Kimya ve Elektrik
Redoks tepkimeleri ve denkleştirme, galvanik piller, standart elektrot potansiyelleri, pil potansiyeli, elektroliz, Faraday yasaları, kaplama ve korozyon.
- Yükseltgenme basamağı değişiminden yükseltgenen ve indirgenen türü, yükseltgen ve indirgeni belirlemeyi
- Redoks denklemlerini elektron dengesiyle ve asidik ortamda yarı tepkime yöntemiyle denkleştirmeyi
- Galvanik pilde anot, katot, tuz köprüsü, elektron ve iyon akış yönlerini ve hücre şemasını okumayı
- Standart indirgenme potansiyelleri tablosundan pil potansiyelini hesaplamayı, istemliliği ve metallerin birbirinin çözeltisindeki davranışını yorumlamayı
- Derişimin pil potansiyeline etkisini nitel olarak açıklamayı; kurşun-asit akü ve lityum iyon pilin çalışmasını tanımayı
- Elektroliz ürünlerini bulmayı, Faraday yasalarıyla biriken kütleyi ve gaz hacmini hesaplamayı; kaplama ve korozyondan korunma yöntemlerini açıklamayı
Yükseltgenme ve indirgenme
Bir çinko levhayı mavi renkli bakır(II) sülfat çözeltisine daldırıp bir süre beklersek levhanın yüzeyi kırmızımsı kahverengi bir tabakayla kaplanır, çözeltinin mavi rengi de yavaş yavaş açılır. Levhanın üstündeki tabaka bakır metalidir; çözeltiye geçen ise renksiz \(\text{Zn}^{2+}\) iyonlarıdır:
Bu tepkimede çinko atomları ikişer elektron verir, bakır iyonları ikişer elektron alır. Elektron alışverişiyle yürüyen tepkimelere indirgenme-yükseltgenme ya da kısaca redoks tepkimeleri denir. Elektron veren türün yükseltgenme basamağı artar; bu olaya yükseltgenme denir. Elektron alan türün yükseltgenme basamağı azalır; bu olaya indirgenme denir. Yukarıdaki tepkimede çinko 0'dan \(+2\)'ye yükseltgenmiş, bakır \(+2\)'den 0'a indirgenmiştir. Bu iki olay hep birlikte yürür: bir türün verdiği elektronları başka bir tür almak zorundadır ve verilen elektron sayısı alınan elektron sayısına eşittir.
Tepkimeyi yarı tepkimelere ayırmak elektronların nereden nereye gittiğini açıkça gösterir:
Karşısındaki türü indirgeyen, yani ona elektron veren maddeye indirgen denir; indirgen kendisi yükseltgenir. Karşısındaki türü yükseltgeyen, yani ondan elektron alan maddeye yükseltgen denir; yükseltgen kendisi indirgenir. Örneğimizde çinko indirgen, \(\text{Cu}^{2+}\) iyonu yükseltgendir. Adlar ilk okumada ters gelebilir; "indirgen, başkasını indirger" diye düşünmek karışıklığı önler.
Bir tepkimenin redoks olup olmadığını anlamak için her atomun yükseltgenme basamağını iki tarafta karşılaştırırız (yükseltgenme basamağı hesabı Modern Atom Teorisi konusunda anlatıldı). Element halinde giren ya da çıkan bir madde varsa tepkime mutlaka redokstur, çünkü elementte yükseltgenme basamağı sıfırdır ve bileşikte sıfırdan farklıdır. Yanma, metallerin asitlerle tepkimesi, elektroliz ve paslanma redoks tepkimeleridir. Buna karşılık asit-baz nötrleşmesi ve çökelme tepkimelerinde hiçbir atomun yükseltgenme basamağı değişmez: \(\text{AgNO}_3(suda) + \text{NaCl}(suda) \rightarrow \text{AgCl}(k) + \text{NaNO}_3(suda)\) tepkimesinde Ag \(+1\), Na \(+1\), Cl \(-1\), N \(+5\) ve O \(-2\) olarak kalır.
Bazen aynı element hem yükseltgenir hem indirgenir. Klor gazı soğuk sodyum hidroksit çözeltisine verildiğinde \(\text{Cl}_2(g) + 2\text{NaOH}(suda) \rightarrow \text{NaCl}(suda) + \text{NaClO}(suda) + \text{H}_2\text{O}(s)\) tepkimesi olur. Klorun yükseltgenme basamağı NaCl'de \(-1\)'e iner, NaClO'da \(+1\)'e çıkar; klor bu tepkimede hem yükseltgen hem indirgendir. Çamaşır suyu bu yolla üretilir ve etkin maddesi NaClO'dur.
Redoks denklemlerini denkleştirme
Basit denklemler deneme yoluyla denkleşir; ama birçok redoks denkleminde katsayıları tahminle bulmak zordur. Güvenilir yol elektron dengesidir: verilen toplam elektron sayısı alınan toplam elektron sayısına eşit olmalıdır. Adımlar şöyledir:
- Yükseltgenme basamağı değişen atomları bul ve her birinin kaç elektron verdiğini ya da aldığını yaz. Bir formülde o atomdan birden fazla varsa (\(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}\) gibi) değişimi atom sayısıyla çarp.
- Verilen ve alınan elektron sayılarını en küçük ortak katta eşitleyecek çarpanları bul; bunlar yükseltgenen ve indirgenen türlerin katsayılarıdır.
- Yükseltgenme basamağı değişmeyen atomları (çoğu zaman en son H ve O) sayarak denkleştir.
- Son olarak her elementin atom sayısını ve, iyon varsa, iki tarafın toplam yükünü denetle.
Mangan(IV) oksit ile derişik hidroklorik asidin tepkimesine bakalım: \(\text{MnO}_2 + \text{HCl} \rightarrow \text{MnCl}_2 + \text{Cl}_2 + \text{H}_2\text{O}\) (denkleştirilmemiş). Mn \(+4\)'ten \(+2\)'ye iner, 2 elektron alır. Cl \(-1\)'den 0'a çıkar; bir \(\text{Cl}_2\) molekülü için 2 elektron verilir. Elektronlar zaten eşittir: 1 \(\text{MnO}_2\) ve 1 \(\text{Cl}_2\). Sağda \(\text{MnCl}_2\) ve \(\text{Cl}_2\) ile toplam 4 Cl vardır, bu yüzden HCl'nin katsayısı 4 olur; 4 H için de 2 su yazılır: \(\text{MnO}_2(k) + 4\text{HCl}(suda) \rightarrow \text{MnCl}_2(suda) + \text{Cl}_2(g) + 2\text{H}_2\text{O}(s)\). Dört HCl'nin yalnızca ikisi yükseltgenmiş, diğer ikisi klorürü tuz olarak bağlamıştır. Bu ayrıntı soru kökünde "yükseltgenen HCl" diye sorulabilir.
İyonlu denklemlerde, özellikle asidik ortamda, yarı tepkime yöntemi daha düzenlidir. Permanganat iyonunun \(\text{Fe}^{2+}\) iyonlarını yükseltgemesini denkleştirelim.
- Yarı tepkimeleri ayır: \(\text{Fe}^{2+} \rightarrow \text{Fe}^{3+}\) ve \(\text{MnO}_4^{-} \rightarrow \text{Mn}^{2+}\); bunlar henüz denk değildir.
- Oksijeni su ile, hidrojeni \(\text{H}^{+}\) ile denkleştir: \(\text{MnO}_4^{-} + 8\text{H}^{+} \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 4\text{H}_2\text{O}\); atomlar denk, yük henüz denk değil.
- Yükü elektronla denkleştir: solda \(-1 + 8 = +7\), sağda \(+2\); sola 5 elektron eklenir: \(\text{MnO}_4^{-}(suda) + 8\text{H}^{+}(suda) + 5e^- \rightarrow \text{Mn}^{2+}(suda) + 4\text{H}_2\text{O}(s)\). Demir için \(\text{Fe}^{2+}(suda) \rightarrow \text{Fe}^{3+}(suda) + e^-\).
- Elektronları eşitlemek için demir yarı tepkimesini 5 ile çarp ve topla:
Denetim: iki tarafta 1 Mn, 5 Fe, 4 O, 8 H vardır; yük solda \(-1 + 10 + 8 = +17\), sağda \(+2 + 15 = +17\)'dir. Mor renkli permanganat indirgenince çözelti neredeyse renksizleşir; bu renk değişimi demir tayininde kullanılır.
Elektrotlar ve galvanik pil
Çinko levhayı doğrudan bakır sülfat çözeltisine daldırdığımızda elektronlar levhanın yüzeyinde, temas noktasında el değiştirir ve açığa çıkan enerji ısı olarak dağılır. Aynı tepkimenin elektronlarını bir telden geçmeye zorlarsak bu enerjiden elektrik işi elde ederiz. Bunun için iki yarı tepkimeyi ayrı kaplara koyarız: bir kapta çinko levha çinko sülfat çözeltisine, öbür kapta bakır levha bakır sülfat çözeltisine daldırılır. Bir metalin kendi iyonlarının çözeltisine daldırılmasıyla oluşan düzeneğe yarı hücre (yarı pil), elektronların girip çıktığı iletken levhaya elektrot denir. Kimyasal enerjiyi kendiliğinden yürüyen bir redoks tepkimesiyle elektrik enerjisine çeviren düzeneğe galvanik pil (elektrokimyasal pil) denir.
