Elektroliz ve korozyon
Önceki iki ünitede pil kendiliğinden çalışıyordu: istemli tepkime elektrik üretiyordu. Burada oku ters çeviriyoruz. Elektrik enerjisi vererek istemsiz bir tepkimeyi zorla yürütürsek ne olur? Cevap: kaplamacılık, suyun ayrıştırılması, saf metal eldesi. Ve madalyonun öbür yüzü — istemli olduğu hâlde istemediğimiz tek tepkime: paslanma.
Şarj edilebilir bir pilin ne kadar dayanacağı “çevrim ömrü” olarak ifade edilir. “Bir çevrim” bir şarj (dolum) - bir deşarj (boşalım) işlemine karşılık gelir.
İki uç da zararlı: hep şarjda tutmak da, aylarca hiç şarj etmemek de ömrü kısaltıyor.
Ömrünü tamamlayan bir kalem pili 6 m² toprağı zehirleyeceği için geri dönüşüme atılmalıdır.
Tek bir kalem pil. Bir sınıfın zemininin yaklaşık on beşte biri kadar toprak.
Anot: Li → Li⁺ + e⁻
Yükseltgenme. Lityum elektron veriyor.
Katot: TiS₂ + e⁻ → TiS₂⁻
İndirgenme. Titanyum(IV) sülfür elektron alıyor.
Kaydırak çevrim sayısını 0’dan 900’e taşıyor. Üstteki pil gövdesinde dolum ve boşalım sürekli tekrarlanıyor — bir dolum + bir boşalım bir çevrimdir. Alttaki eğri kalan kapasiteyi çiziyor: çevrim sayısı arttıkça kapasite düşüyor. Sağdaki dört kutucuk (sürekli şarj, derin boşalma, aşırı voltaj, uç sıcaklık) işaretlendikçe eğri daha hızlı aşağı iniyor ve kapasitenin %80’in altına düştüğü çevrim sayısı canlı yazılıyor. Kutucukların hiçbiri işaretli değilken aynı pil çok daha uzun dayanıyor — eğrinin eğimi, doğru kullanımın ne kadar kazandırdığını sayıyla gösteriyor.
Elektrokimyanın uygulama alanı ikiye ayrılır. Bir yanda kimyasal tepkimeden elektrik enerjisi elde ediyoruz, öbür yanda elektrik enerjisi vererek kimyasal tepkime yaptırıyoruz. İkisinin arasındaki fark okun yönüdür.
Kimyasal Reaksiyon ⇄ Elektrik Enerjisi
I. yön (soldan sağa): galvanik hücre (elektrokimyasal pil) —
tepkime elektrik üretir.
II. yön (sağdan sola): elektrolitik hücre (elektroliz) — elektrik tepkimeyi yürütür.
İstemlidir. E⁰ > 0
İstemsizdir. E⁰ < 0 — kısacası: “Eğer istemli olsaydı dünyada su kalmazdı.”
En çok karıştırılan yer burası. Anotta her zaman yükseltgenme, katotta her zaman indirgenme olur — bu iki cümle asla değişmez. Değişen yalnızca elektrotların işaretidir: pilde anot (–) katot (+), elektrolizde anot (+) katot (–).
Neden? Pilde elektronu anot üretir, o yüzden orası elektronca zengindir ve eksi uçtur. Elektrolizde ise elektronu üreteç çeker: üretecin artı ucuna bağlı elektrot elektron kaptırır, yani yükseltgenme orada olur — ve o elektrot artı uçtur. Ezberleme, kaynağı takip et.
Tek bir düzenek çiziliyor; düğme ile kipi değiştiriyorsun. Galvanik kipte üstte voltmetre duruyor, elektronlar kendiliğinden anottan katoda akıyor, sol elektrotun üstünde (–), sağdakinde (+) yazıyor ve altta E⁰ > 0 · İSTEMLİ rozeti çıkıyor. Elektrolitik kipe geçince aynı yerde üreteç beliriyor, elektronların yönü aynı kalıyor ama işaretler yer değiştiriyor ve rozet E⁰ < 0 · İSTEMSİZ oluyor. Üçüncü düğme Zn + CuSO₄ kabını gösteriyor: mavi çözelti kaydırakla soluyor, çinko çubuğun üstü bakır rengine dönüyor. Canvas her kipte “anotta yükseltgenme / katotta indirgenme” satırını değiştirmeden yazıyor — değişen tek şeyin işaret olduğu böyle görünür oluyor.
