HAZIRLAYAN Mutlu ġahġn Hacettepe Fen Bilgisi Öğretmenliği DENEY NO: 7 DENEYĠN ADI: ELEKTROLĠZ ĠLE BAKIR KAPLAMA DENEYĠN AMACI: ELEKTROLĠZ OLAYININ ÖĞRENĠLMESĠ VE BĠR METAL PARÇASININ BAKIR ĠLE KAPLANMASI TEORĠK BĠLGĠ Elektroliz: ErgimiĢ sodyum klorürün elektrolizi, metalik sodyum ve klor gazı üretiminde yararlanılan ticari bir süreçtir. Benzer yöntemler diğer bazı çok aktif metallerin (potasyum ve kalsiyum gibi) elde edilmesinde kullanılmaktadır. Bazı sulu çözeltilerin elektrolizi yapılırken çözünen maddenin iyonlarından çok, çözücü olarak kullanılan su, elektrot tepkimelerine katılır. Böylece akım taģıyıcı iyonlar elektrotlarda yük kaybetmezler. Sulu sodyum sülfat çözeltisinin elektrolizinde, sodyum iyonları katoda doğru, sülfat iyonları ise anoda doğru hareket ederler. Bu iyonların her ikisinin de elektrotlardaki yük alıģveriģi çok zordur. Eğer elektroliz inert elektronlar arasında yapılırsa, katotta hidrojen gazı açığa çıkarken elektrot çevresi bazikleģir. Katotta görülen indirgenme sodyum iyonunun indirgenmesi değildir. Na+ e- Na (gözlenmez) Burada gözlenen net değiģme suyun indirgenmesi olayıdır. 2e- + 2H2O H2(g)+ 2OH- Su, son derece zayıf bir elektrolittir. Saf su 25 C de yaklaģık%2 x10-7 iyonlaģır. 2H2O H3O + OH- veya H2O H+ + OH-
Katot 2e- + 2H2O H2(g) +2 OH- Anot 2H2O O2(g) + 4H+ +4 e- Sulu sodyum sülfat çözeltisinin elektrolizi Sulu Na2SO4 çözeltisinin elektrolizinde katot tepkimesinin gerçek mekanizması tam olarak bilinmemektedir. H2O H+ + OH- 2 e- + 2H+ H2(g) Birinci bileģik 2 ile çarpılır ve eģitlik toplanırsa net değiģim elde edilir. 2H2O +2e- H2(g) + 2OH- Genellikle çözünen madde katyonun indirgenmesinden güç olduğu durumlarda; katotta, su indirgenerek hidrojen gazı ve OH- iyonları oluģturur. Na2SO4 sulu çözeltisinin elektrolizinde anoda doğru göç eden anyonların (SO4-2) yükseltgenmesi de güçtür. Anotta kuramsal bakımdan Ģu yükseltgenmenin gözlenmesi gerekir. 2SO4-2 S2O8 + 2 e- Ancak suyun yükseltgenmesi daha önceliklidir. Bu tepkimede ise: H2O H+ + OH- 4OH- O2(g) +2H2O + 4e- Ģeklindedir. Burada ilk eģitlik 4 ile çarpılır ve ikincisi ile toplanırsa net değiģim eģitliği elde edilir. 2H2O O2(g) + 4H+ + 4e- Anotta O2 gazı çıkıģı gözlenir, aynı zamanda anot bölgesindeki çözeltilerin asitliği artar. Çözünen madde anyonun yükseltgenmesinin güç olduğu durumlarda anotta su yükseltgenerek oksijen gazı ve hidrojen iyonları oluģturur. Sulu Na2SO4 çözeltisinin elektrolizi için toplam tepkime anot ve katot tepkimeleri toplanarak elde edilir. 2(2e- + 2H2O H2(g) +2OH-