İki elektrot bir telle (araya bir voltmetre konularak) bağlanır ve kaplar bir tuz köprüsüyle birleştirilir. Tuz köprüsü \(\text{KNO}_3\) ya da KCl gibi tepkimeye karışmayan bir tuzun derişik çözeltisiyle doldurulmuş bir borudur; uçları pamuk ya da gözenekli tıpayla kapatılır. Pil şöyle çalışır:
- Anot, yükseltgenmenin olduğu elektrottur. Çinko atomları elektron vererek çözeltiye geçer; çinko levha zamanla incelir, kütlesi azalır ve kaptaki \(\text{Zn}^{2+}\) derişimi artar.
- Elektronlar dış devrede, telden, anottan katoda akar. Galvanik pilde elektron fazlası olan anot negatif, elektron çeken katot pozitif kutuptur.
- Katot, indirgenmenin olduğu elektrottur. \(\text{Cu}^{2+}\) iyonları gelen elektronları alarak levhanın üzerine bakır olarak çöker; katodun kütlesi artar, kaptaki \(\text{Cu}^{2+}\) derişimi azalır ve mavi renk açılır.
- Anot kabında pozitif iyonlar çoğalırken katot kabında azalır. Tuz köprüsü olmasa kaplarda yük birikir ve akım birkaç an içinde durur. Köprüdeki anyonlar (\(\text{NO}_3^{-}\)) anot kabına, katyonlar (\(\text{K}^{+}\)) katot kabına göç ederek iki kabı da elektrikçe nötr tutar ve devreyi tamamlar. Çözeltilerde yükü elektronlar değil iyonlar taşır.
Pil kısaca bir hücre şemasıyla yazılır. Anot sola, katot sağa yazılır; tek dikey çizgi elektrot ile çözeltisi arasındaki sınırı, çift dikey çizgi tuz köprüsünü gösterir:
Bu düzeneği 1836'da John Frederic Daniell geliştirdiği için Zn–Cu piline Daniell pili denir.
Standart elektrot potansiyelleri
Bir yarı hücrenin elektron alma eğilimi tek başına ölçülemez; voltmetre her zaman iki elektrot arasındaki farkı ölçer. Bu yüzden bir başvuru elektrodu seçilmiştir: standart hidrojen elektrodu (SHE). Bu elektrotta platin levha, \(\text{H}^{+}\) derişimi 1 M olan bir asit çözeltisine daldırılır ve üzerinden 1 atm basınçta hidrojen gazı geçirilir. Platin tepkimeye girmez; yalnızca elektron alışverişinin olduğu yüzeyi sağlar. Bu elektrodun potansiyeli 25 °C'de tanım gereği sıfır kabul edilir:
Herhangi bir yarı hücre SHE ile birleştirilir ve ölçülen gerilim, elektronların akış yönüne göre işaretlenerek o yarı hücrenin standart elektrot potansiyeli olarak alınır. Standart koşullar 25 °C, çözeltideki iyonlar için 1 M ve gazlar için 1 atm'dir. SHE–Cu pilinde bakır katot olur: \(\text{Cu}^{2+}\) iyonları, \(\text{H}^{+}\) iyonlarından daha kolay elektron alır. Bu yüzden bakırın standart indirgenme potansiyeli \(+0{,}34\) V'tur. SHE–Zn pilinde ise çinko anot olur ve voltmetre 0,76 V gösterir; \(\text{Zn}^{2+}\) iyonları elektron almaya \(\text{H}^{+}\)'dan daha isteksizdir ve çinkonun standart indirgenme potansiyeli \(-0{,}76\) V'tur.
Bu değerler yarı tepkimeler indirgenme yönünde yazılarak bir tabloda sıralanır. Bazı ders kitapları aynı yarı tepkimeyi yükseltgenme yönünde yazar ve yükseltgenme potansiyeli verir; bir yarı tepkimenin yükseltgenme potansiyeli, indirgenme potansiyelinin ters işaretlisidir (\(\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-\) için \(+0{,}76\) V). Sorunun hangi potansiyeli verdiğine her zaman bak.
| Yarı tepkime (indirgenme) | \(E^\circ\) (V) |
|---|---|
| \(\text{Ag}^{+}(suda) + e^- \rightarrow \text{Ag}(k)\) | +0,80 |
| \(\text{Cu}^{2+}(suda) + 2e^- \rightarrow \text{Cu}(k)\) | +0,34 |
| \(2\text{H}^{+}(suda) + 2e^- \rightarrow \text{H}_2(g)\) | 0,00 |
| \(\text{Ni}^{2+}(suda) + 2e^- \rightarrow \text{Ni}(k)\) | −0,25 |
| \(\text{Fe}^{2+}(suda) + 2e^- \rightarrow \text{Fe}(k)\) | −0,44 |
| \(\text{Zn}^{2+}(suda) + 2e^- \rightarrow \text{Zn}(k)\) | −0,76 |
| \(\text{Al}^{3+}(suda) + 3e^- \rightarrow \text{Al}(k)\) | −1,66 |
| \(\text{Mg}^{2+}(suda) + 2e^- \rightarrow \text{Mg}(k)\) | −2,37 |
Tablonun üst tarafındaki iyonlar (\(\text{Ag}^{+}\), \(\text{Cu}^{2+}\)) elektron almaya isteklidir, yani güçlü yükseltgendir. Alt taraftaki metaller (Mg, Al, Zn) elektron vermeye isteklidir, yani güçlü indirgendir ve aktif metallerdir. Halojenlerin değerleri de pozitiftir: \(\text{Cl}_2\) için +1,36 V, \(\text{Br}_2\) için +1,07 V; bu yüzden halojenler güçlü yükseltgenlerdir.
Pil potansiyeli ve istemlilik
İki yarı hücreden kurulan pilde indirgenme potansiyeli büyük olan katot, küçük olan anot olur. Standart pil potansiyeli iki indirgenme potansiyelinin farkıdır:
Zn–Cu pili için \(E^\circ_{\text{pil}} = 0{,}34 - (-0{,}76) = 1{,}10\) V bulunur. Aynı sonuç yükseltgenme potansiyeliyle de bulunur: anotta çinkonun yükseltgenme potansiyeli \(+0{,}76\) V, katotta bakırın indirgenme potansiyeli \(+0{,}34\) V'tur ve \(E^\circ_{\text{pil}} = E^\circ_{\text{yük}}(\text{anot}) + E^\circ_{\text{ind}}(\text{katot}) = 0{,}76 + 0{,}34 = 1{,}10\) V'tur. İki yazım aynı hesabı yapar.
Pil potansiyelinin işareti tepkimenin yönünü söyler. Yazılan bir redoks tepkimesi için \(E^\circ\) pozitifse tepkime standart koşullarda istemlidir (kendiliğinden yürür). \(E^\circ\) negatifse tepkime yazıldığı yönde istemsizdir; ters yönü istemlidir. Bir tepkimenin \(E^\circ\) değerini bulmak için tepkimede indirgenen türün yarı tepkimesini katot, yükseltgenen türünkini anot kabul edip formülü uygularız. Örneğin \(\text{Cu}(k) + \text{Zn}^{2+}(suda) \rightarrow \text{Cu}^{2+}(suda) + \text{Zn}(k)\) tepkimesinde çinko iyonu indirgenmektedir: \(E^\circ = -0{,}76 - 0{,}34 = -1{,}10\) V. Değer negatiftir; bakır levha çinko sülfat çözeltisinde değişmeden kalır.
İstemsiz bir tepkime de yürütülebilir, ama bunun için dışarıdan, potansiyel farkı tepkimenin \(|E^\circ|\) değerinden büyük bir elektrik kaynağı gerekir. Bu, elektrolizin konusudur.
Metallerin aktifliği
Potansiyel tablosu, metallerin aktiflik sırasının sayısal biçimidir. İndirgenme potansiyeli küçük olan metal, potansiyeli büyük olan metalin iyonlarını indirger. Kısaca: tabloda aşağıda olan metal, yukarıda olan metalin iyonlarını çözeltiden metal olarak çöktürür.
- Demir çivi bakır sülfat çözeltisine atılırsa üzeri bakırla kaplanır: \(\text{Fe}(k) + \text{Cu}^{2+}(suda) \rightarrow \text{Fe}^{2+}(suda) + \text{Cu}(k)\).
- Bakır tel gümüş nitrat çözeltisine konursa telin üzerinde gümüş kristalleri büyür ve çözelti maviye döner: \(\text{Cu}(k) + 2\text{Ag}^{+}(suda) \rightarrow \text{Cu}^{2+}(suda) + 2\text{Ag}(k)\).
