ELEKTROLiZ iLE BAKIR KAPLAMA

1)DENEYİN ADI :         ELEKTROLİZ İLE BAKIR KAPLAMA

2)DENEYİN AMACI: Elektroliz olayının öğrenilmesi ve bir metal parçasının bakır ile kaplanması.

3)TEORİK BİLGİ :

Elektroliz Nedir?

Bir elektrik akımı tarafından aşılan bir elektrolitin uğradığı ayrışmaya elektroliz denir. Elektroliz, bu akımın elektrolit içinde iletilmesiyle birlikte gelişir. Elektrolit, çoğunlukla erimiş olarak ya da bir tuz eriyiğinin sulu çözeltisi halindedir. Volta pilinin bulunmasıyla (1800) ve suyun elektrolizine uygulanmasıyla ilgili ilk deneyler, XIX. yy’ın başlarında gerçekleştirilmiştir. Elektroliz sözcüğünün, olayı özel olarak inceleyen Michael Faraday tarafından ortaya atıldığı sanılmaktadır.

Elektroliz İle İlgili Bazı Terimler :

Elektrolit : İçinde serbest iyon bulunduran ortamlara denir.

Elektrot : Elektrolit içine batırılan metallere denir.

Anot : Bir elektroliz kabında üreticinin pozitif kutbuna bağlı elektroda denir.

Katot : Bir elektroliz kabında üreticinin negatif kutbuna bağlı elektroda denir.  ….(1)

Elektrolitik İletkenlik

Elektrik akımının yüklü iyonlar tarafından taşınması olgusuna elektrolitik iletkenlik denir. Elektrolit içindeki iyonlar hareket etmedikçe elektrolitik iletkenlik gözlenmez. Elektrolitik iletkenlikten yararlanılarak ergimiş tuzların ve elektrolit çözeltilerinin elektrolizi yapılır.

Elektrolitik iletkenlik iyonların hareketinden kaynaklandığından, bu hareketleri engelleyici bir etki, akıma karşı bir direncin doğmasına yol açar. Elektrolit çözeltilerin elektriksel iletkenliği; çözünen-çözünen etkileşmesi, çözünen-çözücü etkileşmesi ve çözücü-çözücü etkileşmesi dışında, iyonlar arası etkileşmeler, iyonların solvatasyonu (Çözünür bir bileşiğin, çözücünün elementlerinin tümü ya da bir bölümüyle birleşmesi ve çözücünün viskozitesine (Herhangi bir sıvının akmaya karşı gösterdiği dirence) bağlı olarak değişir. Sıcaklık yükseldikçe çözünen iyonların ortalama kinetik enerjileri artacak ve böylece de direnç düşerken, iletkenlik yükselecektir. Bundan başka, iyonlar arası etkileşmeler, iyonların solvatasyonu ve çözücünün viskozitesi sıcaklık yükselmesiyle azalacaktır. Elektroliz boyunca elektrolit içindeki elektronötrallik korunacak ve elektrolitin her noktasından geçen anyonların sayısı birbirine, katyonların sayısı da birbirine eşit olacaktır. ……(1,2,3)

  

ELEKTROLİZ

Ergimiş NaCl’ün elektrolizi, Na metali ve Cl gazı elde etmek için endüstride uygulanan bir süreçtir. Aynı yöntem ile K, Ca ve Al gibi aktif metaller de elde edilir. Bu tür maddelerin.çözeltilerinin elektrolizi yapılırsa, çözünen iyonlarından önce çözücü olarak kullanılan suyun kendisi elektrotlardaki tepkimelere girmektedir. Böylece akım taşıyıcı iyonlar elektrotlarda ayrışamamaktadırlar. …(1)

Sulu sodyum sülfat çözeltisinin elektrolizinde, elektroliz hücresinde Na⁺ iyonları katota, SO₄⁺² iyonları ise anota hareket etmektedirler. Her iki iyonun da elektrotlardaki yük alışverişi çok zordur. Eğer inert elektrotlar arasındaki elektroliz yürütülürse, katotta hidrojenin açığa çıktığı ve elektrot çevresinin bazik olduğu gözlenir. Katotta indirgenme olur; ama bu indirgenme, e^- + Na⁺ → Na indirgenmesi değil,

2 e^- + 2 H₂O → H_2(g)  + 2 OH^-

şeklindeki suyun indirgenmesidir. Su, çok zayıf bir elektrolit olup, saf su 25 ⁰C sıcaklıkta yaklaşık % 2 * 10^-7 oranında;

2 H₂O ↔ H₃O⁺ + OH^-

denklemine göre iyonlaşır. Bu denklem daha basit olarak;

H₂O ↔ H⁺ + OH^-

şeklinde yazılabilir. Na₂SO₄’ün sulu çözeltisinin elektrolizinde katot tepkimesinin kesin mekanizması bilinmemektedir. Hidrojen iyonları;

  2 e^- + 2 H⁺ → H_2(g)

denklemine göre indirgenerek hidrojen gazını oluşturmaktadırlar. Ayrışma denklemi 2 ile çarpılıp indirgenme denklemi ile toplanırsa

2 e^- + 2 H₂O → H_2(g) + 2 OH^-

sonucuna varılır. Çözünenin katyonunun indirgenmesi zor olduğundan, hidrojen gazı ve hidroksil iyonu vermek üzere katotta su indirgenmektedir.

