KMnO4
1+ 7 + 4(-2) = 0
+1 +7 -2
H2SO3
2.1 + 5 + 3(-2) = 0
+1 +5 -2
NH4+
-3 + 4.1 = +1
-3 +1
HPO42-
+1 + 5 + 4(-2)= -2
+1 +5 -2
İNDİRGENME - YÜKSELTGENME TEPKİMELERİNDE ELEKTRİK AKIMI İNDİRGENME ve YÜKSELTGENME (REDOKS) TEPKİMELERİ
Elektron alışverişi sonucu atomun yükseltgenme basamağının değiştiği tepkimelere indirgenme-yükseltgenme (redoks) tepkimeleri denir. Bir atom ya da iyonun e- almasıyla gerçekleşen olaya indirgenme, e- vermesiyle gerçekleşen olaya yükseltgenme denir.
Yükseltgenme ve indirgenme tepkimeleri yarı tepkimelerle gösterilir.
2H+(suda) + 2e- H2(g) 0 İndirgenme yarı tepkimesi: H+ iyonu e- alarak indirgenmiştir.
Zn0(suda) Zn2+(k) + 2e- Yükseltgenme yarı tepkimesi: Zn0 e- verip yükseltgenmiştir.
Yanma, elektroliz, metallerin asitlerle tepkimeleri gibi birçok tepkime indirgenme-yükseltgenme tepkimesidir.
Tepkimelerde elektron alarak indirgenen taneciklere yükseltgen, elektron vererek yükseltgenen taneciklere indirgen denir O2, KMnO4, H2SO4, HNO3 ve H2O2 yaygın kullanılan yükseltgenler arasındadır.
İndirgen ve Yükseltgen Madde
H2 ve SO2 maddeleri yaygın kullanılan indirgenler arasındadır.
2Ag0(k) + 2H2SO4(suda) Ag2SO4(suda) + SO2(g) + 2H2O(s) +
CO2(g) + H2(g) CH4(g) + H2O(s)
+4 - 4
Tepkimede H2SO4 Ag atomunu Ag+ iyonuna yükseltger. H2SO4 yükseltgen, Ag ise indirgendir.
Tepkimede H2 gazı C atomunu +4’ten -4’e indirgemiştir. H2 gazı indirgen,CO2 ise indirgendir.
YÜKSELTGENME BASAMAKLARI
Tepkime İndirgen Yükseltgen
Ca(k) + Ag+(suda) Ca2+(suda) + Ag(k)
FeCl2(k) + H2O2(s) + HCl(suda) 2FeCl3(k) + 2H2O(s)
C(k) + O2(g) CO2(g)
Ca Ag
C O2
FeCl2 H2O2
Bir taneciğin sahip olduğu yüke yükseltgenme basamağı denir.
KURALLAR Elementler
1A ve 2A Grubu Metalleri Mg0, H20, Fe0, C0...
1A Grubu (+1): Li+, Na+, K+... 2A Grubu (+2): Be2+, Mg2+, Ca2+...
Ametallerle bileşiklerinde (+1): H2O, CH4+ + , HCl ...+ Metallerle bileşiklerinde (-1): NaH, MgH2- - ...
Elementlerin yükseltgenme basamağı sıfırdır.
Hidrojen
Oksit bileşiklerinde (-2): H2O, CO2-2 , MgO ...
Peroksit bileşiklerinde (-1): Na2O2, MgO2, H2O2- - ...
Oksijen
-2 -2
- F ile yaptığı bileşikte (+2): OF2+2
Flor
Bütün bileşiklerinde -1 yükseltgenme basamağına sahiptir.
HF, CF4, CaF2...- - -
Atomların yükseltgenme basamakları toplamı bileşiklerde sıfıra, köklerde ise kökün yüküne eşittir.
Katyonlar Anyonlar
H+ Li+ Na+
K+ Ag+ Cu+ NH4+
Be2+
Mg2+
Ca2+
Sr2+
Ba2+
Cu2+
Fe2+
Zn2+
Hg2+
Ni2+
Cd2+
Mn2+
Al3+
Cr3+
Fe3+
As3+
Sb3+
Bi3+
Sn4+
Pb4+
Mn4+
F- Cl- Br- I- OH- NO3-
CN- ClO- ClO2- ClO3- ClO4- MnO4-
O2- S2-
SO42- SO32- CO32- CrO42- Cr2O72- MnO42- S2-
P3- N3- PO43- Bazı Anyon ve Katyonların Yükseltgenme Basamakları
REDOKS TEPKİMELERİNİN DENKLEŞTİRLMESİ
Yükseltgenme basamağı değişen elementler belirlenir.
Alınan verilen elektron sayıları belirlenir.
Alınan verilen elektronlar uygun katsayılarla eşitlenir.
Kullanılan sayılar elementin ait olduğu maddenin önüne yazılır.
Yükseltgenme basamağı değişmeyen elementler uygun katsayılarla denkleştirilir.
1.
2.3.
4.
5.
ÖRNEK
Yukarıdaki redoks tepkimesini denkleştirelim.
P + HNO3 + H2O H3PO4 + NO
P0 + HNO3 + H2O H3PO4 + NO ÇÖZÜM
+5 +5 +2+2
3 x 5e- vermiş 5 x 3e- almış
Katsayılar tepkimedeki bileşenlerin önüne yazılır.
3P + 5HNO3 + H2O 3H3PO4 + 5NO
Son olarak redoksa katılmayan bileşen (H2O) denkleştirilir.
3P + 5HNO3 + 2H2O 3H3PO4 + 5NO
C + H2SO4 CO2 + SO2 + H2O
NaOH + NaNO3 + Zn NH3 + Na2ZnO2 + H2O Aşağıdaki tepkimeleri denkleştiriniz.