- Bakır levha çinko sülfat ya da demir(II) sülfat çözeltisinde tepkime vermez.
- İndirgenme potansiyeli negatif olan metaller (Mg, Al, Zn, Fe, Ni) 1 M \(\text{H}^{+}\) içeren asitlerle \(\text{H}_2\) gazı çıkarır; pozitif olanlar (Cu, Ag) çıkarmaz. Bu, Asitler, Bazlar ve Tuzlar konusundaki "hidrojenden aktif metaller" kuralının sayısal karşılığıdır.
Aynı mantık "bir çözelti hangi kapta saklanabilir?" sorusunu da çözer: kabın metali, çözeltideki metal iyonundan daha aktifse kap çözünür. Gümüş nitrat çözeltisi bakır kapta saklanamaz; çinko sülfat çözeltisi bakır kapta saklanabilir.
Metal levhanın kütlesi de tepkimeden hesaplanabilir. Çinko levha bakır sülfat çözeltisindeyken her 1 mol (65 g) çinko çözünürken 1 mol (64 g) bakır çöker; levhanın kütlesi her mol için 1 g azalır. Bakır tel gümüş nitrat çözeltisindeyken 1 mol (64 g) bakır çözünür, 2 mol (216 g) gümüş çöker; telin kütlesi her mol bakır için 152 g artar.
Derişimin pil potansiyeline etkisi ve derişim pilleri
Standart potansiyeller 1 M derişim içindir. Derişimler değişince pil potansiyeli de değişir ve bu değişim Le Chatelier ilkesiyle nitel olarak öngörülebilir. Daniell pilinin tepkimesinde \(\text{Cu}^{2+}\) girendir, \(\text{Zn}^{2+}\) üründür:
- Katot kabındaki \(\text{Cu}^{2+}\) derişimi artırılırsa tepkime ileri yöne daha istekli olur ve pil potansiyeli artar. Katot kabı seyreltilirse ya da bakır iyonları çöktürülürse potansiyel azalır.
- Anot kabındaki \(\text{Zn}^{2+}\) derişimi artırılırsa potansiyel azalır; anot kabına su eklenip seyreltilirse potansiyel artar.
- Elektrotların büyüklüğü, çözeltilerin hacmi ve tuz köprüsünün uzunluğu standart pil potansiyelini değiştirmez; bunlar en fazla pilin ne kadar süre çalışacağını etkiler.
Pil çalıştıkça \(\text{Cu}^{2+}\) azalır, \(\text{Zn}^{2+}\) artar; bu yüzden potansiyel zamanla düşer. Tepkime dengeye ulaştığında potansiyel sıfır olur ve pil "biter".
İki yarı hücre aynı elektrot ve aynı iyondan, yalnızca farklı derişimlerden oluşabilir. Örneğin iki gümüş levhadan biri 0,01 M, diğeri 1 M gümüş nitrat çözeltisine daldırılır. Bu düzeneğe derişim pili denir. İki yarı hücrenin standart potansiyeli aynı olduğu için \(E^\circ_{\text{pil}} = 0\)'dır, ama derişimler farklıyken voltmetre sıfırdan büyük bir değer gösterir. Sistem derişimleri eşitlemeye yönelir: seyreltik kaptaki gümüş levha yükseltgenir ve \(\text{Ag}^{+}\) derişimini artırır (anot); derişik kapta \(\text{Ag}^{+}\) iyonları indirgenip levhaya çöker ve derişim azalır (katot). Elektronlar dış devrede seyreltik taraftan derişik tarafa akar. İki derişim eşitlendiğinde pil potansiyeli sıfıra iner.
Günlük hayattaki piller: kurşun-asit akü ve lityum iyon pil
Otomobil aküsü kurşun-asit aküdür. Anot kurşun (Pb), katot kurşun(IV) oksitle (\(\text{PbO}_2\)) kaplı ızgaralardır ve ikisi de seyreltik sülfürik asit çözeltisine daldırılmıştır. Akü boşalırken iki elektrotta da kurşun(II) sülfat oluşur:
Boşalma sırasında sülfürik asit harcanır ve su oluşur; elektrolitin yoğunluğu azalır. Bu yüzden akünün doluluğu asidin yoğunluğu ölçülerek anlaşılabilir. Her hücre yaklaşık 2 V üretir; 12 V'luk otomobil aküsünde altı hücre seri bağlıdır. Motor çalışırken alternatör aküye ters yönde akım vererek tepkimeyi geri çevirir ve aküyü şarj eder; şarj sırasında akü bir elektroliz kabı gibi çalışır.
Telefonlarda, dizüstü bilgisayarlarda ve elektrikli araçlarda lityum iyon piller kullanılır. Lityum en hafif metaldir ve indirgenme potansiyeli tablodaki en küçük değerlerden biridir (\(-3{,}04\) V). Bu iki özellik, küçük ve hafif bir pilden yüksek gerilim (bir hücrede yaklaşık 3,7 V) elde etmeyi sağlar. Pilde anot, katmanlarının arasına lityum atomları yerleşmiş grafittir; katot \(\text{LiCoO}_2\) gibi bir metal oksittir. İki elektrot gözenekli bir ayırıcıyla ayrılır ve organik bir çözücüde lityum tuzu içeren elektrolite gömülüdür. Boşalmada lityum anotta \(\text{Li}^{+}\) iyonuna yükseltgenir; iyonlar elektrolit üzerinden katoda göç ederken elektronlar dış devreden katoda gider. Şarjda dış kaynak bu hareketi tersine çevirir ve \(\text{Li}^{+}\) iyonları grafite geri döner. Lityum suyla şiddetli tepkimeye girdiği için elektrolit sulu değildir.
Kurşun-asit akü ve lityum iyon pil yeniden şarj edilebilen (ikincil) pillerdir. Kumandalarda kullanılan sıradan kalem pillerin çoğu ise tek kullanımlıktır (birincil pil): tepkime bitince pil atılır. Bu piller içerdikleri metaller yüzünden çöpe değil atık pil kutularına atılmalıdır.
Elektroliz
Galvanik pilde istemli bir tepkime elektrik üretir. Elektrolizde ise dışarıdan verilen doğru akım, istemsiz bir redoks tepkimesini yürütür. Elektroliz kabında güç kaynağının pozitif ucuna bağlı elektrot anot, negatif ucuna bağlı elektrot katottur. Kaynak, anottan elektron çeker ve katoda elektron pompalar. Katyonlar katoda gidip indirgenir, anyonlar anoda gidip yükseltgenir.
Erimiş NaCl elektrolizi en sade örnektir. Katı NaCl'de iyonlar hareket edemez; erimiş tuzda serbestçe göç eder.
Toplam tepkime \(2\text{NaCl}(s) \rightarrow 2\text{Na}(s) + \text{Cl}_2(g)\) olur. Sodyum ve klor endüstride bu yolla üretilir. Magnezyum erimiş \(\text{MgCl}_2\), alüminyum ise kriyolitte çözülmüş \(\text{Al}_2\text{O}_3\) elektroliziyle elde edilir. Aktif metaller sulu çözeltiden elektrolizle elde edilemez, çünkü katotta onların yerine su indirgenir.
Sulu çözeltilerin elektrolizinde iyonların yanında su da yükseltgenip indirgenebilir. İnert (platin ya da grafit) elektrotlarla MEB düzeyinde şu kurallar kullanılır:
- Katotta: Metal iyonu aktif bir metale aitse (1A, 2A metalleri ve Al) metal yerine su indirgenir ve \(\text{H}_2\) çıkar: \(2\text{H}_2\text{O}(s) + 2e^- \rightarrow \text{H}_2(g) + 2\text{OH}^{-}(suda)\). Az aktif metallerin iyonları (\(\text{Cu}^{2+}\), \(\text{Ag}^{+}\)) indirgenip metal olarak birikir.
- Anotta: Halojenür iyonları (\(\text{Cl}^{-}\), \(\text{Br}^{-}\), \(\text{I}^{-}\)) yükseltgenip halojen oluşturur; derişik NaCl çözeltisinde klor gazı çıkar. \(\text{SO}_4^{2-}\) ve \(\text{NO}_3^{-}\) gibi çok atomlu anyonlar yükseltgenmez; onların yerine su yükseltgenir ve \(\text{O}_2\) çıkar: \(2\text{H}_2\text{O}(s) \rightarrow \text{O}_2(g) + 4\text{H}^{+}(suda) + 4e^-\).
Buna göre derişik NaCl çözeltisinde katotta \(\text{H}_2\), anotta \(\text{Cl}_2\) çıkar ve çözeltide NaOH birikir; çözelti bazikleşir. \(\text{CuSO}_4\) çözeltisinde katotta bakır birikir, anotta oksijen çıkar ve \(\text{H}^{+}\) biriktiği için çözelti asitleşir, pH azalır. \(\text{Na}_2\text{SO}_4\) ya da seyreltik \(\text{H}_2\text{SO}_4\) çözeltisinde ise yalnızca su ayrışır: katotta \(\text{H}_2\), anotta \(\text{O}_2\) çıkar ve aynı koşullarda gaz hacimleri 2'ye 1'dir.
