Redoks Tepkimeleri

Redoks tepkimeleri, elektronların bir maddeden diğerine aktarıldığı kimyasal tepkimelerdir. Bu tepkimelerde iki temel süreç aynı anda gerçekleşir:

Redüksiyon (İndirgenme) elektron alma işlemidir. İndirgenen madde elektron alarak yükseltgen olarak davranır. Örneğin X²⁺ + 2e⁻ → X tepkimesinde X²⁺ indirgeniyor.

Oksidasyon (Yükseltgenme) elektron verme işlemidir. Yükseltgenen madde elektron vererek indirgen olarak davranır. Örneğin X → X²⁺ + 2e⁻ tepkimesinde X yükseltgeniyor.

Bir tepkimenin redoks olup olmadığını anlamak için yükseltgenme basamaklarına bakılır. Bileşiklerde elementlerin yükseltgenme basamakları toplamı sıfıra, köklerde ise kökün yüküne eşittir.

Önemli: Elementten bileşik veya bileşikten element oluşumu genellikle redoks tepkimesidir. Ancak asit-baz tepkimeleri redoks değildir!

Redoks tepkimelerini denkleştirirken önce değerlikler bulunur, değişen değerlikler tespit edilir ve alınan-verilen elektron sayıları eşitlenir. Mesela H₂S + HNO₃ → NO + S + H₂O tepkimesinde azot +5'ten +2'ye indirgeniyor, kükürt ise -2'den 0'a yükseltgeniyor.

Aktiflik ve Kimyasal Tepkimeler

Aktiflik, maddelerin tepkimeye girme isteklerinin ölçüsüdür. Metallerin aktifliği, elektron verme isteklerini gösterir ve yükseltgenme potansiyeli ile belirlenir.

Aktiflik sırası şöyledir: Mg > Al > Zn > Fe > H₂ > Cu > Ag. Aktif metaller, kendilerinden daha pasif metallerle temas ettiklerinde elektron vererek aşınırlar. Örneğin:

• Aktif metal çubuğu pasif metal iyonlarıyla tepkimeye girdiğinde kütlesi azalır
• Pasif metal iyonları indirgenerek metalik hale geçer

Mg(k) + FeCl₂(suda) → MgCl₂(suda) + Fe(k)

Soymetaller (Cu, Hg, Ag, Pt, Au) tepkimeye girme isteği az olan metallerdir ve normal asitlerle tepkime vermezler. Ancak yine de bazı istisnalar vardır:

• Yarısoy metaller H₂SO₄ ve HNO₃ ile tepkime verebilir
• Aktif metaller asitlerle tepkimeye girdiğinde tuz ve H₂ gazı oluşturur
• Amfoter metaller (Pb, Sn, Zn, Cr, Al) kuvvetli bazlarla tepkime vererek tuz ve H₂ oluşturur
• Su sadece IA ve IIA grubu metalleriyle tepkime verir

Demirden yapılmış kapta HCl çözeltisi saklanamaz çünkü Fe, H⁺'den daha aktiftir ve aşınmaya uğrar.

Metaller ve Tepkimeleri

Aktiflik sırası, metallerin kimyasal tepkimelerdeki davranışını belirler. Aktif olan çubuk, kendinden daha pasif metalle temas ettiğinde elektron vererek yükseltgenir ve aşınır.

Tepkimelerde gözlemlenen değişimler aktiflik hakkında ipuçları verir:

• Çubuk kütlesi zamanla azalıyorsa (aşınıyorsa), o metal aktiftir
• İyon derişimindeki değişimler de aktifliği gösterebilir

Soymetaller (Cu, Hg, Ag, Pt, Au) kimyasal tepkimelere girme eğilimleri düşük metallerdir. Asit ve bazlarla normalde tepkime vermezler, altın ise sadece "kral suyu" ile tepkime verir.

Yarısoy metaller ise yalnızca derişik sülfürik asit ve nitrik asit ile tepkimeye girerler:

Cu + H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂(g) + H₂O
Cu + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + NO₂(g) + H₂O

Aktif metaller asitlerle tepkimelerinde tuz ve H₂ gazı oluştururlar:

Na + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + H₂

Not: Sadece amfoter metaller (Pb, Sn, Zn, Cr, Al) kuvvetli bazlarla tepkimeye girerek tuz ve hidrojen oluşturabilir.

Su ise sadece IA ve IIA grubu metalleriyle tepkimeye girer ve sonuçta baz çözeltisi ile H₂ gazı oluşur:

Na + H₂O → NaOH + ½H₂

Elektrokimyasal Piller

Pil, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren sistemdir. Bir pilde iki temel bileşen bulunur:

Anot: Yükseltgenmenin gerçekleştiği elektrot. Elektron verir ve burada oksidasyon olur. Katot: İndirgenmenin gerçekleştiği elektrot. Elektron alır ve burada redüksiyon olur.

Örnek bir pilde:

Anot: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻        E° = 0.76V
Katot: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu       E° = 0.34V
Net: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu   E°pil = 1.1V

Pilin çalışması sırasında:

• Zn çubuk zamanla aşınır, Zn²⁺ derişimi artar
• Cu²⁺ iyonları azalır, Cu metali katotta birikir
• Elektronlar anottan katoda doğru hareket eder
• Tuz köprüsündeki anyonlar anoda, katyonlar katoda doğru hareket eder

Önemli: Pil potansiyelini arttırmak için dengeyi ürünlere kaydıran etkenler kullanılabilir.

