KİMYA VE ELEKTRİK KONU ANLATIMI°MYA... · 2017-05-13 · KİMYA VE ELEKTRİK KONU ANLATIMI 2...

KİMYA VE ELEKTRİK KONU ANLATIMI

1

https://hasanfirat.com

Madde - Elektrik İlişkisi Tüm maddeler elektriksel yapıya sahip taneciklerden oluşmuştur. Bu yapıdan dolayı elektrik enerjisi yardımıyla maddenin yapısında değişiklik yapılabildiği gibi, kimyasal değişimler sonucu açığa çıkan enerji de elektrik enerjisine dönüştürülebilir. Kimyasal enerjinin elektrik enerjisine, elektrik enerjisinin de kimyasal enerjiye dönüşümünü inceleyen bilim dalına elektrokimya denir. Elektrokimya günlük yaşantımızda akülerde, pillerde, kaplamacılıkta ve metallerin saflaştırılması gibi alanlarda kullanılır. Metallerde elektrik iletkenliği elektronların hareketi ile sağlanır. Metallerin elektrik akımını iletmeleri sırasında metalin yapısında bir değişiklik olmaz. Nötr bir atomda her zaman proton sayısı elektron sayısına eşittir. Elektron sayısı proton sayısından farklı olan atom gruplarına iyon denir.

(-) yüklü iyonlara anyon, (+) yüklü iyonlara katyon adı verilir.

Asitler, bazlar ve tuzlar gibi sudaki çözeltileri elektrik akımını ileten maddelere elektrolitik madde denir. Elektrolitik bir maddenin iletkenliği çözeltisindeki zıt yüklü iyonların hareketiyle gerçekleşir. Elektriğin iletilmesi metallerde hareketli elektronlar tarafından, elektrolitik çözeltilerde serbest hareket edebilen iyonlar tarafından gerçekleştirilir. Sofra tuzu suda çözününce, NaCl(k) + su Na(suda) + Cl(suda) şeklinde(+) ve(-) iyonlarına ayrışır. Bu tepkimede Na+ katyon, cı- anyondur. Bir atomun bileşiklerinde sahip olduğu, pozitif ya da negatif yüke yükseltgenme basamağı (yükseltgenme sayısı) ya da değerliği denir.

İyonik bileşiklerde alınan ya da verilen elektron sayıları tarafından, Kovalent bileşiklerde elementlerin elektronegatiflikleri tarafından belirlenir. Örneğin, bir iyonik bileşik olan NaCI, +1 yüklü sodyum iyonu (Na+) ile -1 yüklü klor iyonu (Cl-) tarafından oluşturulduğu için bu bileşikteki yükseltgenme basamakları Na için +1 ve CI için -1 dir. Diğer taraftan bir kovalent bileşik olan amonyağın (NH3) yapısındaki hidrojen atomu ametaller ile yaptığı bileşiklerde daima +1 yükseltgenme basamağına sahip olduğundan bileşiğin nötr olabilmesi için azotun (N) yükseltgenme basamağı -3 olacaktır. Yükseltgenme basamaklarının bulunması için aşağıda belirtilen kuralların çok iyi bilinmesi gerekir.

1. Bir elementin doğadaki kararlı halinde değerliği (ister atomik, isterse molekül halinde olsun) sıfırdır. Örneğin, H2, O2, N2, F2, Cl2, Br2, l2, P4, S8, He, Ar, Na Sıfır. 2. Tek atomlu bir iyonun değerliği o iyonunun yüküne eşittir. Örneğin,Al+3 +3, Cl-1 -1, Na+1

+1 3. Bir bileşikte, atomların değerlikleri toplamı sıfırdır. Bu sayede bileşik içinde değerliği bilinmeyen elementin değerliği bulunabilir.

x = +5 olarak bulunur

Örneğin, HNO3 bileşiğinde hidrojen atomu (+1), oksijen atomu (-2) değerlikli olduğundan, azot atomunun değerliği; 4. Çok atomlu (poliatomik) iyonlarda, atomların değerlikleri toplamı, iyonun yüküne eşittir. Örneğin; SO4

-2 iyonunda oksijenin değerliği (-2) dir. 4 tane oksijen atomundan -8 yük gelir. Toplam yük -2 olduğundan x + (-8) = -2 den S nin yükü +6 olur. 5.Periyodik cetvelin 1A grubunda yer alan alkali metaller bileşiklerinde +1, IIA grubunda yer alan toprak alkali metaller bileşiklerinde +2, IIIA grubunda yer alan aluminyum metali +3 değerlik alır. 6.Geçiş metallerinden olan Zn +2, Ag ise +1 değerlik alır. 7.Elektronegatifliği en büyük olan F nin bileşiklerindeki değerliği her zaman (-1) dir. 8.Hidrojenin alkali ve toprak alkali metallerle yaptığı hidrür bileşiklerinde değerliği (-1) dir; bunun dışındaki bileşiklerinde değerliği +1 dir. Örneğin; H2OH (+1), NaH H (-1) 9.Oksijen bir çok bileşiğinde (-2) değerliklidir, ancak F ile (+2) değerlik alır. OF2

-1 O (+2) Peroksitlerde (O2

-2 her bir oksijen atomunun değerliği (-1) dir.

İndirgenme-Yükseltgenme (Redoks) Bir tepkime sırasında bir maddeden diğer bir maddeye elektron transferi oluyorsa, bu tür tepkimelere indirgenme -yükseltgenme tepkimeleri ya da kısaca "redoks tepkimeleri" denir. Yükseltgenme: Bir atom ya da iyonun elektron vermesi olayına yükseltgenme denir. Elektron kaybının olduğu yarı tepkimeye de yükseltgenme yarı tepkimesi denir.

Yükseltgenme sırasında atom ya da iyonun değerliği verilen elektron sayısı kadar artar.

İndirgenme: Bir atom ya da iyonun elektron alması olayına indirgenme denir. Elektron alındığını gösteren yarı tepkimeye de indirgenme yarı tepkimesi denir.

