Kimya ve Elektrik Konu Anlatımı – Soru Çözümü

Kimya ve Elektrik konusu TYT Kimya ve AYT Kimya için çok önemli bir konu. Her sene muhakkak soru geliyor. Ayrıca, okul yazılıları için de önem teşkil ediyor. Bu yazı, Kimya ve Elektrik başlığı altında; Yükseltgenme ve İndirgenme (Redoks) Tepkimeleri, Metalik Aktiflik, Ametalik Aktiflik, Elektrokimyasal Piller, Pil Gerilimine Etki Eden Faktörler, Korozyon gibi konular hakkında bütün soru işaretlerini giderecek. Kunduz eğitmenlerimizden Kimya öğretmenleri Cafer Hoca ve Serap Hoca senin için çok faydalı bir yazı hazırladı! Şimdi beraber bu konuyu keşfedelim!

Yükseltgenme–İndirgenme (Redoks) Tepkimeleri

Kimyasal tepkimelerin birçoğunda tepkimeye giren maddeler arasında elektron alışverişi gerçekleşir. Elektron alışverişi ile oluşan tepkimelere yükseltgenme – indirgenme (redoks) tepkimeleri denir.

Yükseltgenme (Oksidasyon)

Kimyasal bir olayda bir atom ya da iyonun elektron vererek değerliğinin büyümesine yükseltgenme denir.

İndirgenme (Redüksiyon)

Kimyasal bir olayda bir atom ya da iyonun elektron alarak değerliğinin büyümesine indirgenme denir.

UYARI!

Yükseltgenen maddenin değerliği verdiği elektron kadar artar, indirgenen maddenin değerliği aldığı elektron kadar azalır.

Yükseltgenme ve indirgenme olayları tek başına gerçekleşmez; bir maddenin indirgenmesi bir başka maddenin yükseltgenmesi ile gerçekleşir. İndirgenme ve yükseltgenmenin bir arada olduğu tepkimelere redoks tepkimesi denir.

Redoks tepkimelerinde,

1. Alınan elektron, verilen elektrona eşittir.
2. Tepkime sırasında indirgenen madde elektron alarak başka bir maddenin yükseltgenmesine sebep olduğundan indirgenen maddeye yükseltgen madde, yükseltgenen madde elektron vererek başka bir maddenin indirgenmesine sebep olduğundan yükseltgenen maddeye indirgen madde denir.

Yukarıdaki redoks tepkimesinde çinko (Zn) kendisi yükseltgenirken nikeli (Ni) indirgediğinden indirgen madde, nikel (Ni) kendisi indirgenirken çinkoyu(Zn) yükseltgediğinden yükseltgen maddedir.

Redoks Denklemlerinin Denkleştirilmesi – Kimya ve Elektrik

Redoks denklemlerinin denkleştirilmesinde atom ya da iyonların aldığı ya da verdiği elektron sayılarının belirlenmesi için öncelikle elementlerin değerliği (yükseltgenme sayısı) bilinmelidir.

Değerlik bulunurken şu kurallara uyulmalıdır;

KMnO₄‘de Mn’nin değerliğini hesaplayalım.

• Çok atomlu iyonlarda atomların değerlikleri toplamı iyonun yüküne eşittir.

Redoks denklemlerinin denkleştirilmesinde;

1. Değerlik değişim yöntemi
2. Yarı tepkime yöntemi olmak üzere iki yöntem kullanılır.

Denklemler denkleştirilirken genel olarak şu ilkeler göz önüne alınmalıdır.

1. Alınan elektron verilen elektrona eşit olmalıdır.
   • Girenlerin toplam net yükü, ürünlerin toplam net yüküne eşit olmalıdır.
   • Girenlerin atom tür ve sayıları, ürünlerin atom tür ve sayılarına eşit olmalıdır.

Değerlik Değişim Yöntemi

Bu yöntemle denklem denkleştirilirken aşağıda verilen adımlar izlenir.

1. Tepkimedeki tüm atomların değerlikleri saptanır.
2. Değerliği değişen atom ya da iyonlar belirlenerek yükseltgenen ve indirgenen maddeler belirlenir.
3. Alınan ve verilen elektronların sayılarının eşitlenmesi için ilgili maddeler uygun tamsayılar ile çarpılır.
4. İyon yüklerinin denkliğini sağlamak için tepkime asit ortamda gerçekleşiyor ise H⁺ iyonu, baz ortamda gerçekleşiyorsa OH⁻ iyonu eklenerek yük denkliği kurulur. (Nötr ortamda yük denkliğinin hesaplanmasına gerek yoktur.)
5. Denkliğin her iki tarafındaki atom tür ve sayılarının eşitlenmesi için yeterli sayıda H₂O uygun tarafa ilave edilir. (Nötr ortamda H₂O eklenmesine gerek yoktur.)

