ELEKTROKİMYA

1. ELEKTROKİMYA

2. ÜNİTENİN KONU BAŞLIKLARI • Pilin öyküsü • Aktiflik • Standart Elektrot Potansiyelleri • Elektrokimyasal Hücreler

3. Luig GALVANİ (Biyolog) • 1780 ‘de ölü kurbağalar üzerinde çalışma yaptı • Daha sonra yaşadıklarını fizikçi VOLTA ile paylaştı. • Volta bu olayın potansiyel farkından kaynaklandığını açıkladı • Cu ve Ag levhalar arasına tuzlu suyla ıslatılmış kartonlar koyarak ilk Volta Pilini elde etti.

4. J.F DANİEL’in Çalışması • Volta’nın yaptığı pil düzeneğini farklı kaplarda iki farklı yarı hücre oluşturarak elektrik enerjisi elde etti. • Cu(SO4)2çözeltisine daldırılmış Cu içeren bir kap ve Zn(SO4)2çözeltisine daldırılmış Zn içeren başka bir kap tuz köprüsüyle birbirine bağlanarak oluşurmuştur.

5. Not: Galvani veya Daniel hücrelerinde pil kendiliğinden çalışır. Diğer bir ifadeyle, farklı standart elektrotlar ile hazırlanan bütün elektrokimyasal hücrelerde tepkime kendiliğinden gerçekleşir. Yani istemlidir, bu hücreler elektrik enerjisi üretir. • Kendiliğinden istemli olmayan redoks tepkimelerinin bir dış elektrik enerjisi kaynağı zorlaması ile gerçekleşen düzeneklere Elektrolitik hücre denir.

6. Elektrokimyasal Hücre • Elektrik enerjisini kimyasal enerjiye dönüştüren yada kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren düzeneklere Elektrokimyasal Hücre denir. • Elektrot: Çözeltiye daldırılmış iletken • Elektrolit: İletken çözelti • Tuz Köprüsü: Elektrokimyasal hücrede yük denkliğini sağlayan derişik çözelti

7. Standart İndirgenme Yarı Potansiyellerin Yorumu • Tepkimeler çift yönlüdür, tepkime ters çevrildiğinde işaret değişir • ∆H, ∆G, ∆S ve Kç gibi madde miktarından bağımsız olduğundan katsayısı değişen tepkimenin E°değeri değişmez. • Tepkimeler taraf tarafa toplanırken tepkimelerin potansiyelleri de toplanır.

8. Bir redoks tepkimesinde yükseltgenme ve indirgenme yarı tepkimelerinin standart potansiyelleri toplamı yani hücre potansiyeli pozitif (E°Hücre> 0) ise bu tepkime istemlidir. • 2Al(k)→2Al+3 + 6e- E°= + 1.662 V • 3Cu+2 + 6e-→ 3Cu(k) E°= + 0.337 V • 2Al(k) + 3Cu+2→2Al+3 + 3Cu(k) E°Hücre = + 1.999 V tepkimesi için E°Hücre = + 1.999 V > 0 olduğu için istemlidir.

9. İstemli redoks tepkimelerinden hücre potansiyeli büyük olan tepkime daha çok istemlidir. • 2Al(k) + 3Cu+2→2Al+3 + 3Cu(k) E°Hücre = + 1.999 V • Cr(k) + Pb+2→ Cr+2 + Pb(k)E°Hücre = + 0.282 V istemli olan birinci tepkimenin potansiyeli daha büyük olduğundan daha istemlidir.