Anot ve katotta toplanan veya çözünen madde miktarı devreden geçen yük miktarıyla doğru orantılıdır.
1 mol (6,02·10²³ tane) elektron içeren yük miktarına “1 Faraday (F) yükü” denir.
1 mol e⁻ yükü = 1 F = 96485 C (coulomb)
1 coulomb = 1 amperlik akımın iletken üzerinden 1 saniye süresince geçmesiyle oluşan elektrik yüküdür.
Q = I · t
(coulomb) (amper) (saniye)
Anot ve katotta toplanan veya çözünen madde miktarını bulmak için şu formül kullanılır:
m = (Q · MA) / (96485 · Z)
Farklı elektrolitlerden eşit miktarda elektrik yükü geçirildiğinde anot ve katotta meydana gelen kütle değişimi iyonların eşdeğer kütleleri ile doğru orantılıdır.
(m₁ · Z₁) / MA1 = (m₂ · Z₂) / MA2 “seri bağlı devrelerde”
Eş değer kütle = Mol kütlesi / Tesir değerliği
₁₃Al için eş değer kütle = 27 / 3 = 9 gram
Üç kaydırak: akım şiddeti (I), süre (t) ve tesir değerliği (Z). Düğmelerden bir metal seçiyorsun (mol kütlesi ve tipik değerliği birlikte geliyor). Canvas hesabı dört basamakta yazıyor ve her basamağı ayrı bir çubukla gösteriyor: Q = I·t → mol e⁻ = Q / 96485 → mol madde = mol e⁻ / Z → m = mol · MA. Z kaydırağını 1’den 3’e çekince yük çubuğu hiç kıpırdamıyor ama madde çubuğu üçte bire iniyor — “aynı yük, farklı kütle”nin sebebi tam burada görünüyor. Sağ altta ayrıca eş değer kütle = MA / Z canlı hesaplanıyor.
İki elektroliz kabı seri bağlı çiziliyor: aynı tel, aynı akım, aynı süre — yani ikisinden de tam olarak aynı yük geçiyor ve bu üstteki tek bir sarı bantla gösteriliyor. Düğmelerle her kaba farklı bir tuz koyuyorsun. Canvas altta iki kütle çubuğunu yan yana çiziyor; çubukların oranı her seferinde eş değer kütlelerin oranına eşit çıkıyor ve bu oran sayıyla yazılıyor. Ag⁺ (108/1) ile Cu²⁺ (63,5/2) seçildiğinde çubukların oranı 108 / 31,75 ≈ 3,4 oluyor — aynı yükten farklı kütleler çıkmasının tek sebebi eş değer kütle farkı.
Kaplamacılıkta kaşık katoda bağlanır. Kısa ama sınavda doğrudan sorulan uyarı: kaplanacak parça daima katottur.
Demir çatalın nikel ile kaplanması düzeneği canlandırılıyor: solda Ni anot (+), sağda çatal katot (–), arada 25 °C 1 M Ni(NO₃)₂ çözeltisi. Süre kaydırağı ilerledikçe anottaki nikel çubuk inceliyor, çözeltide Ni²⁺ iyonları sağa doğru akıyor, NO₃⁻ iyonları ters yöne gidiyor ve çatalın üzerinde nikel katmanı kalınlaşıyor. Kaplama kalınlığı ile harcanan yük birlikte yazılıyor. İkinci düğme düzeneği ters bağlıyor (çatal anoda): bu kez çatal aşınıyor ve canvas kırmızıyla “kaplanacak parça katot olmalı” uyarısını basıyor.
Tabiatta birçok element bileşiği hâlinde bulunur. Bu bileşiklerin sıvı hâlinin veya çözeltilerinin elektrolizi ile elementler saf olarak elde edilir.
Düzenekte çatal katot, nikel ise anot olarak seçilir. Çözelti olarak nikel tuzu çözeltisi kullanılır. Sulu çözelti içindeki nikel iyonları katoda gider ve element hâlinde katot üzerinde birikir.
Anot: Cl⁻(s) → ½Cl₂(g) + e⁻
Katot: Na⁺(s) + e⁻ → Na(s)
Net: NaCl(s) → Na(s) + ½Cl₂(g)
Anot: H₂O(s) → ½O₂(g) + 2H⁺(suda) + 2e⁻
Katot: 2H⁺(suda) + 2e⁻ → H₂(g)
Net Tepkime: H₂O(s) → ½O₂(g) + H₂(g)
Elektroliz sonucu açığa çıkan hidrojen gazının hacmi (2V), oksijen gazının hacminin (V) iki katıdır.
