapılan İzmir İktisat Kongresi’nde atılmıştır. Köylülere ve çiftçilere teorik ve uygulamalı tarımın öğretileceği çiftliklerin açılmasının gerekliliği kongrede karara bağlanmış ve bu karar doğrultusunda 5 Mayıs 1925’te Atatürk’ün “Millî ekonominin temeli ziraattır.” anlayışıyla Atatürk Orman Çiftliği kurulmuştur.”

Çiftliğin kuruluş amaçları: arazinin ıslahı, çevrenin güzelleştirilmesi, tahıl cinslerinin ıslahı ve bunların halka dağıtımı, verimi en iyi hayvan ırklarının araştırılması, halkın hayvancılığa özendirilmesi, bölgelerin iklim koşullarına uygun meyve ve sebze türlerinin yetiştirilmesi. Çiftlik günümüzde de faaliyet göstermektedir.