İçeriğe geç

12. sınıf · Kimya · 5. hafta (12-16 Ekim 2026)

Elektroliz, Faraday Yasaları, Sulu Çözeltilerin Elektrolizi, Metal Kaplamacılık ve Korozyondan Korunma (Kurban Elektrot)

1. ÜNİTE: KİMYA VE ELEKTRİK teması · Konu özeti

Etkinlikler
Bu hafta

Galvanik pillerde kendiliğinden (istemli) gerçekleşen redoks tepkimeleriyle elektrik enerjisi üretilirken, elektroliz hücrelerinde bunun tam tersi bir süreç işletilir: Dışarıdan elektrik enerjisi verilerek kendiliğinden gerçekleşmeyen (istemsiz) kimyasal tepkimeler zorla gerçekleştirilir. Bu hafta Michael Faraday'ın elektroliz yasalarını, suyun ve sulu tuz çözeltilerinin elektrolizindeki öncelik kurallarını, endüstride yaygın kullanılan metal kaplamacılığı ve köprülerden gemi gövdelerine kadar dev çelik yapıları paslanmaktan kurtaran kurban elektrot (katodik koruma) teknolojisini inceleyeceğiz.

1. Elektroliz Hücresi ve Faraday'ın Elektroliz Yasaları

Standart pil potansiyeli negatif (E°hücre < 0) olan istemsiz bir redoks tepkimesinin dış bir üreteçten doğru akım verilerek gerçekleştirilmesine elektroliz denir. Galvanik pillerde olduğu gibi elektroliz hücrelerinde de anotta daima yükseltgenme, katotta daima indirgenme gerçekleşir; ancak üretecin (+) kutbuna bağlı olan anot (+), (-) kutbuna bağlı olan katot ise (-) işaretlidir. Elektrolit içindeki negatif yüklü anyonlar anota giderek elektron verir (yükseltgenir), pozitif yüklü katyonlar ise katota giderek elektron alır (indirgenir).

Michael Faraday'ın yasalarına göre: 1) Elektrotlarda açığa çıkan madde miktarı devreden geçen elektrik yükü (Q = I . t, burada I Amper cinsinden akım şiddeti, t saniye cinsinden süredir) ile doğru orantılıdır. 1 mol elektronun toplam yükü 1 Faraday (1 F) = 96.500 Coulomb kabul edilir. 2) Seri bağlı elektroliz kaplarından aynı sürede eşit miktarda yük (eşit mol sayısında elektron) geçer; dolayısıyla seri kaplarda toplanan metallerin mol sayıları ile tesir değerliklerinin (iyon yüklerinin) çarpımı birbirine eşittir: n1 . z1 = n2 . z2 = n(e-).

ELEKTROLİZ VE FARADAY YASALARI (NİCEL HESAPLAMALAR)GALVANİK HÜCRE vs. ELEKTROLİZ HÜCRESİ• Galvanik (Pil): İstemsiz değil İSTEMLİ (Delta_G < 0, E_pil > 0); kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çevirir.• Elektroliz: İSTEMSİZ (E_pil < 0) redoks tepkimelerini dışarıdan elektrik enerjisi vererek gerçekleştirir.• Her iki hücrede de: - ANOT (+ uç): Yükseltgenme (Anyonlar anota gider). - KATOT (- uç): İndirgenme (Katyonlar katota gider).FARADAY'IN ELEKTROLİZ YASALARI• 1 mol elektronun yükü = 1 Faraday (1 F) = 96.500 C.• Devreden geçen yük: Q = I . t (C = Amper x saniye).• Devreden geçen elektron mol sayısı: n_(e-) = (I . t) / 96500.• Toplanan madde kütlesi formülü: m = (I . t . M_A) / (96500 . z) (z: tesir değerliği / yük).• Seri bağlı kaplarda geçen elektron mol sayısı EŞİTTİR: n_1 . z_1 = n_2 . z_2

2. Erimiş Tuzların ve Suyun Elektrolizi (Hoffmann Voltametresi)

Susuz ortamda erimiş (sıvı) haldeki tek bir tuz (örneğin NaCl(s)) elektroliz edildiğinde ortamda yalnız Na+ ve Cl- iyonları bulunur. Katotta Na+ + e- -> Na(s) tepkimesiyle sodyum metali, anotta ise 2Cl- -> Cl2(g) + 2e- tepkimesiyle klor gazı açığa çıkar.

