Elektrokimya

Yüklə 115 Kb.

tarix	22.05.2018
ölçüsü	115 Kb.
	#45552

Yarı Reaksiyonlar Minimum
1): Bir bakır sülfat çözeltisi 0,02 amperlik bir akım şiddeti altında 5 saat süre ile elektroliz ediliyor. Bu sırada katotta kaç gram bakır toplandığını hesaplayınız.

ELEKTROKİMYA

İndirgenme ve yükseltgenme reaksiyonları

Kimyasal piller

Elektroliz

ELEKTRİKSEL İLETKENLİK

Elektronlar : Metalik iletkenlik

İyonlar : Elektrolitik iletkenlik

l iletkenin boyu cm

S kesiti, cm2

R elektrik direnci, ohm

 özgül direnç,

direnç, iletkenin boyu ile doğru ve kesiti ile ters orantılı

Burada σ öziletkenliktir.
Direncin tersine “iletkenlik”, özgül direncin tersine de “özgül iletkenlik” adı verilmektedir.
İndirgenme ve yükseltgenme reaksiyonları
MnO₄^- + NO₂^- Mn²⁺ + NO₃^- (Asit)

MnO₄^- + 8 H⁺ Mn²⁺ + 4H₂O 4 O atomu göz önüne alarak

MnO₄^- + 8 H⁺ + 5e- Mn²⁺ + 4H₂O yükleri dengelemek için 5e- ilave
Diğer yarı reaksiyon için
NO₂^- NO₃^-
NO₂^- + H₂O NO₃^- + 2H⁺
NO₂^- + H₂O NO₃^- + 2H⁺+ 2e-
2/ MnO₄^- + 8 H⁺ + 5e- Mn²⁺ + 4H₂O

5/ NO₂^- + H₂O NO₃^- + 2H⁺+ 2e-

2MnO₄^- + 16H⁺ + 10e- + 5NO₂^- + 5H₂O 2Mn²⁺ + 8H₂O + 5NO₃^- + 10e-

2MnO₄^- + 6H⁺ + 5NO₂^- 2Mn²⁺ + 5NO₃^- + 3H₂O

Aşağıdaki reaksiyonlarını denkleştiriniz.

a) MnO₄^- + H₂O₂  O₂ + Mn²⁺ (asidik ortam)

b) Cr₂O₇^2-+ NO₂ ^-  Cr³⁺+ NO₃ ^–(asidik ortam)

Çözüm a)
2/ (Mn⁺⁷O^-2₄)^- + 5 e^-  Mn²⁺

5/ (H⁺¹₂O^-1₂)  O⁰₂ + 2x1e^-=2e^-
2(Mn⁺⁷O^-2₄)^- + 10 e^-  2Mn²⁺

5(H⁺¹₂O^-1₂)  5O⁰₂ + 10e^-

Toplam:

2MnO₄^- + 5H₂O₂  5O₂ + 2Mn²⁺

^{(-2) (0) = (0) (+4)}

^{(-2) = (+4)}

^{(-2) + 6H+ = (+4)}
2MnO₄^- + 5H₂O₂ + 6H⁺ 5O₂ + 2Mn²⁺+ 8H₂O

^{8 O 10 O 10 O 8 O}
Çözüm b)

Cr₂O₇^2-+ NO₂ ^-  Cr³⁺+ NO₃ ^–

1/ (Cr₂⁺⁶O^-2₇)^2- + 2x3=6e^-  2Cr³⁺

3/ (N⁺³O^-2₂) ^-  (N⁺⁵O^-2₃) ^- + 2e^-
(Cr₂⁺⁶O^-2₇)^2- + 6e^-  2Cr³⁺

(N⁺³O^-2₂) ^-  (N⁺⁵O^-2₃) ^- + 6e^-

Toplam:

