Dört Tüp, Dört Çivi, Bir Hafta
Laboratuvarda dört deney tüpüne birer temiz demir çivi koyalım ve bir hafta bekleyelim:
| Tüp | Ortam | Bir hafta sonra |
|---|---|---|
| 1 | Kuru hava (tüpte susuz kalsiyum klorür, ağzı kapalı) | Çivi parlak |
| 2 | Kaynatılıp üstü yağla kapatılmış su (oksijensiz) | Çivi parlak |
| 3 | Musluk suyu, ağzı açık | Kahverengi pas |
| 4 | Tuzlu su, ağzı açık | En çok pas, tüpün dibinde tortu |
Tablo iki şey söylüyor. Birincisi, paslanma için su ve oksijen birlikte gerekir; biri eksikse (1. ve 2. tüp) demir sağlam kalır. Çöldeki eski demir köprülerin onlarca yıl dayanmasının açıklaması budur. İkincisi, tuz olayı hızlandırır (4. tüp). Neden hızlandırdığını anlamak için korozyonun ne tür bir tepkime olduğunu görmemiz gerekiyor.
Korozyon, bir metalin çevresiyle tepkimeye girip kendiliğinden yükseltgenmesidir. Metaller doğada çoğunlukla oksit ya da sülfür hâlinde bulunur; biz onları enerji harcayarak metal hâline getiririz. Korozyon, metalin o eski bileşik hâline geri dönmesidir.
Pas Bir Pil Gibi Çalışır
Demir yüzeyinde minik galvanik hücreler kurulur. Bir bölge anot, başka bir bölge katot olur; elektronlar metalin içinden, iyonlar ise yüzeydeki su filminden taşınır.
Anot (yükseltgenme): $\mathrm{Fe(k) \rightarrow Fe^{2+}(suda) + 2e^-}$
Katot (indirgenme): $\mathrm{O_2(g) + 2H_2O(s) + 4e^- \rightarrow 4OH^-(suda)}$
Elektronları eşitlemek için anot tepkimesi 2 ile çarpılır ve toplanır:
$\mathrm{2Fe(k) + O_2(g) + 2H_2O(s) \rightarrow 2Fe(OH)_2(k)}$
Demir(II) hidroksit havadaki oksijenle bir adım daha yükseltgenir: $\mathrm{4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3}$. Bu madde su kaybederek bildiğimiz kahverengi pasa, yani sulu demir(III) okside ($\mathrm{Fe_2O_3 \cdot xH_2O}$) dönüşür.
Şimdi tuzun rolü açık: tepkime bir hücre gibi çalıştığına göre iyonların su filminde kolay taşınması hızı artırır. Tuzlu su iyonca zengin, yani daha iyi bir iletkendir. Kışın yola tuz dökülen şehirlerde araç altlarının, deniz kıyısında da demir korkulukların hızlı çürümesi bundandır. Sıcaklık da her kimyasal tepkimede olduğu gibi hızı artırır.
Mini soru: Bir su damlasının altında paslanma damlanın ortasında mı, kenarında mı başlar? Cevap ortası. Oksijen damlanın kenarına kolay ulaşır, orası katot olur; oksijenin az olduğu orta bölge anot olur ve metal orada çözünür, çukurlaşma ortada başlar.
Çizik Testi: Galvanizli Sac mı, Teneke mi?
Demiri korumanın en yaygın yolu üstünü başka bir metalle kaplamaktır. Ama hangi metalle kapladığımız, kaplama çizildiği anda her şeyi değiştirir. Karar standart indirgenme potansiyellerinden okunur:
| Yarı tepkime | $E^\circ$ (V) |
|---|---|
| $\mathrm{Mg^{2+} + 2e^- \rightarrow Mg}$ | −2,37 |
| $\mathrm{Zn^{2+} + 2e^- \rightarrow Zn}$ | −0,76 |
| $\mathrm{Fe^{2+} + 2e^- \rightarrow Fe}$ | −0,44 |
| $\mathrm{Sn^{2+} + 2e^- \rightarrow Sn}$ | −0,14 |
| $\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu}$ | +0,34 |
Galvanizli sac (çinko kaplı demir) çizilirse çinko ile demir nemli ortamda temas eder. Çinkonun potansiyeli daha düşük, yani daha aktif; anot o olur ve demir yerine çinko yükseltgenir. Kaplama çizik olsa bile demiri korumaya devam eder.
Teneke (kalay kaplı demir, konserve kutusu) çizilirse tablo tersine döner: demir kalaydan daha aktiftir, anot demir olur. Çizik bölgedeki demir, kaplamasız bir demirden bile daha hızlı paslanır, çünkü şimdi büyük bir kalay yüzeyi katot görevi yapıp demirden elektron çekmektedir. Kalay yine de konservede kullanılır: çizilmediği sürece yiyecekle tepkimeye girmez ve zehirsizdir.