Faraday yasaları
Elektrolizde ne kadar madde oluştuğu, devreden geçen elektrik yüküne bağlıdır. Yük, akım şiddeti ile sürenin çarpımıdır: \(Q = I \cdot t\) (Q coulomb, I amper, t saniye). 1 mol elektronun yüküne 1 faraday denir ve yaklaşık 96 500 C'tur. Faraday'ın 1830'larda deneylerle bulduğu iki sonuç bu tanımla tek bir hesaba dönüşür:
- Elektrotta oluşan madde miktarı devreden geçen yük ile doğru orantılıdır (birinci yasa).
- Aynı yük geçtiğinde oluşan maddelerin mol sayıları, bir tanecik başına aktarılan elektron sayısıyla ters orantılıdır (ikinci yasa). 1 mol elektron 1 mol Ag, \(\frac{1}{2}\) mol Cu, \(\frac{1}{3}\) mol Al, \(\frac{1}{2}\) mol \(\text{H}_2\) ve \(\frac{1}{4}\) mol \(\text{O}_2\) oluşturur.
Hesap üç adımdır: yükü bul, elektron molüne çevir, yarı tepkimedeki oranla maddeye geç.
Burada \(z\), yarı tepkimede bir tanecik başına alınan ya da verilen elektron sayısıdır. Örneğin 5 A akım 1930 s geçerse \(Q = 9650\) C, yani 0,1 mol elektron geçer. Bakır sülfat çözeltisinde katotta \(\frac{0{,}1}{2} = 0{,}05\) mol, yani 3,2 g bakır birikir (Cu: 64). Gazlar için mol sayısı normal koşullarda 22,4 L ile çarpılır.
Seri bağlı kaplar ve elektrokaplama
Birden fazla elektroliz kabı tek bir kaynağa arka arkaya (seri) bağlanırsa aynı akım hepsinden aynı süre geçer; her kaptan aynı miktarda yük, yani aynı mol sayısında elektron geçer. Bir kapta biriken madde miktarından elektron molü bulunur ve bu sayı öbür kaplara taşınır. Gümüş nitrat ve bakır sülfat kapları seri bağlıysa 0,2 mol elektron geçtiğinde birinci kapta 0,2 mol (21,6 g) gümüş, ikinci kapta 0,1 mol (6,4 g) bakır birikir.
Elektrokaplama, bir cismin yüzeyinin elektrolizle ince bir metal tabakasıyla kaplanmasıdır. Kaplanacak cisim katot yapılır; kaplama metali anot olarak kullanılır; çözelti kaplama metalinin iyonlarını içerir. Gümüş kaplamada kaşık katot, gümüş çubuk anot, çözelti gümüş nitrattır. Anotta gümüş yükseltgenip çözeltiye geçer, katotta aynı miktar gümüş iyonu indirgenip kaşığa yapışır; çözeltinin derişimi değişmez. Musluklardaki krom kaplama, takılardaki altın kaplama ve konserve kutularındaki kalay kaplama bu yolla yapılır. Bakırın saflaştırılması da benzer bir düzenektir: saf olmayan bakır anot, saf bakır katot yapılır; anottaki gümüş ve altın gibi daha az aktif safsızlıklar çözünmeden kabın dibinde anot çamuru olarak toplanır.
Korozyon ve korunma
Metallerin çevreleriyle tepkimeye girerek aşınmasına korozyon denir. En bilinen örneği demirin paslanmasıdır. Paslanma küçük bir galvanik pil gibi yürür. Demir yüzeyindeki bir su damlasında, oksijenin az olduğu bölge anot olur ve demir yükseltgenir: \(\text{Fe}(k) \rightarrow \text{Fe}^{2+}(suda) + 2e^-\). Elektronlar metalin içinden, oksijenin bol olduğu damla kenarına gider ve orada oksijen indirgenir: \(\text{O}_2(g) + 2\text{H}_2\text{O}(s) + 4e^- \rightarrow 4\text{OH}^{-}(suda)\). Oluşan \(\text{Fe}^{2+}\) iyonları havadaki oksijenle daha da yükseltgenir ve sonunda pas denilen sulu demir(III) oksit (\(\text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot n\text{H}_2\text{O}\)) oluşur.
Bu mekanizmadan üç sonuç çıkar. Paslanma için hem su hem oksijen gerekir; kuru havada ya da oksijeni uzaklaştırılmış suda demir paslanmaz. Tuz gibi elektrolitler iyon iletimini kolaylaştırarak paslanmayı hızlandırır; deniz kıyısındaki ve kışın tuzlanan yollardaki araçlar daha çabuk paslanır. Asidik ortam da paslanmayı hızlandırır.
Korozyondan korunma yöntemleri:
- Yüzeyi kapatmak: Boya, yağ, plastik kaplama metali su ve oksijenden ayırır.
- Kurban anot (katodik koruma): Demir daha aktif bir metale (Mg ya da Zn) telle bağlanır. Aktif metal anot olur ve demirin yerine yükseltgenir; demir katot olur ve korunur. Gemi gövdelerine çinko bloklar, toprağa gömülü boru hatlarına magnezyum bloklar ve termosifonların içine magnezyum çubuklar bu amaçla takılır. Kurban anot aşındıkça yenilenir. Büyük yapılarda aynı etki, demirin bir doğru akım kaynağının negatif ucuna bağlanmasıyla da sağlanır.
- Galvanizleme: Demir çinkoyla kaplanır. Kaplama çizilip demir açığa çıksa bile çinko daha aktif olduğu için önce çinko yükseltgenir; demir korunmaya devam eder.
- Daha az aktif metalle kaplama: Konserve kutuları kalayla kaplanır. Kalay demirden daha az aktiftir; kaplama sağlamken demiri korur, ama çizilirse demir anot olur ve açıkta kalan yer kaplamasız demirden daha hızlı paslanır.
Alüminyumun aktif bir metal olduğu halde mutfakta yıllarca dayanması, yüzeyinde oluşan ince ve sıkı \(\text{Al}_2\text{O}_3\) tabakasının alttaki metali havadan korumasındandır. Pas ise gevrek ve gözeneklidir; döküldükçe alttaki demir yeniden açığa çıkar.
Formüller
Çözümlü örnekler
Yüksek fırında demir cevherinin indirgenmesi \(\text{Fe}_2\text{O}_3(k) + 3\text{CO}(g) \rightarrow 2\text{Fe}(k) + 3\text{CO}_2(g)\) denklemiyle gösterilir. Bu tepkimede yükseltgen ve indirgen hangi maddelerdir ve 1 mol \(\text{Fe}_2\text{O}_3\) tepkimeye girdiğinde kaç mol elektron aktarılır?
- Demir \(\text{Fe}_2\text{O}_3\)'te \(+3\), Fe metalinde 0'dır: demir indirgenmiştir. Bu yüzden \(\text{Fe}_2\text{O}_3\) yükseltgendir.
- Karbon CO'da \(+2\), \(\text{CO}_2\)'de \(+4\)'tür: karbon yükseltgenmiştir. CO indirgendir.
- 1 mol \(\text{Fe}_2\text{O}_3\)'te 2 mol demir vardır ve her biri 3 elektron alır: \(2 \cdot 3 = 6\) mol elektron.
- Denetim: 3 mol CO'daki karbonların her biri 2 elektron verir; \(3 \cdot 2 = 6\) mol elektron. Verilen ve alınan elektron eşittir.
Cevap: Yükseltgen \(\text{Fe}_2\text{O}_3\), indirgen CO; 6 mol elektron
Alüminyum folyo bakır(II) klorür çözeltisine atıldığında \(\text{Al}(k) + \text{Cu}^{2+}(suda) \rightarrow \text{Al}^{3+}(suda) + \text{Cu}(k)\) (denkleştirilmemiş) tepkimesi gerçekleşir. Denklemi en küçük tam sayılarla denkleştir ve katsayılar toplamını bul.
- Al 0'dan \(+3\)'e çıkar: atom başına 3 elektron verir. \(\text{Cu}^{2+}\) \(+2\)'den 0'a iner: iyon başına 2 elektron alır.
- 3 ile 2'nin en küçük ortak katı 6'dır: 2 Al atomu 6 elektron verir, 3 \(\text{Cu}^{2+}\) iyonu 6 elektron alır.
- \(2\text{Al}(k) + 3\text{Cu}^{2+}(suda) \rightarrow 2\text{Al}^{3+}(suda) + 3\text{Cu}(k)\).
- Yük denetimi: solda \(3 \cdot (+2) = +6\), sağda \(2 \cdot (+3) = +6\). Katsayılar toplamı \(2 + 3 + 2 + 3 = 10\).