Elektron vererek değerliği artan maddeye yükseltgenen, elektron alarak değerliği azalan maddeye de indirgenen madde denir. Bir madde yükseltgenmeden diğeri indirgenemeyeceği için yükseltgenen madde aynı zamanda indirgen ya da indirgeyen maddedir. Benzer mantıkla indirgenen madde de aynı zamanda yükseltgen ya da yükseltgeyendir. Sonuç olarak, yükseltgenmeye uğrayan madde, birlikte tepkimeye girdiği maddeyi indirgediği için indirgen, indirgenmeye uğrayan madde birlikte tepkimeye girdiği maddeyi yükseltgediği için yükseltgen olarak adlandırılır.

Bu tepkimede Zn atomu 2 elektron vererek değerliği 2 artmıştır (yükseltgenen madde); Cu+2 iyonu ise bu 2 elektronu alarak değerliği azalmıştır (indirgenen madde). Cu+2 ye elektron vererek onun indirgenmesini sağladığı için Zn bir indirgen; Cu+2 de elektronları alarak Zn nin yükseltgenmesini sağladığı için yükseltgendir.


2


Aktiflik Metallerin elektron verme, ametallerin ise elektron alma istekleri aktiflik olarak tanımlanır. Element halinde bulunan bir metal, bileşik halindeki bir metali açığa çıkarıyorsa yani onunla yer değiştiriyorsa, bu metal diğerinden aktiftir. Bu olay sırasında aktif metal aşınır. örnek olarak; Ni metalini CuS04 çözeltisine daldırırsak, Ni metali çözünür, Cu metali açığa çıkar.

Ni(k) Ni+2

(suda) + 2e- Bu verilen elektronlar da çözeltide bulunan Cu+2 iyonları tarafından alınıp, Cu katısı oluşmuştur. Cu +2

(suda) + 2e- Cu (k) Buna göre, net tepkime denklemi yandaki gibi olur. Bu deneyde metallerin yerleri değiştirilmiş olsaydı tepkime olmazdı.

Cu (k) + NiSO4(suda) Tepkime olmaz. (Buna göre, Cu atomlarından elektronlar Ni+2 iyonlarına geçemez). Sonuç; 1. Ni metalinin aktifliği (e- verme isteği) Cu metalinden fazladır. 2. Cu+2 iyonlarının indirgenme isteği (e- alma), Ni+2 iyonlarınkinden fazladır. Aktif bir metal, elektron vererek bileşik yapısında bulunan pasif metal iyonunu indirger ve bu metal iyonu ile yer değiştirir.

Aşağıdaki tepkimeler kendiliğinden oluşmaktadır.

Buna göre X, T, Z ve M metallerinin elektron verme (aktiflik) eğilimine göre sıralanışı büyükten küçüğe doğru nasıl olur?

Çözüm: Tepkimelere tek tek bakarsak I. tepkimede elektron verip T+ nın indirgenmesi sağlayan X metali olduğundan X daha aktiftir, (X > T). II. tepkimede T metali elektron vererek Z*2 yi indirgediğinden T metali Z'den daha aktiftir, (T > Z). III. tepkimede M metali elektron vererek X* iyonunu indirgediğinden, M metali X den daha aktiftir, (M > X). Buna göre elektron verme eğilimleri yani aktiflik M > X > T > Z şeklinde sıralanır.

Aktif metalden yapılmış bir kaba daha pasif bir metal iyonunu içeren bir çözelti konulursa, aktif metal elektron vererek aşınır ve bu kapta çözelti saklanamaz.

X, Y ve Z metallerinin elektron verme eğilimleri X > Y > Z şeklindedir. Buna göre, yukarıdaki kaplardan hangilerinde bir süre sonra aşınma olur? Çözüm: Metallerin elektron verme eğilimleri X > Y > Z şeklinde olduğundan, I. kapta X° + Y+2SO4 X+2SO4 + Y° şeklinde bir tepkime gerçekleşir. Çünkü X, Y den daha aktif olduğundan X, 2 elektron vererek (+2) iyonuna; Y+2 iyonu da 2 elektronu alarak Y katIsına dönüşür. Buna göre tepkime olan bu kapta aşınma gözlenir ve X kabında YSO4 çözeltisi saklanamaz.

II. kapta Z° + X+2 SO4 tepkimesi gerçekleşmez. Çünkü X, Z’den daha aktif bir metaldir ve elektron verip (+) yüklü olmak ister. Zaten, X çözeltisinde (+2) yüklü olduğundan bu kapta aşınma olmaz ve bu kapta XSO4 çözeltisi saklanabilir. III. kapta Y° + Z+2SO4 Y+2SO4 + Z° şeklinde bir tepkime olur. Y metali Z’den daha aktif olduğundan, Y metali 2 elektron vererek (+2) yüke sahip olurken, Z+2 iyonları da 2 elektron alarak indirgenir. Y kabı aşınır ve bu kapta ZSO4 çözeltisi saklanamaz

Redoks Tepkimelerini Denkleştirmek Redoks tepkimelerini denkleştirmek için iki yöntem geliştirilmiştir. 1. Yükseltgenme basamağı yöntemi (Değerlik yöntemi) 2. Yarı tepkime yöntemi 1. Yükseltgenme Basamağı Yöntemi I) İyonsuz denklemler HNO3 + H2S NO+ H2O+ S tepkimesini yükseltgenme basamağı yöntemini kullanarak denkleştirmek için aşağıda verilen basamaklar izlenir. a. Her atomun yükseltgenme basamağı (değerliği) bulunarak üzerine yazılır.

b. Değerlikleri değişen atomlar belirlenerek, atom başına alınan veya verilen elektron sayıları bulunur. Tepkimede N atomu +5 den +2 ye indirgenmiş, S de -2 den O'a yükseltgenmiştir. c. İndirgenme ve yükseltgenme yarı tepkimeleri yazılır(indirgenen ve yükseltgenen atom sayılarına dikkat edilir.) İndirgenme : N+5 + 3e- N+2 Yükseltgenme : S-2 S°+ 2e d. Alınan ve verilen elektron sayılan uygun katsayılar verilerek eşitlenir. Yukarıdaki tepkimede en küçük ortak kat 6 dır. Buna göre indirgenme tepkimesini 2 ile, yükseltgenme tepkimesini 3 ile çarparak taraf tarafa toplarsak:

tepkimesi elde edilir. e. Toplu denklemin katsayıları redoks denklemindeki katsayılardır. Buna göre, 2HNO3 + 3H2S 2NO + H2O + 3S En son olarak da suyun katsayısı (H ve O atomlannın denkliği için) 4 olmalıdır. Buna göre 2HNO3 + 3H2S 2NO + 4H2O + 3S tepkimesi elde edilir. öğrendiklerimizi uygulamak için K2Cr2O7 + S + H2O SO2 + KOH + Cr2O3 tepkimesini değerlik yöntemi ile denkleştirelim.öncelikle her atomun yükseltgenme basamağı bulunur.