Yarı Tepkime Yöntemi

Bu yöntemle denklem denkleştirilirken aşağıda verilen adımlar izlenir.

1. Verilen tepkime yükseltgenme ve indirgenme olmak üzere iki yarı  tepkimeye bölünür.
2. H ve O dışındaki tüm atomların sayısı eşitlenir.
3. O atomlarının sayısının eksik olduğu tarafa yeterli sayıda H₂O eklenerek eşitlik sağlanır.
4. H atomlarının sayısının eksik olduğu tarafa yeterli sayıda H⁺ eklenerek eşitlik sağlanır. (Ortam bazik ise H⁺ iyonlarının yanına ve karşı tarafa eşit sayıda OH⁻ iyonları eklenir.)
5. Yük denkliği sağlamak için uygun tarafa yeterli sayıda elektron eklenir.
6. Elektron sayıları her iki yarı tepkimede uygun tamsayılar kullanılarak eklenir ve tepkimeler taraf tarafa toplanır.

UYARI!

• Redoks tepkimelerinde aynı element hem indirgenip hem de yükseltgenebilir.

• Redoks tepkimelerinde aynı element hem indirgenip hem de yükseltgenebilir.

Aktiflik

Maddelerin kimyasal tepkimelere girme eğilimine aktiflik denir.

Metalik Aktiflik

Kimyasal reaksiyonlarda metaller elektron vererek (yükseltgenerek) bileşik oluşturdukları için metallerin elektron verme (yükseltgenme) eğilimi arttıkça aktiflik artar.

UYARI!

1. Aktif metal, pasif metal iyonunu indirger (aktif metal yükseltgenir). Aktif metal kuvvetli indirgendir
2. Kendiliğinden oluşan tepkimelerde yükseltgenen metal aktiftir.

Ametalik Aktiflik

Kimyasal reaksiyonlarda ametaller elektron alarak (indirgenerek) bileşik oluşturdukları için ametallerin elektron alma (indirgenme) eğilimi artıkça aktiflik artar.

UYARI!

1. Aktif ametal, pasif ametal iyonunu yükseltger (aktif ametal indirgenir). Aktif ametal kuvvetli yükseltgendir.
2. Kendiliğinden oluşan tepkimelerde indirgenen ametal aktiftir

Elektrokimyasal Piller – Kimya ve Elektrik

Kendiliğinden gerçekleşen kimyasal tepkimelerde açığa çıkan kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren sistemlere pil adı verilir.

Pillerde gerçekleşen kimyasal tepkime bir redoks tepkimesidir.

Pil sisteminde indirgenme ve yükseltgenme farklı kaplarda gerçekleşir. İndirgenme ve yükseltgenme olaylarının üzerinde gerçekleştiği metal çubuklara elektrot denir.

Yükseltgenmenin olduğu elektrota anot, indirgenmenin olduğu elektrota katot denir. Elektronlar elektron verme isteği çok olandan az olana doğru akar. (anottan katota doğru) Elektrotlar (anot ve katot) üzerinde voltmetre bulunan bir iletken tel ile birbirine bağlanır ve devrenin tamamlanması akımın iletken telden geçmesi için tuz köprüleri kullanılır. Tuz köprüleri içinde elektrolit bir çözeltinin bulunduğu camdan yapılmış bir U borusudur. Çinko (Zn) ve bakır (Cu) metalleri kullanılarak oluşturulan bir pilin şeması ve çalışmasını inceleyelim;

• Pil sisteminde yükseltgenmenin olduğu elektrot anottur ve anotta aktif metal yükseltgenir. Verilen pil sisteminde Zn, Cu’dan daha aktif bir metal olduğundan Zn yükseltgenir. I nolu yarı hücrede

Zn_(k) ➡️Zn⁺²+2e⁻  tepkimesi gerçekleşir. Bu tepkimeye yükseltgenme yarı tepkimesi adı verilir. Yükseltgenme sonucu elektronlar Zn’den uzaklaştığından Zn(+) yüklenir (anot(+)). Zamanla anotun kütlesinde azalma ve ZnSO₄ çözeltisinde Zn⁺² iyonları derişiminde artma meydana gelir. İyon derişimindeki  artış yük dengesini bozacağından dengenin tekrar kurulması için tuz köprüsündeki (-) yüklü iyonlar (anyonlar) anota doğru hareket eder.

• Pil sisteminde indirgenmenin olduğu elektrot katottur ve katotta pasif metal indirgenir.