2H2O O2(g) + 4H+ + 4 e- ------------------------------------------------- 6H2O 2H2(g) +O2(g) +4H+ + 4 OH- Eğer çözeltiler karıģtırılırsa H+ ve OH- iyonları birbirini nötralleģtirir. Buna göre net değiģim sadece suyun elektrolizidir. elektroliz 2H2O 2H2(g) +O2(g) Elektroliz sırasında anot çevresinde oluģan H+ iyonları katoda doğru, OHiyonları ise benzer Ģekilde anoda doğru hareket eder. Bu iyonlar iki elektrot arasındaki çözeltide birbirini nötralleģtirir. FARADAY YASALARI Elektrik ile kimyasal değiģme arasındaki nicel iliģki ilk kez Faraday tarafından bulundu. Faraday 1832 yılında, elektrotlarda ayrılan madde kütlelerinin devreden geçen yük miktarı ile doğru orantılı olduğunu denel yönden bulmuģtur. Yine Faraday 1833 yılında, devreden belli miktarda elektrik yükü geçirildiğinde elektrotlarda ayrılan farklı maddelerin eģdeğer madde miktarının aynı olduğunu denel olarak gözlemlemiģtir. Katottaki değiģmede her sodyum iyonunun e- + Na+ Na Ģeklinde indirgenebilmesi için bir elektrona gerek vardır. Eğer bu elektrotta Avagadro sabiti kadar yani 1 mol elektron kullanılırsa 23 g yani 1 mol Na metali açığa çıkar.1 mol elektronun taģıdığı bu elektrik miktarına faraday adı verilir. F ile gösterilir. 1 F, 1 mol elektronun elektrik yükü olan 1,602192 x10 c x 6,022205 x10 mol =97487 cmol olmasına karģın çoğu pratik hesaplamalarda 96500 cmol olarak kullanılır. Eğer, 2 F elektrik yükü yani 2 mol elektron kullanılmıģ olsaydı 2 mol sodyum metali indirgenecekti. Na+ iyonunun yükseltgenme sayısı, 1+ olduğundan sodyumun eģdeğer mol kütlesi mol kütlesine eģittir. Katota verilen 1 F eģdeğerinde toplam yükü bulunan elektronların sayısı anottan 2Cl- Cl2 +2e- Yükseltgenmesi sırasında uzaklaģan 1 F eģdeğerinde toplam yükü bulunan elektronların sayısına eģittir. Buna göre anottan 1 mol elektron ayrıldığında 35,45 g yani 1 mol Cl-iyonu yükseltgendiği halde 0,5 mol yani bir eģdeğer mol kütlesi kadar Cl2 gazı ayrılır. Eğer sistemden 2 F elektrik geçirilirse 2 mol Cl-iyonu yükseltgenerek 1 mol yani 2 eģdeğer mol kütlesi kadar Cl2 gazı ayrılacaktır. Öyleyse, 1F elektrik miktarı katot ve anotta her bir elementin birer eģdeğer mol kütlesi kadarını açığa çıkarmaktadır. Buna göre elektrotlardaki açığa çıkan eģdeğer madde miktarından elektrot tepkimelerindeki madde ve elektrik yük miktarlarını hesaplayabiliriz. Birinci Faraday Yasası: Farklı elektrolitlerin elektrolizi sırasında her hücreden geçen elektrik miktarı aynı ise, her hücre elektrotlarında indirgenerek veya yükseltgenerek ayrılan maddelerin eģdeğer madde miktarları da aynıdır. Bu yasaya göre, elektrotlarda ayrılan maddelerin eģdeğer madde miktarları n m =q/f devreden geçen eģdeğer elektrik miktarı yani faraday yasası olan n F=q/F değerine eģit olacağından