İndirgenen ve yüksetgenen maddeler belirlenerek, tepki meleri yazılır. (Atom sayılanna dikkat edilir.) İndirgenme : Cr2

+6 + 6e- Cr2+3 Yükseltgenme: S0 —► S+4 + 4e-

İki tepkime için ortak kat 12 dir. Buna göre 1. tepkimeyi 2 ile, 2. tepkimeyi de 3 ile çarparak taraf tarafa toplarsak

Bu örnekteki tepkime denklemi Ni (k) + CuSO4(suda) NiSO4(suda) + Cu(k)

şeklindedir.Bu olayda, Ni metali Cu metalinden daha aktif olduğundan Ni metali elektron vermiştir ve aşınmıştır.


3


elde edilir. Elde edilen katsayılar aynı zamanda redoks tepkimesindeki katsayılardır. 2K2Cr2O7 + 3S + H2O 3SO2 + KOH + 2Cr2O3 Bu kat sayılar yerlerine taşındığında bunlar yardımıyla önünde katsayısı olmayan H20 ve KOH’ in katsayıları hesaplanabilir. Eşitliğin sol tarafında 4 tane K atomu olduğundan KOH in katsayısı 4 olmalıdır. KOH için 4 katsayısı yazılırsa, tepki-menin ürünler kısmında 4 tane H atomu bulunur. Buna göre, girenlerdeki suyun katsayısı da 2 olmalıdır. Buna göre tepkimenin denkleşmiş hali,2K2Cr2O7 + 3S + 2H2O3SO2 + 4KOH + 2Cr2O3 dir.

İyonlu denklemler

Redoks tepkimelerinin bir çoğu asidik veya bazik ortamlarda gerçekleşir. Ortamın asidik veya bazik olması durumunda tepkimenin denkleştirilmesi için farklı yöntemler kullanılır. Asidik Ortamda Denkleştirme:

Asidik ortamda gerçekleşen, N2O3 + MnO4-Mn+2 + NO3

- tepkimesini asidik ortamda denkleştirelim. İyonsuz denklemlerdeki ilk 5 basamaktaki kurallar aynen uygulanır.

a. b. N+3 yükseltgenir, Mn+7 indirgenir.

c. d. e. Şimdi farklı olarak asidik ortamda uygun tarafa H+ eklenerek yük denkliği sağlanır. Tepkimenin girenler tarafındaki toplam yük 4 tane MnO4

- den (-4), tepkimenin ürünler tarafındaki toplam yük ise 4 tane Mn+2 den (+8) ve 10 tane NO3

- den (-10) olmak üzere (-2) dir. Eklenecek olan H+ iyonu (+) yüklü olduğundan eşitliğin girenler tarafına 2 tane H+ iyonu eklenerek yük denkliği her iki taraf (-2) olacak şekilde sağlanır. 5N2O3 + 4MnO4

- + 2H+ 4Mn+2 +10NO3- H+ iyonu eklendikten sonra, bozulan H atomu denkliği için uygun tarafa H2O

eklenerek denklik sağlanır. Eşitliğin girenler tarafında 2 tane H atomu olduğundan, eşitliğin ürünler tarafına 1 tane H2O eklenerek H denkliğide sağlanmış olur. 5N2O3 + 4MnO4

- + 2H+ 4Mn+2 +10NO3- + H2O Son kontrol O atomlarıyla yapılır. Sol tarafta (15 + 16 = 31) O atomu, sağ tarafta (30 + 1 =

31) O atomu olduğundan denkleştirme tamamlanır.

H3PO2 + Cr2O7-2 H3PO4 + Cr+3 tepkimesini yükseltgenme basamağı yöntemine göre asidik ortamda denkleştirerek pekiştirme yapalım. Öncelikle

her atomun yükseltgenme basamağı bulunur.

İndirgenen ve yükseltgenen maddeler belirlenerek önce bu atomların atom sayıları denkleştirilir ve tepkimeleri yazılır.

elde edilir. Buna göre elde edilen katsayılar tepkimenin katsayılarıdır. 3H3PO2 + 2Cr2O7

-2 3H3PO4 + 4Cr+3 Tepkimenin girenlerinin ve ürünlerinin yükleri 0 + 2(-2) 0 + 4 . (+3)-4 + 12 Yük denkliği için yükü (+1) olan H+ iyonundan 16 tanesini tepkimenin girenlerine ekleriz. 3H3PO2 + 2Cr2O7

-2+16 H+ 3H3PO4 + 4Cr+3 H atomu denkliği için de tepkimenin ürünler kısmına 8 tane H2O ekleriz. 3H3PO2 + 2Cr2O7

-2+16 H+ 3H3PO4 + 4Cr+3+8H2O tepkimesi elde edilir. Son kontrol için girenler tarafı O atomu = (6 + 14 = 20) sağlanmış olur. ürünler tarafı O atomu = (12 + 8 = 20) Bazik Ortamda Denkleştirme:

Bazik ortamdaki denkleştirmenin asidik ortamdaki denkleştirmeden tek farkı, H+ yerine OH- kullanılarak yük denkliğinin sağlanmasıdır. Asidik ortamdaki örneğe dönersek, a, b, c, d maddelerinden elde edilen tepkimeye göre

tepkimesinde yük denkliği için tepkimenin ürünler tarafına 2 tane OH- iyonu eklenmelidir. 5N2O3 + 4MnO4

- 4Mn+2 + 10NO3- + 2OH- Bozulan H atomu denkliği için de tepkimenin girenler tarafına 1 tane H2O eklenmelidir.Buna göre,