Hoffmann Voltametresi ile yapılan suyun elektrolizinde (2H2O(s) -> 2H2(g) + O2(g)), saf suyun iletkenliğini artırmak amacıyla suya birkaç damla sülfürik asit (H2SO4) damlatılır. Elektroliz başladığında katotta (-) suyun indirgenmesiyle H2(g), anotta (+) ise suyun yükseltgenmesiyle O2(g) toplanır. Denklem katsayılarından görüldüğü üzere devreden aynı yük geçtiğinde katotta toplanan H2 gazının mol sayısı ve hacmi (2V), anotta toplanan O2 gazının hacminin (V) tam iki katıdır.

SULU ÇÖZELTİLERİN ELEKTROLİZİ VE ÖNCELİK KURALIKATOTTA İNDİRGENME ÖNCELİĞİ (- UÇ)• Katyonlar (Na+, Mg2+, H+, Cu2+, Ag+) katota yönelir.• KURAL: İndirgenme potansiyeli (pasifliği) EN BÜYÜK olan katyon katotta İLK ÖNCE indirgenir!• Aktif metallerin (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Al3+) sulu çözeltisinde metal yerine SU (H+) indirgenir ve katotta H2(g) açığa çıkar (Cu2+, Ag+ ise kendisi birikir).ANOTTA YÜKSELTGENME ÖNCELİĞİ (+ UÇ)• Anyonlar (Cl-, Br-, OH-, SO4^2-, NO3^-) anota yönelir.• KURAL: Yükseltgenme potansiyeli EN BÜYÜK olan anyon anotta İLK ÖNCE yükseltgenir!• Kök anyonların (SO4^2-, NO3^-, PO4^3-) ve F- iyonunun sulu çözeltisinde bu iyonlar yerine SU (OH-) yükseltgenir ve anotta O2(g) açığa çıkar (Cl-, Br-, I- ise Cl2, Br2 verir).

3. Sulu Çözeltilerin Elektrolizinde Öncelik Kuralları

Bir tuzun sulu çözeltisi elektroliz edildiğinde ortamda tuzdan gelen iyonların yanı sıra sudan gelen H+ ve OH- iyonları da yarış halindedir. Bu durumda hangi maddenin önce açığa çıkacağını şu altın kural belirler: • Katotta (- uç): Katyonlar yarışır ve indirgenme eğilimi (potansiyeli) en büyük olan katyon (yani en pasif olan) katotta ilk önce indirgenir. Örneğin Na+, K+, Mg2+, Al3+ gibi aktif metal katyonlarının indirgenme eğilimi H+'tan küçük olduğu için bu tuzların sulu çözeltisinde katotta metal değil, H2 gazı açığa çıkar! Buna karşılık yarı soy ve soy metallerin (Cu2+, Ag+, Au3+) indirgenme eğilimi H+'tan büyük olduğu için katotta doğrudan bu metaller toplanır.

• Anotta (+ uç): Anyonlar yarışır ve yükseltgenme eğilimi (potansiyeli) en büyük olan anyon anotta ilk önce yükseltgenir. Cl-, Br-, I- gibi halojen iyonları OH-'tan önce yükseltgenerek Cl2, Br2, I2 verirken; SO4²-, NO3-, PO4³- gibi oksijenli kök anyonlar ile F- iyonunun sulu çözeltilerinde bu iyonlar yerine OH- (su) yükseltgenir ve anotta O2 gazı açığa çıkar.

SUYUN ELEKTROLİZİ (HOFFMANN VOLTAMETRESİ) VE ELEKTROKAPLAMASUYUN ELEKTROLİZİ (2H2O -> 2H2 + O2)• Saf su elektriği iletmediği için birkaç damla H2SO4 eklenir.• Anot (+): 2H2O(s) -> O2(g) + 4H+ + 4e- (V hacim O2).• Katot (-): 4H+ + 4e- -> 2H2(g) (2V hacim H2).• DİKKAT: Katotta toplanan H2 gazının hacmi ve mol sayısı, anotta toplanan O2 gazının TAM İKİ KATIDIR (V_H2 = 2 . V_O2).METAL KAPLAMACILIK (ELEKTROKAPLAMA)• Bir metali aşınmadan korumak veya estetik görünüm vermek için başka bir metalle kaplama işlemidir.• ANOT (+): Kaplama yapacak saf metal (Örn: Gümüş - Ag).• KATOT (-): Üzeri kaplanacak eşya (Örn: Demir çatal).• ELEKTROLİT: Kaplama metalinin tuz çözeltisi (AgNO3).• Anottaki Ag çözünür, katottaki çatalın üzerine Ag birikir.

