Madde-Elektrik İlişkisi ve Elektrolizle Kaplama

Konu Anlatımı

Bu Konuda Ne Öğreneceğiz

Bu konuda madde ile elektrik arasındaki miktar ilişkisini kuracağız. Bir elektrolitik hücrede geçen yük miktarı, katotta biriken metalin miktarını belirler; bu bağıntının adı Faraday yasasıdır. Aynı yasa elektrolizle kaplama işlemlerinde de kullanılır. Kaplama ile elde edilen metalin miktarı verilen yükle orantılıdır ve bu miktar teorik değerle karşılaştırıldığında verim kavramı ortaya çıkar. Ayrıca standart potansiyellerin yeni ve eski adları, ayrışma potansiyeli ile hücre potansiyeli arasındaki fark da bu konunun parçasıdır.

Ön Bilgi: Madde-Elektrik İlişkisi

Elektrolizde katotta biriken metal ile geçen yük arasındaki ilişki iki eşitlikle kurulur. Birincisi yük miktarının elektron miktarına bağlanmasıdır: n(e⁻) = Q / F. Burada Q geçen toplam yük, F ise Faraday sabitidir ve değeri 96 500 C · mol⁻¹'dir. İkincisi biriken metal miktarını veren bağıntıdır: m = (M · Q) / (n · F). Burada M metalin mol kütlesi, n ise bir metal iyonunun yüküdür. Aynı elektriksel büyüklüğü ifade eden iki eski yeni ad sık karıştırılır: Standart İndirgenme Potansiyeli (E°) ifadesinin eski adı Standart Elektrot Potansiyeli, Standart Hücre Potansiyeli ifadesinin eski adı ise Standart Pil Potansiyelidir. İkisi de aynı elektriksel büyüklüğü belirtir, yalnızca kullanım biçimi değişmiştir.

Bir metal iyonunun yükü hesaba katılmadan yalnızca yük miktarına bakmak yanıltıcıdır. Örneğin gümüş için Ag⁺ + e⁻ → Ag alınırken tek elektron yeterlidir; alüminyum için Al³⁺ + 3e⁻ → Al alınırken üç elektron gerekir. Bir mol altın elde etmek için 3 · 96 500 C, yani 289 500 C yük geçmelidir. Bu nedenle kaplama hesaplarında önce yarı tepkimenin elektron sayısı bulunur.

Basit Örnek: Bakır Kaplama Miktarı

Bir demir parça elektrolitik yolla bakırla kaplanacaktır. Katotta Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu yarı tepkimesi yürür. Katotta 0,4 mol bakır biriktirmek için 0,4 · 2 · 96 500 C = 77 200 C yük geçmelidir. Bu yükün geçtiği parçanın kütlesi ne kadar artar? Bakırın mol kütlesi 63,5 g/mol olduğundan artış 0,4 · 63,5 = 25,4 g olur. Görüldüğü gibi yükten önce yarı tepkimedeki elektron sayısını bulmak işi kolaylaştırır.

İleri Örnek: Altın ve Çok Değerli Metaller

Değerli metallerin kaplanmasında yarı tepkime tek basamakta gerçekleşmez. Altın için Au³⁺ + 3e⁻ → Au alınır ve bir mol altın için üç mol elektron gerekir. Bu nedenle 96 500 C yük bir mol altın değil, yalnızca üçte bir mol altın verir. Bir parçaya 2 mmol altın kaplamak için 2 · 10⁻³ · 289 500 C = 579 C yük geçirilmelidir. Bu tür hesaplarda elektrokimyasal eşdeğer de kullanılabilir; eşdeğer birim yük başına çöken metalin kütlesidir ve m = e · Q bağıntısıyla bulunur.

Adım Adım Çözülmüş Örnek: Verim Hesabı

Bir nikel kaplama işleminde 193 000 C yük geçirilmiş, katotta 53,1 g nikel birikmiştir. Verim yüzdesi şu şekilde bulunur.

1. Ni²⁺ + 2e⁻ → Ni yarı tepkimesinden birim metal başına düşen elektron sayısı 2 bulunur.
2. 193 000 C yük, 193 000 / 96 500 = 2 mol elektrona karşılık gelir.
3. 2 mol elektron 1 mol nikel depolar, yani teorik ürün 1 · 59 = 59 g'dır.
4. Gerçekte 53,1 g nikel biriktiğine göre verim 53,1 / 59 · 100 = %90 olur.

Verimin yüzde 100'ün altında kalmasının başlıca nedeni katotta istenmeyen yan tepkimelerin yürümesidir. Bu yan tepkimeler yükün bir bölümünü metal biriktirmeden harcar.

Kavram Karşılaştırma Tablosu

Tablodaki kavramlar birbirine karışabilir. Ayrışma potansiyeli dışarıdan verilen gerilimin alt sınırıdır, hücre potansiyeli ise tepkimenin kendi gerilimidir; elektrolizde uygulanan gerilimin ayrışma potansiyelini aşması gerekir.

Sık Yapılan Hatalar

• Parçanın kütlesinin azalacağını düşünmek: katotta metal biriktiği için kütle sürekli artar.
• Yük ile ürün miktarının ters orantılı olduğunu sanmak: ilişki doğru orantılıdır.
• Verim hesabında teorik değeri gerçek değere bölmek: doğru bölme gerçek değer / teorik değerdir.
• Yarı tepkimedeki elektron sayısını hesaba katmamak: aynı yük farklı metallerde farklı kütle verir.
• Çözünür anot kullanılmasını gereksiz görmek: çözünür anot, iyon derişimini sabit tutar.

Sınav Odaklı Ek Not

Soruların çoğu üç kalıptan birine dayanır. Kütle sorusu için önce elektron sayısını, sonra mol sayısını bulur, mol kütlesiyle çarparsınız. Yük sorusu için elektron mol sayısını Faraday sabitiyle çarparsınız. Verim sorusu için önce teorik kütleyi bulup gerçek kütleyi buna oranlarsınız. Tabloyu okuyan sorularda ise satırlardaki yük ve süre değerlerini yine m = (M · Q) / (n · F) bağıntısına sokun.

Özet ve Kendini Dene

Özetle madde-elektrik ilişkisi Faraday yasası ile kurulur: n(e⁻) = Q / F ve m = (M · Q) / (n · F). Elektrolitik kaplama, kaplanacak parçayı katot elektrotuna bağlayarak onun yüzeyinde istenen metali biriktirme işlemidir; anotta aynı metal çözünür. Gerçek ürünün teorik ürüne oranı verimi verir ve verimin düşük olması genellikle yan tepkimelerle ilgilidir. Kendini denerken bir gümüş kaplama hesabı yapıp 96 500 C yükün kaç gram gümüş verdiğini, bir altın kaplama hesabı yapıp 289 500 C yükün kaç mol altın verdiğini bulmaya çalış.