ELEKTRİK ENERJİSİ ve İSTEMLİLİK
Bulunduğu ortamda kendiliğinden gerçekleşen tepkimelere istemli tepkime, kendiliğinden gerçekleşmeyen tepkimelere istemsiz tepkime denir. İstemli tepkimeler sadece başlarken enerjiye ihtiyaç duyarken istemsiz tepkimelerde tepkimenin tamamlanması için sürekli enerji verilmesi gerekir.
Elektrokimyasal pillerde tepkimeler istemli gerçekleşirken, elektroliz olayında tepkimeler istemsizdir. Elektrolizin gerçekleştiği hücreye elektrolitik hücre denir.
Örneğin, suyun elementlerinden oluşumu istemli bir tepkime iken, suyun elementlerine ayrışması yani elektroliz istemsiz bir olaydır.
Aynı zamanda Daniell Pili adı verilen Zn-Cu elektrokimyasal pili de istemli tepkimenin olduğu bir düzenektir.
V
Tuz köprüsü KNO3(suda)
Zn elektrot
Pamuk
25 ºC 1M ZnSO4(suda) 25 ºC 1M CuSO4(suda)
Cu elektrot
Daniell Pili
Tuz köprüsü KNO3(suda)
Fe elektrot
Pamuk
25 ºC 1M FeSO4(suda) 25 ºC 1M SnSO4(suda)
Sn elektrot
Elektrolitik hücre
Pil
notb
udur
.com
V ELEKTROTLAR ve ELEKTROKİMYASAL HÜCRELER
ELEKTROT, ELEKTROLİT ve YARI HÜCRELER
Elektrolit: Redoks tepkimelerinin gerçekleştiği çözeltilerdir.
Elektrot: Elektrolit içine batırılan iletken metal çubuklara denir.
Yarı Hücre: Elektrot ve elektrolitten oluşan sisteme denir.
Anot Yarı Hücresi: Yükseltgenmenin gerçekleştiği yarı hücredir.
Anot Elektrot: Yükseltgenmenin gerçekleştiği hücrenin içindeki elektrottur.
Katot Yarı Hücresi: İndirgenmenin gerçekleştiği yarı hücredir.
Katot Elektrot: İndirgenmenin gerçekleştiği hücrenin içindeki elektrottur.
Tuz Köprüsü: Yarı hücrelerdeki yük denkliğinin sağlanması için kullanılan ters u şeklindeki borudur.
Tuz köprüsünde anyonlar anot yarı hücresine, katyonlar katot yarı hücresine yönlenir. Tuz köprüsü devreyi tamamlar, yük denkliği sağlar.
V
Tuz köprüsü KNO3(suda)
Elektrot
Pamuk
Elektrot İletken tel
Elektrolit Elektrolit
Elektrotla elektrolit arasında iki tür tepkime gerçekleşebilir:
ELEKTROKİMYASAL PİL
Kimyasal tepkimeler sonucu elektrik enerjisi üreten sisteme elektrokimyasal pil (galvanik hücre) denir.
Elektrokimyasal pil iki yarı hücre ve içine daldırılmış elektrotlar, iletken tel ve tuz köprüsünden oluşur.
V
Tuz köprüsü KNO3(suda)
Zn (Anot)
Pamuk
Cu (Katot) e-e- e- e- e-
e-
NO3- K+
Zn2+
SO42- Cu2+
SO42- 25 ºC 1M ZnSO4(suda) 25 ºC 1M CuSO4(suda)
Anot Yarı Hücresi
Yükseltgenme tepkimesi gerçekleşir. Zn katısı elektron vererek katyon haline geçer.
Zn(k) Zn2+(suda) + 2e- Katot Yarı Hücresi
İndirgenme tepkimesi gerçekleşir. Cu2+
elektron alarak anyon haline geçer.
Cu2+(suda) + 2e- Cu(k) Anotta; Zn elektrot kütlesi azalır, katyon (Zn2+) derişimi artar. Katotta; katyon(Cu2+) derişimi azalır, elektrot kütlesi artar.
Elektrokimyasal pilde anot ve katot yarı hücresinin özellikleri, bu hücrelerde gerçekleşen olaylar ve pil tepkimesi aşağıdaki gibidir.
Anot Yarı Hücresi Katot Yarı Hücresi
Tuz köprüsünde anyonlar anot yarı hücresine geçer.
İşareti negatiftir (-).
Yükseltgenme gerçekleşir.
Elektrot kütlesi zamanla azalır.
Elektrolitte katyon derişimi zamanla artar.
Dış devrede elektron akışı anottan katota doğrudur.
Tuz köprüsünde katyonlar katot yarı hücresine geçer.
İşareti pozitiftir (+).
İndirgenme gerçekleşir.
Elektrot kütlesi zamanla artar.
Elektrolitte katyon derişimi zamanla azalır.
Elektrik akımı katottan anota doğrudur.
Pil Tepkimesi
Yarı hücrelerdeki tepkimeler taraf tarafa toplanır ve pil tepkimesi elde edilir.
Zn(k) Zn2+(suda) + 2e- Cu2+(suda) + 2e- Cu(k) Anot yarı tepkimesi:
Katot yarı tepkimesi:
Zn(k) + Cu2+(suda) Zn2+(suda) + Cu(k)
Pil tepkimesi:
Pil Şeması
Anot sol tarafa, katot sağ tarafa yazılır. Faz sınırı “/” sembolüyle, tuz köprüsü ise “//” sembolüyle gösterilir. Zn-Cu Elektrokimyasal pilinin şematik gösterimi aşağıdaki gibidir:
Zn / Zn2+(1M)// Cu2+(1M)/ Cu(k)
Anot Katot
Tuz köprüsü
ELEKTROT POTANSİYELLERİ
Standart hidrojen elektrotta hidrojen yarı hücresinde elektrot olarak elektrolitle tepkime vermeyen Pt ve Au gibi soy metaller kullanılır. Tepkimeye girme isteği çok düşük olan bu tür elektrotlara inert elektrot denir.
