Elektroliz: Faraday Yasaları ve Madde Eldesi (AYT)

Konu Özeti

Elektroliz, elektrik enerjisi kullanarak kendiliğinden gerçekleşmeyen redoks tepkimelerini yürüten olaydır. Elektroliz kabında elektrik enerjisi kimyasal enerjiye dönüşür. Bu konuda katot ve anot tepkimelerini yazmayı, elektrik yükü ile madde miktarı arasındaki ilişkiyi (Faraday yasaları) ve elektrolizle madde eldesini öğreneceksin.

Temel Kavramlar

Elektroliz kabında elektrot ve elektrolit bulunur. Elektrolit olarak erimiş tuz ya da sulu çözelti kullanılır. Pil ile elektroliz kabının kutupları arasındaki fark, bu konunun en sık karıştırılan noktasıdır.

• Anot (+): yükseltgenme olur, anyonlar elektron verir.
• Katot (−): indirgenme olur, katyonlar elektron alır.
• Elektronlar dış devrede anottan katota doğru akar.
• Pilde anot (−), katot (+) kutuptur; elektrolizde anot (+), katot (−) kutuptur. İkisinde de anotta yükseltgenme, katotta indirgenme olur.
• Pilde tepkime kendiliğinden, elektrolizde zorla yürür (Epil < 0).

Erimiş Tuz ve Sulu Çözelti Elektrolizi

Erimiş tuzda yalnızca katyon ve anyon bulunur. Katyon katotta indirgenir, anyon anotta yükseltgenir. Örnek olarak erimiş NaCl elektrolizinde katotta Na, anotta Cl₂ oluşur.

• Katot (−): Na⁺ + e⁻ → Na(s)
• Anot (+): 2Cl⁻ → Cl₂(g) + 2e⁻
• Net: 2NaCl(s) → 2Na(s) + Cl₂(g)

Sulu çözeltide su da tepkimeye girebilir. Katotta hangi maddenin indirgeneceği, anotta hangi maddenin yükseltgeneceği standart indirgenme potansiyellerine göre belirlenir. Sınavda aşağıdaki pratik kurallar kullanılır.

• Katotta: 1A, 2A grubu ve Al³⁺ gibi aktif metal katyonları indirgenmez; su indirgenir: 2H₂O + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻.
• Katotta: Cu²⁺ ve Ag⁺ gibi daha az aktif metal katyonları metal olarak toplanır.
• Anotta: F⁻, NO₃⁻ ve SO₄²⁻ gibi anyonlar yükseltgenmez; su yükseltgenir: 2H₂O → O₂(g) + 4H⁺ + 4e⁻.
• Anotta: Cl⁻, Br⁻ ve I⁻ yükseltgenebilir.
• Anot inert (Pt, grafit) ise elektrot tepkimeye girmez; Cu gibi metal anotta elektrodun kendisi yükseltgenebilir.

Faraday Yasaları

Elektrotlarda harcanan ya da toplanan madde miktarı, devreden geçen yük miktarı ile doğru orantılıdır. Aynı yük farklı maddelerde, maddenin mol elektron sayısına bağlı olarak farklı kütle değiştirir.

Q = I · t (Q: yük (C), I: akım (A), t: süre (s))

1 mol e⁻ yükü = 1 Faraday (F) ≈ 96500 C

n(e⁻) = I · t / 96500

m = (M · I · t) / (z · 96500) (M: mol kütlesi, z: alınan ya da verilen elektron sayısı)

Elektrolizle Madde Eldesi ve Uygulamalar

• Aktif metaller (Na, K, Ca, Mg) erimiş tuzlarının elektrolizi ile elde edilir.
• Alüminyum: Al₂O₃, erimiş kriyolit (Na₃AlF₆) içinde çözülerek elektroliz edilir (Hall-Héroult). Katotta sıvı Al oluşur; grafit anot oksijenle yanarak aşınır.
• Su elektrolizi: Az miktar asit, baz ya da tuz eklenerek H₂ ve O₂ elde edilir; katotta oluşan H₂ hacmi anottaki O₂ hacminin 2 katıdır.
• Klor-alkali: Sulu NaCl elektrolizinden Cl₂, H₂ ve NaOH üretilir.
• Metal kaplama: Kaplanacak nesne katot, kaplayıcı metal anot yapılır; çözelti kaplayıcı metalin iyonunu içerir.
• Metal rafinasyonu: Saf olmayan bakır anot çözünür, saf bakır katotta toplanır.