4. Elektrolizle Metal Kaplamacılık (Elektrokaplama)

Demir, bakır veya pirinçten yapılmış bir metal eşyayı (çatal, kaşık, yüzük, otomobil tamponu vb.) korozyondan korumak ya da parlak bir estetik görünüm kazandırmak amacıyla elektroliz yöntemiyle başka bir metalle kaplama işlemine elektrokaplama (galvanoplasti) denir.

Elektrokaplama düzeneğinde üç temel kural uygulanır: 1) Üzeri kaplanacak olan eşya KATOTA (- kutba) bağlanır (çünkü kaplama metalinin iyonları eşya yüzeyinde indirgenip birikecektir). 2) Kaplamada kullanılacak saf metal ANOTA (+ kutba) bağlanır. 3) Elektrolit çözeltisi olarak kaplama metalinin iyonlarını içeren bir tuz çözeltisi seçilir (örneğin demir çatal gümüşle kaplanacaksa anot Ag, katot demir çatal, çözelti AgNO3(suda) olur ve çözeltideki Ag+ derişimi işlem boyunca sabit kalır).

5. Korozyon (Aşınma / Paslanma) Olayı

Metallerin veya alaşımların bulundukları ortamdaki oksijen, nem (su buharı), asit veya tuzların etkisiyle kendiliğinden elektrokimyasal yükseltgenme tepkimelerine girerek metalik özelliklerini kaybetmesine ve aşınmasına korozyon adı verilir.

Korozyonun günlük hayattaki en yaygın örneği demirin nemli havada paslanması (Fe2O3 . nH2O oluşturması) ve gümüş eşyaların zamanla kararmasıdır. Korozyon her yıl dünyada milyarlarca dolarlık ekonomik kayba ve köprü, boru hattı ile gemi gövdelerinde güvenlik risklerine yol açar.

KOROZYON (PASLANMA) VE KATODİK KORUMA (KURBAN ELEKTROT)KOROZYON NEDİR?Metallerin ortamda bulunan oksijen, nem ve asidik maddelerle istenmeyen elektrokimyasal tepkimeye girerek aşınmasıdır.KLASİK KORUNMA YOLLARIMetali boyamak, verniklemek, galvanize etmek (çinko ile kaplamak) veya paslanmaz çelik gibi alaşımlar kullanmak.KATODİK KORUMA VE KURBAN ELEKTROTKorunacak metal yapıya (gemi gövdesi, boru hattı, LPG tankı), ondan DAHA AKTİF (yükseltgenme potansiyeli daha büyük) bir metal bağlanır.ANOT VE KATOT GÖREVİDaha aktif olan metal (Mg, Al, Zn) ANOT (Kurban Elektrot) olarak kendisi aşınır; korunacak demir yapı ise KATOT yapılarak paslanmaz!

6. Korozyondan Korunma ve Katodik Koruma (Kurban Elektrot)

Metaller korozyondan boyama, yağlama, başka bir metalle kaplama (galvanize etme) veya paslanmaz çelik gibi alaşımlar üretme yollarıyla korunabilir. Ancak toprağa gömülü doğalgaz-petrol boru hatları, LPG tankları, iskele ayakları ve gemi gövdeleri gibi dev çelik yapılarda en etkili yöntem katodik koruma (kurban elektrot) yöntemidir.

Katodik korumada, korozyondan korunmak istenen metal yapıya (örneğin demir boruya), aktifliği (yükseltgenme potansiyeli) o metalden daha büyük olan daha aktif bir metal (genellikle magnezyum - Mg, alüminyum - Al veya çinko - Zn) iletken bir telle bağlanır. Oluşan elektrokimyasal hücrede daha aktif olan metal anot görevi üstlenerek kendisini feda eder ve yükseltgenip aşınır; bu yüzden bu metale kurban elektrot denir. Korunmak istenen demir boru ise katot konumuna geçtiği için yükseltgenemez ve paslanmadan yıllarca sağlam kalır.