STANDART YARI HÜCRE İNDİRGENME POTANSİYELLERİ
Standart koşullarda (25 ºC sıcaklık ve 1 atm basınç) yarı hücrenin indirgenme eğilimine standart elektrot potansiyeli denir. Eº ile gösterilir.
Standart koşullarda bir pilin anot ve katot yarı hücre potansiyellerinin toplamı pil potansiyelini verir.
Epil 0=Eyük 0 + Eind 0
Zn-Cu pilinde net pil tepkimesi ve Epil 0: Zn(k) Zn2+(suda) + 2e- Cu2+(suda) + 2e- Cu(k) Anotta:
Katotta:
Zn(k) + Cu2+(suda) Zn2+(suda) + Cu(k)
Pil tepkimesi:
Eyük : + 0,763 V Eind : + 0,337 V
0 0
Epil0 : + 1,100 V Standart elektrot potansiyeli yerine voltaj ya da standart indirgenme potansiyeli de denir.
STANDART HİDROJEN ELEKTRODU (SHE)
Standart Hidrojen Elektrodu (SHE) referans elektrottur ve indirgenme potansiyeli sıfır kabul edilir. Diğer bütün elektrot potansiyelleri referans elektrot olan SHE’ye göre hesaplanır.
SHE standart şartlarda 1 M'lık HCl çözeltisine daldırılmış platin tel üzerine 1 atm basınç yapan H2 gazının gönderilmesiyle hazırlanan elektrottur.
Elektrottaki metal atomları elektron vererek yükseltgenir ve katyon halinde çözeltiye geçebilir.
Çözeltideki metal katyonları elektron alarak indirgenir ve elektrot yüzeyinde katı hâlde birikebilir.
1.
2.
H+
Gaz çıkışı Platin tel
Cl-
H2 gazı içeren cam tüp Pt(k) elektrot 25 ºC 1M HCl(suda)
SHE'de gerçekleşen yarı tepkimeler:
Yükseltgenme: H2(g) 2H+(suda) + 2e- İndirgenme: 2H+(suda) + 2e- H2(g)
Eyük0 : 0,00 V Eind0 : 0,00 V SHE'de elektrot olarak kullanılacak madde:
Katı, İletken, İnert (tepkime vermeyen) olmalıdır.
SHE potansiyeli sıcaklık, hidrojen gazının basıncı ve çözeltinin derişimine bağlıdır.
SHE kullanılarak elementlerin standart indirgenme potansiyelleri bulunur.
Cl- 25 ºC 1M HCl(suda)
Tuz köprüsü KNO3(suda) Cu
H+ 25 ºC 1M CuCl2(suda)
H2(g)
Anot: H2(g) 2H+(suda) + 2e- Katot: Cu2+(suda) + 2e- Cu(k)
Eyük0 : 0,00 V Eind0 : ? V Pil Tep: Cu2+(suda) + H2(g) 2H+(suda) + Cu(k)
Epil0 : 0,037 V
Bir yarı tepkime ters çevrilirse elektrot potansiyelinin işareti değişir, E0 değeri değişmez.
Cu2+(suda) + 2e- Cu(k) Eind0: + 0,037 V Cu(k) Cu2+(suda) + 2e- Eyük0: - 0,037 V
Voltmetrede okunan değer 0,337 V’tur. Bu değer pilin ve aynı zamanda Cu elementinin standart potansiyelidir.
Yarı tepkimelerde katsayıların herhangi bir sayı ile çarpılması E0 değerini değiştirmez.
notb
udur
.com
METALLERİN AKTİFLİĞİ
Metallerin elektron verme eğilimine metalik aktiflik, ametallerin elektron alma eğilimine ise ametalik aktiflik denir.
Metalik aktifliği yüksek olan metallerin yükseltgenme potansiyelleri yüksektir. Aynı şekilde metalik aktifliği düşük olan metallerin yükseltgenme potansiyelleri düşüktür.
Fe, Na, H2, Ag, Au elementlerinin yükseltgenme potansiyelleri ile aktifliklerini karşılaştıralım.
EFe/Fe2+ ENa/Na+ EH2/H+ EAg/Ag+
EHg/Hg2+
= + 0,440 V
= + 2,714 V
= 0,00 V
= - 0,799 V
= - 0,850 V
Yükseltgenme potansiyeli en yüksek olduğundan aralarında aktifliği en fazla olan Na metalidir.
Yükseltgenme potansiyeli en küçük olduğundan aralarında aktifliği en az olan Hg metalidir.
Elementlerin aktiflik sırası: Na > Fe > H2 > Ag > Hg
Metalik aktifliği yüksek olan metallerin indirgenme potansiyelleri düşüktür. Aynı şekilde metalik aktifliği düşük olan metallerin indirgenme potansiyelleri yüksektir.
Zn, Cu, H2 , Ag, Hg elementlerinin indirgenme potansiyelleri ile aktifliklerini karşılaştıralım.
EZn2+/Zn ECa2+/Ca EH+/H2 EAg+/Ag
EHg2+/Hg
= - 0,763 V
= - 2,886 V
= 0,00 V
= + 0,799 V
= + 0,850 V
İndirgenme potansiyeli en düşük olduğundan aralarında aktifliği en yüksek olan Ca metalidir.