10. Bir redoks tepkimesinde yükseltgenme ve indirgenme yarı tepkimelerinin standart potansiyelleri toplamı yani hücre potansiyeli negatif (E°Hücre∠ 0) ise bu tepkime istemsizdir. • 2Ag(k)→2Ag+2+ 2e- E°= - 0.799 V • Fe+2+ 2e-→ 2Fe(k) E°= - 0.440 V • 2Ag(k) + 2Fe+2→2Ag+2+ 2Fe(k) E°Hücre = - 1.239 V tepkimesi için E°Hücre =- 1.999 V ∠ 0 olduğu için istemsizdir

11. Standart Potansiyeller Kullanarak Galvanik Pilin Standart Hücre Potansiyelinin Belirlenmesi • İndirgenme potansiyelleri arasındaki farktır. E°Hücre = E°Katot -E°Anot • Veya yükseltgenme ve indirgenme yarı tepkimelerinin standart potansiyelleri toplamıdır E°Hücre = E°Yükseltgenme +E°İndirgenme

12. Yarı Hücre:

14. 2. STANDART ELEKTROT POTANSİYELLERİ AKTİFLİK • Elementlerin bileşik oluşturabilme kabiliyetlerine aktiflik denir. • Kimyasal reaksiyonlarda, elektron veren element yükseltgenirken, elektron alan element indirgenir. Elektron veren (yükseltgenen) elemente indirgen, Elektron alan (indirgenen) elemente yükseltgen denir.

15. İletkenlik • Birinci dereceden iletkenler: metallerdir ve serbest elektronlar sayesinde gerçekleşir. Ag, Cu, Pt iyi iletir. • İkinci dereceden iletkenler: Suda çözündüğünde serbestçe hareket edebilen iyonlar sayesinde olur. • Elektrolitik iletkenlik, • İyonların sayısına • İyonların yüküne • İyonların göçme hızına • Derişimine • Sıcaklığa bağlıdır.

16. İNDİRGENME – YÜKSELTGENMEREAKSİYONLARI(Redoks Reaksiyonları) Doğal Redoks Tepkimeleri (Kendiliğinden gerçekleşir.) Yapay Redoks Tepkimeleri (Elektrik enerjisi ile gerçekleşir.) PİLLER ELEKTROLİZ

17. YÜKSELTGENME YARI PİL POTANSİYELİ • Elementlerin aktifliğinin karşılaştırılmasının bir diğer yolu da yükseltgenme yarı pil potansiyelidir. Bir elementin yükseltgenme yarı pil potansiyelideğeri ne kadar büyükse elektron verebilme kabiliyeti (aktifliği) o kadar büyüktür.

18. İNDİRGENME YARI PİL POTANSİYELİ • Yükseltgenme yarı pil potansiyelideğerinin ters çevrilmiş hâlidir.

19. YARI PİL POTANSİYEL DEĞERLERİ NE ANLAM TAŞIR? • Yükseltgenme yarı pil potansiyeli veya indirgenme yarı pil potansiyeli değerlerinin sıfırdan büyük (+) olması, gösterilen denklemin istemli olduğunu; sıfırdan küçük (–) olması ise gösterilen denklemin istemsiz olduğunu gösterir. • Sayısal değerin büyüklüğü veya küçüklüğü ise olayın ne derece istemli veya istemsiz olduğunu gösterir.

20. Redoks Reaksiyonlarının Gerilimi İndirgenme yarı reaksiyonunun gerilimi Yükseltgenme yarı reaksiyonunun gerilimi Redoks reaksiyonunun gerilimi

21. Redoks Reaksiyonlarının Gerilimi Sıfırdan Büyük İse Tepkime Kendiliğinden Gerçekleşir. Redoks Reaksiyonlarının Gerilimi Sıfırdan Küçük İse Elektrik Enerjisi İle Gerçekleşir.

22. STANDART HİDROJEN YARI PİLİ • Hidrojenin yükseltgenme ve indirgenme yarı pil potansiyeli oda şartlarında (25 °C ve 1 atm) 0,00 volt kabul edilmiştir. H2(g)→ 2H+ + 2e ΔE° = 0,00 volt 2H+ + 2e → H2(g)ΔE° = 0,00 volt • Diğer maddelerin yükseltgenme yarı pil potansiyelleri standart hidrojen yarı pilinden yararlanılarak bulunur.

