12. Sınıf Kimya: Redoks, Elektrokimya ve Organik Kimya

Yükseltgenme sayısından elektron alışverişine

Redoks, bir tepkimede en az iki türün yükseltgenme sayısının değiştiği süreçtir. Yükseltgenme sayısı, bileşik içindeki elektron dağılımını iyonik bir modelle izlemek için kullanılan biçimsel bir değerdir; gerçek yükle her durumda aynı anlamı taşımaz. Bu nedenle yükseltgenme sayısını doğrudan 'atomun kesin olarak kaybettiği elektron sayısı' diye yorumlamak yerine, tepkime boyunca elektron verme veya alma yönünü belirleyen bir hesap aracı olarak kullanmak daha doğrudur.

Bir tür elektron veriyorsa yükseltgenir ve indirgen madde olarak görev yapar. Elektron alan tür indirgenir ve yükseltgen madde olarak adlandırılır. Buradaki adlandırma sık karıştırılır: yükseltgenen madde elektronu veren, indirgenen madde ise elektronu alan taraftır. İki süreç aynı redoks tepkimesinde birlikte gerçekleşir; yalnızca yükseltgenme veya yalnızca indirgenme gerçekleşmesi, toplam tepkimenin redoks olarak tamamlanamayacağı anlamına gelir.

Yükseltgenme sayısını belirlerken elementel hâlde bulunan atomların değeri 0 kabul edilir. Tek atomlu iyonlarda değer iyon yüküne eşittir. Nötr bir bileşikte yükseltgenme sayılarının toplamı 0, çok atomlu bir iyonda ise iyonun toplam yüküne eşittir. Örneğin KMnO4 bileşiğinde K için +1, O için -2 alınır. Mn'nin yükseltgenme sayısı x ise +1 + x + 4(-2) = 0 denklemi kurulur ve x = +7 bulunur.

Karar kuralı şudur: Tepkime öncesi ve sonrası değerleri karşılaştırın. Değer artıyorsa yükseltgenme, azalıyorsa indirgenme vardır. Mn'nin +7'den +2'ye inmesi 5 elektron alma eğilimine; Fe'nin 0'dan +3'e çıkması ise 3 elektron verme eğilimine karşılık gelir. Denklem denkleştirilirken verilen ve alınan elektron sayıları eşitlenmelidir.

Galvanik pilde anot-katot yönünü doğru kurmak

Elektrokimyasal hücrelerde iki temel dönüşüm vardır. Galvanik veya voltaik pilde kendiliğinden gerçekleşebilen redoks tepkimesi elektrik enerjisi üretir. Elektroliz hücresinde ise dış bir güç kaynağı, kendiliğinden ilerlemeyen bir tepkimeyi yürütmek için kullanılır. Bu ayrım, hücrenin çalışma yönünü belirler; ancak anot ve katot tanımları hücrenin türüne göre değişmez.

Anotta yükseltgenme, katotta indirgenme gerçekleşir. Hatırlama kuralı 'Anot: yükseltgenme, katot: indirgenme' biçimindedir. Galvanik pilde anot negatif, katot pozitiftir; elektronlar dış devrede anottan katoda doğru hareket eder. Elektroliz hücresinde güç kaynağının bağlantısı nedeniyle anot pozitif, katot negatiftir; buna rağmen yükseltgenme yine anotta, indirgenme yine katotta olur.

Bir galvanik hücrede elektrotlar genellikle farklı yarı hücrelerdedir. Yükseltgenmenin gerçekleştiği elektrottan elektronlar dış devreye çıkar. Tuz köprüsü veya benzeri iyonik bağlantı, çözeltilerde elektriksel nötrlüğün korunmasına yardımcı olur; elektronlar tuz köprüsünden değil, dış devreden geçer. Bu ayrıntı, elektron akışı ile iyon göçünün karıştırılmasını önler.

