Kimya Deneyleri- Doymuş NaCl Çözeltisinin Elektrolizi

Deney No:6

Deneyin Adı: Doymuş NACL Çözeltisinin Elektrolizi

Deneyin Amacı: Doymuş NaCl çözeltisinin elektroliz sonucu elementlerine ayrışmasının incelenmesi.

Teorik Bilgi:

            Elektroliz: Kendiliğinden oluşmayan bir kimyasal tepkimenin, elektrik enerjisi yardımıyla gerçekleştirilmesine, yani elektrik enerjisinin kimyasal enerjiye dönüşmesi olayına elektroliz denir.

Elektroliz, bir elektrik akımı tarafından aşılan bir elektrolitin uğradığı ayrışmadır. Bu akımın elektrolit içinde iletilmesiyle birlikte elektroliz 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 ile ilgili bazı terimler: Elektrolit: İçinde serbest iyon bulunduran ortamlara denir. Elektrot: Elektrolit içine batırılan metallere denir. Anot: Bir elektroliz kabında, üreticinin pozitif kutbuna bağlı elektrota denir. Katot: Elektroliz kabında, üreticinin negatif kutbuna bağlı elektrota denir. 

            Bir metalden elektrik akımı geçerken kimyasal bir değişmenin olmadığını biliyoruz. Ancak iyonlar içeren bir sıvıdan elektrik akımı geçirilirse kimyasal bir değişme gerçekleşir; + yüklü iyonlar indirgenebilir, - yüklü iyonlar da yükseltgenebilir. Yani redoks tepkimesi gerçekleşir. 

            Yükseltgenmenin olduğu elektrota; ANOT, indirgenmenin olduğu elektrota; KATOT adı verilir.

         Hidrojenin fiziksel özellikleri: Renksiz, kokusuz, zehirsiz, aşırı derecede patlayıcı bir gazdır. Bilinen en hafif gazdır. Hidrojen havada yandığı zaman neredeyse hiç görünmeyen açık mavi bir alevle yanar. Kimyasal maddeler arasında yoğunluğu en az olanı hidrojendir hidrojenin bağ enerjisi oldukça yüksek olduğundan hidrojenin tepkimeleri yüksek sıcaklıklarda gerçekleşir.

          Oksijen en çok bulunan elementtir. Çoğu mineralde oksijen  başka bir elementle birleşmiştir.  Oksijen normal koşullarda renksiz kokusuz ve tatsız bir gazdır. Katı ve sıvı oksijen açık mavi renktedir. Oksijenin tepkimeleri, oksijenin flordan sonra gelen en eloktronegatif olmasına karşın, beklenenden çok daha yavaştır bunun sebebi oksijenin bağ enerjisinin yüksek olmasıdır. Bu nedenle oksijen-oksijen bağının koparılmasını  gerektiren tepkimelerin yalnızca yüksek sıcaklıkta olmasıdır. 

            *NaCl’nin elektrolizi için iki yol düşünülebilir. Birincisi, NaCl’nin sudaki çözeltisi, ikincisi de ısıtılarak sıvı hale getirilmiş NaCl elektroliz edilebilir.

           

            Şimdi NaCl çözeltisinin elektrolizini inceleyelim.

            Çözeltinin çok seyreltik olması halinde su elektroliz olmaktadır. Bu durumda pil reaksiyonları:

                                   ANOT:2 H₂O ↔ O₂+ 4 H⁺ +4 e^-

                                   KATOT:4 H₂O + e^-  ↔ 2 H₂  + OH ^–

                TOPLAM: 6 H₂O ↔ O₂+2 H₂  + 4 H⁺+ OH^-           

Çözeltisinin konsantrasyonunun yüksek olması halinde anotta su yerine klorür iyonları yükseltgenir.

                                   ANOT: 2Cl^- ↔Cl ₂ + 2e^-

                                   KATOT: 2 H₂O + 2e^- ↔ H₂ + 2 OH ^-

                 TOPLAM: 2Cl^- + 2 H₂O ↔  Cl ₂ + H₂ +2 OH-   

     

            Konsantrasyonları farklı iki çözeltide katot reaksiyonları aynı iken; anot reaksiyonları farklıdır. Böyle bir değişikliğin nedenini standart anot potansiyellerini karşılaştırarak açıklayabiliriz.

                        H₂O ↔ ½ O₂ + 2H⁺ +2e^-       E=-1,23 V

                        2Cl   ↔ Cl₂+ 2e^-                     E=-1,36 V

            Standart elektrot potansiyellerini karşılaştırdığımızda; klorür iyonlarının suya göre daha güç yükseltgeneceğini, ancak potansiyeller arasındaki farkın çok küçük olması nedeniyle; yüksek Cl iyonu konsantrasyonunda su yerine Cl iyonunun yükseltgendiğini söyleyebiliriz. Bu yolla katotta H₂ ,anotta Cl₂ elde edilmekte,çözeltide ise;NaOH oluşmaktadır.3 çeşit ürün elde edilmesi nedeniyle NaCl çözeltisinin elektrolizi, teknikte kullanılan en önemli yöntemlerden biridir.