23. KONSANTRASYON DEĞİŞMESİNİN PİL GERİLİMİNE ETKİSİ • Pillerde denge olayı vardır. Pile yapılan etkilerle sistem ürünler lehine kayarsa gerilim artar; girenler lehine kayarsa gerilim azalır. Gerilimin arttırılması, pilin ömrünün uzaması demektir. Gerilimin azalması ise, pilin ömrünün kısalması demektir. Pil kullanıldıkça, gerilim azalır. Gerilim 0 volta düşünce pil tükenmiştir.

24. PİLLER;kendiliğinden gerçekleşen redoks tepkimeleridir. Reaksiyonların Kendiliğinden Gerçekleşip Gerçekleşmediğinin Tahmin Edilebilmesi Ürünler daha kıymetli ise kendiliğinden gerçekleşmiştir. Ekzotermik tepkime ise kendiliğinden gerçekleşmiştir. Aktif metal yükseltgendi ise kendiliğinden oluşmuştur E0redoks> 0ise kendiliğinden oluşmuştur. Bütün piller kendiliğinden gerçekleşen tepkimedir.

25. KENDİLİĞİNDEN GERÇEKLEŞEN REDOKS TEPKİMELERİNİN KULLANIMI Piller Doğal Kaplama Nitel ve Nicel Analiz Metotları

26. KENDİLİĞİNDEN GERÇEKLEŞEN TEPKİMELER Kendiliğinden, kendi kendine oluyor demek değildir. İnsan iradesi karışmadan olduğunu ifade için denmiştir. İnsan iradesinin karıştığı işlere göre çok daha mükemmel olduğunu belirtmek içindir.

27. ELEKTROKİMYASAL TEPKİMELERDE HESS PRENSİBİNİN UYGULANMASI • 1) Bir elektrokimyasal pil tepkimesinde reaksiyon bir sayı ile çarpılırsa pil potansiyeli (ΔE°) bu sayı ile çarpılmaz. • 2) Yükseltgenme ya da indirgenme yarı reaksiyonları ters çevrilirse pil potansiyeli işaret değiştirir. • 3) Pil tepkimesi iki ya da daha fazla pil reaksiyonunun toplamından elde ediliyorsa, bu tepkimenin pil potansiyeli diğer reaksiyonların pil potansiyelleri toplamına eşit olur.

28. İndirgenme yarı reaksiyonun gerilimi ile yükseltgenme yarı reaksiyonun gerilimi birbirinin ters işaretlisidir. Örnek: Fe+2 + 2e → Fe0 E0 = –0,44 V Fe0 – 2e → Fe+2 E0 = +0,44 V

29. Yarı tepkime genişletilince E0 değeri aynen kalır, genişletilmez. Örnek: Ag+1 + 1e → Ag0 E0 = +0,80 V 2Ag+1 + 2e → 2Ag0 E0 = +0,80 V

30. 3. ELEKTROKİMYASAL HÜCRELER

31. AgNO3çözeltisi demir kapta saklanabilir mi? 2Ag+1 + 2e → 2Ag0 E0indirgenme= +0,80 V Fe0 – 2e → Fe+2 E0yükseltgenme= +0,44 V 2Ag++Fe0→ 2Ag0+Fe+2 E0redoks= +1,24 V E0redoks> 0 olduğundan saklanamaz; çünkü reaksiyona girer.

32. ŞEHİR ŞEBEKE SULARINDAN PAS AKMASI NORMALDİR 4Fe0 – 8e →4Fe+2 E0yükseltgenme= +0,44 V 4Fe+2 – 4e →4Fe+3 E0yükseltgenme= –0,77 V 3O2 + 12e → 6O–2 E0indirgenme= +1,23 V 4Fe0 + 3O2 →2Fe2O3 E0redoks= +0,90 V

33. Metalik demirin, oksijenle paslanmasına ait reaksiyon denkleminin toplam gerilimi, pozitif sayısal değerdir. • Rutubetli ortam oto katalizördür. Çünkü; oksijenin indirgenme yarı reaksiyonu tam yazıldığında ürünlerde su çıkmaktadır. • Fe2O3 pastır. • Paslanmayan borular kullanılmadığı müddetçe, sulardan pas akacaktır. • Demirin; yağlı boya, paslanmaz çelik üretimi vb. yollarla paslanmaya karşı korunması önemlidir.