Aynı mantık su tesisatında da geçerli: bakır boru demir boruya doğrudan bağlanırsa demir anot olur ve ek yerinde hızla delinir. Araya plastik bir ara parça koymak devreyi keser.
Koruma Yöntemleri ve Bir Kurban Anodun Ömrü
| Yöntem | Nasıl çalışır? | Zayıf yanı |
|---|---|---|
| Boya, yağ, plastik kaplama | Metali su ve oksijenden ayırır | Çizilince koruma biter |
| Kurban anot (Zn, Mg blok) | Daha aktif metal elektron verir, korunan metal katot kalır | Blok erir, değiştirilir |
| Dış akımla koruma | Güç kaynağı metale sürekli elektron gönderir | Sürekli enerji ister |
| Alaşımlama (paslanmaz çelik) | Krom sıkı bir $\mathrm{Cr_2O_3}$ filmi oluşturur, çizilince yenilenir | Pahalı |
Alüminyum da krom gibi davranır: demirden aktif olduğu hâlde yüzeyindeki ince, sıkı $\mathrm{Al_2O_3}$ tabakası oksijenin altına geçmesini engeller. Pas ise gözeneklidir ve dökülür; altındaki temiz demiri yeniden açığa çıkarır.
Çözümlü örnek: Bir balıkçı teknesinin gövdesine 6,5 kg'lık çinko blok bağlanıyor. Blok ortalama 0,5 A akım verecek hızda aşınıyorsa kaç günde tükenir? ($\mathrm{Zn}$ = 65 g/mol, $F$ = 96 500 C/mol e⁻)
Çinkonun mol sayısı: $n = \dfrac{6500}{65} = 100$ mol. Her çinko atomu 2 elektron verir: $\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-}$, yani 200 mol elektron.
Yük: $Q = 200 \times 96\,500 = 1{,}93 \times 10^7$ C. Süre: $t = \dfrac{Q}{I} = \dfrac{1{,}93 \times 10^7}{0{,}5} = 3{,}86 \times 10^7$ s.
Bir günde 86 400 s olduğuna göre $\dfrac{3{,}86 \times 10^7}{86\,400} \approx 447$ gün, yani yaklaşık 15 ay. Bloklar bu yüzden her yıl tersane bakımında yenilenir.
İkinci küçük hesap: 5,6 g demir tamamen $\mathrm{Fe_2O_3}$'e dönüşürse kütle ne olur? 5,6 / 56 = 0,1 mol Fe, bundan 0,05 mol $\mathrm{Fe_2O_3}$ oluşur: $0{,}05 \times 160 = 8{,}0$ g. Paslanan çivi ağırlaşır; eklenen 2,4 g havadan gelen oksijendir.
Sık Yapılan Hatalar ve AYT İpucu
Hata 1 — "Kurban anot demirden soy olmalı, dayanıklı olsun." Tam tersi. Kurban anot demirden daha aktif (potansiyeli daha düşük) olmalıdır ki elektronu o versin. Bakır blok bağlanırsa demir anot olur ve gövde daha hızlı çürür.
Hata 2 — "Paslanan metal kütle kaybeder." Çivi ağırlaşır; kaybolan metal değil, eklenen oksijendir. Kütle kaybı ancak pas dökülünce görülür.
Hata 3 — "Alüminyum paslanmaz çünkü aktif değildir." Alüminyum demirden aktiftir; koruyan şey oluşan oksit filminin sıkı ve yapışkan olmasıdır.
AYT ipucu: Soruda iki metal temas ediyorsa önce potansiyel tablosuna bakın: daha aktif olan anottur ve aşınan odur. "Hangi düzenekte çivi paslanmaz?" sorularında su ve oksijenden birinin eksik olduğu tüpü arayın; tuz, sıcaklık ve farklı metalle temas ise "en hızlı" seçeneğinin işaretleridir.
Sık sorulanlar
Galvanizli sac çizilince neden paslanmaz ama teneke çizilince hızla paslanır?
Çinko demirden aktiftir; çizikte anot çinko olur ve demir korunur. Kalay demirden az aktiftir; çizikte anot demir olur ve kalay yüzeyi katot gibi elektron çektiği için demir kaplamasız hâlinden bile hızlı paslanır.
Paslanmada katotta hangi tepkime olur?
Oksijen suyla birlikte indirgenir: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-. Anotta ise demir yükseltgenir: Fe → Fe2+ + 2e-.
Gemilere bağlanan çinko bloklar neden değiştirilir?
Kurban anot olarak demirin yerine yükseltgenip iyon hâlinde suya geçerler. 6,5 kg çinko 0,5 A ortalama akımla yaklaşık 447 günde tükenir; bu yüzden düzenli bakımda yenilenir.