Elektroliz,Kullanım Alanları,Aşırı Gerilim

Bir elektrolit içine iki elektrot daldırılıp, bu hücreye dıştan bir akım uygulayarak elektrotlarda kimyasal reaksiyonlar meydana getirilmesi olayına elektroliz denir. Elektrolizin meydana gelmesi için, hücreye anot ve katot denge potansiyellerinin toplamından daha büyük potansiyelde bir dış akımın uygulanması gerekir

Katotda yürüyecek olan indirgenme reaksiyonları için elektrona ihtiyaç vardır. Bu elektronlar dış akım kaynağından sağlanır. Elektroliz hücresinde de akım yönü katotdan anoda doğrudur. Bir elektroliz hücresi ve bir pil arasında elektrokimyasal olayjar açısından bir fark yoktur. Aradaki fark pillerde anot ve katot reaksiyonlarının kendiliğinden yürümesidir. Elektroliz hücresinde dışardan uygulanan akım ile anot ve katot potansiyelleri denge potansiyellerinden daha yüksek bir değere çıkarılarak kimyasal reaksiyonların oluşması zorlanır.  

Katot , indirgenmenin gerçekleştiği elektrottur. Anot'un antisi olarak tanımlanabilecek, pozitifliği ve negatifliği duruma göre değişen iletken uç. 

Devreden akım geçirmesi için dış etkiye gerek yoksa, katot eksi uç olur. Galvanizli olan kimyasal pil reaksiyonunda ise katot artı yüklü olur. Katot, bir elektrokimyasal hücrede indirgenmenin meydana geldiği elektrottur. 

Bir elektrolizde Hidrojenin de açığa çıkmasını önlemek için kullanılır. Eksi uç ya da Negatif yüklü elektrot anlamını taşır. Devreden akım geçirmesi için dış etkiye gerek yoksa, katot eksi uç olur. galvanizli olan kimyasal pil reaksiyonunda ise katot artı yüklü oluyor. Katot Daha çok Sıvı ve Gazlar üzerinden akım akıtılan düzenlerde negatif elektrot. Elektron tüplerinde veya lambalarda ısıtılarak elektron neşreden (yayan) eleman ve elektroliz düzenlerinde bataryanın negatif kutbunun bağlandığı elektrot, katot adını alır. Elektronlar bu elektrot sayesinde sisteme girer. 

Anot, redoks tepkimelerinde yükseltgenmenin gerçekleştiği elektrottur. Katot'un tersi olarak tanımlanabilecek, artılığı ve eksiliği duruma göre değişen iletken uç. Elektroliz tepkimesinde, anot artı uçta olur.

           Elektrolit, serbest iyon içeren ve elektriksel iletkenliğe sahip ortam.

Genellikle çözelti içerisinde iyonlar içerdikleri için "iyonik çözeltiler" olarak da bilinirlerse de, ergimiş elektrolit ve katı elektrolit türleri de mevcuttur.

 Elektroliz işlemi, elektroliz kabı ya da tankı denen bir aygıt içinde uygulanır. Bu aygıt, çözünerek artı ve eksi yüklü iyonlara ayrılmış bir bileşiğin (Elektrolit) içine birbirine değmeyecek biçimde daldırılmış iki elektrottan oluşur. Elektrotlar bir akım kaynağına bağlandığında meydana gelen gerilim (elektriki alan), iyonları karşıt yüklü elektroda (kutup) doğru hareket ettirir. Karşıt kutupta yükünü dengeleyen atom veya moleküller elektrotta çökelir veya elektrolit içindeki moleküllerle yeni reaksiyonlara girer. Yeni reaksiyona girme meyli daha fazladır.

Örneğin sofra tuzu içeren elektrolitte anotta klor açığa çıkarken nötr sodyum atomları su moleküllerini etkiliyerek katottan hidrojen açığa çıkmasına sebep olurlar ve elekrolitte sodyum hidroksit oluşur.

Elektroliz konusundaki 1800 yılında Anthony Carlisle ve William Nicholson, 1807 yılında Humphry Davy ve 1833 yılında Faraday'ın keşifleri ve, 1887 yılında Svante Arrhenius tarafından geliştirilen iyon teorisi, zamanımızın atom fiziğine temel teşkil etmişlerdir.