Cr₂O₇^2-+ 3NO₂ ^-  2Cr³⁺+ 3NO₃ ^–

^{(-2) (-3) = (+6) (-3)}

^{(-5) = (+3)}

^{(-5) + 8H+ = (+4)}
Cr₂O₇^2-+ 3NO₂ ^- + 8H⁺  2Cr³⁺+ 3NO₃ ^– + 4H₂O

^{7 O 6 O 9 O 4 O}
Aşağıdaki reaksiyonlarını denkleştiriniz.
a) MnO₄^- + C₂O₄^2-  CO₂ + Mn²⁺ (asidik ortam)

b) MnO^4- + Sn²⁺ à Mn²⁺ + Sn⁴⁺ (Asidik ortam)

ELEKTROKİMYASAL PİLLER

Zn_(k) + + Cu_(k)

Şekil : Çinko-bakır pil sistemi

Bu reaksiyondaki elektron alış-verişini,
Zn_(k) + 2e^-

+ 2e^- Cu_(k)

Standart Pil Potansiyeli

Basıncın 1 atm, sıcaklığın 25 ^oC ve konsantrasyonun 1 molar olduğu şartlara “standart şartlar” denir.

Anot: Zn_(k) + 2e^- E⁰ = 0,76 V

Katot: 2 + 2e^- H_{2 (g)} E⁰ = 0,00 V

Pil: Zn_(k) + 2 + H_{2 (g)} = 0,76 V

2 + 2e^- H_{2 (g)} E⁰ = 0,00 V

Örnek: Zn ve Cu yarı pillerinin standart potansiyelleri sırasıyla

= 0,76 V ve

= 0,34 V olarak verilmiştir. Bu durumda oluşturulan çinko-bakır pilinin potansiyelini hesaplayınız.
Çözüm: Standart yarı pil potansiyellerinin toplamı standart pil potansiyelini vermektedir.

Anot: Zn_(k)

+ 2e^- E⁰ = 0,76 V

Katot:

+ 2e^- Cu_(k) E⁰ = 0,34 V

Pil: Zn_(k) + + Cu_(k)

Anot:

+ 2e^- Zn_(k) E⁰ = - 0,76 V

Katot:

+ 2e^- Cu_(k) E⁰ = 0,34 V

Pil: Zn_(k) + + Cu_(k) = 0,34 – (-0,76)

= 1,10 V

NERNST DENKLEMİ

a A + b B c C + d D

voltaj (elektromotor kuvveti, EMK) aşağıda yer alan “Nernst denklemi” ile verilmiştir.
E =

ya da,

E =

şeklinde düzenlenebilir. Burada,
E : pil potansiyeli (EMK)

E⁰: standart pil potansiyeli

F: 96480 coulomb

n : alınan veya verilen elektron sayısı

R:8,314 Joule/mol.K

Katot: + 2e^- Cu_(k) E⁰ = 0,34 V
E_K =E⁰
E_K =0,34

Şematik gösterim

Zn / ZnSO₄ // CuSO₄/ Cu+

Anot: Zn_(k)

+ 2e^- E⁰ = 0,76 V

Katot:

+ 2e^- Cu_(k) E⁰ = 0,34 V

Pil: Zn_(k) + + Cu_(k)

Örnek : 25 ^oC de - Zn / Zn⁺² // Cu⁺² / Cu + pilinde Zn⁺² değişimi 0,06 M ve Cu⁺² derişimi de 0,02 M olarak verilmiştir. Bu durumda pilin elektromotor kuvvetini hesaplayınız. (E⁰ = 1,1 V)
Çözüm: Pildeki reaksiyon şu şekildedir.
Z

n + Cu⁺² Zn⁺² + Cu

E =

E = 1,1 -

= 1,086 V

Anot Katot

Kurşunlu Akümülatörler

- Pb / H₂SO_{4 (çöz)} / PbO₂, Pb +
Böyle bir akümülatörün boşalması (deşarj) sırasında anot ve katottaki reaksiyonlar şu şekilde yazılabilir.

Anot:Pb_(k) Pb⁺² + 2e^-

Pb⁺² +

PbSO_{4 (k)}

Toplam: Pb_(k) +

PbSO_{4 (k)} + 2e^-

Katot: PbO_{2 (k)} + 4 H⁺ + 2e^- Pb⁺² + 2 H₂O

Pb⁺² +

PbSO_{4 (k)}

Toplam: PbO_{2 (k)} + 4 H⁺ +

+ 2e^- PbSO_{4 (k)} + 2 H₂O

boşalma

dolma
bO_{2 (k)} + Pb_(k) + 2 H₂SO₄2 PbSO_{4 (k)} + 2 H₂O

sülfürik asit derişimi % 5 ten % 40 a çıktığında, voltaj 1,88 den 2,15 volta yükselir.