Verilen pil sisteminde Cu, Zn’den daha pasif bir metal olduğundan Cu indirgenir. II nolu yarı hücrede Cu⁺²+2e⁻ ➡️ Cu_(k) tepkimesi gerçekleşir. Bu tepkimeye indirgenme yarı tepkimesi adı verilir. Anottan akan elektronlar katota gelerek Cu⁺² yi indirger ve Cu_(k) açığa çıkar elektronların katota akması nedeniyle katot (–) yüklenir. Zamanla katotta Cu_(k) birikmesi katotun kütlesinin artmasına ve CuSO₄ çözeltisindeki Cu⁺² iyonlarının derişiminin azalmasına neden olur. İyon derişimindeki azalış yük dengesini bozacağından dengenin tekrar kurulması için tuz köprüsündeki (+) yüklü iyonlar (katyonlar) katota doğru hareket eder.

Özet:

• Yükseltgenme anotta, indirgenme katotta gerçekleşir.
• Elektronlar dış devrede anottan katota doğru akar.
• Anotun kütlesi zamanla azalır, katotun kütlesi zamanla artar.
• Anot çözeltisinde iyon derişimi zamanla artar, katot çözeltisinde iyon derişimi zamanla azalır.
• Tuz köprüsündeki anyonlar ((-) yüklü iyonlar) anota, katyonlar ((+) yüklü iyonlar) katota doğru hareket eder.

Pil sisteminde gerçekleşen olayların bütününü içeren denkleme pil denklemi denir.

Zn – Cu pili için;

Pil tepkimesi bir redoks tepkimesi olduğundan alınan elektron verilen elektrona eşit olmalıdır. Eğer eşit değilse uygun tam sayılar ile çarpılarak eşitlik sağlanır.

Yukarıdaki pil tepkimesi şematik olarak

Zn_(k) / Zn⁺² // Cu⁺² / Cu_(k)  şeklinde gösterilir.

Standart Pil Gerilimi

İki elektrot arasındaki elektron verme isteğinden doğan farka pil gerilimi denir.

1 molar çözeltide 25°C ve 1 atm’de belirlenen pil gerilimine standart pil gerilimi denir. E° pil olarak ifade edilir. Standart pil gerilimi yükseltgenme (anot) yarı pil gerilimi ve indirgenme (katot) yarı pil gerilimlerinin (standart elektrot potansiyellerinin) toplanması ile bulunur.

Standart elektrot potansiyeli E° ile gösterilir. 1 molar çözeltide 25°C ve 1 atm’de standart hidrojen elektrot kullanılarak (E°_SHE = 0,000) elementlerin standart elektrot potansiyelleri (yükseltgenme, indirgenme gerilimleri) ölçülür. Standart hidrojen elektrot içine platin levha daldırılmış, 1 molar asit çözeltisi ve elektrot üzerine 1 atm basınçta H₂ gönderilerek çözeltinin H₂ gazı ile doygunluğu sabit tutulan bir sistemdir ve elektrotun gerilimi 0,00V kabul edilir.

Elementler bu sisteme diğer bir yarı hücre ile bağlanarak pil sistemi oluşturulur. Hidrojen elektrotun gerilimi sıfır kabul edildiğinden voltmetrede okunan gerilim elementin indirgenme ya da yükseltgenme potansiyelini verir.

Elektron verme eğilimi hidrojenden yüksek olan elementlerin yükseltgenme potansiyeli (+) işaretli, düşük olanlarınki ise (-) işaretlidir.

UYARI!

• Bir yarı pil tepkimesi ters çevrilirse potansiyelinin işareti değişir.
• Bir yarı pil tepkimesi herhangi bir sayı ile çarpılırsa pil gerilimi değişmez

UYARI!

• Bir pil sisteminde yükseltgenme potansiyeli büyük olan metal yükseltgenir, anottur.
• Bir pil sisteminde indirgenme potansiyeli büyük olan metal indirgenir, katottur.
• Yükseltgenme potansiyeli büyük olan metal aktif metaldir.

Zn – Cu pili için;

Standart pil gerilimi (E°pil) için;

E°pil > 0 ➡️ Tepkime kendiliğinden oluşur.

E°pil = 0 ➡️ Tepkime dengededir.

E°pil < 0 ➡️  Tepkime kendiliğinden gerçekleşmez.

UYARI! Pil gerilimi reaksiyon sırasında zamanla azalır.

Pil Gerilimine Etki Eden Faktörler

• Pil tepkimesi kendiliğinden gerçekleşen bir reaksiyondur ve kendiliğinden gerçekleşen tepkimelerde enerji açığa çıkar.

• Pil tepkimesini bir denge tepkimesi olarak düşünürsek tepkimeyi ürünler yönüne bozan etki pil gerilimini artırır, girenler yönüne bozan etki pil gerilimini azaltır.