Aşırı Gerilim  :

Devreden hiç akım geçmezken ölçülen elektrot potansiyellerine denge potansiyeli denir. Devreden akım geçince elektrot potansiyellerinde polarizasyon nedeniyle değişmeler olur. Bir elektrodun akımsız halde ve akım altında ölçülen potansiyelleri arasındaki farka aşırı gerilim denir ve (h ) ile gösterilir.  

h = E_İ – E_O 

Burada,      h  :   Aşırı gerilim, Volt

                   E_İ :   (i) akımı altında ölçülen elektrot potansiyeli, Volt

       E_O:   Akımsız (denge halinde) ölçülen elektrot potansiyeli, Volt    

Aşırı Gerilimin Oluş Nedenleri

Elektrot yüzeyinde meydana gelen elektrokimyasal reaksiyonlar, ardarda yürüyen bir çok reaksiyonun toplamından oluşur. Bu reaksiyonlardan herhangi birinin yavaşlaması aşırı gerilimin doğmasına neden olur.

Bir örnek olarak hidrojen aşırı geriliminin nasıl oluştuğunu inceleyelim, iyon halindeki bir hidrojen atomunun katotta hidrojen gazı molekülü haline gelmesi şu reaksiyon kademelerinden geçer.

•    - Çözelti içinde bulunan H⁺ iyonlarının elektrot yüzeyine kadar gelmeleri gerekir. 
•      Bu olay difüzyon ile gerçekleşir.  
•     - Elektrot yüzeyine gelen H⁺ iyonları buradan elektron alarak hidrojen atomu haline geçerler. Oluşan (H) atomları metal yüzeyinde adsorbe edilir.  
•      - Elektrot yüzeyi hidrojen atomları ile doygun hale gelince, hidrojen atomları birbiri ile birleşerek hidrojen molekülü haline dönüşürler.  
•     - Hidrojen molekülü yüzeyde tutulamayacak kadar fazlalaşınca, kabarcıklar halinde gaz çıkışı meydana gelir.   

Bu reaksiyonlardan herhangi biri yavaşlarsa, katotta harcanan elektron sayısı azalır ve bunun sonucu olarak katot potansiyeli negatif yönde artar.  

Bu reaksiyonlardan herhangi biri yavaşlarsa, katotta harcanan elektron sayısı azalır ve bunun sonucu olarak katot potansiyeli negatif yönde artar.  

Elektrolizde üç çeşit aşırı gerilim söz konusu olur.  

-Aktivasyon aşırı gerilimi

-Konsantrasyon aşın gerilimi

-Direnç aşırı gerilimi

Aktivasyon aşırı gerilimi:  

Elektrotlarda yürüyen kimyasal reaksiyonların hızının geçen akımdan daha düşük olması durumunda meydana gelir. Bu durumda elektrotlarda yürüyen reaksiyon hızını belli bir değerde tutabilmek için elektrot potansiyellerinin artırılması gerekir.  

Konsantrasyon aşırı gerilimi,  

Elektroliz sırasında anot ve katot bölgelerinde yeni maddeler açığa çıkar veya bazı iyonların konsantrasyonu azalır. Elektrotlar çevresindeki konsantrasyon değişimi sonucu elektrotların denge potansiyellerinde de değişme meydana gelir. Anot ve katot arasındaki potansiyel farkı gittikçe artar. Bu durumda elektrolizi devam ettirmek için daha yüksek bir gerilim uygulanması gerekir.  

Direnç aşırı gerilimi  

Elektroliz sırasında meydana gelen kimyasal ürünler elektrot yüzeylerinde birikerek geçirimsiz bir film oluşturur. Bu film elektrot direncinin artmasına buna paralel olarak elektrot potansiyellerinin artmasına neden olur. Bu aşırı gerilimlerin biri veya birkaçı bir arada olabilir. Böylece anot potansiyelinde (+) yönde, katot potansiyelinde (-) yönde artış gözlenir. Elektrolizin devamı için gittikçe daha büyük bir potansiyel uygulanması gerekir.