İndirgenme potansiyeli en büyük olduğundan aralarında aktifliği en az olan Hg metalidir.
Elementlerin aktiflik sırası: Ca > Zn > H2 > Ag > Hg
Aktif Metal ve Pasif Metal
Standart indirgenme potansiyeli negatif olan metal aktif metal, pozitif olan metal ise pasif metal olarak tanımlanır.
E0ind > 0 ise pasif metal E0ind < 0 ise aktif metal
E0yük < 0 ise pasif metal E0yük > 0 ise aktif metal veya
Metal Çubuğun Aşındığı Durumlar
Kendinden daha az aktif olan metalin tuz çözeltisine
bırakıldığında yükseltgenir ve aşınır. Böyle tepkimeler istemlidir.
Kendinden daha aktif metal iyonu çözeltisine bırakıldığında kendiliğinden tepkime oluşmaz. Bu tepkimeler istemsizdir.
Asitlerle tepkime vererek aşınır ve H gazı çıkışına sebep olur.
Standart indirgenme potansiyeli negatif olan metal:
Bir metal çubuk kendinden daha az aktif olan metalin tuz çözeltisine bırakıldığında yükseltgenir ve aşınır. Böyle tepkimeler istemlidir.
Al çubuk
EAl3+/Al = -1,662 V ECu+/Cu = +0,521 V CuCl çözeltisi
Cu+Cl-
Al metalinin indirgenme potansiyeli, Cu metalinden daha küçük olduğundan Al metali daha aktiftir.
Al metali Cu karşısında yükseltgenir ve aşınır. Cu iyonları ise indirgenir ve oluşan metalik Cu(k), Al çubuğun etrafını sarar. İndirgenme ve yükseltgenme yarı tepkimeleri aşağıdaki gibidir.
Al(k) Al3+(suda) + 3e- Cu+(suda) + e- Cu(k)
Metal Çubuğun Aşınmadığı Durumlar
Bir metal çubuk kendinden daha aktif olan metalin tuz çözeltisine bırakıldığında kapta herhangi bir değişim olmaz. Metal çubuk aşınmaz.
Ag çubuk
EZn2+/Zn = - 0,763 V EAg+/Cu = + 0,699 V ZnCl2 çözeltisi
Zn+Cl-
Ag’nin indirgenme potansiyeli, Zn’den daha büyük olduğundan Ag’nin aktifliği Zn’den daha azdır. Bu durumda tepkime olmaz. Ag çubuk aşınmaz. Ancak dışarıdan enerji verildiğinde tepkime gerçekleşebilir.
Tepkime istemsizdir.
Metal – Asit Tepkimelerinde Gaz Çıkışı
İndirgenme potansiyeli negatif olan metaller (aktif metaller);
Asitlerle tepkimeye girerek H2 gazı açığa çıkarırlar.
İndirgenme potansiyelleri pozitif olan metaller (pasif metaller);
Yalnızca oksijenli asitlerle tepkime verir ve H2 gazı yerine tepkimeye giren asidin türüne ve derişimine göre NO2, NO, SO2 gibi gazlar çıkarır.
Aktiflik sırası: Na > Fe > H2 > Ag > Cu şeklinde olan elementleri inceleyelim;
Na ve Fe metalleri H2 den daha yüksek potansiyele sahip olduğundan daha aktiftir ve asitlerle tepkimesinde H2 gazı çıkarır.
Ag ve Hg metalleri ise H2 den daha düşük potansiyele sahip olduğundan daha pasiftir ve yalnızca oksijenli asitlerle tepkimesinde NO2, NO, SO2 gibi gazlar çıkarır.
Na ya da Fe çubuk
HCl çözeltisi
H+ Cl-
HCl çözeltisi
H+ Cl-
Ag ya da Cu çubuk
(H2 çıkışı var) (H2 çıkışı yok)
Na ya da Fe çubuk
HNO3 çözeltisi
H+NO3-
(H2 çıkışı var)
HNO3 çözeltisi
H+NO3-
(NO2 ya da NO çıkışı var) Ag ya da Cu çubuk
Na(k) + HCl(suda) NaCl(suda) + 1/2H2(g)
Fe(k) + 2HNO3(suda) Fe(NO3)2(suda) + H2(g)
(Ag ya da Cu)(k) + HCl(suda) Tepkime vermez.
(Ag ya da Cu)(k) + HNO3(suda) NO, NO2 gazı
Aşağıdaki çözeltileri saklamak için kullanılan kapların uygun olup olmadığını inceleyelim.
Çözeltilerin Metal Kaplarda Saklanması
Metal kaplara konulacak çözeltideki metal iyonunun aktifliği, kabın yapıldığı metalin aktifliğinden daha fazla olmalıdır. Aksi durumda kapla çözelti arasında tepkime gerçekleşecek ve kap aşınacaktır.
HCl(suda) HNO3(suda)
Fe kap
Fe daha aktif aşınma var Uygun değil!
Ag kap
Ag, HNO3 ile tepkime verir.
Uygun değil!
HBr(suda)
Ag kap
Ag, HBr ile tepkime vermez.
Uygun!
Elementlerin aktiflik sırası: Fe > H2 > Ag olduğundan I. ve II kaplar çözeltileri saklamak için uygun değilken, III. kap uygundur.
• Derişik HNO3 kullanılırsa NO2 gazı, seyreltik HNO3 kullanılırsa NO gazı oluşur.
• H2SO4 derişik ve sıcak ise tepkime vererek SO2 gazı açığa çıkarır.
Cu, Hg ve Ag pasif metalleri HNO3 ve H2SO4 gibi oksijenli asitlerle tepkime verir.