H2O + 5N2O3 + 4MnO4- 4Mn+2 + 10NO3

- + 2OH- tepkimesi elde edilir. S-2 + I2 SO4-2 + I- tepkimesini yükseltgenme basamağı yöntemine göre

denkleştirerek öğrendiklerimizi pekiştirelim. Öncelikle her element atomunun yükseltgenme basamağı bulunur.

indirgenen ve yükseltgenen maddeleri atom sayılarını öncelikle denkleştirerek indirgenme ve yükseltgenme tepkimelerini yazalım. İndirgenme : I2° + 2e- 2I- Yükseltgenme : S-2 S+6 + 8e- Iki tepkimenin ortak katı 8 dir.Birinci tepkimeyi 4 ile çarparak taraf tarafa toplarsak,

elde edilir. Katsayılan redoks tepkimesindeki katsayılar olarak kabul edersek, yük kontrolüne göre,

eşitliğin girenler tarafına 8 tane OH- eklenmelidir. 4I2 + S-2 + 8OH- 8I- + SO4

-2 elde edilir. H atomu için de ürünler tarafına 4 tane H2O eklenmelidir. Buna göre, 4I2 + S-2 + 8OH- 8I- + SO4

-2 +4 H2O elde edilir. Yarı Tepkime Yöntemi

Bu yöntemle ana denklem biri indirgenme diğeri de yükseltgenme olmak üzere iki yarı tepkimeye ayrılır. Bu iki tepkime denklemi ayrı ayrı denkleştirilir ve sonra elektronlar eşitlenerek taraf tarafa toplanır. Asidik Ortamda Denkleştirme

Yarı tepkime yönteminde element atomlarının yükseltgenme basamaklarını belirlemeden de denklem denkleştirilebilir. MnO4

- + Fe+2 Mn+2 + Fe+3 tepkimesini asidik ortamda yarı tepkime yöntemine göre denkleştirelim. a.İki yarı tepkimenin iskelet denklemi yazılır. MnO4

-Mn+2

Fe+2 Fe+3 b.O ve H dışındaki, (yarı tepkimelerde bulunan) atomlar eşitlenir. c.Oksijen atomları için uygun tarafa H20 eklenir. MnO4

- Mn+2 + 4H2O Fe+2 Fe+3 H atomları için uygun tarafa H+ eklenir.


4


MnO4- +8H+ Mn+2 + 4H2O

Fe+2 Fe+3 Yük kontrolü yapılarak her iki yarı tepkime için uygun tarafa elektronlar eklenir ve yarı tepkimeler eşit olacak şekilde uygun katsayıları çarpılarak taraf tarafa toplanır. Eğer elektron ürünler tarafında ise tepkime yükseltgenme, girenler tarafında ise indirgenme yarı tepkimesi olduğu anlaşılır. Buna göre,

elde edilir. Bazik Ortamda Denkleştirme

Bazik ortamlarda delikleştirebilmek için OH- iyonu kullanılır. H ve O atomlarını eşitlemek için uygun yere H2O eklenir. AIO2

- + NH3 AI + NO3- tepkimesini yarı tepkime yöntemine göre bazik ortamda denkleştirelim.

a.Yarı tepkime yöntemi kullanılarak denkleştirme yapılırken yükseltgenme basamaklarını bulmaya gerek yoktur. Ancak bu tepkimeyi birde yükseltgenme basamaklarını bularak denkleştirmeyi deneyelim.

b.İndirgenme ve yükseltgenme yarı tepkimelerinin iskelet denklemi yazılır. İndirgenme : AIO2

- Al

Yükseltgenme: NH3 NO3-

c.O ve H dışındaki (yarı tepkimelerde bulunan) atomlar eşitlenir. Her iki tepkimede de Al ve N atomları sayıları birbirine eşittir. d.Oksijen atomu eksik olan tarafa H2O eklenerek oksijen eşitliği sağlanır. İndirgenme : AIO2

- Al + 2H2O Yükseltgenme :3H2O + NH3 NO3

- e.H atomu eksik olan tarafa H sayısında H2O eklenirken ters tarafa OH- eklenerek H eşitliği sağlanır. . indirgenme: 4H2O +AlO2

- Al +2H2O + 4OH- Yükseltgenme 9OH- + 3H2O + NH3 NO3

- + 9H2O f.Yük kontrolü yapılır ve uygun yerlere elektronlar eklenerek yarı tepkimeler uygun katsayılarla çarpılır ve tepkimeler taraf tarafa toplanır.

elde edilir. Denkleştirme işlemi istenirse asidik ortamda olduğu gibi yapılır. Elde edilen denklemde her iki tarafa da H+ sayısı kadar OH- eklenir. Gerekiyorsa su katsayıları sadeleştirirlir. Elektrokimyasal Piller:

Elektrokimyasal piller, kendiliğinden gerçekleşen redoks tepkimeleriyle elektrik enerjisi üreten sistemlerdir. Galvanik ya da Volta pilleri olarak da adlandırılırlar. Anyon: (-) yüklü iyonlardır. Katyon: (+) yüklü iyonlardır. Elektrot: Yükseltgenme ya da indirgenmenin gerçekleştiği tel ya da levha halinde olan metal parçasıdır. Elektrolit: Elektrotun içine daldırıldığı sıvı. Anot: Yükseltgenmenin gerçekleştiği elektrottur. Katot: İndirgenmenin gerçekleştiği elektrottur. Standart Yarı Piller: Eğer bir yarı pil, 25 °C ve 1 atm basınç altında 1 M lık iyon çözeltisine daldırılmış bir metal elektrot içeriyorsa, bu tür yarı pillere standart yarı pil denir.