Bazı halde, aşırı gerilimler ihmal edilecek kadar küçük olur. Örneğin bakır elektrotlarla bir Cu SO4 çözeltisi elektroliz edilecek olursa, çözeltinin karıştırılması halinde hemen hemen hiç aşırı gerilim meydana gelmez.    

            Ayrışma Gerilimi  

Bir elektrolizde, elektrot reaksiyonlarının başlaması için gerekli olan minimum potansiyele ayrışma gerilimi denir. Teorik ayrışma gerilimi anot ve katodun denge haline karşı gelen elektrot potansiyelleri Nernst denklemi ile hesaplanarak bulunabilir.  

E_A.G = E_KATOT – E_ANOT  

Buradan elde edilen EAG, teorik ayrışma gerilimi olup, anot ve katotta hiç aşırı gerilim olmadığı kabulüne dayanır. Bu değer aynı hücrenin EMK değerinin ters işaretlisidir. Buna zıt elektro motor kuvveti (zıt EMK) denir.  

Ayrışma gerilimi = Zıt. EMK  

yazılabilir. Örneğin suyun elektroliz ile ayrışma reaksiyonu ,  

Katotta hidrojen çıkışı: 2H⁺ + 2 e ^-- =  H₂

Anotta oksijen çıkışı : 2OH^-- = 1/2 O₂ + H₂O + 2 e^--

Toplam reaksiyon : 2 H⁺ + 2 OH^--  =  H₂ + 1/2 O₂ + H₂O 

şeklinde yürür. Suyun elektrolizinde ayrışma gerilimi şöyle hesaplanır:  

              Katot potansiyeli (oksidasyon olarak):

Ekatot = E° - 0,059/2 log (10^-7)²   = 0,413 Volt  

Eanot = E°   - 0,059/2 log (l/10^-7)² = - 0,814 Volt  

Suyun teorik ayrışma gerilimi,

EAG = Ekatot – Eanot  

EAG = 0,413 - (- 0,814) = 1,227 Volt  

Bu değer suyun teorik ayrışma gerilimidir. Gerçekte suyun ayrışması için her iki elektrotta oluşan aşırı gerilimlerin de yenilmesi gerekir. Suyun gerçek ayrışma gerilimi l ,70 Volt' dan daha yüksektir.  

           Ayrışma Geriliminin Ölçülmesi:

Ayrışma gerilimi deneysel olarak Şekil-1'de verilen düzenek ile ölçülebilir. Elektroliz devresine bir dış akım uygulandıktan sonra elektrot potansiyelleri bir referans elektrot yardımı ile ölçülür. Konsantrasyon polarizasyonunu önlemek amacıyla çözelti sürekli karıştırılır.  

Deney sonuçlan, akım yoğunlukları ordinatta, potansiyeller apsiste olmak üzere grafiğe geçirilir.

Başlangıçta (B) noktasına kadar akımın çok az artırılması halinde bile büyük potansiyel artışları görülür. (AB) arasında akım-potansiyel değişimi yaklaşık olarak lineerdir. Elektroliz olayı henüz başlamamıştır. Potansiyel belli bir değere erişince akımda şiddetli bir artış gözlenir. Bu noktadan sonra akım - potansiyel eğrisi (EC) boyunca yeniden lineer bir değişim gösterir. Bu iki lineer bölge kesiştirilerek, elektrolizin başlamış olduğu (ED) potansiyeli belirlenebilir. Bu yolla ölçülen ayrışma gerilimi gerçek ayrışma gerilimidir.

Teorik ayrışma gerilimi ile, gerçek ayrışma gerilimi arasında aşağıdaki bağıntı  vardır:

E_AG (Gerçek)    =  E_AG (Teorik)  +  h + h  

Gerçek ayrışma gerilimini bulmak için teorik ayrışma gerilimine anot ve katot aşırı gerilimi değerlerinin eklenmesi gerekir.