Cevap: 10
Asitli ortamda dikromat iyonu demir(II) iyonlarını yükseltger: \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} + \text{Fe}^{2+} + \text{H}^{+} \rightarrow \text{Cr}^{3+} + \text{Fe}^{3+} + \text{H}_2\text{O}\) (denkleştirilmemiş). Denklemi en küçük tam sayılarla denkleştir; \(\text{H}^{+}\) iyonunun katsayısını ve katsayılar toplamını bul.
- Krom yarı tepkimesi: 2 Cr için sağa \(2\text{Cr}^{3+}\), 7 O için sağa \(7\text{H}_2\text{O}\), 14 H için sola \(14\text{H}^{+}\) yazılır.
- Yük: solda \(-2 + 14 = +12\), sağda \(+6\); sola 6 elektron eklenir: \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}(suda) + 14\text{H}^{+}(suda) + 6e^- \rightarrow 2\text{Cr}^{3+}(suda) + 7\text{H}_2\text{O}(s)\).
- Demir yarı tepkimesi \(\text{Fe}^{2+}(suda) \rightarrow \text{Fe}^{3+}(suda) + e^-\) 6 ile çarpılır ve toplanır: \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}(suda) + 6\text{Fe}^{2+}(suda) + 14\text{H}^{+}(suda) \rightarrow 2\text{Cr}^{3+}(suda) + 6\text{Fe}^{3+}(suda) + 7\text{H}_2\text{O}(s)\).
- Yük denetimi: solda \(-2 + 12 + 14 = +24\), sağda \(6 + 18 = +24\). Katsayılar toplamı \(1 + 6 + 14 + 2 + 6 + 7 = 36\).
Cevap: 14; 36
Zn–Cu pilinde çinko levha 1 M \(\text{ZnSO}_4\), bakır levha 1 M \(\text{CuSO}_4\) çözeltisine daldırılmış ve kaplar \(\text{KNO}_3\) tuz köprüsüyle bağlanmıştır. \(E^\circ(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}) = -0{,}76\) V, \(E^\circ(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = +0{,}34\) V'tur. Anodu, pil potansiyelini, elektron akış yönünü ve \(\text{NO}_3^{-}\) iyonlarının göç yönünü bul.
- İndirgenme potansiyeli küçük olan çinko anottur, bakır katottur.
- \(E^\circ_{\text{pil}} = 0{,}34 - (-0{,}76) = 1{,}10\) V.
- Elektronlar dış devrede çinkodan bakıra akar. Çinko levhanın kütlesi azalır, bakır levhanınki artar.
- Anot kabında \(\text{Zn}^{2+}\) birikir; yükü dengelemek için \(\text{NO}_3^{-}\) iyonları çinko kabına, \(\text{K}^{+}\) iyonları bakır kabına göç eder.
Cevap: Anot Zn; 1,10 V; elektronlar Zn'den Cu'ya; \(\text{NO}_3^{-}\) çinko kabına
Standart indirgenme potansiyelleri \(\text{Mg}^{2+}/\text{Mg}\): −2,37 V, \(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}\): −0,76 V, \(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}\): +0,34 V, \(\text{Ag}^{+}/\text{Ag}\): +0,80 V'tur. Bu yarı hücrelerden ikisiyle kurulabilecek pillerden standart potansiyeli en büyük olanı hangisidir ve potansiyeli kaç volttur? Bu pilin tepkimesini yaz.
- Pil potansiyeli iki indirgenme potansiyelinin farkıdır; fark en büyük değer ile en küçük değer arasında olur.
- En büyük potansiyel gümüşün (+0,80 V), en küçük magnezyumun (−2,37 V): Mg anot, Ag katottur.
- \(E^\circ_{\text{pil}} = 0{,}80 - (-2{,}37) = 3{,}17\) V.
- Elektron dengesi: Mg 2 elektron verir, her \(\text{Ag}^{+}\) 1 elektron alır: \(\text{Mg}(k) + 2\text{Ag}^{+}(suda) \rightarrow \text{Mg}^{2+}(suda) + 2\text{Ag}(k)\). Gümüşün katsayısı 2 olsa da potansiyeli 2 ile çarpılmaz.
Cevap: Mg–Ag pili, 3,17 V
Demir çiviler ayrı ayrı 1 M \(\text{CuSO}_4\), 1 M \(\text{ZnSO}_4\), 1 M \(\text{AgNO}_3\) ve 1 M HCl çözeltilerine atılıyor. \(E^\circ\) değerleri Zn: −0,76 V, Fe: −0,44 V, \(\text{H}_2\): 0,00 V, Cu: +0,34 V, Ag: +0,80 V'tur (\(\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}\) için −0,44 V). Hangi çözeltilerde tepkime olur?
- Demir, indirgenme potansiyeli kendisininkinden büyük olan iyonları indirger.
- \(\text{Cu}^{2+}\) (+0,34 > −0,44): tepkime olur; çivi bakırla kaplanır. \(\text{Ag}^{+}\) (+0,80 > −0,44): tepkime olur; gümüş çöker.
- \(\text{H}^{+}\) (0,00 > −0,44): tepkime olur; \(\text{Fe}(k) + 2\text{H}^{+}(suda) \rightarrow \text{Fe}^{2+}(suda) + \text{H}_2(g)\), hidrojen gazı çıkar.
- \(\text{Zn}^{2+}\) (−0,76 < −0,44): tepkime olmaz; çinko demirden daha aktiftir.
Cevap: \(\text{CuSO}_4\), \(\text{AgNO}_3\) ve HCl çözeltilerinde
Platin elektrotlarla ayrı ayrı KI, \(\text{CuCl}_2\) ve \(\text{Na}_2\text{SO}_4\) çözeltileri elektroliz ediliyor. Her kapta katotta ve anotta oluşan ürünleri bul.
- KI: \(\text{K}^{+}\) aktif bir metal iyonudur; katotta su indirgenir ve \(\text{H}_2\) çıkar. Anotta \(\text{I}^{-}\) yükseltgenir ve \(\text{I}_2\) oluşur (çözelti kahverengileşir).
- \(\text{CuCl}_2\): \(\text{Cu}^{2+}\) indirgenir ve katotta bakır birikir; anotta \(\text{Cl}^{-}\) yükseltgenir ve \(\text{Cl}_2\) çıkar.
- \(\text{Na}_2\text{SO}_4\): katotta su indirgenir (\(\text{H}_2\)); sülfat iyonu yükseltgenmediği için anotta su yükseltgenir (\(\text{O}_2\)). Yalnızca su ayrışır.
Cevap: KI: \(\text{H}_2\) ve \(\text{I}_2\); \(\text{CuCl}_2\): Cu ve \(\text{Cl}_2\); \(\text{Na}_2\text{SO}_4\): \(\text{H}_2\) ve \(\text{O}_2\)
Gümüş nitrat çözeltisi platin elektrotlarla 2 A akımla 32 dakika 10 saniye elektroliz ediliyor. Katotta kaç gram gümüş birikir ve anotta normal koşullarda kaç litre oksijen gazı çıkar? (Ag: 108; 1 F = 96 500 C)
- Süre \(32 \cdot 60 + 10 = 1930\) s; yük \(Q = 2 \cdot 1930 = 3860\) C.
- Elektron molü \(\frac{3860}{96\,500} = 0{,}04\) mol.
- Katot: \(\text{Ag}^{+} + e^- \rightarrow \text{Ag}\); 0,04 mol gümüş, yani \(0{,}04 \cdot 108 = 4{,}32\) g.
- Anot: \(2\text{H}_2\text{O}(s) \rightarrow \text{O}_2(g) + 4\text{H}^{+}(suda) + 4e^-\); 4 mol elektronla 1 mol \(\text{O}_2\) çıkar, \(\frac{0{,}04}{4} = 0{,}01\) mol. Hacmi \(0{,}01 \cdot 22{,}4 = 0{,}224\) L.
Cevap: 4,32 g; 0,224 L
Bakır(II) sülfat, gümüş nitrat ve seyreltik sülfürik asit çözeltilerini içeren üç kap platin elektrotlarla seri bağlanıp 5 A akımla elektroliz ediliyor. Birinci kapta 6,4 g bakır biriktiğinde ikinci kapta kaç gram gümüş birikir, üçüncü kabın katodunda normal koşullarda kaç litre hidrojen çıkar ve elektroliz kaç saniye sürmüştür? (Cu: 64, Ag: 108; 1 F = 96 500 C)
- 6,4 g bakır 0,1 mol'dür; her \(\text{Cu}^{2+}\) 2 elektron aldığından 0,2 mol elektron geçmiştir. Seri bağlı kaplarda bu sayı her kap için aynıdır.
- İkinci kap: 0,2 mol elektron 0,2 mol gümüş biriktirir: \(0{,}2 \cdot 108 = 21{,}6\) g.