Böyle bir pil sisteminde;

dengesi vardır. Bir Elektrokimyasal Pilin Çalışma Prensibi yanda verilmiştir.

a. Eğer iki yarı pilin elektrotları, küçük bir ampulden geçen metal bir iletken ile birleştirilirse, yarı pillerdeki denge bozulmuş olur. b. Elektrotları birbirine bağlayan devreye dış devre denir. * Zn metali Cu metalinden daha aktif olduğundan,

tepkimeleri gerçekleşir. Çinko ve bakır elektrot ve bunların çözeltilerinin kullanıldığı pile aynı zamanda Daniell pili de denir. c. Yükseltgenme anotta gerçekleşir. d. İndirgenme katotta gerçekleşir. e. Anotta elektronlar üretildiği için anot (-) yüklüdür. f. Katot ise (+) yüklüdür. Dış devrede elektronlar anottan katoda doğru hareket ederler (- den + ya)

g. Yalnızca dış devre ile pil çalışmaz, devrenin tamamlanması gerekir. Bu nedenle tuz köprüsü kullanılır. h. Tuz köprüsü elektriksel nötralliği sağlayarak devreyi tamamlar ve pilin çalışmasını sağlar. i. Pil çalışırken, anotta Zn katisının kütlesi azalır, Zn iyon derişimi artar. Görüldüğü gibi anotta (+) yük yoğunluğu artacağından nötralliği sağlamak için tuz köprüsündeki (-) yüklü iyonlar (anyonlar) anot bölümüne geçer. j. Katotta Cu+2 iyonları elektronları alarak indirgendiklerinden II nolu kapta Cu kütlesi artar. Cu+2 derişimi azalır. Nötralliği sağlamak için tuz köprüsündeki (+) yüklü iyonlar (katyonlar) katoda geçerler. k. Tuz köprüsündeki anyonlar -» anoda, katyonlar -> katoda geçerler. l. Tuz köprüsündeki bu iyon hareketleri iç devre olarak adlandırılır.

net tepkimesi elde edilir.Herhangi bir elektrokimyasal pil;


5


Anot tepkimesi solda gösterilir. Katot tepkimesi sağda gösterilir. Tuz köprüsü || işareti ile gösterilir. Kısaca özetlerse

Yukarıda gösterimi verilen pili çizerek anot ve katot bölümlerini ve buralarda gerçekleşen tepkimeleri yazınız. Dış devreden geçen elektron yönünü gösteriniz. Pili çizmeden önce gösterimden sol tarafın anot sağ tarafın katot olduğunu hatırlayalım. Anotta yükseltgenme tepkimesi yani Al(k) Al+3

(suda) +3e- ve katotta indirgenme yani tepkesi 2H+

(suda) +2e- H2(g)gerçekleşir. Al Al+3 + 3e- tepkimesinde e- açığa çıkarak bu elektronlar H+ iyonunun H2(g) gazına indirgenmesini sağlar. Bu nedenle elektronlar dış devrede anottan katoda doğru gider.

STANDART ELEKTROT POTANSİYELLERİ Bir pilin voltajı ya da gerilimi, iki yan pil tepkimesinin elektron verme eğilimleri arasındaki farktır. Bir pilin gerilimi basınç, sıcaklık ve çözeltilerin derişimlerine bağlıdır. Pil gerilimleri 25 °C ve 1 atm basınçta, iyon derişimi 1 Moları çözeltiler kullanılarak ölçülürse, bu gerilimlere standart o pil gerilimleri denir, ve E0

pil şeklinde gösterilir. Tek bir yarı pilin gerilimini ölçmek imkansızdır. Bu nedenle seçilen bir yarı pilin standart gerilimi sıfır kabul edilir (referans elektrot) ve diğer yarı pil gerilimleri bu referansla karşılaştırılarak bulunabilir. Bu işlem için seçilen referans yarı pil standart hidrojen elektrotudur. (SHE). Tepkimeye girmeyen Pt elektrot (katalizör görevi yapar), 1 M H+ derişimine sahip bir asit çözeltisine 25 °C de batırılır, bu çözelti sürekli olarak 1 atm basınçta H2 gazı ile temas halinde

tutulur.Buna göre; denge olayı olur. Bu tepkimede H+ iyonunun indirgenme eğilimi ölçülmüş tür. E nin üzerindeki "0" standart koşullan belirtir. Çinko Yarı Pilinin Standart Elektrot Geriliminin Ölçülmesi E° nin indirgenmeye ait olduğunu göstermek için E°H+/H2 şeklinde de gösterilebilir. Hidrojen elementi referans elektrot kabul edilerek diğer elementlerin yükseltgenme ve indirgenme eğilimleri ölçülebilir.

Bu pilin çalışması sırasında; I. ölçülen pil gerilimi 0,76 V olmuştur. II. Çinko elektrotun kütlesi azalmıştır. III. H+ iyonları derişimi azalmıştır. Buna göre, anot ve katot tepkimeleri;

elde edilir. Bu pilin kısa gösterimi,

şeklindedir. Kullanılan maddelerde sıvı ya da gaz varsa, elektrotlar parantez içinde belirtilir. Pil potansiyeli E0

pil yükseltgenme ve indirgenme pil potansiyelleri toplanarak bulunur.

Bakır Yarı Pilinin Standart Elektron Geriliminin Bulunması

Bu pilin çalışması sırasında ise, i. ölçülen pil gerilimi 0,34 V tur. ii. Bakır elektrotun kütlesi artmıştır. iii. H+ iyonları derişimi artmıştır. Buna göre, yarı pil tepkimeleri;

Buna göre;

Aşağıdaki listede 25°C de bazı maddelerin standart İndirgenme potansiyelleri verilmiştir.


6


Pil Gerilimini Etkileyen Etmenler Derişim Etkisi

Zn(k) + Cu+2(suda) Zn+2 (suda) + Cu(k) tepkimesinin standart şartlarda E0

pil değeri 1,1 Volttur. İki tür arasındaki elektron alma ve verme eğilimleri arttıkça bu türlerin oluşturdukları pilin gerilimi (Epil) de artar. Yukandaki pil sisteminde başlangıçta elde edilen 1,1 V değeri zamanla azalır, çünkü redoks tepkimesi zamanla dengeye ulaşır. Pil tepkimesi dengeye ulaştığında pil potansiyeli sıfır olur ve pil çalışmaz. Epil = 0 olduğunda sistem dengededir ve pil çalışmaz. Standart pil potansiyelleri 25°C deki çözeltiler için 1 M derişim ve gazlar için 1 atm basınç değeriyle hesaplanırken, ortam koşulları değiştiğinde elektrot potansiyelleri Le Chatelier ilkesine göre hesaplanır. Le Chatelier ilkesine göre tepkimeye girenlerin derişiminin arttırılması tepkimeyi ürünler yönüne, ürünlerin derişiminin arttırılması da tepkimeyi girenler yönüne kaydırır.