Sıcaklık

Pil tepkimesi ekzotermik olduğuna göre, sıcaklık artarsa tepkime girenler yönüne bozulur pil gerilimi (E° pil) azalır. Sıcaklık azalırsa tepkime ürünler yönüne bozulur pil gerilimi (E°pil) artar.

Derişim

Katot çözeltisinin derişimi (Y⁺² iyonları), doğrudan ya da dolaylı artırılırsa tepkime ürünler yönünde bozulur pil gerilimi (E° pil) artar, azaltılırsa tepkime girenler yönünde bozulur pil gerilimi (E° pil) azalır. Anot çözeltisinin derişimi (X⁺² iyonları) doğrudan ya da dolaylı artırılırsa tepkime girenler yönünde bozulur pil gerilimi (E° pil) azalır, azaltılırsa tepkime ürünler yönünde bozulur pil gerilimi artar.

UYARI!

Katı ve sıvıların miktarındaki artış derişimi etkilemediğinden elektrotların kütlesini artırmak ya da azaltmak pil gerilimini etkilemez.

Basınç:

• Basıncın sadece gaz elektrot içeren bir pil tepkimesine etkisi vardır.

tepkimesi için H₂ gazı basıncı arttıkça pil gerilimi (E° pil) azalır. H₂ gazı basıncı azaldıkça pil gerilimi (E° pil) artar.

tepkimesi için H₂ gazı basıncı arttıkça pil gerilimi (E° pil) azalır. H₂ gazı basıncı azaldıkça pil gerilimi (E° pil) artar.

Derişim Pili – Kimya ve Elektrik

Farklı derişimdeki ayrı iki elektrolit çözeltiye aynı metal çubuklar daldırılarak hazırlanmış pil sistemine derişim pili denir.

Elektrolit çözeltilerin derişimlerinin farklı olmasından kaynaklanan gerilim farkından elektrik akımı meydana gelir.

Derişim pillerinde derişimi düşük olan yarı pilde yükseltgenme meydana gelir, derişimi düşük olan yarı pil, anottur. Derişimi; büyük olan yarı pilde indirgenme meydana gelir, derişimi büyük olan yarı pil katottur.

Anot çözeltisinin derişimi zamanla artar, katot çözeltisinin ise azalır iki elektrolit çözeltinin derişimleri eşitlendiğinde pil gerilimi sıfırlanır (Epil = 0,00), pil durur.

UYARI!

1. Derişim pilinde çözeltilerin derişimleri eşit olduğunda pil gerilimi sıfır olur, pil durur çalışmaz. Yarı pil çözeltilerindeki derişim eşitliğini bozan herhangi bir etki pilin tekrar çalışmasını sağlar.
2. Derişim pillerinde yarı pil çözeltilerinin derişimleri arasındaki fark ne kadar artarsa pil gerilimi (Epil) artar, derişimler arasındaki fark ne kadar azalırsa pil gerilimi azalır.

Korozyon

Metallerin elektrokimyasal yollarla parçalanmasına “korozyon” denir. Demirin paslanması, gümüşün kararması, bakırın yeşil renge dönmesi gibi istemli redoks tepkimeleridir.

Korozyon metallerin ömrünü kısaltır. Bizim istemediğimiz redoks tepkimeleridir. Bu yüzden metaller korozyondan korumak için çeşitli yöntemler kullanılır:

1. Metal Yüzeyinin Boyanması: Bu yöntem ile metal yüzey nemden ve oksijenden uzak tutulur. 
2. Galvanizleme Yöntemi: Korunmak istenen metal yüzeyi çok ince ve pürüzsüz bir şekilde çinko (Zn) ile kaplanır.
3. Elektroliz ile Kaplama Yöntemi: Bu yöntemde metal yüzeyi korozyona dayanıklı başka bir metal ile kaplanır. Kaplanacak metal katotta yer alır. Anotta ise kaplama için kullanılacak metal bulunur.
4. Katodik Koruma (Kurban Elektrot): Bu yöntemde korunmak istenen metale daha aktif bir metal bağlanır. Böylece koruduğumuz metal yerine aktif olan “kurban elektrot” yükseltgenir. Köprü, gemi, yer altı su boruları, yer altına gömülü depolar gibi yapıların korozyondan korumak için kullanılır.

Elektroliz ile kaplama

Katodik Koruma

Kimya ve Elektrik Soru Çözümü

Sınava hazırlık uzun bir maraton. Kunduz ekibi olarak bu yolculukta yanında olmayı çok isteriz! Alanında uzman Profesyonel eğitmenler tarafından hazırlanan Soru Çözümü, binlerce soru ve çözümden oluşan Soru Bankası hizmetlerimizden faydalanabilirsin.