Sebebi denklemin kendisinde: her 1 mol suda 1 mol H₂ ve ½ mol O₂ oluşuyor. Aynı şartlarda gaz hacimleri mol sayısıyla orantılı olduğu için hacim oranı da 2 : 1 çıkıyor.
İki dereceli boru, ortada su haznesi, her iki tarafta Pt elektrot — solda anot, sağda katot. Kaydırak elektroliz süresini uzattıkça iki boruda da gaz birikiyor: sağdaki H₂ sütunu, soldaki O₂ sütunundan tam iki kat hızlı yükseliyor. Canvas her an iki hacmi de ölçekli olarak yazıyor ve aralarındaki oranı hesaplıyor — kaydırak nereye giderse gitsin oran 2,00’de duruyor. Kutucuk işaretlenirse suya H₂SO₄ eklenmiş oluyor: iletkenlik artıyor, gaz birikimi hızlanıyor; kutucuk boşken saf suda neredeyse hiç gaz çıkmıyor ve “saf suyun iletkenliği az” uyarısı beliriyor.
Fe(k) → Fe²⁺(suda) + 2e⁻
O₂(g) + 4H⁺(suda) + 4e⁻ → 2H₂O(s)
2Fe(k) + O₂(g) + 4H⁺(suda) → 2Fe²⁺(suda) + 2H₂O(s)
Pas tepkimesinde Epil > 0 olduğundan bu tepkime istemlidir. Ancak gerçekleşmesi istenmez.
Korozyonu önleme yöntemleri istemli ancak istenmeyen elektrokimyasal tepkimeler için kullanılır. Yani paslanmayı durdurmak, doğanın kendiliğinden yaptığı bir işi engellemek demek — bedava olmamasının sebebi bu.
1. Korozyona sebep olan etki ortadan kaldırılır.
2. Korozyona sebep olan etki ile metalin etkileşimi kesilir.
Korozyonu önlemek için kullanılan yöntemler:
Nemli toprağa gömülü bir demir boru çiziliyor. Düğmelerle boruya bir kurban elektrot bağlıyorsun (Mg · Al · Zn · Cu · hiçbiri). Kaydırak zamanı ilerletiyor. Seçilen metal demirden daha aktifse ok elektronu ondan demire taşıyor: kurban elektrot gözle görülür biçimde eriyip küçülüyor, demir borunun yüzeyi temiz kalıyor ve rozet KORUNUYOR diyor. Cu seçilirse ok ters dönüyor — bakır demirden pasif olduğu için kurban olamaz; boru üzerinde pas lekeleri büyümeye başlıyor ve rozet KORUNMUYOR oluyor. “Hiçbiri” kipinde boru zamanla tamamen paslanıyor. Sağdaki çubuk her an kalan sağlam demir yüzdesini gösteriyor.
| Ölçüt | Galvanik hücre (pil) | Elektrolitik hücre (elektroliz) |
|---|---|---|
| Enerji yönü | Kimyasal → elektrik | Elektrik → kimyasal |
| İstemlilik | İstemli, E⁰ > 0 | İstemsiz, E⁰ < 0 |
| Anot işareti | (–) | (+) |
| Katot işareti | (+) | (–) |
| Anotta olan | Yükseltgenme | Yükseltgenme |
| Katotta olan | İndirgenme | İndirgenme |
| Devrede ne var | Voltmetre | Üreteç |
| Kullanım | Elektrik üretimi | Kaplamacılık, saf madde eldesi, bileşiği bileşenlerine ayırma |
Tabloda iki satır aynı: anotta yükseltgenme, katotta indirgenme. Sınavda ayırıcı olan satırlar işaret satırlarıdır.
Sabaha kadar prizde kalan telefon uzun süre şarjda tutulmuş olur. Uyarılan iki şeyden biri tam bu; öbürü de tersi: aylardır çekmecede duran, hiç şarj edilmemiş eski telefon derin boşalma yüzünden bir daha açılmaz.
Kantin çıkışından aldığın taklit şarj aleti öngörülen voltajı tutturamaz. Aşırı ve ani voltaj çevrim ömrünü doğrudan kısaltır — orijinal şarj aleti tavsiyesinin sebebi bu.