Pilin kendiliğinden çalışıp çalışmadığını değerlendirmek için hücre potansiyelinin işaretine bakılır. Standart koşullar altında hesaplanan $E_hucre$ pozitifse seçilen toplam tepkime termodinamik olarak kendiliğinden ilerleme eğilimindedir. Bu yorum standart koşullara bağlıdır; gerçek derişim, basınç ve sıcaklık değiştiğinde hücrenin davranışı ayrıca değerlendirilmelidir.

Standart elektrot potansiyeliyle hücre gerilimi hesaplamak

Standart elektrot potansiyelleri, yarı tepkimelerin standart koşullardaki indirgenme eğilimini karşılaştırmak için kullanılır. Tablolarda potansiyeller genellikle indirgenme yönüyle verilir. Daha büyük, yani daha pozitif indirgenme potansiyeline sahip yarı hücre, uygun koşullarda katot olarak seçilmeye daha yatkındır; daha küçük potansiyelli yarı hücre anot olarak ters yönde çalışır.

Hücre potansiyeli şu bağıntıyla hesaplanır: $E_hucre = E_katot - E_anot$. Burada iki değerin de tabloda indirgenme potansiyeli olarak yazıldığı varsayılır. Anot yarı tepkimesi ters çevrilse bile tablo değerini yeniden pozitif yaparak kullanmak doğru değildir; işaret hesabı formülde zaten çıkarma işlemiyle yapılır. Ayrıca yarı tepkimenin katsayısını 2 veya 3 ile çarpmak potansiyeli çarpmaz. Potansiyel yoğun bir özelliktir; elektron sayısı ise tepkime denkleştirilirken katsayılarla eşitlenir.

Örneğin bir yarı hücrenin indirgenme potansiyeli +0,80 V, diğerinin +0,34 V ise daha büyük değer katot seçilir ve $E_hucre = 0,80 - 0,34 = 0,46$ V bulunur. Pozitif sonuç, standart koşullar altında seçilen yönün kendiliğindenlik eğilimi taşıdığını gösterir. Bu değer, hücreden geçen elektron miktarı değildir; gerilim farkıdır.

Elektrolizde akım, elektron molü ve madde miktarı

Elektroliz hesaplarında üç niceliği ayırmak gerekir: elektrik yükü $Q$, elektron molü ve elektrotlarda oluşan maddenin molü. Akım sabit ise elektrik yükü $Q = I.t$ bağıntısıyla bulunur. Burada $I$ amper, $t$ saniye ve $Q$ coulomb cinsindendir. Bir mol elektronun yükü yaklaşık $F = 96500$ C/mol elektron olduğundan elektron molü $n(e-) = Q/F$ ile hesaplanır.

Elektrot tepkimesindeki katsayı, elektron molü ile ürün molü arasındaki oranı verir. Örneğin katotta $Cu^{2+} + 2e- -> Cu$ tepkimesi gerçekleşiyorsa 1 mol bakır oluşması için 2 mol elektron gerekir. Bu durumda oluşan bakır miktarı $n(Cu) = n(e-)/2$ olur. Kütle hesabı için $m = n.M$ bağıntısı kullanılır. Genel biçimde $m = M.I.t/(zF)$ yazılabilir; burada $M$ mol kütlesi, $z$ ise bir mol ürün için gereken elektron sayısıdır.

Faraday yasalarının uygulanma koşulu, akımın ve elektrot tepkimesinin bilinmesidir. Çözeltide birden fazla iyon varsa yalnızca formüle bakarak hangi türün boşalacağını söylemek yeterli olmayabilir; elektrot türü, iyonların indirgenme-yükseltgenme eğilimleri ve ortam koşulları dikkate alınır. Bu nedenle önce yarı tepkime yazılmalı, ardından elektron katsayısı belirlenmelidir.