Örnekler

  1. Örnek 1Erimiş CaCl2 tuzu 9,65 Amperlik sabit akımla 1000 saniye süreyle elektroliz ediliyor. Katotta kaç gram Ca metali toplanır ve anotta normal koşullarda (NŞA) kaç litre Cl2 gazı açığa çıkar? (Ca = 40 g/mol, 1 F = 96.500 C)

    Cevabı göster

    Önce devreden geçen yük ve elektron mol sayısı bulunur: Q = I . t = 9,65 . 1000 = 9650 Coulomb. Buradan n(e-) = 9650 / 96500 = 0,1 mol elektron geçmiştir. 1) Katotta: Ca2+ + 2e- -> Ca(k) tepkimesine göre 0,1 mol e- geçtiğinde 0,05 mol Ca toplanır; kütlesi m = 0,05 . 40 = 2 gram Ca olur. 2) Anotta: 2Cl- -> Cl2(g) + 2e- tepkimesine göre 0,1 mol e- geçtiğinde 0,05 mol Cl2 gazı oluşur; NŞA'daki hacmi V = 0,05 . 22,4 = 1,12 litre bulunur.

  2. Örnek 2Seri bağlı iki elektroliz kabından birincisinde erimiş AlCl3, ikincisinde ise erimiş MgCl2 tuzları bulunmaktadır. Birinci kabın katodunda 5,4 gram Al metali toplandığında ikinci kabın katodunda kaç gram Mg metali toplanır? (Al = 27 g/mol, Mg = 24 g/mol)

    Cevabı göster

    Toplanan Al metalinin mol sayısı n(Al) = 5,4 / 27 = 0,2 mol'dür. Seri bağlı kaplarda n1 . z1 = n2 . z2 eşitliği geçerlidir (Al3+ için z1 = 3, Mg2+ için z2 = 2). Buradan 0,2 . 3 = n(Mg) . 2 -> n(Mg) = 0,3 mol bulunur. Toplanan Mg kütlesi ise m(Mg) = 0,3 . 24 = 7,2 gram olarak hesaplanır.

  3. Örnek 3Sulu AgNO3 ve NaCl karışımı içeren bir elektroliz kabında elektron verme (yükseltgenme) eğilimleri sırası: Na(k) > H2(g) > Ag(k) > Cl-(suda) > OH-(suda) > NO3-(suda) şeklindedir. Elektroliz başladığında katotta ve anotta ilk önce hangi maddeler açığa çıkar?

    Cevabı göster

    Çözeltideki katyonlar Na+, H+, Ag+; anyonlar ise Cl-, OH-, NO3- iyonlarıdır. Katotta indirgenme eğilimi en büyük (en pasif) olan katyon Ag+ olduğu için katotta ilk önce Ag metali birikir. Anotta ise yükseltgenme eğilimi en büyük olan anyon Cl- olduğu için anotta ilk önce Cl2 gazı açığa çıkar.

  4. Örnek 4Bakırdan yapılmış bir madalyonun yüzeyi elektroliz yöntemiyle altın (Au) ile kaplanmak isteniyor. Elektroliz kabında anot, katot ve elektrolit olarak neler kullanılmalıdır?

    Cevabı göster

    1) Katot (- uç): Üzeri kaplanacak olan bakır madalyon bağlanır. 2) Anot (+ uç): Kaplama yapacak olan saf altın (Au) elektrot bağlanır. 3) Elektrolit: İçinde altın iyonları (Au3+) bulunduran Au(NO3)3 gibi bir altın tuzu çözeltisi kullanılır.

  5. Örnek 5Metallerin aktiflik (yükseltgenme potansiyeli) sırası Mg > Zn > Fe > Cu > Ag olarak verilmiştir. Yer altındaki demir (Fe) su borularını korozyondan korumak için bu metallerden hangileri 'kurban elektrot' olarak seçilebilir? Neden?

