12. Sınıf Elektroliz — Konu Anlatımı

Bir Kilogram Alüminyumun Bedeli

İçecek kutusundaki alüminyum doğada metal olarak bulunmaz; boksit cevherinden elde edilen alüminyum oksitteki $\mathrm{Al^{3+}}$ iyonlarının elektron alması gerekir. Alüminyum o kadar aktiftir ki onu indirgeyebilecek ucuz bir kimyasal yoktur. Tek pratik yol elektriktir. 1886'da Hall ve Héroult'nun geliştirdiği yöntem bugün de kullanılıyor.

Soru: 1 kg alüminyum için devreden ne kadar yük geçmelidir? (Al = 27)

$\mathrm{Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al}$. Alüminyum: $1000 / 27 \approx 37{,}0$ mol. Elektron: üç katı, yaklaşık 111 mol. Bir mol elektronun yükü 96 500 C (Faraday sabiti): $111 \cdot 96\,500 \approx 1{,}07 \cdot 10^7$ C.

Sanayideki bir hücre yaklaşık 300 000 A ile çalışır; bu akım 1 kg alüminyumu kuramsal olarak $1{,}07 \cdot 10^7 / 300\,000 \approx 36$ saniyede verir. Pratikte 1 kg alüminyum için 13-15 kWh elektrik harcanır. Hurda kutuyu geri dönüştürmenin neden bu kadar değerli olduğu bu sayıda gizli.

Hesaptan Çıkan Kural

Az önceki hesabın omurgası şuydu: biriken madde, geçen elektron sayısıyla orantılıdır. Elektron sayısını da toplam yük belirler:

$q = I \cdot t \qquad n_{e^-} = \dfrac{q}{96\,500}$

Bu yüzden kütle-yük grafiği orijinden geçen bir doğrudur. Akımı ya da süreyi iki katına çıkarmak kütleyi iki katına çıkarır. Kütle sabit tutulacaksa $I_1 t_1 = I_2 t_2$.

Mini soru: 2 A akımla 30 dakikada biriken metali 15 dakikada biriktirmek için kaç amper gerekir? $2 \cdot 30 = I \cdot 15$, $I = 4$ A.

İyon yükü de hesaba girer: bir mol $\mathrm{Ag^+}$ için 1 mol, bir mol $\mathrm{Cu^{2+}}$ için 2 mol, bir mol $\mathrm{Al^{3+}}$ için 3 mol elektron gerekir.

Galvanik Hücreyle Yan Yana

İşaretleri dış güç kaynağı dayatır; ama anot yükseltgenme, katot indirgenme kuralı hiç değişmez. Uygulanan voltaj, tepkimenin negatif potansiyelini aşmadıkça hiçbir şey olmaz.

Aynı Tuz, İki Farklı Sonuç

Erimiş NaCl: ortamda yalnız $\mathrm{Na^+}$ ve $\mathrm{Cl^-}$ var. Katotta gümüş parlaklığında sodyum, anotta sarımsı yeşil klor gazı toplanır: $\mathrm{2NaCl(s) \rightarrow 2Na(s) + Cl_2(g)}$.

Sulu NaCl: bu kez su da yarışa girer. Suyun indirgenmesi sodyum iyonununkinden çok daha kolaydır; katotta sodyum değil hidrojen çıkar: $\mathrm{2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 + 2OH^-}$. Anotta klor oluşur, çözeltide NaOH birikir. Klor-alkali sanayisi ucuz tuzlu sudan klor, hidrojen ve sodyum hidroksit elde eder.

Suyun elektrolizi: $\mathrm{2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2}$. Katotta hidrojen, anotta oksijen. 0,4 mol elektron geçerse 0,2 mol $\mathrm{H_2}$ (normal şartlarda 4,48 L) ve 0,1 mol $\mathrm{O_2}$ (2,24 L) toplanır; hacim oranı 2:1. Saf su çok az iyonlaştığı için akımı zor iletir; biraz elektrolit eklemek gerekir.

Seri Bağlı Hücreler ve Saf Bakır

İki kap seri bağlanırsa aynı yük ikisinden de geçer. Örnek: $\mathrm{AgNO_3}$ ve $\mathrm{CuSO_4}$ kapları seri bağlı; birinci kapta 2,16 g gümüş birikiyor (Ag = 108). Gümüş 0,02 mol, yani 0,02 mol elektron. Bakır: $0{,}02 / 2 = 0{,}01$ mol, $0{,}01 \cdot 63{,}5 = 0{,}635$ g. Akım 0,5 A ise süre $0{,}02 \cdot 96\,500 / 0{,}5 = 3860$ s, yaklaşık 64 dakika.

Bakırın saflaştırılması: kirli bakır anot, ince saf bakır levha katot olur. Anotta bakır çözünür, katotta saf bakır birikir. Daha az aktif altın ve gümüş çözünmez, anot çamuru olarak dibe çöker; bu çamur işlemin ekonomisine katkı sağlar. Çinko ve demir gibi bakırdan aktif safsızlıklar ise anotta çözünür ama katotta birikmez; iyon olarak çözeltide kalırlar. Elektrik kablolarında kullanılan bakırın %99,9'un üzerinde saflığa bu yolla ulaşılır.

Sık Yapılan Hata

1. İşaretler ters diye tepkimeleri de ters sanmak. Anot her zaman yükseltgenmedir.

2. İyon yükünü hesaba katmamak. Eşit yük, gümüşün iki katı mol sayısında bakır değil, yarısı kadar bakır biriktirir.

3. Sulu çözeltide de aktif metalin çıkacağını sanmak. Tuzlu suda katotta hidrojen çıkar.

4. Yalnız akıma ya da yalnız süreye bakmak. Belirleyici olan çarpımdır.

AYT ipucu: soruda "seri bağlı" görürseniz ortak olan elektron molüdür; ilk kaptan elektronu bulup ötekine taşıyın.

Sık sorulanlar