Elektrotlarda oluşan aktivasyon aşırı gerilimi akım yoğunluğuna bağlıdır ve akım yoğunluğu arttıkça aşırı gerilimde de artış olur. Aktivasyon aşırı gerilimi ile uygulanan akım yoğunluğunun logaritması arasında Tafel denklemi bağıntısı vardır.  

η= a + b in i

Burada,

η: Aşırı gerilim, Volt

I    : Akım yoğunluğu, A / cm²

a, b : Anodik ve katodik Tafel sabitleri'dir.

Tafel denkleminde i = I A/cm iken n, = a Volt'dur. (b) sabiti ise elektrot reaksiyonu cinsine bağlı olarak, ( b = 2 x 2.3 x RT/nF } bağıntısı ile hesaplanabilir. Burada. T = 298 K ve n = l değerleri yerine konularak b- 0,118 Volt bulunur, (b) logaritmik terimin katsayısıdır, o halde akım yoğunluğunun 10 kat artması halinde aşın gerilim yaklaşık olarak 0,118 Volt artış gösterecektir.

Elektrolizin Uygulama Alanları

Kimya endüstrisi bunlann başında gelmektedir, örneğin bazı elementler ayrıştırma yoluyla elde edilir. Suyun elekroliz sonucu Hidroje ve oksijen elde edildiği gibi. bazı maddeler saflaştınlır. Örneğin saflaştırmak istenen madde anot kutubuna, bu maddenin temelini oluşturucak saf maddeyi de katot kutbuna koyarız. Saftaştıracak tuzu da suyun içinde eritiriz.

Bu saflaştırma işlemini yapacak gerilimi de kutuplara verdiğimiz zaman şimiz tamam demektir. Bu özelliği günümüzde,sanayide çok kullanılmaktadır.Ayrıca elektrolizdan kaplamacılıkta da yararlanılmaktadır. Bazı cisimleri çeşitli maddelerle elekroliz yoluyla kaplayabiliriz. Örneğin kaplanacak cismi katoda koyarız. Anotta da kaplanacak madde bulunur. Gerilim uyguladığımızda suyun içindeki tuz, kaplama işlemini yapar. 

Kutuplaşma,herhangi bir metalin bir elektrolite değmesi sonucu kutuplaşma dediğimiz olay meydana gelir. Bu kutuplaşma olayından yola çıkılarak piller yapılmıştır. Bu kutuplaşma olayını, bir deneyle açıklamaya çalışalım. Bir kabın içine suda eritilmiş sülfürik asit koyalım ve onun içine de bir çinko çubuk batıralım.Çinko çubuk bu elektrolitin içine,pozitif elektrik yüklü çinko iyonları vermeye başlar.

Ve ardından da erir. Sıvıya karışan çinko iyonları,ikişer elektronlarını çinko çubukta bırakırlar. Bu durumda sıvıya pozitif yüklü iyonlar dolmuş ve pozitif elektrikte yüklenmiştir. Bunun sonucunda da, çktko çubukla sıvmm arasında bir gerilim farkı ortaya çıkmıştır. Bu gerilim farkı belli bir noktaya geldikten sonra , çinko, çubuktan iyonların ayrılmasıdır.İşte bu olaya kutuplaşma denir. Piller bu ilkeden yola Çıkılarak yapılmakatadır.

Elektroliz, elektrolizle metalürjilerde, metallerin hazırlanmasında (çözünmez anot) ya da arıtılmasında (çözünür anot) kullanılır. Elektroliz, ayrıca, galvanoplastide, bir elektrolitik metal birikimiyle 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) baş vurulan 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, sidik yolu (üretra) ya da yemek borusu daralmalarının tedavisinde vb. kullanılır. 

ELEKTROLİZDEN YARARLANMA

1.Metallerin Ayrıştırılması

Bunun için hangi metal ayrıştılıcaksa,o metalin bir tuzunun çözeltisi hazırlanır.Bu yöntem en çok bakır matali için kullanılır.Çözelti içine batırılan elektrotlardan biri arı bakır diğeri de arı olmayan bakırdır.Bakır iyonları (+)yüklü olduğundan katoda 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 metodla 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 katoda gider ve element halinde birikerek kaplama olayını gerçekleştirirler