34. Al(NO3)3çözeltisi Zn kaşık ile karıştırılabilir mi? Al+3 ’ün Al0 ’a indirgenme gerilimi= –1,66 V Zn0 ’ın Zn+2 ’ye yükseltgenme gerilimi= +0,76 V Redoks tepkimesinin gerilimi = –0,90 V E0redoks< 0 olduğundan karıştırılabilir; çünkü reaksiyon olmaz.

35. PİLDEN BAŞKA KENDİLİĞİNDEN GERÇEKLEŞEN YAŞAMIMIZDAKİ REDOKS TEPKİMELERİNE BAZI ÖRNEKLER Asit Yağmurunun Çinko Olukları Aşındırması Demirin Altınla ve Gümüşle Kaplanması

36. Asit Yağmurunun Çinko Olukları Aşındırması Zn + H2SO4→ ZnSO4+ H2 Demirin Altınla ve Gümüşle Kaplanması Fe + 3AuNO3 → Fe(NO3)3+ 3Au Fe + 3AgNO3→ Fe(NO3)3+ 3Ag

37. DOĞAL TEDAVİDE VE KORUYUCU HEKİMLİKTE (HİJYEN) BAŞLICA İKİ YOL VE REDOKS • Bitkilerle tedavi ve hijyen • Doğal şifalı sularla tedavi ve hijyen

38. BİTKİLERLE TEDAVİ VE HİJYEN • Fotosentez olayı bir redoks reaksiyonudur. Bunun sonucunda bitkiler oluşur. Fotosentezde ve fotosentezin devamında yaprak gereklidir. Tedavide ve hijyende bitki yaprakları önemlidir. Sigara kâğıdı gibi ince yeşil yapraklar, yazın çok şiddetli sıcaklıkta bile aylarca yaş kalır, kurumaz.

39. DOĞAL ŞİFALI SULARLA TEDAVİ • Yeraltından gelen sular karşılaştıkları sert taş, kaya ve toprağa çarptığında elektron aktarımı olur; örneğin, elementel demir (sıfır değerlikli demir) içeren bir kayayla su temas edince; demir, +2 hâline geçer. Sıfır değerlikli demir suda çözünmez. Oluşan demir +2 bileşiği ise suda az çözünür.

40. Bu redoks tepkimeleri sonucunda yeryüzüne çıkan kaynak suları ve şifalı sular az veya eser miktarda onlarca farklı minerali içerir. Ülkemizde Keçiborlu suyu, şifalı sulara örnektir. • Köklerin ipek gibi yumuşak damarlarının sert taşları delmesi anında da benzer redoks reaksiyonları gerçekleşir.

41. KİMYA LABORATUVARLARINDAKİ LAVABO VE PİS SU BORULARI İLE KENDİLİĞİNDEN OLUŞAN TEPKİME İLİŞKİSİ • Kimya laboratuvarlarındaki lavabolar, çelik lavabo olmamalıdır; çünkü çelik, asitlerle kimyasal tepkimeye girer. Zaten bu hususa dikkat edilmektedir.

42. Kimya laboratuvarlarında lavabolar ve çalışma tezgâhları laminant da olmamalıdır; çünkü laminant, çoğu çözelti ile tepkimeye girer ve leke kalır. • Kimya laboratuvarlarında pis su boruları, bakır ve çinko olmamalıdır. Bakır asitlerle tepkimeye girer. Çinko ise hem asit hem baz hem de bazı çözeltilerle tepkimeye girer. • Bu hususlara kimya laboratuvarlarının kurulmasında dikkat edilmektedir.