Nikel-Kadmiyum Pilleri

Anot:Cd_(k) + 2 OH^- Cd(OH)₂ + 2e^-

Katot: NiO_{2 (k)} + 2 H₂ + 2e^- Ni(OH)₂ + 2 OH^-

boşalma

dolma
Toplam: Cd _(k) + NiO_{2 (k)} + 2 H₂O Cd(OH)₂+ Ni(OH)₂

Nikel-kadmiyum pillerinin her bir hücresinin potansiyeli yaklaşık olarak 1,4 volttur. Kurşunlu akümülatörlerde olduğu gibi, nikel-kadmiyum pilleri de deşarjı takiben tekrar doldurulabilmektedir.

ELEKTROLİZ

n + Cu⁺² Zn⁺² + Cu

E0=0.000V

Yarı Reaksiyonlar		Minimum Potansiyel (Volt)
Katyonlar
K⁺ + e^-	K	- 2,93
Mg⁺² + 2e^-	Mg	- 2,63
Al⁺³ + 3e^-	Al	- 1,66
Zn⁺² + 2e^-	Zn	- 0,76
Cr⁺³ + 3e^-	Cr	- 0,74
Fe⁺² + 2e^-	Fe	- 0,44
Ni⁺² + 2e^-	Ni	- 0,25
2 H⁺ + 2e^-	H₂	0,00
Cu⁺² + 2e^-	Cu	+ 0,34
Cu⁺ + e^-	Cu	+ 0,52
Ag⁺ + e^-	Ag	+ 0,80
Anyonlar
2 F^-	F₂ + 2e^-	- 2,87
2 Cl^-	Cl₂ + 2e^-	- 1,36
4 OH^-	O₂ + 2 H₂O + 4e^-	- 1,23
2 Br^-	Br₂ + 2e^-	- 1,09
2 I^-	I₂ + 2e^-	- 0,54

FARADAY KANUNLARI

Michael Faraday (1832)
1- Elektroliz sırasında elektrotlarda serbest halde toplanan ya da elektrotlardan çözeltiye geçen madde miktarları, devreden geçen elektrik miktarı ile doğru orantılıdır
2- Çeşitli elektrolitlerden aynı miktar elektrik akımının geçirilmesi ile elektrotlarda serbest halde toplanan veya elektrotlardan çözeltiye geçen madde miktarları, bu maddelerin eşdeğer ağırlıkları ile orantılıdır.
m =

Q = I t

m	: elektrotlarda toplanan veya çözünen madde miktarı (g)
A	: elektrotlarda toplanan veya çözünen elementin atom ağırlığı
n	: elektrotlarda alınan-verilen elektron sayısı
I	: devreden geçen akım şiddeti (amper)
t	: elektroliz süresi (saniye) olmaktadır.

Örnek : 40 cm² yüzey alanına sahip ince bir metal levha, bakır sülfat (CuSO₄) çözeltisine daldırılarak, 1 amper akım şiddeti altında 24 saat süre ile bakır kaplanmaktadır. Metalik bakırın yoğunluğu 8,8 g/cm³ olarak verilmiştir. Meydana gelen kaplamanın kalınlığını hesaplayınız. (Cu = 64)
Çözüm:
m =

m =

= 28,65 g
m = V d
V =

Plakanın her iki yüzü de bakır ile kaplanacağından toplam yüzey alanı 2 . 40 = 80 cm² olacaktır. Bu durumda
hacim = yüzey . kalınlık
olduğundan,
kalınlık =

PROBLEMLER

1): Bir bakır sülfat çözeltisi 0,02 amperlik bir akım şiddeti altında 5 saat süre ile elektroliz ediliyor. Bu sırada katotta kaç gram bakır toplandığını hesaplayınız.