Anot ve katot seçiminde dikkat edilecek noktalar:

1. Yükseltgenme potansiyeli büyük olan anot olur
2. İndirgenme potansiyeli büyük olan katot olur
3. Kütlesi artan elektrot katot, azalan anot olur
4. İyon derişimi artan elektrot anot, azalan katot olur
5. Elektronlar her zaman anottan katoda doğru akar

Pil Sistemleri ve Derişim Pilleri

Bir elektrokimyasal pilde elektrot tepkimeleri ve sistemin davranışı önemlidir. Örneğin, Zn-H⁺ pilinde:

Anot: Zn(k) → Zn²⁺ + 2e⁻     E° = 0.76V
Katot: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂(g)     E° = 0.00V
Net tepkime: Zn(k) + 2H⁺ → Zn²⁺ + H₂(g)   E°pil = 0.76V

Bu pilde çinko elektrotu zamanla aşınır (kütlesi azalır) ve platin elektrot değişmez çünkü H⁺ iyonları hidrojen gazına dönüşür.

Pil sistemine etki eden faktörler:

• II. kaba NaOH eklenirse $H⁺$ azalır, tepkime girenler yönüne kayar ve E°pil düşer
• Zamanla II. kaptaki H⁺ miktarı azaldıkça pH yükselir

Dikkat: Pil sisteminde, dışarıdan pil potansiyelinden daha yüksek bir gerilim uygulanırsa, tepkime tersine döner ve anot-katot yer değiştirir.

Derişim pilleri, aynı tür elektrotların farklı derişimlerdeki aynı tür çözeltilere daldırılmasıyla oluşturulan özel pillerdir. Bu pillerin özellikleri:

• Sadece derişim farkından dolayı çalışır
• Derişimler eşitlenene kadar çalışır
• Derişimi küçük olan elektrot anot, büyük olan katottur
• Derişimler arasındaki fark arttıkça pil potansiyeli artar

Derişim pillerinde potansiyel hesabı Nernst denklemi ile yapılır:

E_pil = E°_pil - (0,059/n) log(derişim oranı)

Elektroliz

Elektroliz, elektrik enerjisi kullanılarak kendiliğinden gerçekleşmeyen redoks tepkimelerinin gerçekleştirilmesidir. İyonik bileşiklerin sıvı hali, asit, baz ve tuz çözeltileri elektroliz edilebilir.

Elektroliz uygulamaları nitel ve nicel olarak incelenebilir:

1. Nitel Analiz

a) Erimiş tuzların elektrolizi: Örneğin NaCl elektrolizinde:

• Katotta Na⁺ + e⁻ → Na(s) tepkimesi gerçekleşir
• Anotta 2Cl⁻ → Cl₂(g) + 2e⁻ tepkimesi gerçekleşir

b) Suyun elektrolizi: 2H₂O(s) → 2H₂(g) + O₂(g)

• Anotta: 2H₂O → O₂(g) + 4H⁺ + 4e⁻
• Katotta: 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂(g)

c) Çözeltilerin elektrolizi: Örneğin MgCl₂ çözeltisinin elektrolizi:

• Anotta: 2Cl⁻ → Cl₂(g) + 2e⁻
• Katotta: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂(g)

2. Nicel Analiz (Faraday Prensipleri)

Elektrolizde aktarılan elektrik miktarı ile madde miktarı arasındaki ilişki Faraday yasalarıyla açıklanır:

• 1 mol elektron = 1F = 96500 coulomb
• Q = i·t (i: akım, t: süre)

Örnek Hesaplama: Erimiş AgCl tuzu 9,65 amperlik akımla 200 saniye elektroliz edildiğinde, katotta biriken gümüş miktarı 0,02 mol elektron × 108 g/mol = 2,16 g olur.

Elektroliz, metallerin saflaştırılması, bileşiklerin ayrıştırılması ve kaplama işlemlerinde yaygın olarak kullanılır.

Korozyon

Korozyon, bir maddenin kimyasal ve elektrokimyasal tepkimeler sonucu fiziksel ve kimyasal olarak parçalanmasıdır. Paslanma, çürüme ve gümüşteki kararma korozyona örnek verilebilir.

Korozyon metallerin bozulmasına, dayanıklılıklarının azalmasına ve ekonomik kayıplara yol açar. Günlük hayatta karşılaştığımız en yaygın korozyon örneği, demir metalinin oksijen ve nem varlığında paslanmasıdır.

Korozyonu önlemek için çeşitli yöntemler kullanılır:

• Metallerin yüzeyini boya, plastik veya seramik gibi malzemelerle kaplamak
• Paslanmaz çelik gibi korozyona dayanıklı alaşımlar kullanmak
• Metali daha soy bir metalle kaplamak (örneğin çinko kaplı demir)
• Katodik koruma sistemleri kurmak

Önemli: Katodik koruma, toprağa gömülü veya sıvı içindeki metalleri korumak için kullanılan elektrokimyasal bir yöntemdir.

Kurban elektrot yöntemi, korozyonu önlemek için kullanılan pratik bir uygulamadır. Korunmak istenen metalden daha aktif bir metal (kurban elektrot) bağlanır ve bu metal önce korozyona uğrayarak asıl metali korur. Örneğin, teknelerin altına bağlanan çinko blokları bu amaçla kullanılır - çinko önce korozyona uğrayarak tekneyi korur.