Korozyonda metalin neden bozulduğunu açıklamak

Korozyon, metalin çevresiyle gerçekleşen kimyasal veya elektrokimyasal etkileşimler sonucunda bozulmasıdır. Demirin paslanması, nemli ortamda oksijenin de rol aldığı elektrokimyasal bir süreç olarak düşünülebilir. Metalin bazı bölgeleri anot gibi davranarak elektron verir; başka bölgelerde indirgenme gerçekleşir. Su ve çözünmüş iyonlar, bu yerel hücrelerin çalışmasını kolaylaştırabilir.

Kuru ve iyon içermeyen bir ortamla nemli, tuzlu ortam aynı korozyon hızına sahip olmak zorunda değildir. Tuzlu suyun iletkenliği daha yüksek olduğundan metal yüzeyinde elektrokimyasal bölgeler arasındaki iyon hareketi kolaylaşabilir. Bu, 'tuz her metalde aynı hızda paslanma oluşturur' anlamına gelmez; metalin türü, yüzey durumu, oksijen erişimi, sıcaklık ve ortamın kimyasal bileşimi de etkilidir.

Korozyondan korunmada yüzeyi boya veya kaplama ile çevreden ayırma, uygun alaşım kullanma, pasifleştirme ve daha kolay yükseltgenen bir metali koruyucu anot olarak kullanma yöntemleri uygulanabilir. Kaplama çizildiğinde koruma yönteminin nasıl çalıştığı önem kazanır. Örneğin kaplama metali ana metalden daha aktifse, kaplama bölgesel hasarda koruyucu anot gibi davranabilir; her kaplama malzemesi için aynı sonuç beklenmez.

Karbon zincirinden fonksiyonel gruba: organik kimyanın haritası

Hidrokarbonlar yalnızca karbon ve hidrojen içeren bileşiklerdir. Tek bağ içeren açık zincirli alkanlar doymuş hidrokarbonlar olarak; çift bağ içeren alkenler ve üçlü bağ içeren alkinler doymamış hidrokarbonlar olarak incelenir. Bu sınıflandırma, molekülde bulunan bağ türü ve buna bağlı tepkime eğilimi üzerinden yapılır. Aromatik bileşiklerde benzen benzeri halka sistemi bulunur; bunları yalnızca 'her halkalı bileşik' şeklinde tanımlamak doğru değildir.

Bir organik bileşiği tanırken önce en uzun karbon zinciri veya ana halka, ardından bağ türü ve yan grupların konumu belirlenir. Fonksiyonel grup, molekülün belirli kimyasal davranışlarından sorumlu atom veya atom grubudur. Alkolde -OH, eterde R-O-R', karbonil bileşiklerinde C=O, karboksilik asitte -COOH ve esterde -COO- grubu ayırt edici örneklerdir. Aynı karbon iskeletine sahip iki bileşik, farklı fonksiyonel grup taşıdığında farklı fiziksel ve kimyasal özellik gösterebilir.

Örneğin -OH grubunun varlığı bir bileşiğin polaritesini ve hidrojen bağı kurma kapasitesini etkileyebilir; ancak bütün alkollerin suda aynı çözünürlüğe sahip olduğu sonucu çıkarılamaz. Karbon zinciri büyüdükçe hidrokarbon kısmının etkisi artabilir. Esterlerin oluşumu da yalnızca 'asit ve alkol birleşti' şeklinde ezberlenmemeli; hangi fonksiyonel grupların tepkimeye girdiği ve ürünün ester grubu taşıdığı görülmelidir.

Çözümlü örnekler: elektron ve elektrik yükünü aynı zincirde kullanmak

Örnek 1 — Verilenler: Fe(s) + Cu2+(aq) -> Fe2+(aq) + Cu(s) tepkimesi ve standart indirgenme potansiyelleri $E(Cu2+/Cu)=+0,34$ V, $E(Fe2+/Fe)=-0,44$ V olsun.