Çözüm:
m =

m =

= 0,118 g Cu

2): Sodyum klorür çözeltisinin elektrolizinde katotta metalik sodyum ayrılırsa da su ile ikinci bir reaksiyona girerek sodyum hidroksite dönüşüyor. 10 gram NaCl elektroliz edilirse,

a) Elde edilen NaOH miktarını,

b) Devreden geçen elektrik miktarını

c) Normal koşullarda oluşan hidrojen gazının hacmini bulunuz.

Çözüm: Elektroliz edilen sodyum klorür, oluşan metalik sodyum dolayısıyla sodyum hidroksite eşdeğer olmaktadır.
a) Sodyum hidroksit miktarı:

b) Akım miktarı:

c) Hidrojen miktarı:

3): Bir gümüş banyosuna batırılmış bulunan ve bir yüzü 800 cm² olup kalınlığı ihmal edilebilen bir levha 2 amperlik bir akım şiddeti altında 5 saat süre ile gümüş kaplanıyor. Kaplamanın kalınlığının kaç mm olduğunu bulunuz. Metalik gümüşün yoğunluğu 10,5 g/cm³ olarak verilmiştir.
Çözüm:
m =

m =

Metalik gümüş hacmi:

Kaplama kalınlığı:

= 2,4 mm

4): - Zn / ZnSO₄ // AgNO₃ / Ag + pilinin yarım pil reaksiyonlarını yazarak tam pil reaksiyonunu çıkarınız.
Çözüm:

Yük. yarı tepkimesi: Zn Zn⁺² + 2e^-

İnd. yarı tepkimesi: 2 Ag⁺ + 2e^- 2 Ag

Pil tepkimesi: Zn + 2 Ag⁺ Zn⁺² + 2 Ag

5): Fe / Fe⁺² // Cu⁺² / Cu standart pil şeması ile bu pilde yer alan demir ve bakır elementlerinin yükseltgenme potansiyelleri sırasıyla + 0,44 V ve - 0,34 V olarak verilmiştir.
a) Pilin anot ve katot reaksiyonlarını yazarak pil tepkimesini

çıkarınız.

b) Bu pilin standart pil potansiyelini belirtiniz.
Çözüm: Yükseltgenme potansiyeli büyük olan yükseltgenerek anodu, diğeri de katodu oluşturacaktır.
a) Katot: Cu⁺² + 2e^- Cu E⁰ = + 0,34 V

Anot: Fe Fe⁺² + 2e^- E⁰ = + 0,44 V

Pil: Cu⁺² + Fe Cu + Fe⁺²
b) Bir standart pilin potansiyeli anot ve katot standart potansiyellerinin toplamı olmaktadır.

6) Sn/Sn⁺²(0,01 M)//Pb⁺²(1,0 M)/Pb

Elektrokimyasal hücresinin

a) Potansiyelini hesaplayınız.

b) Pil olarak çalışır mı? Belirtiniz

c) Anot ve katot reaksiyonlarını yazınız.

d) Toplam reaksiyonu düşünerek kurşun metali (Pb⁰), Sn²⁺ çözeltisine batırılırsa reaksiyon olur mu? Gösteriniz.

Pb²⁺ + 2e^- Pb E⁰ = - 0,126 V

Sn²⁺ + 2e^- Sn E⁰ = - 0,136 V

Anot: Sn

Sn²⁺ + 2e^- E⁰ = + 0,136 V

Katot: Pb²⁺ + 2e^- Pb E⁰ = - 0,126 V

Toplam: Sn + Pb²⁺

Sn²⁺ + Pb E⁰ = 0,01 V

a) E = = = 0,069 volt

b) Pil olarak çalışır.
c)

Anot: Sn Sn²⁺ + 2e^- E⁰ = + 0,136 V

Katot: Pb²⁺ + 2e^- Pb E⁰ = - 0,126 V
d) Sn + Pb²⁺ Sn²⁺ + Pb

reaksiyonun tersi Sn²⁺ + Pb X olmaz

Soru : Ni/Ni²⁺(0,50 M)//Pb⁺²(0,03 M)/Pb elektrokimyasal hücresinin

a) Anot ve katot ve toplam reaksiyonları yazınız.

b) Standart pil potansiyelini (E⁰) hesaplayınız.

c) Belirtilen şartlardaki pil potansiyelini hesaplayınız. Pil olarak çalışır mı? Belirtiniz

d) Toplam reaksiyonu düşünerek kurşun metali (Pb⁰), 0,05 M Ni²⁺ çözeltisine batırılırsa reaksiyon olur mu? Açıklayınız.