ÖRNEK
Aşağıda indirgenme potansiyelleri verilen metallerden oluşan kaplara HCl çözeltisi konuluyor. Hangi kaplarda H2 gazı açığa çıkar?
(EZn2+/Zn = -0,763 V, ECa2+/Ca = -2,886 V, ECu+/Cu = +0,521 V) ÇÖZÜM:
Hidrojenin indirgenme potansiyelinin sıfır olduğunu biliyoruz. O halde indirgenme potansiyelleri sıfırdan büyük (pozitif) olan metaller (Ca ve Zn) aktif olduğundan HCl çözeltisi ile tepkimeye girip yükseltgenir ve H2 gazı oluşturur. Negatif olan Cu ise tepkime vermez.
Cu(k) + HCl(suda) tepkime vermez.
2Ca(k) + 4HCl(suda) 2CaCl2(suda) + H2(g) 2Zn(k) + 4HCl(suda) 2ZnCl2(suda) + H2(g)
notb
udur
.com
STANDART ELEKTROT POTANSİYELİ ve İSTEMLİLİK
Standart indirgenme potansiyeli büyük olan iyonun indirgenmesi, küçük olan iyonun yükseltgenmesi şeklinde gerçekleşen elektrokimyasal pil tepkimeleri kendiliğinden gerçekleştiği için istemlidir.
Pil potansiyeli sıfırdan büyükse (pozitif) tepkime istemlidir. pil potansiyeli büyüdükçe istemlilik artar.
Pil potansiyeli sıfırdan küçükse (negatif) tepkime istemsizdir. Bu tür pillerde tepkime kendiliğinden gerçekleşmez.
E0pil > 0 ise pil tepkimesi istemlidir.
E0pil > 0 ise pil tepkimesi istemsizdir
Aşağıdaki pil tepkimelerinin istemli olup olmadığını inceleyelim.
2Al(k) + 3Ag+(suda) Ag(k) + Al3+(suda) E0yük = + 1,662 V
E0ind = + 0,799 V Al:
Ag: E0pil =1,662 + 0,799
E0pil = + 2,461 V olur.
E0pil pozitif olduğundan
tepkime istemlidir.
1
2 2Cu(k) + Zn2+(suda) Zn(k) + 2Cu+(suda) E0ind = - 0,763 V
E0yük = - 0,521 V Zn:
Cu: E0pil =-0,763 - 0,521 E0pil = -1,284 V olur.
E0pil negatif olduğundan
tepkime istemsizdir.
STANDART ELEKTROT POTANSİYELİNE ETKİ EDEN FAKTÖRLER Standart pil potansiyeli:
Sıcaklığa,
Yarı hücrelerin derişimine, Gaz bulunan elektrotlarda gazın basıncına bağlıdır.
Elektrodun kütlesine, boyutuna, ve sabit derişimde çözelti hacmine bağlı değildir.
SICAKLIK ETKİSİ
Pil tepkimeleri ekzotermik tepkimelerdir. Elektrokimyasal piller düşük sıcaklıkta daha yüksek verimle çalışırlar.
Sıcaklık arttığında bütün elektrokimyasal pillerde pil potansiyeli düşer.
Pil tepkimeleri denge tepkimeleridir ve sıcaklık etkisi Le Chetalier ilkesi ile açıklanır.
Aşağıdaki pil tepkimesine sıcaklığın etkisini inceleyelim.
2Al(k) + 3Cu2+(suda) 3Cu(k) + 2Al3+(suda) + ısı
Pil potansiyeli azalır.
T Denge yönü
Pil potansiyeli artar.
T Denge yönü
Sıcaklık arttığında;
Tepkime sıcaklığı azaltmak için girenler yönüne kayar ve pil potansiyeli azalır.
Tepkime sıcaklığı arttırmak için ürünler yönüne kayar ve pil potansiyeli artar.
Sıcaklık azaldığında;
BASINÇ ETKİSİ
SHE içeren galvanik pillerde hidrojen gazının basıncındaki değişim pil potansiyelini etkiler.
Basınç etkisi de Le Chetalier ilkesi ile açıklanır:
H2 gazının basıncı arttığında tepkime basıncı azaltmak için girenlere kayar ve pil potansiyeli azalır. H2 gazının basıncı azaltıldığında ise tepkime ileri yönde hareket eder ve pil potansiyeli artar.
V
Cl- 25 ºC 1M HCl(suda)
Tuz köprüsü KNO3(suda) Zn
H+ 25 ºC 1M ZnCl2(suda)
H2(g)
Zn(k) + 2H+(suda) H2(g) + Zn2+(suda)
Pil Tepkimesi:
Pil potansiyeli azalır.
P Denge yönü
Pil potansiyeli artar.
P Denge yönü
Basınç arttığında tepkime basıncı azaltmak için girenler yönüne kayar ve potansiyel azalır.
Basınç azaldığında tepkime basıncı artırmak için ürünler yönüne kayar ve potansiyel artar.
DERİŞİM ETKİSİ
Anotta derişim arttıkça pil gerilimi azalır. Katotta derişim arttıkça pil gerilimi artar. Derişim etkisi de Le Chetalier Prensibi ile açıklanır.
Al elektrodun anot, Cu elektrodun katot olduğu pil tepkimesindeki derişim etkisini inceleyelim:
2Al(k) + 3Cu2+(suda) 2Al3+(suda) + 3Cu(k)
Anotta Al3+ iyon derişimi arttığında tepkime derişimi azaltmak için girenler yönüne kayar ve pil potansiyeli azalır.
[Al3+]
Pil potansiyeli azalır.
Denge yönü
Pil potansiyeli artar.