Anotta yükseltgenme olur. Sulu Na₂SO₄ çözeltisindeki SO₄^-2 anyonu anota gitmesine karşın,

2 SO₄^-2 → S₂O₈^-2 + 2 e^-

denklemine göre yükseltgenmesi çok zordur. Böylece anotta da su tepkimeye girerek

 H₂O ↔ H⁺ + OH^-

4 OH^-→ O_2(g) + 2 H₂O +4 e^-

mekanizması ile yükseltgenmektedir. Birinci denklem 4 ile çarpılıp, ikincisi ile toplanırsa

2 H₂O → O_2(g) + 4 H⁺ + 4 e^-

şeklinde net yükseltgenme denklemi elde edilir. Böylece anottan oksijen çıkar ve anot civarı asidik özellik gösterir. Sonuç olarak, çözünen anyonunun yükseltgenmesi zor olduğundan anotta su yükseltgenerek oksijen açığa çıkar.

Sulu Na₂SO₄ çözeltisinin elektrolizi için toplam tepkime;

2 (2 e^- + 2 H₂O → H_2(g) + 2 OH^-)

   2 H₂O → O_2(g) + 4 H⁺ + 4 e^-

________________________________

6 H₂O → 2 H_2(g) + O_2(g) + 4 H⁺ + OH^-

şeklinde yazılabilir. Eğer çözelti karıştırılırsa H⁺ ve OH^- iyonları birbirini nötralize edeceğinden elektrolizdeki net değişme için elektroliz

2 H₂O →  2 H_2(g) + O_2(g)

tepkimesi yazılabilir. Sonuçta su elektroliz edilmiş olmaktadır. ……(2)

Faraday Yasaları :

Elektroliz ürünlerinin miktarı, ürünlerin meydana gelme hızı ve tabiatı, elektroliz şartlarına bağlıdır. Faraday elektroliz yasalarına göre;

1- Elektrolitten elektrik akımı geçirildiği zaman serbest hale geçen veya çözünen madde miktarı elektrolitten geçen elektrik miktarı ile orantılıdır.

2-Çeşitli elektrolitlerden aynı miktar elektrik akımının geçirilmesiyle ayrılan veya çözünen madde miktarı bu cismin kimyasal eşdeğeri ile orantılıdır. Kimyasal eşdeğer, bir atomun atom tartısının veya bir atom grubunun mol tartısının, bunların dahil olduğu bileşikteki değerliğe oranıdır. Bir coulombluk elektrik miktarının serbest hale geçirdiği  veya çözdüğü maddenin gram miktarı, bu maddenin elektrokimyasal eşdeğeridir. Faraday’ın elektroliz kanunlarına göre;

m = A / n. Q / F bağıntısı yazılabilir. Burada;

m = Ayrılan veya çözünen madde miktarı

A = Ayrılan maddenin atom ağırlığı (iyon-gram)

n  = Ayrılan maddenin bileşikteki değerliği

Q = Elektroliz sırasında devreden geçen akım miktarı

F = Faraday (96500 Coulomb)

Devreden geçen akım miktarı Q (Coulomb) uygulanan akım şiddeti ve elektroliz süresiyle orantılıdır. Eğer akım şiddeti sabit ise Q = i . t ; eğer akım şiddeti değişiyorsa

 Q = ∫ A. dt olur. Devreden geçen akım miktarını hassas olarak ölçmek için Coulomb metrelerden yararlanılır. Ayrıca elektronik cihazlar yardımı ile akım miktarı tayin edilmektedir.

Elektrolizin başlayabilmesi, yani elektrotlarda indirgenme ve yükseltgenme olaylarının başlayabilmesi elektrot potansiyeline bağlıdır. Bazen madde toplanmasının başlayabilmesi için teorik olarak hesaplanan potansiyel değerinden daha büyük potansiyel değerine ihtiyaç duyulabilir. Bu durumda aşırı potansiyel söz konusudur. Eğer toplanan veya ayrılan madde miktarı Faraday’ın elektroliz yasaları ile hesaplanan teorik değere eşitse akım verimi %100, eğer eşit değilse %100’ün altındadır, denir.   ……(3)

Elektrolizin uygulama alanları : Elektroliz, öncelikle, elektrolizle metalürjilerde, metallerin hazırlanmasında (çözünmez anot) ya da arıtılmasında (çözünür anot) kullanılır. Ayrıca, galvanoplastide, bir elektrolitik metal birikimiyle döküm kalıbına biçim vermede aşınmaya karşı korumada ve bir metal çökeltisiyle metallerin kaplanmasında (sözgelimi, nikel kaplama, çinko kaplama, kadmiyum kaplama, krom kaplama, gümüş ya da altın kaplama) başvurulan bir yöntemdir. Arı hidrojen, özellikle, suyun elektroliziyle elde edilir. Öbür uygulamaları arasında, gaz üretimi (klor), metal üstünde koruyucu oksitli anot tabakalarının elde edilmesi (alüminyumun, alümin aracılığıyla anotlaştırılması işlemi) elektrolizle parlatma, metallerin katot ya da anot olarak yağlardan arındırılması sayılabilir. Elektroliz, akım şiddetlerinin, özellikle de voltametrelerdeki akım miktarlarının ölçülmesine de olanak verir. Sürekli akım yardımıyla, organik dokuların ayrıştırılmasına dayanan tedavi elektrolizi, cerrahide sinir uçlarının (nöronların), sertleşen urların, burun deliklerindeki poliplerin yok edilmesinde, üretra ya da yemek borusu daralmalarının tedavisinde vb. kullanılır.  …..(1)