n m =n F q q ---- = ----- E F Bağıntıları yazılabilir. Mol kütlesi m, yükseltgenme sayısı z olan bir maddenin eģdeğer mol kütlesi E =m/z, eģdeğer madde miktarı ise n m = m/(m/z) olur. Devreden geçen ı akımının t süresiyle çarpımı I.t =q Ģeklinde devreden geçen elektrik miktarını vereceğinden son bağıntı; m/(m/z) = I.t/F Ģeklini alır. Eğer herhangi bir elektrotta birden fazla, örneğin iki madde beraberce ayrılıyorsa denklem [m1/(m1/z1)]+[m2/(m2/z2)] = I.t/F Ģeklini alır. Elektroliz sırasında elektrotlarda ayrılan madde miktarı veya istenen miktarda madde ayrılması için gerekli elektrik miktarı (yani elektrik akımı ve geçme süresi) m/(m/z) =I.t/F kullanmadan çevirme faktörleri yöntemi kullanarak ta bulunabilir. Göz önüne alınması gereken faktörler, 1 F yani 966487 C elektron yükünün 1 mol e- vermesi (faktör : 1 mol e- 96487 C ve z mol e- ile elektrotla 1 mol madde ayrılması) (faktör: 1 mol madde, z mol e-) dır. Bir elektronun yükü :1,6 x10 c 1 mol bakırın kütlesi : 63,5 g/mol KULLANILAN ARAÇ GEREÇLER
DENEYĠN YAPILIġI: 1. Beher glasın içine bir miktar saf su konur. 2. Metal parçası üretecin (-) negatif kutbuna, bakır elektrotu ise krokodilli kablo yardımıyla (+) pozitif kutbuna bağlanır. 3. Suyun içine bakır sülfat ekleyerek mavi renkli çözelti elde edilir. 4. Güç kaynağını çalıģtırdıktan bir müddet sonra metal parçanın üzerine bakır biriktiği gözlenir. DENEYĠN SONUCU Elektroliz sonunda bakır elektrot biraz aģınır ve kütlesi azalır. Anahtar ise tamamen bakırla kaplanır ve kütlesi artar. Katot: 2e- + Cu+ Cu(k) Anot:Cu(k) Cu+ + 2e- Anahtar üzerinde biriken bakır miktarını Faraday Yasalarını kullanarak bulabiliriz. Faraday Kanunu: m/(ma/ts) = I. t / F
F= 96500 t= saniye=60 sn I=devreden geçen akım miktarı=3 A M A =bakırın molekül ağırlığı=63,55gr Ts=bakırın tesir değerliği=2 M=metalde toplanması gereken madde miktarı=? HESAPLAMALAR: Faraday yasasına göre; m/(ma/ts) = I. t / F q= I.t 1 F 96500 coulomb XF 180 coulomb q=3a.60 sn q=180 coulomb X = 0,0018 F Cu için; eģdeğer gram: Ma / Ts =63,55gr / 2 = 31,775gr 1 F 31,775 gr Cu 0,0018 F X gr --------------------------------------------- X = 0,058 gr (anahtarda toplanması gereken madde miktarı) Deney sonucunda toplanan madde miktarı = 15 13,880 =1,12 gr. YORUM: Bu deneyde madeni parayı bakır ile kapladık ama paranın kaplanmadan önceki ve kaplandıktan sonraki kütlesini öğrenemedik çünkü tartımız yoktu. Deney sırasında çözeltiye bir miktar HCI ekledik bunu eklememizin sebebi iletkenliği artırma isteğimizdi. Çözeltiye HCI eklemediğimiz zaman kaplama olmuyor sadece paranın üzerinde siyah bir renk oluģuyor. HCI kuvvetli bir asit olduğu için iletkenliği artırıyor ve elektrolizi hızlandırıyor. Deneyde bakırlaģmanın nasıl gerçekleģtiğini gördük ama bakır kaplanacak cismin yüzeyinin de önemli olduğunu saptadık. Farklı cisimlerde denediğimizde cismin bakır kaplanmadığını gördük. KAYNAKÇA: 1. http://stu.inonu.edu.tr/~mbelgen/odev.html 2. http://egitek.meb.gov.tr/dersdesmer/son_deney/kimya_malzeme/kimya_malzemeleri. htm 3. http://kimya.us/kimya-konulari/kimyasal-baglar.html