Denge yönü
ANOTTAKATOTTA [Cu2+] Katotta Cu2+ iyon derişimi arttığında
tepkime derişimi azaltmak için ürünler yönüne kayar ve pil potansiyeli artar.
Derişimin değiştiği durumlar ve pil potansiyeline etkisini aşağıdaki gibi sıralayabiliriz.
Su
ekleme Su
buharlaştırma Na2S
ekleme Çözünen
ilavesi Derişim
Potansiyel Azalır Artar
Artar Azalır
Azalır Artar
Artar Azalır Anot Yarı Hücresi
Su
ekleme Su
buharlaştırma Na2S
ekleme Çözünen
ilavesi Derişim
Potansiyel Azalır Azalır
Artar Artar
Azalır Azalır
Artar Artar Katot Yarı Hücresi
STANDART OLMAYAN PİLLER – NERNST EŞİTLİĞİ
25 ºC’ta derişimi 1M dan farklı yarı hücrelerle hazırlanan pillere standart olmayan pil denir.
Standart olmayan pilin potansiyeli Nernst Eşitliği ile bulunur.
Epil = E0pil - 0,0592 n . logQç
Epil : Standart olmayan pil potansiyeli Eºpil : Standart pil potansiyeli n: Alınan ya da verilen elektron sayısı Qç : Derişimler türünden denge sabiti aşağıdaki gibi bulunur.
Qç = [Ürünler]
[Girenler]
• Saf sıvı ve katılar denge bağıntısına yazılmaz.
• Derişimlerin katsayısı bağıntıda üs olarak yazılır.
Derişim pilinde pilin başlangıç potansiyeli:
DERİŞİM PİLLERİ
Elektrotları aynı, elektrolit derişimleri farklı olan elektrokimyasal pillere derişim pili denir.
Bu pillerde elektrolit derişimi küçük olan yarı hücre anot, büyük olan yarı hücre katot görevindedir.
Derişim pillerinde zamanla anot yarı hücresinin derişimi artar, katot yarı hücresinin derişimi azalır.
Epil = - 0,0592
n . log [Seyreltik]
[Derişik]
Bir derişim pilinde anot ve katot yarı hücrelerinin derişimleri eşitlenince pil potansiyeli sıfır olur, pil çalışmaz.
eşitliği ile bulunur.
V
Tuz köprüsü KNO3(suda)
(Anot)Zn Zn
(Katot)
0,1 M ZnSO4(suda) 1 M ZnSO4(suda) Derlşim düşük: Anot Derlşim yüksek: Katot
notb
udur
.com
ELEKTROLİZ
Elektrik enerjisini kimyasal enerjiye dönüştüren elektrokimyasal hücreye elektrolitik hücre (elektroliz hücresi), elektrolitik hücrede gerçekleşen olaya ise elektroliz denir.
ELEKTRİK AKIMI ve MADDESEL DEĞİŞİM
Tuz köprüsü KNO3(suda) Zn
(katot) (-)
25 ºC 1M ZnSO4(suda) 25 ºC 1M CuSO4(suda)
Cu (Anot) (+)
Elektroliz düzeneği.
Pil Elektrolitik hücrede oluşan toplam tepkime galvanik hücrede oluşan toplam tepkimenin tersidir.
Ehücre değeri negatiftir.
e- e- e- e-
Elektroliz, kendiliğinden oluşmayan redoks tepkimelerinin elektrik enerjisi kullanılarak oluşturulmasıdır. Elektrik akımı kullanılarak bir tepkimeyi olmayan yönde yürütme işlemidir.
Zn2+SO42- Cu2+
SO42-
Yukarıdaki elektroliz düzeneğini ve tepkimelerini inceleyelim.
Zn2+(suda) Zn(k) + 2e- Cu(k) + 2e- Cu2+(suda)
E0ind = - 0,763 V E0yük = - 0,337 V
Zn2+(suda) + Cu(k) Zn(k) + Cu2+(suda) Epil : - 1,100 V Bu elektrolitik hücrede çinko elektrodun kütlesinde artış, bakır elektrodun kütlesinde ise azalma olur.
Böyle bir tepkimenin gerçekleşebilmesi için üreteç yardımıyla hücreye 1,100 V değerinden daha büyük bir gerilim uygulanmalıdır.
Galvanik hücre ve elektrolitik hücre arasındaki farklar aşağıdaki gibidir.
Tepkimeler istemlidir.
Kendiliğinden gerçekleşir.
Elektrik enerjisi üretilir.
Aktifliği fazla olan elementin elektrodu anottur.
Tepkimeler istemsizdir. Elektrik enerjisi ile gerçekleşir.
Elektrik enerjisi harcanır.
Kimyasal enerji üretilir.
Aktifliği fazla olan elementin elektrodu katottur.
Galvanik Hücre Elektrolitik Hücre
1. Kanun
FARADAY KANUNLARI
K+ NO3-
Anot ve katotta toplanan veya çözünen madde miktarı devreden geçen elektrik yük miktarıyla doğru orantılıdır.
Bu kanuna göre, Avogadro sayısı kadar (1 mol) elektron içeren yük miktarına 1 Faraday (F) yükü denilmiştir.
1 mol elektronun yükü = 1 F = 96485 C (coulomb)
1 coulomb (kulon), 1 amperlik akımın iletken bir tel üzerinden 1 sn boyunca geçmesi sırasında oluşan elektriksel yüktür.
