Kimyager Ayşe’nin Verimle İmtihanı

Kimyasal madde üretimi yapan fabrikalarda kimyagerlerin ve kimya mühendislerinin en önemli işlemlerinden biri, reaksiyona giren maddelerin tamamen ürüne dönüşmesini sağlamaktır. Bu amaçlar onlar sürekli araştırma yapmakta ve yeni yöntemler geliştirmektedir. Ancak her reaksiyonda girenlerin ürüne dönüşümü tam sağlanamamaktadır.

Bunun çok farklı nedenleri vardır. Aşağıda buna örnek olarak verilebilecek bir kurgu hazırlanmıştır.

Örnek olay

Ayşe, kimyasal madde üretimi yapan bir fabrikada kimyager olarak çalışmaktadır. Ayşe’den ısıtma suyu sistemlerinden çözünmüş oksijenin uzaklaştırılmasında ve pestisitlerin üretiminde kullanılan N₂H₄ (hidrazin) üretmesi istenmiştir. Ayşe, yaptığı araştırma sonunda Rasching yöntemine göre Cl₂, NaOH ve NH₃’tan N₂H₄ üretildiğini bulmuştur. Rasching yönteminde, aşağıdaki üç basamak vardır.

Ayşe, yukarıdaki tepkimelere dayalı olarak fabrikada N₂H₄ üretimine başlamış ancak yan ürün olarak N₂ ve NH₄Cl de elde ettiğini görmüştür. Bu maddelerin nasıl oluştuğunu merak eden Ayşe, yaptığı çalışmalar sonunda bir ara ürün olan NH₂Cl’in, N₂H₄’in ile reaksiyona girdiğini ve reaksiyonun Rasching yönteminin üçüncü basamağı ile yarıştığını saptamıştır.

Yan tepkimeden kaynaklanan ürünlerin oluşmasını engelleyemeyen Ayşe, damıtma, kristallendirme gibi saflaştırma yöntemlerinden yararlanmış ve N₂H₄’i % 98 saflıkta elde etmiştir. Tüm bu işlemler sonunda işin maliyetini belirleyebilmek için verim hesabı yapan Ayşe, N₂H₄’in % 60 verimle üretilebildiğini bulmuştur.

Teorik bilgi

Kimyasal reaksiyonlarda ne kadar ürün oluşacağını önceden kestirebilmek önemlidir. Bunun için reaksiyon denkleminden yararlanılarak hesaplama yapılabilir. Bir kimyasal tepkimede oluşan ürünün hesaplanan miktarı, tepkimenin kuramsal (teorik) verimi olarak adlandırılır.

Günlük yaşam uygulamalarında reaksiyonlar için teorik olarak hesaplanan ürün miktarı ile gerçekte elde edilen ürün miktarı genellikle aynı değildir. Bunun için yüzde verim tanımlanmıştır. Yüzde verim aşağıdaki eşitlik kullanılarak hesaplanır.

Kimyasal reaksiyonlara dayalı üretimlerde % 100 verim elde edememenin pek çok nedeni vardır. Bunlardan ilki yukarıdaki örnekte Rasching yönteminde de vurgulandığı gibi aynı koşullarda iki reaksiyonun birbiriyle yarışmasıdır. Yarışmalı reaksiyonlara osilasyonlu reaksiyon denir. Osilasyonlu reaksiyonların en bilineni Briggs – Rauscher reaksiyonudur. Eğer yarışmalı reaksiyonlar olursa reaktantlar farklı ürünlere dönüşür yani gerçek verim düşük çıkar.

Verimin az olmasının diğer bir nedeni, reaksiyonun % 100 tamamlanmaması yani denge reaksiyonu olmasıdır. Denge reaksiyonlarında reaktantların hepsi ürüne dönüşmez. Dolayısıyla ürün verimi % 100’den düşük olacaktır.

Kimyasal reaksiyonlarda verimin düşük çıkmasının başka bir nedeni ise saflaştırma işlemlerinde madde kaybının olmasıdır. Örneğin Rasching yöntemiyle hidrazin üretimi yapılırken oluşan hidrazin yanında NH₄Cl, NaCl, NaOH bulunabilmektedir. Hidrazinin bu maddelerden ayrılabilmesi için kristallendirme, buharlaştırma, süzme gibi saflaştırma yöntemleri kullanılır. Her bir saflaştırma işleminde bir miktar hidrazin kaybolabilir. Dolayısıyla verim düşmüş olur.