12. Sınıf Kimya · Ünite 1
Metallerin Geri Dönüşümü ve Faraday'ın Elektroliz Kanunları
2020 Tokyo Olimpiyat madalyalarının hikayesinden yola çıkarak eriyik tuzların elektrolizini ve elektrik akımı ile madde miktarı arasındaki nicel ilişkileri öğreniyoruz.
Kazanım KİM.12.1.7 · 40 dk okuma
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.
Metallerin Geri Dönüşümü ve Faraday'ın Elektroliz Kanunları: Alıştırma Soruları
1. Bir eriyik tuzun elektrolizi deneyinde, devreden geçen akım şiddeti ve elektroliz süresi artırılmaktadır. Buna göre katotta toplanan madde miktarı nasıl değişir ve buradaki 'toplanan madde miktarı' bilimsel araştırma süreçlerinde hangi tür değişkene karşılık gelir?
- A) Artar / Bağımlı değişken
- B) Azalır / Bağımsız değişken
- C) Değişmez / Kontrol değişkeni
- D) Artar / Bağımsız değişken
Cevabı göster
Doğru cevap: A) Artar / Bağımlı değişken
Faraday prensiplerine göre akım ve zaman artarsa devreden geçen yük artar, dolayısıyla toplanan madde miktarı artar. Toplanan madde miktarı; dışarıdan ayarladığımız akım ve zamana bağlı olarak ortaya çıktığı için bağımlı değişkendir.
2. Elektroliz hesaplamalarında sıkça kullandığımız '1 Faraday (F)' kavramı ile ilgili aşağıdaki ifadelerden hangisi doğrudur?
- A) 1 Coulomb elektrik yüküne eşittir.
- B) Sadece sulu çözeltilerin elektrolizinde geçerli olan sabit bir zaman ölçüsüdür.
- C) 1 mol elektronun sahip olduğu yük miktarıdır ve yaklaşık 96500 Coulomb'a eşittir.
- D) Elektrotlarda biriken metalin kütlece oranını ifade eden bir sabit sayıdır.
Cevabı göster
Doğru cevap: C) 1 mol elektronun sahip olduğu yük miktarıdır ve yaklaşık 96500 Coulomb'a eşittir.
Faraday sabitine göre, 1 mol elektronun sahip olduğu toplam elektrik yükü yaklaşık 96500 Coulomb'dur ve bu miktar 1 Faraday olarak adlandırılır.
3. Eriyik NaCl tuzu elektroliz edildiğinde devreden 10 dakika boyunca 2 Amperlik akım geçmiş ve katotta belirli bir miktar sodyum metali toplanmıştır. Aynı eriyik tuz hücresinden 30 dakika boyunca 4 Amperlik akım geçirilirse katotta toplanan metal kütlesi ilk duruma göre kaç katına çıkar?
- A) 2
- B) 3
- C) 4
- D) 6
Cevabı göster
Doğru cevap: D) 6
İlk durumda geçen yük ile orantılı değer: 2 Amper x 10 dakika = 20 birim yük. İkinci durumda: 4 Amper x 30 dakika = 120 birim yük. 120 birim yük, 20 birim yükün tam 6 katı olduğu için toplanan madde miktarı da 6 katına çıkar.
4. Eriyik sodyum klorür (NaCl) tuzu elektroliz edildiğinde katotta 4,6 gram Sodyum (Na) metali birikmektedir. Sodyumun mol kütlesi 23 g/mol olduğuna göre elektroliz hücresinin devresinden toplam kaç Faradaylık elektrik yükü geçmiştir? (Sodyum iyonu, Na+ şeklinde bulunur ve elektrolizde 1 elektron alır.)
- A) 0,1
- B) 0,2
- C) 0,4
- D) 1,0
Cevabı göster
Doğru cevap: B) 0,2
Öncelikle toplanan sodyumun mol sayısı hesaplanır: 4,6 g / 23 g/mol = 0,2 mol Na metali. Na+ iyonu 1 elektron alarak Na metaline dönüştüğüne göre 1 mol Na için 1 mol elektron (1 Faraday) gerekir. Dolayısıyla 0,2 mol Na toplamak için devreden 0,2 mol elektron, yani 0,2 Faraday yük geçmelidir.
5. Eriyik Kalsiyum Klorür (CaCl2) sıvısı 9,65 Amperlik sabit bir akımla tam 1000 saniye boyunca elektroliz ediliyor. Bu işlem sonucunda katotta kaç gram Kalsiyum (Ca) metali birikir? (Ca mol kütlesi: 40 g/mol, 1 F = 96500 C)
- A) 0,2
- B) 1,0
- C) 2,0
- D) 4,0
Cevabı göster
Doğru cevap: C) 2,0
Öncelikle geçen yük miktarı bulunur: Q = I x t = 9,65 A x 1000 s = 9650 C. Kaç mol elektron geçtiğini bulmak için: n(elektron) = 9650 / 96500 = 0,1 mol elektron. Kalsiyum iyonu Ca2+ şeklindedir, yani 1 mol Ca toplanması için 2 mol elektron gerekir. 0,1 mol elektron geçişi 0,05 mol Ca biriktirir. Kütle hesabı: m = 0,05 mol x 40 g/mol = 2,0 gram.