Q = I . t Q: Elektrik yükü miktarı (Coulomb) I: Devreden geçen akım (amper) t: Zaman (saniye)
Anot veya katotta toplanan veya çözünen madde miktarı hesaplanırken aşağıdaki formül kullanılır.
m = Q . MA
96500 . Z
m: Elektrolizde açığa çıkan madde miktarı Q: Elektrik yükü miktarı (Coulomb) MA: Mol kütlesi Z: Tesir değerliği (alınan veya verilen elektron sayısı) 2. Kanun
Seri bağlı elektroliz devrelerinde farklı elektrolitlerden eşit miktarda elektrik yükü geçirildiğinde anot veya katotta meydana gelen kütle değişimi iyonların eş değer kütleleri ile doğru orantılıdır.
m1 . Z1 = MA1
m2 . Z2 MA2
m1 ve m2 : 1. ve 2. kapta toplanan madde miktarı Z1 ve Z2 : 1. ve 2. kapta alınan verilen e- sayısı
MA1 ve MA2 : 1. ve 2. kapta toplanan maddenin molekül kütlesi
Metalle kaplama işleminde kaplanacak madde elektroliz kabında katot elektrot, kaplayacak metal anot elektrot olarak görev yapar. Elektrolit olarak anotta kullanılan metalin iyonunu içeren çözelti kullanılır.
METAL KAPLAMACILIK
NaCl sıvısı MgCl2 sıvısı Pil
İletken tel
Na+Cl- Mg2+Cl-
Eş değer kütle: Bir maddenin mol kütlesinin tesir değerliğine oranıdır.
Örneğin Atom kütlesi 24 olan Mg atomunun tesir değerliği 2’ dir. Buna göre,
Seri bağlı elektroliz düzeneği
Mg eşdeğer kütle = 24
2 = 12 olur.
Seri bağlı devrelerden geçen akım ve akımın geçtiği süre eşit olduğundan elektrik yükü de eşittir.
AgNO3 sulu çözeltisi Ag+
NO3- Pil Ag
(anot) Metal çatal
(katot)
Kaplama malzemesi olarak kullanılan metalin madde miktarı Faraday kanunları kullanılarak hesaplanır.
m = Q . MA
96500 . Z Q = I . t
NaCl bileşiğinin sıvısı, elektroliz edilirken Cl- iyonları anot elektrotta e- vererek yükseltgenir ve anot elektrot etrafında Cl gazı şeklinde birikir.
Cl- iyonlarının verdiği elektronları katot elektrotta Na+ iyonları alarak indirgenir ve katot elektrot üzerinde Na(k) şeklinde birikir.
ELEKTROLİZLE BİLEŞİKLERİN ELEMENTLERİNE AYRILMASI
NaCl sıvısının elektroliz düzeneği
Pt
Na+Cl-
Pt NaCl sıvısının elektrolizi sırasında anot ve katotta gerçekleşen tepkimeler:
2Cl-(suda) Cl2(g) + 2e- Anotta:
2Na+(suda) + 2e- 2Na(k) Katotta:
2NaCl(s) 2Na(k) + Cl2(g) Net tepkime:
Elektrolizde anyonlar anotta yükseltgenir, katyonlar katotta indirgenir. NaCl sıvısının elektrolizinde anotta Cl2 gazı açığa çıkar.
Katotta Na(k) birikir.
Suyun elektrolizi sırasında anotta yükseltgenme olur ve O2 gazı açığa çıkar. Katotta indirgenme olur ve H2 gazı açığa çıkar. Suyun elektrolizi Hoffman Voltametresi ile gerçekleştirilir.
SUYUN ELEKTROLİZİ
H2(g)
H2O(s) O2(g)
1 hacim
2 hacim
anotPt
Pt katot
H2O(s) O21 (g) + 2H+(suda) + 2e- 2
2H+(suda) + 2e- H2(g)
H2O(s) H2(g) + O2(g)
Anot:
Katot:
Net Tep: 1
2 Suyun elektrolizinde:
Katotta açığa çıkan H2 gazının hacmı, aynı koşullarda anotta açığa çıkan O2 gazının hacminin 2 katıdır.
VH2 = 2VO2
Bir elektroliz hücresinde birden fazla anyon ya da katyon varsa pasif olan iyonlar önce önce ayrışır. Yani, yükseltgenme potansiyeli küçük olan katyon katotta, indirgenme potansiyeli küçük olan anyon ise anotta önce açığa çıkar.
SULU ÇÖZELTİLERDE ELEKTROLİZ
Katyonlarda aktiflik: 1A, 2A, Al ve Fe > H2 > Cu > Ag > Hg > Pt > Au Anyonlarda aktiflik: F- > SO42- > NO3- > OH- > Cl- > Br- > I-
notb
udur
.com
KOROZYON
Bir maddenin çeşitli etkiler sonucunda kimyasal olarak aşınmasına korozyon (paslanma, çürüme) denir.
Metaller özellikle nemli ortamlarda havadaki oksijenle yükseltgenip metal oksitleri oluşturur ve bu olayın sonucunda korozyona uğrar.
KOROZYON ve OLUŞUMU
Korozyonun süresi ortam şartlarına ve metalin aktifliğine bağlı olarak değişir. Metalin aktifliği ne kadar yüksekse korozyon o kadar kısa sürer.
Aynı zamanda ortamdaki nem miktarı ne kadar fazla ise korozyon o kadar kısa sürer.
KOROZYONA KARŞI ALINACAK ÖNLEMLER
Korozyondan korunmak için kullanılan yöntemler aşağıdaki gibidir.
Metalleri boyamak
Korozyona dayanıklı malzemeler kullanmak Metali başka bir metalle kaplamak Katodik koruma sistemleri kullanmak Katodik Koruma
En etkili koruma yöntemdir. Temel prensibi metal malzeme ile oksijenin temasını engellemektir. Bunun için daha aktif bir metal sisteme dahil edilir. Anot görevindeki bu metal korozyana uğrayarak metal malzemenin zarar görmesini engeller.
