Elektrokimya ve Çözelti İletkenliği

Konu Anlatımı

Elektrokimya ve Çözelti İletkenliği

Elektrokimya, kimyasal enerji ile elektrik enerjisi arasındaki dönüşümü inceler. Çözeltilerde iyonlar hareket ederek yükü taşıdığı için elektrolit çözeltiler akımı iletir; elektrolizde ise dışarıdan verilen yük maddeyi kimyasal olarak değiştirir. Atölyedeki kaplama, temizleme ve kalite kontrol işlemlerinin dayandığı temel konu budur.

Bu derste ne öğreneceğiz?

Elektrolit çözeltiler ve elektrot kavramlarını tanıyacak; iletkenlik ile direnç arasındaki bağı kurup ölçüm sonuçlarını yorumlayacak; Faraday yasasıyla geçen yük miktarından çöken madde miktarını hesaplayacak; elektrokimyasal seri değerlerini kullanarak pil gerilimini bulacak ve madde miktarı arttıkça iletkenliğin neden değiştiğini açıklayacaksınız.

Ön bilgi

İletkenlik, bir çözeltinin elektrik akımını ne kadar kolay geçirdiğini anlatan bir özelliktir. Direnç bunun tersidir ve iletkenlik, direncin çarpımsal tersidir. Ölçüm genellikle sabit bir ölçüm hücresinde yapılır; böylece karşılaştırılan çözeltiler aynı geometriye sahip olur ve yalnız madde miktarı farkı yorumlanır.

Elektrolit çözeltide iyonlar serbestçe hareket eder. Derişim arttıkça taşıyıcı iyon sayısı artar, dolayısıyla iletkenlik yükselir. Çözeltinin elektriği iletmesi için iyonların bulunması zorunludur; saf su pratik olarak çok zayıf iletkendir.

Elektrolitler ve İyonların Taşınması

Elektrolit, suda çözündüğünde iyonları oluşturan maddedir. İyonik bağlı tuzlar suda iyonlarına ayrılır; kovalent bağlı asitler ise suyla tepkimeye girerek iyon açığa çıkarır. Her iki durumda da çözeltide hareket eden yük taşıyıcıları oluşur.

İyonların hareketi bir yönlüdür: negatif iyonlar katoda, pozitif iyonlar anoda doğru gider. Bu yönlü hareket iletkenliğin temelidir. İyon çapı büyüdükçe hareket yavaşlar, iletkenlik düşer; aynı sayıda iyon taşıyan iki çözeltide ağır olanın iletkenliği daha azdır.

Faraday Yasası ve Elektroliz

Dışarıdan bir elektrot çifti arasından yük geçirildiğinde yük miktarı akım şiddeti ile sürenin çarpımıdır. Bu miktarın bir mol elektron yüküne bölünmesi geçen elektronun madde miktarını verir: 1,0 × 1800 = 1800 C taşınan yük, 1800 / 96500 = 0,01865 mol elektron demektir.

Bir iyonun yükseltgenme veya indirgenme derecesi elektron sayısını belirler. Bakır iyonu iki elektron alarak metal bakıra dönüşür; bu yüzden aynı yük miktarında bakır iyonu için elektron sayısının yarısı kadar madde miktarı hesaba katılır. Bakırın mol kütlesi 63,5 g/mol olduğundan 0,01865 × 63,5 = 1,184 g bakır katot üzerinde toplanır.

Katotta toplanan madde miktarı, geçen akım miktarıyla doğru orantılıdır. Bu ilişki kaplama kalınlığının denetlenmesinde kullanılır: akım ne kadar uzun süreli verilirse o kadar çok madde çöker.

Elektrokimyasal Seri ve Pil Gerilimi

Elektrot potansiyelleri, maddelerin elektron verme ve alma eğilimlerini sayısal olarak gösteren bir sıralamadır. Bakır çifti için değer 0,34 V, çinko çifti için −0,76 V kabul edilir. Galvanik elemanda katot indirgenme, anot yükseltgenme bölgesidir.

İki elektrot birleştirildiğinde oluşan pil gerilimi, daha yüksek potansiyelli katottan daha düşük potansiyelli anota çalışma gerilimi olarak hesaplanır. Çinko bakırla birleştirilirse 0,34 − (−0,76) = 1,10 V gerilim oluşur. Potansiyeli çok farklı iki metal seçildiğinde gerilim büyür, ancak kullanılan metal miktarı da artar.

İki elektrot arasındaki potansiyel farkı, pil gerilimini doğrudan belirler; bu nedenle elektrot çifti seçimi tasarımın en etkili aracıdır.