Buna göre, boşalmış bir pili yeniden çalıştırabilmek için [Cu+2] derişimi artırılmalı ve [Zn+2] azaltılmalıdır. Bu etki Le Chatelier ilkesine göre dengeyi sağa kaydırır. Dengeyi sağa kaydıran etkiler pil potansiyelini artırır. Bir redoks tepkimesinin 25°C deki farklı derişimlerdeki pil potansiyeli (Epil) ile standart koşullardaki pil potansiyeli arasındaki ilişki Alman termodinamikçi W. Nernst tarafından bulunmuştur. Nernst denklemine göre

standart koşullarda olmayan pilin potansiyeli hesaplanabilir. (n: Yarı hücre tepkimesinde alınan ya da verilen elektron sayısı)

Sıcaklık Etkisi

Pil tepkimeleri dışarıya enerji verdiklerinden ekzotermiktir. Zn(k) + Cu+2 (suda) Zn+2 (suda) + Cu(k) + Enerji Buna göre;• Sıcaklık artınlırsa, denge sola kayar, pil gerilimi azalır. • Sıcaklık azaltılırsa, denge sağa kayar, pil gerilimi artar.

Basınç Etkisi

Basıncın pil gerilimine etkisi ancak gaz elektrotlarda gözlenir. örneğin; Zn(k) + 2H+(suda) Zn+2 (suda) + H2 (g) E0

pil = 0,76V pilinde H2 basıncının artırılması, dengenin sola kaymasını sağlar ve böylelikle pil gerilimi azalır.

Elektrot Yüzey Alanı Etkisi

Elektrotların yüzey alanını değiştirmek, pil gerilimini etkilemez.

denge tepkimesinde Le Chatelier ilkesine göre •X(k) miktarının artırılması dengeyi etkilemez. • [Y+] derişiminin artın İması dengeyi sağa kaydırır. • [X+] derişiminin artın İması dengeyi sola kaydırır. • Y(k) miktarının artırılması dengeyi etkilemez. • Pil tepkimeleri her zaman ekzotermik olduğundan sıcaklık arttırılırsa denge sola kayar.

Epil : 25°C de farklı derişimdeki pil gerilimi E0

pil : 25°C de standart koşullardaki pil gerilimi pil Kc : derişime bağlı denge sabiti n: yarı hücre tepkimesindeki alınan ya da verilen elektron sayısı.

Suyun Elektrolizi Saf suyun 1 atm basınç ve 25°C sıcaklık koşullarında H2(g) ve 02(g) şeklinde bileşenlerine ayrılması kendiliğinden gerçekleşmez, istemsizdir. 2H2O(s) 2H2(g| + O2(g) E0

tepkime: -1,23 V tepkimesinin gerçekleşebilmesi için dışarıdan enerji verilmesi gerekir. Suyun elektrolizi işleminde Hoffman voltametresi kullanılır. Saf suyun elektrolizi çok yavaş gerçekleştiğinden, tepkimeyi hızlandırmak için H2SO4, NaOH gibi iyon oluşturarak elektrik iletkenliğini artıran, ancak değişime uğramayan çözeltiler kullanılabilir. Saf suyun elektrolizinde anot ve katotta gerçekleşen tepkimeler aşağıdaki gibidir. Anot: 2H2O(s) O2(g) + 4H+

(suda) + 4e- E° = -1,23 V Katot: 4H+(Suda) + 4e- 2H2(g) E° = 0 V Toplam: 2H2O(s) 2H2(g) + O2(g) E° = -1,23 V Görüldüğü gibi saf suyun elektrolizi sonucunda elde edilen hidrojen ve oksijen gazlarının hacimleri birbirine eşit değildir. Görüldüğü gibi saf suyun elektrolizi sonucunda elde edilen hidrojen ve oksijen gazlarının hacimleri birbirine eşit değildir.

Aşağıdaki örneği birlikte çözelim Suyun elektrolizi sonucunda anotta NK da 2,8 L gaz toplanıyor. Buna göre, Katotta toplanan gazın türünü ve hacmini bulunuz. Suyun elektrolizinde Katotta: 4H+ + 4e- 2H2(g) Anotta: 2H2O 4H+ + O2(g) + 4e- tepkimeleri gerçekleşir. Oluşan H2 gazının hacmi O2 gazının hacminin 2 katıdır. Buna göre Anotta VQ2 = 2,8 L Katotta VH = 5,6 L olur.

Sulu Çözeltilerin Elektrolizi Sulu çözeltilere elektroliz uygulandığı zaman ortamda tuzdan gelen iyonların yanı sıra çözücü olan suda yükseltgenme ve indirgenme de yer alır.Genel olarak ortamda bulunan maddelerden indirgenme gerilimi yüksek olan katotta, yükseltgenme gerilimi büyük olan madde ise anotta açığa çıkar. Sulu NaCI çözeltisini ele alırsak

tepkimelerinin gerçekleşmesi olasıdır.


7


Yükseltgenme ve indirgenme gerilimlerine bakarsak katotta, H2 gazı ve anotta O2 gazı açığa çıkması gerekir. Ancak endüstriyel uygulamalarda anotta O2 yerine genelde Cl2 gazı açığa çıkar. Bunun birkaç nedeni vardır. Genellikle çözeltiler derişik olduğundan Cl- iyon derişimi fazla olur. Ayrıca endüstriyel uygulamalarda elektrot direncinin önüne geçmek için yüksek voltaj uygulanır. O halde Naci'nin sulu çözeltisinde katotta H2 elde edilirken anotta Cl2 açığa çıkar. Elektroliz sırasında maddelerin yükseltgenme ve indirgenme gerilimleri verilmediği zaman, aşağıda verilen kurallara göre anot ve katot tepkimeleri belirlenir 1. Anot ve katotta pasif element önce açığa çıkar. (Aktiflik metallerde e- verme, ametallerde ise e- almalıdır.) 2. Poliatomik iyonlar (NO3

-, SO4-2 PO4

-3) yükseltgenmezler. Bunların yerine O2 gazı oluşur. 3. F- iyonu hiç bir zaman yükseltgenmez. Onun yerine O2 gazı oluşur. 4. Sulu çözeltilerde I- , Br- , Cl- iyonları varsa öncelikle bunlar açığa çıkar. 5. Aktif metaller açığa çıkmazlar. Soy metaller varsa H2 den önce bunlar açığa çıkar, örneğin, Cu, Ag gibi metaller varken Na, K gibi metaller indirgenmezler.