- Üçüncü kap: \(2\text{H}^{+} + 2e^- \rightarrow \text{H}_2\); 0,1 mol \(\text{H}_2\), yani 2,24 L.
- Yük \(0{,}2 \cdot 96\,500 = 19\,300\) C; süre \(t = \frac{19\,300}{5} = 3860\) s (1 saat 4 dakika 20 saniye).
Cevap: 21,6 g; 2,24 L; 3860 s
Sık yapılan hatalar
- İndirgen ile indirgenen türü karıştırmak: indirgen olan madde elektron verir ve kendisi yükseltgenir.
- Yarı tepkimeyi bir sayıyla çarparken \(E^\circ\) değerini de çarpmak. Potansiyel katsayıdan bağımsızdır.
- Pil potansiyelini "anot eksi katot" diye hesaplayıp negatif bulmak ya da iki indirgenme potansiyelini toplamak. Doğrusu \(E^\circ_{\text{katot}} - E^\circ_{\text{anot}}\)'tur.
- Galvanik pilde anodun pozitif olduğunu sanmak. Galvanik pilde anot negatif, elektrolizde pozitiftir; ama anot her ikisinde de yükseltgenmenin olduğu elektrottur.
- Elektronların çözelti içinden ya da tuz köprüsünden geçtiğini düşünmek. Elektronlar yalnızca dış devredeki telden akar; çözeltide ve köprüde yükü iyonlar taşır.
- Sulu NaCl elektrolizinde katotta sodyum oluştuğunu söylemek. Aktif metal iyonları sulu çözeltide indirgenmez; katotta hidrojen çıkar.
- Faraday hesabında süreyi saniyeye çevirmeyi ya da elektron molünü iyon yüküne bölmeyi unutmak.
- Kalay kaplamanın da galvanizleme gibi çizilse bile demiri koruduğunu sanmak. Kalay demirden az aktif olduğu için çizik yerde paslanma hızlanır.
Cebimizdeki telefon, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çeviren bir lityum iyon pille çalışır; şarj aletine taktığımızda ise pil kısa bir süre için bir elektroliz kabına dönüşür ve dışarıdan verilen enerjiyle tepkime geri çevrilir. Bu pillerin geliştirilmesindeki katkılarıyla John Goodenough, Stanley Whittingham ve Akira Yoshino 2019 Nobel Kimya Ödülü'nü paylaşmıştır. Mutfaktaki alüminyum folyo, boksit cevherinden elde edilen alüminyum oksidin erimiş kriyolit içinde elektroliziyle üretilir; bu yöntem çok elektrik harcadığı için kullanılmış alüminyumu geri dönüştürmek, metali yeniden üretmekten çok daha az enerji gerektirir. Evlerdeki termosifonların içine takılan magnezyum çubuk da bir kurban anottur: çubuk yıllar içinde aşınarak tankın çeliği yerine kendisi yükseltgenir ve aşındığında değiştirilmesi gerekir.
Konu testi
28 soru. Bir seçeneğe dokun; doğru cevap ve çözüm hemen açılır.
\(\text{Zn}(k) + \text{Cu}^{2+}(suda) \rightarrow \text{Zn}^{2+}(suda) + \text{Cu}(k)\) tepkimesiyle ilgili aşağıdaki ifadelerden hangisi doğrudur?
Çinkonun yükseltgenme basamağı 0'dan \(+2\)'ye çıkmıştır; çinko elektron vermiş, yükseltgenmiştir. Elektron veren tür indirgendir. \(\text{Cu}^{2+}\) elektron alıp indirgenmiştir; yükseltgenme basamağı \(+2\)'den 0'a inmiştir ve bu iyon yükseltgendir.
Aşağıdaki tepkimelerden hangisi bir indirgenme-yükseltgenme tepkimesi değildir?
Çökelme tepkimesinde Ag \(+1\), Na \(+1\), Cl \(-1\), N \(+5\), O \(-2\) olarak kalır; hiçbir yükseltgenme basamağı değişmez. Diğerlerinde element halinde bir madde girer ya da çıkar; hidrojen peroksitte oksijen \(-1\)'den hem \(-2\)'ye hem 0'a geçer.
Asitli ortamda \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}\) iyonu \(\text{Cr}^{3+}\) iyonlarına dönüşüyor. Buna göre 1 mol \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}\) iyonu kaç mol elektron alır?
Dikromatta krom \(2x + 7(-2) = -2\) eşitliğinden \(+6\)'dır. \(\text{Cr}^{3+}\)'te \(+3\)'tür; her krom 3 elektron alır. Bir iyonda 2 krom atomu olduğundan \(2 \cdot 3 = 6\) mol elektron alınır. 3, atom sayısıyla çarpmayı unutmaktır.
\(\text{MnO}_4^{-} + \text{Fe}^{2+} + \text{H}^{+} \rightarrow \text{Mn}^{2+} + \text{Fe}^{3+} + \text{H}_2\text{O}\) (denkleştirilmemiş) tepkimesi en küçük tam sayılarla denkleştirildiğinde bütün türlerin katsayıları toplamı kaç olur?
Mn \(+7\)'den \(+2\)'ye iner (5 elektron alır), Fe \(+2\)'den \(+3\)'e çıkar (1 elektron verir); 1 \(\text{MnO}_4^{-}\) için 5 \(\text{Fe}^{2+}\) gerekir. 4 O için 4 \(\text{H}_2\text{O}\), 8 H için 8 \(\text{H}^{+}\) yazılır: katsayılar 1, 5, 8, 1, 5, 4 ve toplam 24'tür. Yük iki tarafta \(+17\)'dir.
Bakır seyreltik nitrik asitte \(\text{Cu}(k) + \text{HNO}_3(suda) \rightarrow \text{Cu(NO}_3)_2(suda) + \text{NO}(g) + \text{H}_2\text{O}(s)\) (denkleştirilmemiş) tepkimesiyle çözünür. Tepkimede indirgenen \(\text{HNO}_3\) mol sayısının harcanan toplam \(\text{HNO}_3\) mol sayısına oranı kaçtır?
Cu 0'dan \(+2\)'ye çıkar (2 elektron verir); NO'ya dönüşen azot \(+5\)'ten \(+2\)'ye iner (3 elektron alır). Elektron dengesi 3 Cu ve 2 NO verir. 3 \(\text{Cu(NO}_3)_2\)'de 6 nitrat azotu vardır; toplam \(6 + 2 = 8\) \(\text{HNO}_3\) harcanır: \(3\text{Cu}(k) + 8\text{HNO}_3(suda) \rightarrow 3\text{Cu(NO}_3)_2(suda) + 2\text{NO}(g) + 4\text{H}_2\text{O}(s)\). İndirgenen yalnızca NO'ya dönüşen 2 mol asittir; oran \(\frac{2}{8} = \frac{1}{4}\)'tür.
\(\text{Cl}_2(g) + 2\text{NaOH}(suda) \rightarrow \text{NaCl}(suda) + \text{NaClO}(suda) + \text{H}_2\text{O}(s)\) tepkimesiyle ilgili
- I.\(\text{Cl}_2\) hem yükseltgen hem indirgen olarak davranmıştır.
- II.NaClO bileşiğinde klorun yükseltgenme basamağı \(+1\)'dir.
- III.Sodyumun yükseltgenme basamağı değişmiştir.
ifadelerinden hangileri doğrudur?
Klor 0'dan NaCl'de \(-1\)'e iner, NaClO'da \(+1\)'e çıkar; aynı element hem indirgenir hem yükseltgenir. NaClO'da \(+1 + x - 2 = 0\), \(x = +1\). Sodyum iki tarafta da \(+1\)'dir; değişmez.
Şekildeki pilde çinko ve bakır levhalar kendi iyonlarını içeren 1 M çözeltilere daldırılmış ve kaplar \(\text{KNO}_3\) tuz köprüsüyle bağlanmıştır. \(E^\circ(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}) = -0{,}76\) V, \(E^\circ(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = +0{,}34\) V'tur.
Buna göre
- I.Zn elektrot anottur.
- II.Elektronlar dış devrede Cu elektrottan Zn elektroda akar.
- III.Tuz köprüsündeki \(\text{K}^{+}\) iyonları çinko kabına doğru göç eder.
ifadelerinden hangileri doğrudur?
İndirgenme potansiyeli küçük olan çinko anottur ve yükseltgenir; elektronlar dış devrede çinkodan bakıra akar. Çinko kabında \(\text{Zn}^{2+}\) biriktiği için oraya anyonlar (\(\text{NO}_3^{-}\)) gider; \(\text{K}^{+}\) iyonları \(\text{Cu}^{2+}\) azalan bakır kabına göç eder.
\(\text{Al}^{3+}(suda) + 3e^- \rightarrow \text{Al}(k)\) için \(E^\circ = -1{,}66\) V, \(\text{Ag}^{+}(suda) + e^- \rightarrow \text{Ag}(k)\) için \(E^\circ = +0{,}80\) V'tur. Buna göre \(\text{Al}(k) + 3\text{Ag}^{+}(suda) \rightarrow \text{Al}^{3+}(suda) + 3\text{Ag}(k)\) tepkimesiyle çalışan pilin standart potansiyeli kaç volttur?