    Cevabı göster

    Demir (Fe) boruyu katodik korumayla paslanmaktan kurtarmak için demirden daha aktif (yükseltgenme eğilimi daha yüksek) bir metal seçilmelidir. Verilen sıraya göre demirden aktif olan Magnezyum (Mg) ve Çinko (Zn) metalleri kurban elektrot olarak seçilebilir; Cu ve Ag ise demirden pasif oldukları için kurban elektrot olamazlar.

Etkinlikler

Soruları çözün; her cevaptan sonra doğru mu yanlış mı olduğunu hemen göreceksiniz.

  1. 1Seri bağlı iki elektroliz kabından birinde erimiş FeCl3, diğerinde erimiş CuCl2 tuzu bulunmaktadır. Devreden bir süre elektrik akımı geçirildiğinde birinci kabın katodunda 0,4 mol Fe metali toplandığına göre ikinci kabın katodunda kaç mol Cu metali toplanır?

  2. 2Korozyon ve katodik koruma (kurban elektrot) ile ilgili aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır?

  3. 3Aşağıdaki ifadelerin doğru mu yanlış mı olduğunu belirleyiniz.

    • 1 mol elektronun taşıdığı elektrik yükü 1 Faraday (1 F) olarak adlandırılır ve yaklaşık 96.500 Coulomb'a eşittir.
    • Hoffmann voltametresinde suyun elektrolizi sonucunda anotta toplanan oksijen gazının hacmi, katotta toplanan hidrojen gazının hacminin iki katıdır.
    • Sulu NaCl çözeltisi elektroliz edildiğinde Na+ iyonu H+ iyonundan daha pasif olmadığı (daha aktif olduğu) için katotta sodyum metali değil H2 gazı açığa çıkar.

  4. 4Elektroliz ve korozyon kavramlarını doğru açıklamalarıyla eşleştiriniz.

    Soldan bir öğeye, sonra sağdaki eşine dokunun.

  5. 5Aşağıdaki cümlelerde boş bırakılan yerleri uygun kavramlarla tamamlayınız.

    1. Elektroliz hücresinde negatif yüklü iyonlar olan anyonlar yükseltgenmek üzere elektroda doğru hareket eder.
    2. Seri bağlı elektroliz kaplarının tamamından eşit sürede eşit mol sayısında geçer.
    3. Demir bir çatalı gümüşle kaplamak için çatal elektroliz devresinin kutbuna bağlanmalıdır.

  6. 6Sulu CuSO4 çözeltisi inert (platin) elektrotlarla elektroliz edildiğinde katotta ve anotta hangi maddeler açığa çıkar ve zamanla çözeltinin pH değeri nasıl değişir? (Elektron verme eğilimi: H2(g) > Cu(k) > OH-(suda) > SO4²-(suda))

Kısaca

  • İstemsiz redoks tepkimelerinin dışarıdan elektrik akımı verilerek gerçekleştirilmesine elektroliz denir; elektroliz hücresinde anyonlar (+) yüklü anota giderek yükseltgenir, katyonlar (-) yüklü katota giderek indirgenir.
  • 1 mol elektronun yükü 1 Faraday (1 F) = 96.500 Coulomb'dur; devreden geçen yük Q = I . t ve katotta/anotta toplanan madde kütlesi m = (I . t . MA) / (96500 . z) formülüyle hesaplanır.
  • Seri bağlı elektroliz kaplarının tamamından eşit mol sayısında elektron geçer; bu nedenle toplanan maddelerin mol sayıları ile iyon yüklerinin çarpımı birbirine eşittir (n1 . z1 = n2 . z2).
  • Birden fazla iyon içeren sulu çözeltilerin elektrolizinde; katotta indirgenme eğilimi en büyük olan katyon, anotta ise yükseltgenme eğilimi en büyük olan anyon ilk önce açığa çıkar.
  • Metal kaplamacılıkta kaplanacak eşya katota (-), kaplama yapacak metal ise anota (+) bağlanır.
  • Katodik korumada korozyondan korunmak istenen demir/çelik yapıya kendisinden daha aktif (yükseltgenme potansiyeli daha yüksek) bir metal (kurban elektrot) bağlanarak demirin katot kalması sağlanır.

Bu dersin öteki kaynakları