1. Yarı tepkimeleri yazın: Fe -> Fe2+ + 2e- ve Cu2+ + 2e- -> Cu.
2. Elektron veren tür Fe olduğundan Fe anottur ve yükseltgenir. Cu2+ elektron aldığı için Cu katottur ve indirgenir.
3. Standart değerler indirgenme potansiyeli olarak verildiğinden doğrudan $E_hucre = E_katot - E_anot$ uygulanır.
4. $E_hucre = 0,34 - (-0,44) = 0,78$ V.

Sonuç: Standart koşullarda hücre potansiyeli 0,78 V'tur ve pozitif olduğu için verilen yön kendiliğinden gerçekleşme eğilimi taşır. Fe'nin anottaki yükseltgenmesi ile Cu2+'nin katottaki indirgenmesi birlikte yürür.

Örnek 2 — Verilenler: Erimiş bir Cu2+ tuzunun elektrolizinde 193000 C yük geçiriliyor. Katot tepkimesi Cu2+ + 2e- -> Cu ve bakırın mol kütlesi 63,5 g/mol olsun.

1. Elektron molünü bulun: $n(e-) = Q/F = 193000/96500 = 2$ mol elektron.
2. Tepkimeye göre 1 mol Cu oluşması için 2 mol elektron gerekir. Bu nedenle $n(Cu)=2/2=1$ mol olur.
3. Kütleyi hesaplayın: $m=n.M=1.63,5=63,5$ g.

Sonuç: İdeal akım verimi ve verilen elektrot tepkimesi varsayımıyla katotta 63,5 g Cu oluşur. Burada 193000 C'nin doğrudan 2 mol bakır anlamına gelmediğine dikkat edilmelidir; önce elektron molü, sonra tepkime katsayısı kullanılmalıdır.

Sık yapılan hatalar ve karıştırılan kavramlar

• Yükseltgenme ile indirgenmeyi ters söylemek: Elektron veren yükseltgenir, elektron alan indirgenir. 'İndirgen madde' elektronu veren taraftır; adı, karşı türü indirgediği için bu şekilde kullanılır.

• Anot ve katot yükünü ezberleyip tepkimeyi unutmak: Anotta yükseltgenme, katotta indirgenme her iki hücre türü için geçerlidir. Anotun negatif veya pozitif olması galvanik pil ile elektroliz hücresine göre değişir.

• Elektronların tuz köprüsünden geçtiğini düşünmek: Elektronlar dış devrede, iyonlar elektrolit ve tuz köprüsü içinde hareket eder.

• Standart elektrot potansiyellerini tepkime katsayısıyla çarpmak: Potansiyel değerleri katsayıyla çarpılmaz. Katsayılar elektron ve madde molü hesabında kullanılır.

• $Q=nF$ bağıntısındaki n'yi ürün molü sanmak: Bu bağıntıda n, mol elektron sayısıdır. Ürün molü, yarı tepkimedeki elektron katsayısına göre ayrıca hesaplanır.

• Her yükseltgenme sayısı değişimini iyonik bağ sanmak: Yükseltgenme sayısı biçimsel bir hesap değeridir; özellikle kovalent bileşiklerde gerçek iyon yüküyle özdeş olmayabilir.

• Korozyonu yalnızca 'pas' olarak görmek: Paslanma demir için yaygın bir örnektir; korozyon daha genel olarak metallerin çevreyle etkileşerek bozulmasını ifade eder.

• Hidrokarbon ile bütün organik bileşikleri eş anlamlı kullanmak: Hidrokarbonlar yalnızca C ve H içerir. Oksijen, azot veya başka atomları içeren alkol, eter, ester ve karboksilik asitler de organik bileşik olabilir; fakat hidrokarbon değildir.

• Hücre potansiyelini enerji veya elektron miktarı sanmak: Volt cinsinden $E_hucre$ gerilim farkını gösterir. Elektron miktarı ise coulomb, elektron molü veya tepkime katsayılarıyla belirlenir.