Elektrolizden yararlanma : 1.Metallerin Ayrıştırılması : Bunun için hangi metal ayrıştırılacaksa, o metalin bir tuzunun çözeltisi hazırlanır. Bu yöntem en çok bakır metali için kullanılır. Çözelti içine batırılan elektrotlardan biri arı bakır, diğeri de arı olmayan bakırdır. Bakır iyonları (+) yüklü olduğundan katota gider, orada nötrleşerek arılaştırılmış olur.

2.Metalle Kaplamacılık : Herhangi bir metalle kaplamak istediğimiz bir cisim elektroliz kabında katot olarak kullanılır. Hangi metalle kaplamak istiyorsak o da anot olarak seçilir. Çözelti yerine anot olarak kullanılan metalin tuzunun, sudaki çözeltisi alınır. Teknikte kromaj, nikelaj ve gümüşle kaplama bu metotla olur. Bir demir çatal nikelle kaplanmak isteniyorsa, çatal katot,nikel ise anot olarak seçilir. Çözelti olarak nikel tuzu çözeltisi kullanılır. Sulu çözelti içindeki nikel iyonları katota gider ve element halinde birikerek kaplama olayını gerçekleştirirler.   ……(1)

4)KULLANILAN ARAÇ VE GEREÇLER :

v  Doğru Akım Kaynağı

v  Beher

v  Metal Parçası (Anahtar)

v  Bakır Elektrot

v  2 Adet Krokodil

v  Bakır Sülfat

v  Bağlantı Kabloları

v  Çeşme Suyu

5)DENEYİN YAPILIŞI  :

Metal parçası tartılır. Beher içine bir miktar su konulur. Metal parçası (anahtar) üretecin negatif (-) kutbuna, bakır elektrot ise krokodilli kablo yardımıyla pozitif (+) bağlanır. Suyun içine bakır sülfat ekleyerek mazi renkli çözelti elde edilir. Güç kaynağı çalıştırılır. Kaplama gerçekleştiği anda güç kaynağı durdurulur.

6)DENEYİN ŞEKLİ :

7)DENEYİN SONUCU :

Güç kaynağını çalıştırdıktan sonra anahtarın üzeri bakır oldu; ama kaplama işlemi gerçekleşmedi. Mendille silince anahtar eski halini aldı. Birkaç defa denedikten sonra bakırla kaplama gerçekleşti. Katottaki ve anottaki tepkimeler :

Katot

2e^-  +  Cu⁺    →    Cu_(k)

Anot

Cu_(k)   →   Cu⁺  +  2e^-

-          Metal parçasının  (anahtarın) kaplanmadan önceki kütlesi = 13,880 gr

-          Metal parçasının  (anahtarın) kaplanmadan sonraki kütlesi = 15 gr

-          Elektroliz süresi = 30 sn

-          I = 4,8 A

    Faraday yasasına göre;

m/(m/z) = I. t / F

q= I.t                                                       1 F          96500 coulomb

q=4.8A.30 sn                                          x F           144  coulomb

q=144 coulomb                                              X =  0,0015 F

Cu için; eşdeğer gram:m_a / T_s  63,55gr / 2 = 31,775gr

  1 F              31,775 gr Cu

  0,0015 F     X gr

   

X = 0,048 gr   (anahtarda toplanması gereken madde miktarı)

Deney sonucunda toplanan madde miktarı = 15 - 13,880 =1,12 gr.

8)DENEYİN YORUMU :

Bakır kaplama birkaç denemeden sonra gerçekleşti. Böyle olmasındaki sebep elektrolizin tam olarak gerçekleşmemesi olabilir. Elektrolizle bakır kaplama sayesinde çok kısa sürede kaplama gerçekleşmiş oldu. Bu sebeple  elektroliz ile kaplamalar sanayide çok kullanılmaktadır.

Faraday yasasına göre deneyimizdeki değerler sonucunda, anahtarda toplanması gereken madde miktarıyla deney sonunda toplanan madde miktarı farklı çıktı. Buna neden olan faktörler; ölçümlerin yeterince hassas yapılmaması, elektroliz süresinin doğru takip edilmemiş olması olabilir.

9)KAYNAKÇA :

1. http://www.odevsitesi.com.tr
2. Prof. Dr. Ender Erdik, Prof. Dr. Yüksel Sarıkaya; Temel Üniversite Kimyası Cilt-1, s. 472-474-475
3. http://www.geocities.com.tr