Kurban Elektrot
Katodik koruma yönteminde sisteme ilave edilen anot görevi gören aktif metale kurban elektrot denir.
Örneğin bir demir parçası daha aktif olan magnezyumla kaplanırsa, magnezyum korozyana uğrayarak demiri korozyandan korumuş olur.
Yani magnezyum kurban elektrot görevi görmüştür.
Katodik korumada magnezyum, alüminyum, çinko gibi aktif metaller,
korozyondan korunacak cisme doğrudan ya da bir tel yardımıyla bağlanır.
Boruhattı
İzole kablo Zemin
Kurban elektrot (anot) Kaynak
Kurban elektrot düzeneği.
KİMYA ve ELEKTRİK ÜNİTESİ İLE İLGİLİ HESAPLAMALAR NERNST EŞİTLİĞİ
ÖRNEK-1
2Cu+(suda) + Zn(k) Zn2+(suda) + 2Cu(k) E0pil = 1,10 V Yukarıdaki elektrokimyasal hücrede anot ve katot derişimleri 0,1'er molardır. Buna göre Epil değerini bulunuz.
Epil = E0pil - 0,0592 n . logQç
Epil = 1,1- 0,0592 2 . log10
[Zn2+] [Cu+]2 Qç = = 0,1
(0,1)2 = 10
1
Epil = 1,1- 0,0296 Epil = 1,0704 V
V
Tuz köprüsü KNO3(suda)
(Anot)Zn Zn
(Katot)
0,1 M ZnSO4(suda) 1 M ZnSO4(suda)
Aşağıdaki derişim pilinin pil potansiyelini bulunuz.
ÇÖZÜM:
ÇÖZÜM:
Epil = - 0,0592
n . log [Seyreltik]
[Derişik]
Epil = - 0,0592
2 . log 0,1 1 Epil = 0,0296 V -1 DERİŞİM PİLLERİ
PİL POTANSİYELİNE ETKİ EDEN FAKTÖRLER
ÖRNEK-2
ÖRNEK-3 V
Cl- 25 ºC 1M HCl(suda)
Tuz köprüsü KNO3(suda) Cu
H+ 25 ºC 1M CuCl2(suda)
H2(g)
Yandaki elektrokimyasal pille ilgili H2 gazının basıncı artarsa pil potansiyeli ne olur?
B kabında pH nasıl değişir?
A kabına Na2S ilave edilirse pil potansiyeli nasıl değişir?
Sıcaklık artarsa pil potansiyeli nasıl değişir?
I.
II.
III.
IV.
1 atm
A kabı B kabı
Cu metalinin yükseltgenme potansiyeli negatif olduğundan aktifliği H2 gazından düşüktür. Dolayısıyla Cu katot, H2 anottur. Pil tepkimesi aşağıdaki gibidir.
(ECu/Cu2+ = - 0,337 V)
Pt
Cu2+(suda) + H2(g) 2H+(suda) + Cu(k)
H2 pil tepkimesinde girenlerdedir ve basıncı arttığında tepkime ileri yönde hareket eder. Böylece pil potansiyeli artar.
B kabında zamanla H+ derişimi artar ve bundan dolayı pH azalır.
CuS çöker ve Cu+ iyonları derişimi azalır. Tepkime Cu+ iyonlarını arttırmak için geri yönde hareket eder ve pil potansiyeli azalır.
I.
II.
III.
Pil tepkimeleri ekzotermiktir ve sıcaklık artarsa pil potansiyeli azalır.
IV.
ÖRNEK-4
FARADAY KANUNLARI
Sıvı haldeki MgBr2 bileşiği 2 dk boyunca 96500 amperlik akımla elektroliz ediliyor. Buna göre,
a) Katotta toplanan madde kaç g dır?
b) Normal koşullarda anotta kaç L gaz açığa çıkar? (Mg: 24)
t = 2 dk = 120 saniye Q = I . t
Q = 96500.120
m = Q . MA
96500 . Z m = 96500.120 . 24 96500 . 2 Mg2+ iyonu katotta indirgenir ve Mg(k) birikir. Anotta Br- indirgenir ve H2 gazı açığa çıkar.
m = 14,4 g Mg(k) birikir.
a)
b) MgBr2 sıvısının elektroliz denklemi aşağıdaki gibidir.
MgBr2(s) Mg(k) + Br2(g) Katotta
24 g
Anotta 1 mol
24 g Mg ile 1 mol Br2 ise 14,4 g Mg ile ?
? = 14,4/24
= 1,2 mol V = 1,2 . 22,4 = 26,88 L
ÖRNEK-5
Seri bağlı elektroliz kaplarında FeCl3 ve NaCl sıvıları elektroliz edilmektedir. Bir süre sonra NaCl'nin bulunduğu kapta katotta 6,9 g Na(k) toplandığına göre FeCl3'ün bulunduğu kapta katotta kaç g madde toplanır? (Na:23, Fe:56)
Fe iyonları için Z=3 Na iyonları için Z=1 m1 . Z1 =
MA1
m2 . Z2
MA2 6,9 . 1 = 23
m2 . 3
56 m2 = 5,6 g Fe
ÖRNEK-6
120 g'lık metal saat 9, 6500 amperlik akımla 5 dk boyunca AgNO3 çözeltisi içinde gümüşle kaplanmıştır. Buna göre metal saatin son kütlesi kaç g'dır? (Ag: 108)
m = Q . MA
96500 . Z m = 9,6485.300.108 96500 . 1
m = 3,24 g Ag birikir.
Saatin top. kütlesi = 120 + 3.24
= 103,24 g