              Anot:2Cl^- ↔Cl₂+2e^-

              Katot:2Na⁺ +2e ↔ H₂+2Na

Toplam: 2 Cl^- +2Na⁺ ↔ Cl₂ + 2Na     

Reaksiyonu gerçekleşmektedir. Bu yöntem metal halinde sodyum elde edilmesi için kullanılır

        Sulu NaCl çözeltisinin elektrolizi:

        NaCl_(k)  →  Na⁺_(suda)  +  Cl^-_(suda)

        H₂O_(s)   →   H⁺_(suda) + OH^- _(suda)

            Elektroliz kabına, NaCl ile birlikte bir miktar fenolftalein çözeltisi katılması, elektroliz olayının daha düşük sıcaklıklarda gerçekleşmesini sağlar. 

Kullanılan Araç Ve Gereçler:

• NACL Çözeltisi
• Elektrot(2 adet)
• Deney tüpleri(2 adet)
• Bünzen kıskacı(2 adet)
• Üç ayak
• Bağlama Parçası(2 adet)
• Krokodil
• Bağlantı kabloları
• H₂SO₄ (asitli su)
• Kurşun plaka (2 adet)
• Kurşun oksit plaka(2 adet)
• Fenolftaleyn
• Çeşme Suyu
• Beherglas
• Baget
• Anahtar

Deneyin Yapılışı:

Bir beherin dörtte üçü su ile doldurulur. Doldurulan behere tuz atarak doymuş NACL çözeltisi hazırlanır. Deney tüplerine 3 er damla fenolftaleyn konulur. Ve deney tüpleri hazırlanan çözelti ile doldurulur. Parmağımız yardımıyla ağzı kapatılır ve beherin içine ters bir şekilde hava aldırmadan konulur. 2 deney tüpünü de beherin içine koyduktan sonra elektrotların bir ucunu da deney tüplerini sudan çıkarmadan tüplerin içine yerleştirilir. Ve deney tüpleriyle elektrotlar bünzen kıskacıyla tutturulup düzenek kurulur. Elektrolizin pil reaksiyonlarının tam tersi olduğunun anlaşılması için pil düzeneği de hazırlanır.

Pil düzeneği; 500 ml lik beherin içine belli bir miktarda su koyduk. Suyun içine sülfirik asit koyduk. Suya, üzeri Pb ve PbO₂     ile kaplanmış plakaları daldırdık.

.     Plakalar kablo vasıtasıyla anahtara ve lambaya bağladık. Ve anahtarı açtık, lambanın yandığını gördük. Eğer sülfirik asit çözeltisini artırsaydık lambanın parlaklığının arttığını gözlemlerdik.

Plakarın üzerinden krokodilli kablo ile tutturulup elektroliz deney düzeneğindeki elektrotlara bağlanılır ve düzenekler tamamlanmış olur.

Deneyin Şekli:

 

Deneyin Sonucu:

     Deney düzeneğini kurduktan bir müddet sonra katota  bağlı olan deney tüpündeki elektrotun metal kısmının pembe olduğunu gözlemledik anota bağlı olan deney tüpünün altındaki kısmında berrak bir renk gözlemledik. ve hidrojen gazlarının daha fazla toplandığını gözlemledik.

Deneyin Yorumu:

      Katotta pembe renginin oluşmasının sebebi; H₂ gazları açığa çıkınca  OH^- iyonlarının oranı artması  ve sadece bazik ortamda renk değiştiren fenolftaleinin renk değiştirmesidir. Anottaki deney tüpünün altında Cl₂ gazları toplandı.  Altta toplanmasının sebebi; Cl₂ gazlarının ağır olmasıdır. Berrak renkte olmasının  sebebi ise Cl₂ gazlarının berrak olmasıdır.

NaCl_(k) + H₂O _(s) → Na⁺ _(aq) + Cl^- _(aq)

                      

Katot; H₂O (s) + 1e → 1∕2 H₂ (g)  + OH- (aq)

Anot; H2O (s) → 1∕2 O₂ + 2e + 2H⁺ (aq)

                                          

₈O → 1s² 2s² 2p⁴

O -2 → 1s² 2s² 2p⁶  çekirdeğe uzaklık 2 br

Cl -1 → 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ çekirdeğe uzaklık 3 br

_Cl F → 1.17∕3² = 17∕9 yaklaşık olarak 1.8

_O F → 8.1∕ 2² = 8∕4= 2 brm

Cl dan elektron koparmak daha kolay çünkü çekirdeğe daha yakındır. Elektrolizde katot eksi anot artıdır.