İletkenliğin Ölçülmesi

İletkenlik ölçümünde elektrotlar arasına sabit gerilim uygulanır, geçen akım şiddeti okunur. Aynı hücre kullanıldığında değerler karşılaştırılabilir olur. Suyun yumuşaklığı, tuzluluk ve birçok ürün kalite kontrolü bu yöntemle yapılır.

Derişim ile iletkenlik ilişkisi doğrusal değildir: derişim arttıkça iyonlar birbirlerini ve hareketi zorlaştırır. Bu yüzden çok derin çözeltilerde iletkenlik, derişim artışına göre beklenenden daha yavaş büyür. Ölçüm sonucunu yorumlarken bu sapma göz önüne alınmalıdır.

Basit örnek

Bir ölçüm hücresinde direnç 0,025 Ω ölçülürse iletkenlik, direncin çarpımsal tersi olarak çok büyük bir değerdir. Pratikte ölçümler direnç yerine doğrudan iletkenlik cinsinden raporlanır ve birim olarak S/cm kullanılır.

İleri örnek

Bakır sülfat çözeltisi elektroliz ediliyor. Akım şiddeti 0,5 A, süre 4825 s olarak alınsın. Taşınan yük 0,5 × 4825 = 2412,5 C olur. Bu yük 2412,5 / 96500 = 0,025 mol elektron taşır. Bakır iyonu iki elektron aldığı için madde miktarı 0,025 / 2 = 0,0125 mol olur. Katotta toplanan bakır kütlesi 0,0125 × 63,5 = 0,794 g bulunur.

Adım adım çözülmüş örnek

Adım 1: Verilenleri yaz. Akım şiddeti 0,5 A, süre 4825 s, tek elektron yükü 96500 C/mol.

Adım 2: Taşınan yükü hesapla: 0,5 × 4825 = 2412,5 C.

Adım 3: Elektron madde miktarını bul: 2412,5 / 96500 = 0,025 mol.

Adım 4: İyonun elektron sayısını uygula: bakır iyonu iki elektron alır, madde miktarı 0,025 / 2 = 0,0125 mol.

Adım 5: Kütleyi hesapla: 0,0125 × 63,5 = 0,794 g.

Adım 6: Raporla: geçen 2412,5 C yükle 0,794 g bakır katot üzerinde toplanmıştır.

Kavram karşılaştırma tablosu

Sık Yapılan Hatalar

• Hata: İletkenlik ile direnci aynı kavram sanmak. Doğrusu: İletkenlik, direncin çarpımsal tersidir.
• Hata: Derişim ile iletkenliğin doğrusal arttığını varsaymak. Doğrusu: Çok derin çözeltilerde iyon hareketi zorlaştığı için artış beklenenden yavaştır.
• Hata: Elektrolizde elektron sayısını ihmal etmek. Doğrusu: Bakır gibi iki değerlikli iyonlar için madde miktarı elektron sayısına bölünür.
• Hata: Pil gerilimini iki potansiyelin toplamı sanmak. Doğrusu: Gerilim, daha yüksek potansiyelden daha düşük potansiyele çalışma gerilimidir.
• Hata: Saf suyun yüksek iletkenliğe sahip olduğunu düşünmek. Doğrusu: Saf su iyon bakımından çok zayıftır ve pratikte iletken değildir.
• Hata: Farklı hücrelerde ölçülen iletkenlikleri doğrudan karşılaştırmak. Doğrusu: Aynı ölçüm hücresi kullanılmalıdır.

Özet

Elektrolit çözeltilerde iyonlar yükü taşıdığı için elektriği iletir. İletkenlik, direncin çarpımsal tersidir ve derişimle birlikte doğrusal olmayan biçimde artar. Elektrolizde geçen yük akım ile sürenin çarpımıdır; Faraday yasasına göre bu yük elektron madde miktarını belirler. İyonun değerliği kaç elektron aldığına göre çöken madde miktarı değişir. Pil gerilimi, elektrokimyasal serideki iki potansiyelin farkıdır ve katot ile anot arasında oluşur.

Kendini dene

Üç açık uçlu görev konunun başarısını ölçer: birincisinde geçen yükten çöken madde miktarını hesaplayacak, ikincisinde iki elektrot arasındaki gerilimi bulup pil tasarımını değerlendireceksiniz, üçüncüsünde iletkenlik ölçümündeki hata kaynaklarını sıralayacaksınız. Puanlama anahtarı her görevde yazılıdır.