43. SANAYİDE YANLIŞ BİR UYGULAMA; DEMİRİN ÇİNKO İLE KAPLANMASI Yanlış olarak elektrolizle olur. Emaye kaplar buna örnektir. Kısa sürede çinko (sır) kalkar. Kap kullanılamaz hâle gelir. Çinko kap (emaye kap), demirin çinko ile elektroliz sonucu kaplanmasıyla üretilmiştir. Günümüzde büyük çapta hem üretimi hem de evlerde kullanımı terk edilmiştir.

44. ENDÜSTRİDE YAPILAN BİR HATA; DEMİRİN KROM İLE KAPLANMASI Kaplama ancak elektrolizle olur, kendiliğinden olmaz. Demir daha kıymetli metaldir. Kromun üzeri demirle kendiliğinden kaplanır; doğrusu budur. Ancak, demirin üzeri kromla kendiliğinden kaplanmaz. Demirin kromla kaplanması ancak elektrolizle olur. Kaplandıktan sonra da krom hemen kalkar.

45. Hem kromun ele batma tehlikesi vardır hem de alttaki demir paslanır. Krom kaplı musluklarda buna çokça rastlanır. Kromaj kaplı et kıyma makinelerinde ise alttaki demir paslandığından dolayı, kıyma makinesinde sabahları ilk çekilen kıymalar paslı olur. CABİR BİN HAYYAN (721–805) Paslanmayan çelik alaşımı elde etmiştir. Çeliklerde paslanmayı önlemiştir.

46. DOĞAL METAL KAPLAMA • Kaplama esnasındaki kimyasal reaksiyon kendiliğinden gerçekleşiyorsa buna doğal kaplama denir. Doğal kaplama ince olur, buna rağmen yıllar sonra bile aşınmaz. • İndirgenme gerilimi en büyük olan, soy metallerdir. Soy metal iyonu içeren bir çözelti (altın suyu) içine örneğin bir demir yüzük daldırılırsa yüzük altınla kaplanır.

47. DOĞAL METAL KAPLAMANIN UYGULANDIĞI YERLER • Sanayide demir metalinin nikel ile kaplanması • Değersiz metalden yapılmış süs eşyalarının gümüş ile kaplanması • Değersiz metalden yapılmış takıların altın ve gümüş ile kaplanması

48. REDOKS TEPKİMESİ VE ELMA Elma 1 sene boyunca ihtiyacımızın olduğu bir meyvedir, her mevsim turfanda elma bulunur. Fe+2 kanımızdaki hemoglobinin temel maddesidir. Gıdalardaki ve ilaçlardaki demir iyonu ise Fe+3’tür. Fe+2 ihtiyacımızı elma ve nisan yağmuru ile karşılamamız gerekir. Veyahut elma çekirdeği yenilmelidir.

49. Kansızlık için alınan Fe+3 preparatları bağırsakları tahrip eder ve genelde faydası görülemez. Çünkü ilaç olarak veya gıdalarla aldığımız Fe+3 vücudumuzda ancak elma çekirdeğiyle indirgenerek Fe+2’ye dönüşebilir. Günde 1 tane elma ile beraber 1 tane de elma çekirdeği yenmelidir. Elma çekirdeği 1 taneden fazla yenmemelidir. 1 adet elmada bulunan Fe+2, insanın günlük Fe+2 ihtiyacı kadardır.

50. Elmada Fe+2 zaten vardır. Elma ağacı, kökleri vasıtasıyla topraktan aldığı Fe+3’ü indirgeyerek Fe+2 hâline getirir ve meyvesinde depolar. Bu redoks tepkimesi günümüzde kimya laboratuvarlarında henüz gerçekleştirilememiştir. Çünkü, gerçekleştirilmesi zor bir kimyasal işlemdir. Kırmızı renkli Fe+2’nin laboratuvarlarda elde edilmesi bu nedenle mümkün değildir.