Metallerin Geri Dönüşümü ve Faraday'ın Elektroliz Kanunları

2020 Tokyo Olimpiyat Oyunları'nda sporcularımıza takılan o gurur verici madalyaların tamamen geri dönüştürülmüş elektronik atıklardan elde edildiğini biliyor muydunuz? Kullanılmayan cep telefonları, bozuk bilgisayarlar ve eski tabletlerin içindeki metaller devasa geri dönüşüm tesislerinde toplandı. Peki, bu hurda cihazların içindeki metaller nasıl ayrıştırılıp olimpiyat madalyası olabilecek kadar saf ve parlak hale getirildi?

İşte tam burada kimyanın en büyüleyici işlemlerinden biri olan 'Elektroliz' devreye giriyor. Elektroliz, dışarıdan elektrik enerjisi verilerek, normalde kendiliğinden gerçekleşmeyen kimyasal tepkimelerin zorla gerçekleştirilmesi işlemidir.

Eriyik Tuzların Elektrolizi

Tuzlar katı haldeyken iyonları sabit olduğu için elektrik akımını iletmezler. Ancak tuzları çok yüksek sıcaklıklara kadar ısıtıp eriterek sıvı (eriyik) hale getirdiğimizde iyonlar serbestçe hareket etmeye başlar. Örneğin sofra tuzunu (NaCl) erittiğimizde ortamda serbest dolaşan sodyum (Na+) ve klorür (Cl-) iyonları bulunur.

• Bu eriyik tuzun içine iki elektrot batırıp bir üretece bağladığımızda şu olaylar gerçekleşir: Katotta (eksi kutup) Na+ iyonları elektron alarak metalik sodyuma (Na) indirgenir. Anotta (artı kutup) ise Cl- iyonları elektron vererek klor gazına (Cl2) yükseltgenir.

Ne Kadar Elektrik, O Kadar Madde: Faraday'ın Kusursuz İlişkisi

İngiliz bilim insanı Michael Faraday, bir elektroliz devresinden geçen elektrik yükü ile elektrotlarda toplanan madde miktarı arasında kusursuz ve hesaplanabilir bir matematiksel ilişki olduğunu keşfetti. Faraday'ın Birinci Elektroliz Kanununa göre; elektrotlarda biriken (ya da çözünen) madde miktarı, devreden geçen toplam elektrik yükü ile doğru orantılıdır.

Elektrik yükü (Q), devreden geçen akım şiddeti (I, Amper cinsinden) ve sürenin (t, saniye cinsinden) çarpımına eşittir. Matematiksel olarak şu şekilde ifade edilir:

Faraday, deneyleri sonucunda 1 mol elektronun sahip olduğu toplam yük miktarını da hesaplamıştır. Bu miktar yaklaşık olarak 96500 Coulomb'dur ve bu değere 1 Faraday (F) denir.

Tüm bu nicel verileri birleştirerek, elektrotlarda toplanan veya harcanan maddenin kütlesini (m) bulmak için tek ve birleştirilmiş bir formül kullanırız:

Bu formülde; 'm' toplanan madde miktarını (gram), 'I' akım şiddetini (Amper), 't' süreyi (saniye), 'M_A' maddenin mol kütlesini, 'n' ise indirgenme/yükseltgenme tepkimesinde alınıp verilen elektron sayısını ifade eder.

Değişkenler Arasındaki İlişkiyi Okumak

Nicel veri setlerini incelerken doğru orantıyı gözlemlemek oldukça basittir. Eriyik bir tuz elektroliz edilirken; eğer akım şiddetini sabit tutup süreyi iki katına çıkarırsanız, elektrotlarda biriken metalin kütlesi de tam olarak iki katına çıkacaktır. Zamanı sabit tutup akımı üç katına çıkardığınızda, yine toplanan metal kütlesi üç kat artacaktır. Devreden ne kadar fazla elektron geçerse, o kadar fazla iyon saf metalik hale dönüşür.