Bir kalem pil 6 m² toprağı zehirler — sınıfının zemininin küçük bir parçası kadar. Okuldaki atık pil kutusu bu yüzden var.
“Gümüş kaplama” yazan kolye elektrolizle üretilmiştir: kolye katot, gümüş levha anot, çözelti gümüş tuzu. Kaplamanın ne kadar süreceği de Faraday kanunuyla hesaplanır.
Yağmurda bıraktığın bisikletin zinciri iki günde paslanır. Nemli ve asidik hava demirin korozyon süresini kısaltıyor; zinciri yağlamak O₂ ile etkileşimi kesme yöntemidir.
Oluklar çinkoyla kaplı sacdan yapılır. Çinko demirden aktiftir; çizilse bile Zn elektron verir, demir başlangıç hâline döner. Kaplama sadece “örtmek” değil, aynı zamanda kimyasal koruma.
Su ısıtıcılarının içine bir magnezyum çubuk takılır ve birkaç yılda bir değiştirilir. Bu kurban elektrottur: kendisi eriyerek deponun çeliğini korur.
Limanda gemilerin su altındaki gövdesine takılan gri bloklar süs değil; Al ve Mg kurban elektrotlarıdır. Karina, depolama tankı ve su tesisatı aynı mantıkla korunur.
Deneyde iki boruda da gaz birikir ama biri hep iki katı olur. Çok gaz biriken taraf hidrojen, az olan oksijendir; oran 2 : 1’dir. Öğretmenin suya azıcık asit eklemesinin sebebi de saf suyun iletkenliğinin az olması.
54 soruluk test · çevrim ömrü ve lityum-iyon pilleri, galvanik ve elektrolitik hücrenin karşılaştırılması, Faraday kanunları ve eş değer kütle, metal kaplamacılık, NaCl ve suyun elektrolizi, korozyon ve katodik koruma
Bir çevrim = bir şarj + bir deşarj. Sürekli şarj etmek, derin boşalma, aşırı/ani voltaj, uzun süre şarjda kalmak ve darbe ile uç sıcaklıklar ömrü kısaltır. Bir kalem pil 6 m² toprağı zehirler.
Li en aktif metal, anot olarak 3,6 Va kadar gerilim verir. Elektrolit katı polimer: iyon geçirir, elektron geçirmez. Katot TiS₂. CO₂ salınımı az, toksik madde yok.
Galvanik: istemli, E⁰ > 0, anot (–), katot (+), voltmetre var.
Elektrolitik: istemsiz, E⁰ < 0, anot (+), katot (–), üreteç var.
İkisinde de anotta yükseltgenme, katotta indirgenme olur.
Toplanan/çözünen madde miktarı geçen yükle doğru orantılıdır. 1 F = 96485 C = 1 mol e⁻ = 6,02·10²³ elektron. Q = I · t ve m = Q·MA / (96485·Z).
Seri bağlı kaplarda kütle değişimi eş değer kütlelerle doğru orantılıdır: m₁Z₁/MA1 = m₂Z₂/MA2. Eş değer kütle = mol kütlesi / tesir değerliği (Al için 27/3 = 9 g).
Kaplanacak madde katot, kaplayacak madde anot. Elektrolit, anottaki metalin iyonunu içerir. Altın, gümüş, krom, nikel, bakır kullanılır; miktar Faraday kanunlarıyla hesaplanır. Kaşık katoda bağlanır.
NaCl(s): anotta ½Cl₂, katotta Na.
Su: iletkenlik için az H₂SO₄ eklenir, Hoffman voltametresi kullanılır;
net H₂O → ½O₂ + H₂ ve V(H₂) = 2·V(O₂).
Elektrolizde pasif olan iyon önce açığa çıkar.
Metalin kimyasal olarak aşınması. Aktiflik arttıkça süre kısalır; asidik ve nemli hava hızlandırır. Pas: Fe₂O₃·nH₂O, n ortam şartlarıyla değişir. Pas tepkimesi Epil > 0, istemli ama istenmez.
Dayanıklı madde seçmek · boyamak · kaplamak (Fe’yi Zn ile) · katodik koruma. Katodik koruma en etkili yöntem; daha aktif metal kurban elektrot olur ve anot görevi yapar. Gemi karinası, depo, su tesisatı için Al ve Mg.