Gümüş katot, alüminyum anottur: \(E^\circ_{\text{pil}} = 0{,}80 - (-1{,}66) = 2{,}46\) V. Gümüşün katsayısı 3 olsa da potansiyeli 3 ile çarpılmaz; 0,86 ise işaretlerden birini yanlış almaktır.
Şekildeki pil, M metalinin 1 M \(\text{M}^{2+}\) çözeltisine daldırılmasıyla oluşan yarı hücre ile standart hidrojen elektrodundan kurulmuştur. Voltmetre 0,44 V göstermekte ve elektronlar dış devrede M elektrodundan platin elektroda akmaktadır.
Buna göre \(\text{M}^{2+}(suda) + 2e^- \rightarrow \text{M}(k)\) yarı tepkimesinin standart indirgenme potansiyeli kaç volttur?
Elektronlar M'den çıktığına göre M yükseltgenir ve anottur; hidrojen elektrodu katottur. \(0{,}44 = 0 - E^\circ_{\text{M}}\) eşitliğinden \(E^\circ_{\text{M}} = -0{,}44\) V bulunur. Elektron sayısı 2 olsa da potansiyel iki katına çıkmaz.
Standart indirgenme potansiyelleri Mg: −2,37 V, Zn: −0,76 V, Fe: −0,44 V, Cu: +0,34 V, Ag: +0,80 V'tur (metal iyonları \(\text{Mg}^{2+}\), \(\text{Zn}^{2+}\), \(\text{Fe}^{2+}\), \(\text{Cu}^{2+}\), \(\text{Ag}^{+}\)). Buna göre aşağıdaki çözeltilerden hangisi karşısında verilen metalden yapılmış bir kapta tepkime olmadan saklanabilir?
Kabın metali, çözeltideki iyonun metalinden daha aktifse (indirgenme potansiyeli daha küçükse) kap çözünür. Bakırın potansiyeli (+0,34) çinkonunkinden (−0,76) büyüktür; bakır \(\text{Zn}^{2+}\) iyonlarını indiremez ve çözelti saklanabilir. Diğer bütün çiftlerde kabın metali daha aktiftir.
X, Y ve Z metalleriyle yapılan deneylerin sonuçları şöyledir:
| Deney | Gözlem |
|---|---|
| X levha, \(\text{Y(NO}_3)_2\) çözeltisinde | X çözünür, Y birikir |
| Z levha, \(\text{X(NO}_3)_2\) çözeltisinde | Değişim olmaz |
| Z levha, \(\text{Y(NO}_3)_2\) çözeltisinde | Z çözünür, Y birikir |
Buna göre X, Y ve Z metallerinin aktiflik sıralaması aşağıdakilerden hangisidir?
X, Y'nin iyonlarını indirgediği için X, Y'den aktiftir; Z de Y'nin iyonlarını indirgediği için Z, Y'den aktiftir. Z, X'in iyonlarıyla tepkime vermediğine göre X, Z'den aktiftir. Birleştirince sıralama X > Z > Y olur.
Kütlesi 50 g olan bir bakır levha gümüş nitrat çözeltisine daldırılıyor. Bir süre sonra çıkarılıp kurutulan levhanın kütlesi 57,6 g olarak ölçülüyor. Buna göre levha üzerinde kaç gram gümüş birikmiştir? (Cu: 64, Ag: 108)
\(\text{Cu}(k) + 2\text{Ag}^{+}(suda) \rightarrow \text{Cu}^{2+}(suda) + 2\text{Ag}(k)\): 1 mol bakır (64 g) çözünürken 2 mol gümüş (216 g) çöker; kütle her mol bakır için 152 g artar. Artış 7,6 g olduğuna göre \(\frac{7{,}6}{152} = 0{,}05\) mol bakır tepkimeye girmiş ve 0,1 mol, yani 10,8 g gümüş birikmiştir. 7,6, kütle artışını biriken gümüş sanmaktır.
Standart koşullarda çalışan \(\text{Zn}(k) \,|\, \text{Zn}^{2+}(1\text{ M}) \,||\, \text{Cu}^{2+}(1\text{ M}) \,|\, \text{Cu}(k)\) pilinde aşağıdaki değişiklikler ayrı ayrı yapılıyor:
- I.Bakır kabına katı \(\text{CuSO}_4\) eklenip çözülüyor.
- II.Daha büyük yüzeyli bir çinko levha kullanılıyor.
- III.Çinko kabına saf su ekleniyor.
Bu değişikliklerden hangileri pil potansiyelini artırır?
Pil tepkimesinde \(\text{Cu}^{2+}\) giren, \(\text{Zn}^{2+}\) üründür. Girenin derişimini artırmak ya da ürünün derişimini azaltmak (seyreltmek) tepkimeyi ileri yöne iter ve potansiyeli artırır. Elektrot yüzeyinin büyüklüğü pil potansiyelini değiştirmez.
Şekildeki pilde iki gümüş levhadan soldaki 0,01 M, sağdaki 1 M \(\text{AgNO}_3\) çözeltisine daldırılmış ve kaplar tuz köprüsüyle bağlanmıştır.
Buna göre
- I.Başlangıçta voltmetre sıfırdan büyük bir değer gösterir.
- II.Soldaki kapta bulunan gümüş levha anottur.
- III.Pil çalıştıkça soldaki kaptaki \(\text{Ag}^{+}\) derişimi artar.
ifadelerinden hangileri doğrudur?
Derişimler farklı olduğu için sistem onları eşitlemeye yönelir ve bir potansiyel farkı oluşur; standart potansiyel sıfır olsa da başlangıçta ölçülen değer sıfırdan büyüktür. Seyreltik kaptaki gümüş yükseltgenip \(\text{Ag}^{+}\) iyonu oluşturur (anot) ve bu kapta derişim artar; derişik kapta iyonlar indirgenir ve derişim azalır.
Erimiş NaCl'nin inert elektrotlarla elektroliziyle ilgili
- I.Katotta sıvı sodyum oluşur.
- II.Anot, güç kaynağının negatif ucuna bağlıdır.
- III.\(\text{Na}^{+}\) iyonları anoda doğru hareket eder.
ifadelerinden hangileri doğrudur?
Katotta \(\text{Na}^{+} + e^- \rightarrow \text{Na}\) indirgenmesi olur; erimiş tuzun sıcaklığında sodyum sıvıdır. Elektrolizde anot pozitif uca bağlıdır; pozitif \(\text{Na}^{+}\) iyonları negatif katoda göç eder.
Şekildeki düzenekte \(\text{CuSO}_4\) çözeltisi platin elektrotlarla elektroliz ediliyor. X elektrodu güç kaynağının negatif ucuna, Y elektrodu pozitif ucuna bağlıdır.
Buna göre
- I.X elektrodunda bakır birikir.
- II.Y elektrodunda oksijen gazı çıkar.
- III.Elektroliz ilerledikçe çözeltinin pH değeri azalır.
ifadelerinden hangileri doğrudur?
X katottur: \(\text{Cu}^{2+}(suda) + 2e^- \rightarrow \text{Cu}(k)\). Y anottur; sülfat iyonu yükseltgenmediği için su yükseltgenir: \(2\text{H}_2\text{O}(s) \rightarrow \text{O}_2(g) + 4\text{H}^{+}(suda) + 4e^-\). Anotta \(\text{H}^{+}\) iyonları biriktiği için çözelti asitleşir ve pH azalır.
Bakır(II) sülfat çözeltisinden 5 A akım 32 dakika 10 saniye geçiriliyor. Buna göre katotta kaç gram bakır birikir? (Cu: 64; 1 F = 96 500 C)
Süre 1930 s, yük \(5 \cdot 1930 = 9650\) C, yani 0,1 mol elektrondur. Her \(\text{Cu}^{2+}\) 2 elektron aldığından 0,05 mol bakır birikir: \(0{,}05 \cdot 64 = 3{,}2\) g. 6,4, elektron molünü 2'ye bölmeyi unutmaktır.
Seyreltik sülfürik asit çözeltisi inert elektrotlarla 2 A akımla 9650 saniye elektroliz ediliyor. Buna göre iki elektrotta açığa çıkan gazların normal koşullardaki toplam hacmi kaç litredir? (1 F = 96 500 C)
Yük \(2 \cdot 9650 = 19\,300\) C, yani 0,2 mol elektrondur. Katotta \(2\text{H}^{+} + 2e^- \rightarrow \text{H}_2\): 0,1 mol \(\text{H}_2\). Anotta 4 elektronla 1 \(\text{O}_2\): 0,05 mol \(\text{O}_2\). Toplam 0,15 mol gaz, \(0{,}15 \cdot 22{,}4 = 3{,}36\) L.