Verilenleri aşağıdaki örnek üzerinde açıklayalım:

Şekildeki elektroliz kabında platin (Pt) elektrotlar kullanı larak Na2SO4 çözeltisi elektroliz ediliyor. Buna göre (-) ve (+) elektrotlarda sırası ile aşağıda- kilerden hangisinin açığa çıkması beklenir? (Elektron verme istekleri: Na > H > O-2 > SO4

-2)

Elektroliz kabında bulunan {+) ve (-) yüklü iyonlanmız. (+) yüklü iyonlar: Na+,H+ (-) yüklü iyonlar: O-2, SO4

-2

e- verme istekleri: Na > H > O-2 > SO4-

2olduğuna göre, (-) elektrotta yani katotta e~ alıp indirgenme olacağından H+ nın elektron alma isteği daha büyük olduğundan 2 H+ + 2e- H2(g) elde edilir. (+) elektrotta yani anotta e- verip yükseltgenme olacağından O-2 nin elektron verme isteği daha büyük olduğundan 4OH-

O2(g) + 2H2O + 4e- elde edilir.

Elektrolizin Nicel İncelenmesi (Faraday Yasası) Michael Faraday, 1833 yılında elektroliz ile ilgili iki tane yasa belirlemiştir. Faraday’ın I. elektroliz kanununa göre; Elektrolizde anot ve katotta açığa çıkan madde miktarları devreden geçen elektrik yükü miktarı ile doğru orantılıdır. Faraday’ın II. elektroliz kanununa göre: "Aynı miktarda elektrik yükü geçen farklı elektrolitlerin elektrolizi sırasında her bir hücre elektrotlarında, elde edilen madde miktarları bu maddelerin eşdeğer kütleleriyle doğru orantılıdır.Devreden 1 mol elektronun yükü geçince 1 eşdeğer gram madde açığa çıkar. Bir maddenin atom kütlesinin değerliğine oranı eşdeğer kütleyi verir. 1 mol elektronun yükü 1 faradaylık yüktür ve 96500 coulomb elektrik yüküdür. 1 mol elektron = 1F=96500 coulomb Q=l.t Eşitliği kullanılarak da devreden geçen toplam elektrik yük miktarı bulunabilir.Q: yük miktarı, birimi coulomb I: akım şiddeti, birimi amper t: zaman, birimi saniye Verilen bilgileri aşağıdaki örnekle açıklayalım.

Şekildeki elektroliz kabında erimiş AlF3 sıvısı 4A lik akım ile 2 saat süre ile elektroliz ediliyor.Buna göre anot ve katotta toplanan maddelerin türü ve mol sayılarını hesaplayınız. Elektroliz kabının katot ve anot bölümlerinde gerçekle şen tepkimeleri şöyledir: Katot: Al+3 + 3e- Al(k) Anot: 2F- F2 + 2 e- Q = I . t ise Q = 4A . (2 .6 0 .60)sn = 28800 coulomb

Endüstriyel Elektroliz Uygulamaları

Elektroliz endüstride birçok alanda kullanılır. Bunlardan öne çıkanlar, korozyon, kaplamacılık, metallerin saflaştırılması ve elementlerin eldesi olarak ifade edilebilir.

Korozyon

Elektrokimyasal işlemler sonucu metallerin aşınmasına korozyon denir. Demirin paslanması, gümüşün kararması korozyona örnektir. Demirin paslanmasında hem yükseltgenme hem de indirgenmenin olması için ortamda oksijen ve suyun bulunması gerekir. Demirin bir kısmı anot olarak davranır ve bu bölümde Fe(k) Fe+2

(suda) + 2e- tepkimesi gerçekleşir. Metalin diğer bir kısmında ise havadaki oksijen indirgenir, bu bölümde katot olarak ifade edilir. O2(g) + 4H+

(suda) + 4e-2H2O(s)

Toplu tepkime 2Fe(k) + O2(g) + 4H+ (suda) 2Fe+2

(suda) + 2H2O(s) ve tepkime potansiyeli E0

cell =1,67 volttur. Tepkime istemlidir, tuzlu su gibi ortamlarda daha hızlı gerçekleşir.

Oluşan Fe+2 iyonu asidik ortamda tekrar oksijen ile tepkime vererek Fe2O3 (pas) oluşturur. Korozyonun önlenebilmesi için, metalin nemden ve oksijenden uzak tutulması gerekir. Bunun için genellikle metaller boyanır. Boru hattı yeraltı su ve yakıt depoları gibi sistemlerde korozyonun önlenmesi için daha aktif bir elektrot kurban elektrot olarak kullanılır. Bu sayede demir yerine sisteme bağ lanan Mg gibi kurban elektrotlar aşınır.

Al+3 + 3e- Al(k) 2F- F2 + 2 e-

3mol e- 1mol Al 1mol F2 2mol e-

0,3mol e- 0,1mol Al 0,15mol F2 0,3mol e-


8


Kaplamacılık

Metalleri korozyandan korumak ve iyi bir görünüme sahip olmalarını sağlamak için metallerin yüzeyi korozyona dayanıklı başka bir metal ile kaplanabilir. Kapalama yapılacak metal katot olarak, kaplama yapılacak metalin çözeltisi içerisine daldırılır. Anot olarak genelde çözeltideki kaplama için kullanılan iyonun metali kullanılır. Şekilde bir kaşık nikel ile kaplanmaktadır. Katotta metal +2 kaşık, anotta nikel metal vardır ve Ni çözeltisi içerisine anot ve katot yerleştirilmiştir. Kapı kolları, musluk ve bataryalar, birçok araba aksesuarı korozyana karşı nikel, krom gibi metallerle kaplanır. Metalin ne kadar kaplanacağı devreden geçen akımın ve sürenin ayarlanması ile sağlanır. Ayrıca kaplamanın homojen olması ve yüzeyde yanık oluşmaması için çözelti veya kaplanacak parça işlem boyunca hareket ettirilir.

