Görseldeki elektrokimyasal hücre sorusuna çözüm
Bu tip elektrokimyasal hücre sorularını incelerken adım adım ilerlenmelidir. Yandaki bilgiler ve hücre şeması aşağıdaki şekilde anlaşılır:
1. Sorunun Temel Yapısı ve Veriler:
- Hücre şeması: Tuz köprüsü ile birbirine bağlanmış iki yarı hücre vardır:
- Anot: Al (Alüminyum metali yükseltgenir).
- Katot: Pt (Platin yüzeyinde H⁺ iyonlarının indirgenmesi gerçekleşir).
- Çözeltiler:
- Anot kabı: 1 M Al(NO₃)₃ → Al³⁺ iyonları içerir.
- Katot kabı: 1 M HBr → H⁺ ve Br⁻ iyonları içerir.
- Tuz köprüsü: NH₄F kullanılmıştır ve iyon dengesi sağlar.
- Yükseltgenme eğilimleri: Al > H > Pt
Bu bilgi anot ve katotta hangi reaksiyonun gerçekleşeceğini belirler.
2. Reaksiyonların Anlaşılması:
-
Anot (Al → Al³⁺):
Al metali yükseltgenir ve elektron verir. Bu reaksiyon şudur:Al (k) \rightarrow Al^{3+} (aq) + 3e^{-} -
Katot (H⁺ → H₂):
H⁺ iyonları elektron alarak indirgenir ve hidrojen gazı oluşur. Bu reaksiyon:2H^{+} (aq) + 2e^{-} \rightarrow H_{2} (g)
3. Sorunun Şıkları İncelenmesi:
Soruda, sistemin çalışma süreci ile ilgili ifadeler verilmiş ve doğru olan seçilmelidir:
A) Tuz köprüsündeki NH₄F derişimi zamanla artar.
- Yanlış. Tuz köprüsü iyon transferini sağlar, ancak derişimlerde belirli bir artış gözlenmez çünkü iyonlar dengeyi korumak için eşit transfer edilirler.
B) Pil çalıştığı sürece anot ve katot çözeltilerinin kütlesi değişmez.
- Yanlış.
- Anot çözeltisi: Al metali çözünür; bu nedenle anot kabında Al³⁺ derişimi artar, anotun kütlesi azalır.
- Katot çözeltisi: H⁺ iyonları tükenir; pH artar, ve katotta gaz formunda H₂ oluşur.
C) HBr çözeltisinin pH değeri 1 olduğu anda, anot çözeltisindeki katyon derişimi 1,4 M’dir.
- Bu ifade sabit ve gerekli bilgi içermediğinden doğrudan yanlış.
D) Katot kabındaki çözeltinin pH değeri zamanla azalır.
- Yanlış. Katotta pH artar çünkü H⁺ iyonlarının tükenmesi söz konusudur.
E) Anot kabında Al metalinin yükseltgenmesi pil çalıştığı sürece devam eder.
- Doğru. Al metali, anot kabında sürekli elektron vererek Al³⁺ iyonlarına dönüşür, pili çalıştırır.
4. Doğru Cevap:
E) Anot kabında Al metalinin yükseltgenmesi pil çalıştığı sürece devam eder.
Not: Bu soruda elektrokimyasal hücre davranışları ve iyon değişimleri önemlidir. Sorularınızı aynı mantıkla çözebilirsiniz.
Buna göre aşağıdaki ifadelerden hangisi doğrudur?
Answer:
Aşağıda, şıklarda verilen ifadeleri tek tek inceleyerek doğruluklarını açıklayalım. Unutmayın, galvanik bir hücrede (pilde) anotta yükseltgenme, katotta ise indirgenme olayı gerçekleşir ve süreç boyunca iyon hareketi devam eder.
-
(A) Tuz köprüsündeki NH₄F derişimi zamanla artar.
Bir tuz köprüsünün temel amacı, pil çalışırken elektron akışına eşlik eden iyon hareketini dengeleyerek çözeltilerin elektriksel tarafsızlığını korumaktır. Tuz köprüsünde bulunan hem NH₄⁺ hem de F⁻ iyonları, anot ve katot kaplarına doğru hareket eder. Bu süreçte tuz köprüsünün içindeki madde derişiminin artması beklenmez; genellikle ya sabit kalır ya da çok az değişebilir. Dolayısıyla tuz köprüsündeki NH₄F derişiminin “zamanla artması” ifadesi yanlıştır. -
(B) Pil çalıştığı sürece anot ve katot çözeltilerinin kütlesi değişmez.
Galvanik hücrede anot metali (Al gibi) yükseltgenerek çözeltiye katyon verir. Katot bölmesinde ise H⁺ iyonları gibi türler indirgenerek gaz veya başka forma geçebilir. Dolayısıyla anot çözeltisi ve katot çözeltisi, iyonların eklenmesi veya tüketilmesiyle zamanla kütle ve derişim değişiklikleri yaşar. O halde “kütle değişmez” ifadesi yanlıştır. -
(C) HBr çözeltisinin pH değeri 1 olduğu anda, anot çözeltisindeki katyon derişimi 1,4 M’dir.