Şekildeki üç elektroliz kabı platin elektrotlarla seri bağlanmıştır. 1. kapta gümüş nitrat çözeltisi, 2. kapta bakır(II) sülfat çözeltisi, 3. kapta erimiş magnezyum klorür bulunmaktadır.
- kabın katodunda 21,6 g gümüş biriktiği anda 2. ve 3. kapların katotlarında biriken metallerin toplam kütlesi kaç gramdır? (Mg: 24, Cu: 64, Ag: 108)
21,6 g gümüş 0,2 mol'dür; 0,2 mol elektron geçmiştir ve seri bağlı her kaptan aynı miktar geçer.
- kapta 0,1 mol bakır (6,4 g), 3. kapta 0,1 mol magnezyum (2,4 g) birikir; toplam 8,8 g.
Erimiş NaCl 9,65 A akımla elektroliz edildiğinde anotta normal koşullarda 3,36 L klor gazı toplanıyor. Buna göre elektroliz kaç dakika sürmüştür? (1 F = 96 500 C)
3,36 L klor 0,15 mol'dür. \(2\text{Cl}^{-} \rightarrow \text{Cl}_2 + 2e^-\) olduğundan 0,3 mol elektron geçmiştir. Yük \(0{,}3 \cdot 96\,500 = 28\,950\) C; süre \(\frac{28\,950}{9{,}65} = 3000\) s, yani 50 dakikadır. 25, her \(\text{Cl}_2\) için tek elektron saymaktır.
Bir kaşık, gümüş nitrat çözeltisinde 0,5 A akımla 1 saat 4 dakika 20 saniye boyunca gümüşle kaplanıyor. Buna göre kaşığa kaç gram gümüş kaplanmıştır? (Ag: 108; 1 F = 96 500 C)
Süre \(3600 + 240 + 20 = 3860\) s; yük \(0{,}5 \cdot 3860 = 1930\) C, yani 0,02 mol elektron. Her \(\text{Ag}^{+}\) bir elektron alır: 0,02 mol gümüş, \(0{,}02 \cdot 108 = 2{,}16\) g.
Şekildeki deney tüplerine eşit büyüklükte demir çiviler konuluyor ve tüpler bir hafta bekletiliyor. I. tüpte kuru hava ve nem çeken susuz \(\text{CaCl}_2\) vardır, ağzı tıpalıdır. II. tüpte kaynatılarak çözünmüş oksijeni uzaklaştırılmış su ve üstünde yağ tabakası vardır, ağzı tıpalıdır. III. tüpte musluk suyu, IV. tüpte tuzlu su vardır; bu iki tüpün ağzı açıktır.
Buna göre hangi tüplerdeki çiviler paslanır?
Paslanma için su ve oksijen birlikte gerekir. I. tüpte su, II. tüpte oksijen yoktur. III ve IV. tüplerde ikisi de vardır; tuz iyon iletimini artırdığı için IV. tüpteki çivi daha hızlı paslanır.
Standart indirgenme potansiyelleri \(\text{Mg}^{2+}/\text{Mg}\): −2,37 V, \(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}\): −0,76 V, \(\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}\): −0,44 V, \(\text{Sn}^{2+}/\text{Sn}\): −0,14 V'tur. Demirin korozyondan korunmasıyla ilgili
- I.Galvanizlenmiş (çinko kaplı) demirde kaplama çizilse de açıkta kalan demir paslanmaz.
- II.Gemi gövdesine bağlanan magnezyum bloklar demirin yerine yükseltgenir.
- III.Kalay kaplı demirde kaplama çizilirse kalay, açıkta kalan demiri katodik olarak korur.
ifadelerinden hangileri doğrudur?
Çinkonun ve magnezyumun potansiyeli demirinkinden küçüktür; bu metaller demirle temas edince anot olur ve demirin yerine yükseltgenir. Kalayın potansiyeli demirinkinden büyüktür; çizik yerde demir anot olur ve paslanma hızlanır.
Şekildeki kaplarda tuzlu suya, I. kapta çinko tel, II. kapta bakır tel sarılmış demir çiviler, III. kapta magnezyum şerit sarılmış bir demir çivi konmuştur. Standart indirgenme potansiyelleri Mg: −2,37 V, Zn: −0,76 V, Fe: −0,44 V, Cu: +0,34 V'tur (iyonlar \(\text{Mg}^{2+}\), \(\text{Zn}^{2+}\), \(\text{Fe}^{2+}\), \(\text{Cu}^{2+}\)).
Buna göre
- I.I. kaptaki demir çivi paslanmaz.
- II.II. kaptaki demir çivi, üzerine metal sarılmamış bir çividen daha yavaş paslanır.
- III.III. kapta magnezyum yükseltgenir.
ifadelerinden hangileri doğrudur?
Çinko ve magnezyum demirden aktiftir; demire değdiklerinde anot olur, yükseltgenirler ve demiri korurlar. Bakır demirden az aktiftir; bakırla temas eden demir anot olur ve tek başına olduğundan daha hızlı paslanır.
Kurşun-asit akünün boşalma tepkimesi \(\text{Pb}(k) + \text{PbO}_2(k) + 2\text{H}_2\text{SO}_4(suda) \rightarrow 2\text{PbSO}_4(k) + 2\text{H}_2\text{O}(s)\) şeklindedir. Buna göre
- I.Boşalma sırasında her iki elektrotta da \(\text{PbSO}_4\) oluşur.
- II.Boşalma sırasında elektrolitin yoğunluğu azalır.
- III.Şarj sırasında akü elektroliz kabı gibi çalışır.
ifadelerinden hangileri doğrudur?
Pb 0'dan \(+2\)'ye yükseltgenir, \(\text{PbO}_2\)'deki kurşun \(+4\)'ten \(+2\)'ye indirgenir; iki elektrotta da ürün \(\text{PbSO}_4\)'tür. Sülfürik asit harcanıp su oluştuğu için asit seyrelir ve yoğunluk azalır. Şarjda dışarıdan verilen akım istemsiz ters tepkimeyi yürütür; bu bir elektrolizdir.
Lityum iyon pillerle ilgili aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır?
Anot, her pilde yükseltgenmenin olduğu elektrottur; boşalmada lityum anotta \(\text{Li}^{+}\) iyonuna yükseltgenir. Diğer ifadeler doğrudur: pil şarj edilebilir, iyonlar elektrolitten ve elektronlar dış devreden anottan katoda gider, lityum en hafif metaldir.
X, Y ve Z metalleri kendi iyonlarının 1 M çözeltileriyle (\(\text{X}^{2+}\), \(\text{Y}^{2+}\), \(\text{Z}^{2+}\)) yarı hücreler oluşturuyor. \(E^\circ(\text{Z}^{2+}/\text{Z}) = +0{,}34\) V'tur. X–Z pilinde Z katot olur ve pilin standart potansiyeli 1,10 V'tur. X–Y pilinde Y katot olur ve pilin standart potansiyeli 0,32 V'tur. Buna göre Y–Z pilinin standart potansiyeli kaç volttur?
X–Z pilinde Z katot: \(1{,}10 = 0{,}34 - E^\circ_X\), \(E^\circ_X = -0{,}76\) V. X–Y pilinde Y katot: \(0{,}32 = E^\circ_Y - (-0{,}76)\), \(E^\circ_Y = -0{,}44\) V. Y–Z pilinde Z katot olur: \(E^\circ_{\text{pil}} = 0{,}34 - (-0{,}44) = 0{,}78\) V.
Standart indirgenme potansiyelleri aşağıda verilmiştir:
| Yarı tepkime | \(E^\circ\) (V) |
|---|---|
| \(\text{Ag}^{+}(suda) + e^- \rightarrow \text{Ag}(k)\) | +0,80 |
| \(\text{Cu}^{2+}(suda) + 2e^- \rightarrow \text{Cu}(k)\) | +0,34 |
| \(2\text{H}^{+}(suda) + 2e^- \rightarrow \text{H}_2(g)\) | 0,00 |
| \(\text{Ni}^{2+}(suda) + 2e^- \rightarrow \text{Ni}(k)\) | −0,25 |
| \(\text{Fe}^{2+}(suda) + 2e^- \rightarrow \text{Fe}(k)\) | −0,44 |
| \(\text{Zn}^{2+}(suda) + 2e^- \rightarrow \text{Zn}(k)\) | −0,76 |
Buna göre aşağıdaki tepkimelerden hangisi standart koşullarda istemlidir?
Tepkimede indirgenen türün potansiyeli katot, yükseltgenen metalinki anot olarak alınır; \(E^\circ\) pozitifse tepkime istemlidir. Demir ile nikel iyonu: \(E^\circ = -0{,}25 - (-0{,}44) = +0{,}19\) V. Diğerlerinde sırasıyla −1,10, −1,24, −0,51 ve −0,34 V bulunur.
İlerlemen bu tarayıcıda saklanıyor. Ücretsiz üye ol, her cihazda kaldığın yerden devam et.