Pb²⁺ + 2e^- Pb E⁰ = - 0,126 V

Ni²⁺ + 2e^- Ni E⁰ = - 0,250 V
a) Anot: Ni Ni²⁺ + 2e^- E⁰ = + 0,250 V

Katot: Pb²⁺ + 2e^- Pb E⁰ = - 0,126 V

Toplam: Ni + Pb²⁺

Ni²⁺ + Pb
b) Anot: Ni

Ni²⁺ + 2e^- E⁰ = + 0,250 V

Katot: Pb²⁺ + 2e^- Pb E⁰ = - 0,126 V

Toplam: Ni + Pb²⁺

Ni²⁺ + Pb E⁰ = 0,124 V

E =

= 0,087 volt Pil olarak çalışır.
d) Ni²⁺ + Pb

Ni + Pb²⁺ tersi reak. olmaz

S O R U L A R

S-1: Erimiş sodyum klorürün (NaCl) platin elektrotlar ile 10 amperlik akım şiddetinde 5 dakika süre ile elektroliz edildiğinde kaç gram klor gazı üretilir?
S-2: Erimiş magnezyum klorür (MgCl₂) elektroliz edildiğinde, anotta normal şartlar altında 50 litre Cl₂ gazı çıktığı zaman, katotta kaç gram metalik Mg üretilir?
S-3: Bir CuSO₄ çözeltisi 0,750 amper akım şiddetinde elektroliz edildiğinde 63,5 gram metalik bakır açığa çıkmaktadır. Elektroliz süresini dakika olarak hesaplayınız.

S-7: 250 mL hacmindeki 0,6 M NiCl₂ çözeltisi 5 amper akım şiddetinde ve 55 dakika süre ile elektroliz ediliyor. Elektroliz sonucunda Ni⁺² ve Cl^- iyonlarının konsantrasyonunu bulunuz. Elektroliz esnasında, çözelti hacminin değişmediği kabul edilecektir.

Başlangıçta Ni ve Cl miktarları= M==> n= M.V= 0,6.0,250 L = 0,15 mol

Ni²⁺ mikt = 0,15 mol => 0,15 mol . 58 g/mol = 8,7 g

Cl^- mikt = 2.0,15 =30 mol => 0,30 mol . 35,5 g/mol = 10,65 g

Ni²⁺ için m = = = 4,95 g

Cl^- için m = = = 6,06 g elektrolizde açığa çıkan

Kalan Ni²⁺ için 8,7- 4,95 = 3,75 g

Kalan Cl^- için 10,65- 6,06 = 4,59 g

Son kons. Ni²⁺ için M=

= 0,259 M

Son kons. Cl^- için M= = = 0,517 M

S-9: Aşağıda şeması verilen pilin anot ve katot reaksiyonlarını yazarak pil reaksiyonunu çıkarınız. Hangi elektrotun pozitif olduğunu belirterek pilin standart elektromotor kuvvetini hesaplayınız.
Sn / Sn⁺² // Ag⁺ / Ag

S-11: 25 ^oC sıcaklıkta Fe⁺³ iyonları derişimi 0,02 M ve Fe⁺² iyonları derişimi 0,10 M olan bir çözeltiye bir platin helezon batırılarak hazırlanan elektrotun elektrot potansiyelini hesaplayınız. Fe⁺³ iyonunun Fe⁺² iyonuna indirgenmesine ait yarım pilin standart potansiyeli 0,771 V olarak verilmiştir.

E =

S-13: Aşağıda şeması verilen pilin 25 ^oC sıcaklıktaki elektromotor kuvvetini hesaplayınız. Bu pilin her iki elektrotu da aynı olduğu için, pilin standart pil potansiyeli 0,00 V alınmalıdır.
Zn / Zn⁺² (0,01 M) // Zn⁺² (0,1 M) / Zn
E =