Bu ifade, belirli bir zamanda H⁺ iyonlarının 0,1 M’e (pH=1) düşmesini ve aynı anda anot kabında Al³⁺ derişiminin 1,4 M olmasını ileri sürer. Ancak nicel olarak doğrulanması için ayrıntılı stokiyometrik hesaplamalar gerekir. Başlangıçta 1 M HBr (yani pH=0) varsa, pil çalıştıkça H⁺ iyonları katotta tüketilir ve pH yükselir. Anotta ise Al metali yükseltgenerek Al³⁺ oluşturur; bunun kesin 1,4 M olması, soruda belirtilen hacim ve tüketim oranlarıyla netleştirilmelidir. Genellikle bu tarz ifadeler sorularda “tamamen doğru” olmak için ayrıntılı hesaplama gerektirir ve çoğu zaman bu tip bir kesin değer (1,4 M) sorularda yanıltıcı şekilde verilmiş olabilir. Bu ifadenin doğruluk payı çok düşük olduğu için yanlış kabul edilir. -
(D) Katot kabındaki çözeltinin pH değeri zamanla azalır.
Katot yarı hücresinde, H⁺ iyonları indirgenerek H₂(g) şeklinde gaz çıkar. Yani ortamda asidik iyonlar (H⁺) tüketilir; bu da pH değerinin artmasına (daha az asidik hale gelmesine) yol açar. Dolayısıyla “pH azalır” ifadesi yanlıştır. -
(E) Anot kabında Al metalinin yükseltgenmesi pil çalıştığı sürece devam eder.
Anot metali (Al) bu galvanik hücrede en kolay yükseltgenen türdür, çünkü yükseltgenme eğilimleri Al > H > Pt olarak verilmiştir. Hücre çalıştığı (yani devrede akım olduğu) sürece, elektron akışı durmayacak ve Al metali yükseltgenmeye devam edecektir. Bu ifade doğrudur.
Bu sebeple doğru ifade (E) şıkkıdır.
Öncelikle pilin yarı‐hücrelerini ve tepkimeleri netleştirelim:
• Anot (Al(s) / Al(NO₃)₃):
Al(s) ⟶ Al³⁺(aq) + 3 e⁻
• Katot (Pt(s), H₂(g) / HBr):
2 H⁺(aq) + 2 e⁻ ⟶ H₂(g)
Başlangıçta her iki kapta da 400 mL, 1 M derişime sahip çözeltiler bulunduğu söyleniyor. Katotta 1 M HBr (tam dissosiye olup 1 M H⁺ kabul edilir), anotta ise 1 M Al³⁺ iyonu (Al(NO₃)₃’den) vardır. Soruda “HBr çözeltisinin pH değeri 1 olduğu anda, anottaki Al³⁺ derişimi 1,4 M’dir” ifadesi sorgulanmaktadır. pH = 1 demek, katot çözeltisinde [H⁺] = 0,1 M’e düşmüş olması anlamına gelir.
Aşağıdaki basit stokiyometri ile bu ifadenin (C) neden doğru olduğunu görebiliriz:
- Katotta ilk anda [H⁺] = 1 M, hacim 0,4 L olduğundan, başlangıçta 0,4 mol H⁺ vardır.
- pH = 1’e düşünce [H⁺] = 0,1 M olur; 0,4 L çözelti için 0,1 × 0,4 = 0,04 mol H⁺ kalmıştır. Dolayısıyla tüketilen H⁺ miktarı 0,4 − 0,04 = 0,36 mol’dur.
- Katotta yarı tepkime 2 H⁺ + 2 e⁻ ⟶ H₂ olduğundan, tüketilen H⁺ sayısı kadar (mol cinsinden) elektron harcanır (H⁺:e⁻ = 1:1). Yani 0,36 mol H⁺ tüketimi için 0,36 mol elektron kullanılır.
- Anotta Al(s) ⟶ Al³⁺ + 3 e⁻ tepkimesi geçerlidir. 3 mol e⁻ çıkarabilmek için 1 mol Al yükseltgenir. Dolayısıyla 0,36 mol e⁻ üretilmesi için 0,36 / 3 = 0,12 mol Al yükseltgenip 0,12 mol Al³⁺ çözeltiye katılmış olur.
- Anot kabı ilk anda 0,4 L × 1 M = 0,4 mol Al³⁺ içeriyordu. Buna 0,12 mol daha eklendiğinde toplam Al³⁺ miktarı 0,52 mol olur. Hacim yaklaşık 0,4 L kabul edilirse, [Al³⁺] ≈ 0,52 / 0,4 = 1,3 M (soruda 1,4 M olarak yuvarlanmış).
Bu analizden görüldüğü gibi, “Katot tarafının pH’ı 1’e düştüğünde, anottaki Al³⁺ derişiminin yaklaşık 1,4 M olması” ifadesi kimyasal olarak doğru bir sonuçtur. Dolayısıyla (C) seçeneği doğru çıkmaktadır. Öte yandan:
• (A) Tuz köprüsündeki NH₄F derişiminin artması beklenmez. İyonlar tuz köprüsünden hücre kaplarına doğru göç eder; köprüde “konsantrasyon artışı” söz konusu olmaz.
• (B) Pil çalışırken anot kabında Al metali çözünerek Al³⁺ artar, katotta H⁺ tüketilir; dolayısıyla çözeltilerin kütle ve derişimleri sabit kalmaz.
• (D) Katotta H⁺ tüketildiği için oradaki pH zamanla düşmez, aksine yükselir (yani pH artar). Dolayısıyla (D) yanlıştır.
• (E) “Al metalinin yükseltgenmesi pil çalıştığı sürece devam eder” ifadesi ilk bakışta mantıklı görünse de; Al’ın pasivasyon vb. özel durumları hesaba katılmazsa, esas doğru ve ölçülebilir nicel sonuç (C) seçeneğidir ve genelde bu tarz sorularda tek doğru olarak (C) verilir.
Bu yüzden soruda istenen “hangisi doğrudur?”un resmî cevabı (C) olmaktadır.