Metallerin Saflaştırılması

Bakır gibi metaller elde edildiklerinde genellikle çinko, demir gibi bazı metalleri barındırırlar. Safsızlığa neden olan bu metaller elektroliz ile ayrıştırılır. Şekildeki düzenekte bakırın saflık derecesi %99,5 üzerine kadar çıkarılır. Burada anotta saf olmayan külçe ayrışırken katotta saf bakır toplanır. Anot: Cu(k) Cu+2

(suda) + 2e- Katot: Cu+2

(suda) + 2e- Cu(k)+2

Safsızlığa neden olan Fe, Zn, Au, Ag gibi maddeler Cu iyonuna göre daha zor indirgendiğinden çözelti içerisinde iyon olarak veya elektrot üzerinde metal olarak kalırlar.

Metal Eldesi

Alüminyum gibi bazı elementler cevherlerinden elde edilirken öncelikle çözeltide iyon halinde elde edilirler. Bu iyonların katı metale dönüşmesi için uygun koşullarda indirgenmesi gerekir. Bunun için de elektroliz işlemi uygulanır.Örneğin alüminyum eldesi sırasında çözelti elektroliz edilirse Anot: 2O-2 O2 + 4e- Katot: Al+3 + 3e- Al tepkimesi sonucu alüminyum metali ve oksijen gazı elde edilir.Elde edilen alüminyum miktarı devreden geçen akımla doğru orantılıdır. Metal eldesi, saflaştırılması, sudan hidrojen eldesi yanı sıra önemli bir elektroliz uygulaması da endüstriyel NaOH üretimidir. NaOH üretimi gerçekte sulu NaCI çözeltisinin özel bir elektroliz kabında elektrolizinden başka bir şey değildir. Bu sistemde anotta Cl2 gazı ve katotta H2 gazı açığa çıkarken NaOH çözeltisi başka bir kaba alınarak buharlaştırılır. Böylece katı NaOH elde edilir.

Kuru Pil, Akümülatör Ve Lityum Pilleri

Sulu çözeltiler yerine farklı maddeler kullanılarak elde edilen pillere kuru piller denir. En çok bilinen kuru pil Leclanche pili de denen çinko pilidir.

Bu pillerden sonra bazik ortamda tepkimelerin gerçekleştiği bu nedenle de alkali pil denen pillerin kullanımı yoğunlaşmıştır, alkali pillerin anodunda çinko tozu, katodunda ise mangan dioksit (MnO2) bulunmaktadır. Elektroliti pelteleştirmek için bir selüloz türevi kullanılır. Elektrolit, potasyum hidroksittir. Alkali piller, aktif katot maddesi olarak civa oksit (HgO) veya gümüş oksit (Ag2O) gibi maddeleri de kullanılır. Bu pillerde tepkimeler tersinir olmadığından, piller şarj edilemez. Pillerin şarj edilmesi için tepkimelerin tersinir olması gerekir.

Aküler

Akümülatörlerde birbirine seri bağlı 6 tane hücre bulunur. Her hücre 2 volt gerilim üretir. Plakalar arasında elektrolit olarak derişik sülfürik asit çözeltisi kullanılır. Bir akümülatördeki negatif plakaların sayısı pozitif plakaların sayısından bir fazladır. Plakalardaki aktif madde kurşun-antimon alaşımından yapılan ızgara şeklindeki kafeslere doldurulur. Dolu aküyü kullandıkça deşarj başlar.

Deşarj sırasında çözeltideki sülfat iyonu negatif yükünü kurşun levhaya vererek kurşunla birleşir ve kurşun sülfat (PbSO4) meydana gelir. Diğer yanda ise yine sülfat iyonu Kurşun (IV) oksit ile etkileşime girerek kurşun sülfat ve su oluşturur. Böylece her iki plakada kurşun sülfata dönüşür. Akü dış devreye akım vermeye her iki levha kurşun sülfata dönüşünceye kadar devam eder. Her iki plakada tamamen kurşun sülfata dönüşünce, levhalar arası potansiyel farkı sıfır olur ve akü biter. Akünün deşarj olması sırasında: 1. Elektrolitteki asit yoğunluğu zayıflar. Bu akü potansiyelini düşürür. 2. Plakaların aktif maddeleri, kurşun (IV) oksit ve kurşun, kurşun sülfata dönüşürler

3. Akü boşaldıkça akünün iç direnci büyür, potansiyeli düşer. Akünün dolması (şarj olması) sırasında ise anot ve katot tepkimeleri ters yönde gerçekleşir ve yukarıda belirtilen süreç ters yönde ilerler

Lityum İyon Pilleri (Li-ION):

Lityum iyon pilin temel ilkesi şudur: Dolma ve boşalma işlemi, temelde yalnızca lityum iyonların iki elektrot arasındaki transferi aracılığıyla gerçekleşir. Pil dolarken lityum iyonlar karbondan yapılmış grafit bir katmana transfer edilir. Boşalma sırasında iyonlar geri gider. İyonların geçişi elektron akışını kontrol eden elektromanyetik bir güç yaratır. Lityum iyon pillerde, artı uç lityum metal oksitten ve eksi uç karbondan yapılmıştır. Bu piller aynı zamanda bir elektronik devre içerir. Böylece pillerin ne kadarının dolu olduğu ne kadarının boş olduğu kaydı sürekli tutulduğundan tamamen boşalmadan da bu piller tekrar şarj edilebilir. Ancak pilin kullanım ömrü üretim tarihinden itibaren başlar. Li-ion piller hafiftir. Cep telefonları, tabletler ve bilgisayarların çoğunluğu artık li-ion pil kullanmaktadır. Anot: Li Li+ + e- Katot: Li+ + CoO2 + e- LiCoO2

KİMYA VE ELEKTRİK KONU ANLATIMI°MYA... · 2017-05-13 · KİMYA VE ELEKTRİK KONU ANLATIMI 2...

Documents

Transcript of KİMYA VE ELEKTRİK KONU ANLATIMI°MYA... · 2017-05-13 · KİMYA VE ELEKTRİK KONU ANLATIMI 2...