Cevap:
Bu soru bir galvanik hücreye dair detaylı bilgi içeriyor ve doğru analiz yapmamız gerekiyor. Önce galvanik hücreyi ve işlem detaylarını anlayalım:
Galvanik Hücre Analizi
Galvanik hücreler kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çeviren elektrokimya sistemleridir. Bu sistemde bir redoks reaksiyonu gerçekleşir, bir bölgede oksidasyon (elektron kaybı) diğer bölgede indirgenme (elektron kazanımı) olur.
Temel Bilgiler:
-
Zn (Çinko) anot olarak kullanılmıştır (oksidasyon olur):
$$Zn(k) \rightarrow Zn^{2+} + 2e^- $$
Standart elektrot potansiyeli (E°) = +0,76V -
Cu (Bakır) katot olarak kullanılmıştır (indirgenme olur):
$$Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu(k)$$
Standart elektrot potansiyeli (E°) = +0,34V
Pil Gerilimi Hesabı:
Başlangıç pil gerilimi şu şekilde bulunur:
$$ E^\circ_{\text{pil}} = E^\circ_{\text{katot}} - E^\circ_{\text{anot}} $$
$$ E^\circ_{\text{pil}} = +0,34V - (+0,76V) $$
$$ E^\circ_{\text{pil}} = +1,10V $$
Dolayısıyla başlangıç pil potansiyeli 1,10 Volt doğru verilmiştir.
Verilen Seçeneklerle İlgili Doğru/Yanlış Analiz:
| Seçenek | Açıklama | Doğruluk Durumu |
|---|---|---|
| A. Zn elektrot anottur. | Çinko elektrot anot olarak işlev görür ve oksidasyon gerçekleşir (elektron kaybı). Bu bilgi doğrudur. | DOĞRU |
| B. Başlangıç pil potansiyeli 1,10 Volttur. | Yukarıdaki hesaplamadan görüldüğü üzere potansiyel gerçekten 1,10 Volt’tur. | DOĞRU |
| C. Cu elektrotun kütlesi zamanla artar. | Bakır (Cu) elektrodunda indirgenme meydana gelir, dolayısıyla Cu metal birikimi sebebiyle kütle artış gösterir. Bu bilgi doğrudur. | DOĞRU |
| D. Tuz köprüsündeki K^+ iyonu 2. kaba göç eder. | Anotta oksidasyon ürünleri (Zn^{2+}) iyoniğin konsantrasyonunu artırır, bu yüzden negatif yük giderilmelidir. Tuz köprüsünden K^+ ANOTA gider. | YANLIŞ |
| E. Sıcaklık artarsa pil gerilimi azalır. | Sıcaklık artışı genellikle reaksiyon hızını artırır, ancak pil gerilim düşüşü bunun kimyasal dengeye etkisine bağlıdır (genelde azalma olur). | DOĞRU |
Doğru Cevap: D
Tuz köprüsünden K^+ iyonu 2. kaba göç etmez; K^+ iyonları oksidasyonun olduğu anoda doğru hareket eder.
Özet Tablo:
| Seçenek | Doğru/Yanlış |
|---|---|
| A | Doğru |
| B | Doğru |
| C | Doğru |
| D | Yanlış |
| E | Doğru |
Sonuç: Bu sorunun yanıtı “D” seçeneğidir, çünkü tuz köprüsünden K^+ iyonu anota göç eder; 2. kaba değil.
Soru: “Buna göre, bu galvanik hücre ile ilgili aşağıdaki yargılardan hangisi yanlıştır?”
Table of Contents
- Galvanik Hücre TANIMI ve Temel Bilgiler
- Verilen Yargıların İncelenmesi
- Nernst Denklemi Hesaplaması
- Özet Tablo
- Sonuç ve Özet
1. Galvanik Hücre TANIMI ve Temel Bilgiler
- Galvanik (Volta) pili, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir düzendir.
- Bu örnekte Zn(k)/Zn²⁺(suda) ve Cu(k)/Cu²⁺(suda) yarı hücreleri kullanılmıştır.
- Zn elektrodu anottur (oksitlenme gerçekleşir), Cu elektrodu katottur (indirgenme gerçekleşir).
- Verilen standart indirgenme potansiyelleri:
- Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn(s), E° = −0,76 V
- Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu(s), E° = +0,34 V
Standart koşullarda (her bir iyon derişimi 1 M olacak şekilde), hücrenin elektromotor kuvveti (EMK) şu şekilde hesaplanır:
E_{\text{hücre}}^{\circ} = E_{\text{katot}}^{\circ} - E_{\text{anot}}^{\circ} = (+0{,}34\,\text{V}) - (-0{,}76\,\text{V}) = +1{,}10\,\text{V}
Ancak sorudaki ikinci kapta [Cu²⁺] = 0,1 M olarak verildiğinden tam “standart” koşullar sağlanmamaktadır.
2. Verilen Yargıların İncelenmesi
Soru şu ifadelerden hangisinin yanlış olduğunu sormaktadır:
A) Zn elektrot anottur.
B) Başlangıç pil potansiyeli 1,10 Volttur.
C) Cu elektrotun kütlesi zamanla artar.
D) Tuz köprüsündeki K⁺ iyonu 2. kaba göç eder.
E) Sıcaklık artarsa pil gerilimi azalır.
Bu önermeleri sırayla değerlendirelim:
-
(A) “Zn elektrot anottur.”
- Anot, yükseltgenmenin gerçekleştiği elektrottur. Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻ yarı tepkimesi gerçekleştiği için Zn gerçekten de anottur.
- Bu ifade doğrudur.
-
(B) “Başlangıç pil potansiyeli 1,10 Volttur.”
- Standart potansiyel, tüm iyonların 1 M olduğu koşullardaki gerilimdir. Fakat soruda 2. kapta Cu²⁺ derişimi 0,1 M verilmiştir. Dolayısıyla gerçek başlangıç potansiyeli Nernst denklemine göre 1,10 V’dan biraz farklı olacaktır (yaklaşık 1,07 V civarı).
- Bu ifade verili koşullarda yanlış çıkmaktadır.
-
(C) “Cu elektrotun kütlesi zamanla artar.”
- Katotta Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu(s) tepkimesi olduğu için bakır elektrot üzerinde bakır birikir. Dolayısıyla bakır elektrodunun kütlesi zamanla artar.
- Bu ifade doğrudur.
-
(D) “Tuz köprüsündeki K⁺ iyonu 2. kaba göç eder.”
- Katot bölmesinde (2. kapta) Cu²⁺ iyonu çözeltiden çekilip katı bakıra indirgendikçe çözelti nispeten negatif kalabilir. Dolayısıyla tuz köprüsünden pozitif K⁺ iyonları bu yarı hücreye göç ederek yük dengesi sağlar.
- Bu ifade de doğrudur.
-
(E) “Sıcaklık artarsa pil gerilimi azalır.”
- Genellikle yükseltgenme-indirgenme tepkimeleri ekzotermik özelliktedir; sıcaklık artışı çoğunlukla hücre gerilimini bir miktar azaltıp reaksiyon dengesini etkileyebilir. Dolayısıyla bu ifade, çoğu pratik durumda geçerlidir.
- Bu ifade de genellikle doğru kabul edilir.
Yukarıdaki analizden de görüldüğü üzere (B) ifadesi, “başlangıç potansiyeli 1,10 V” demek standart koşullar dışında doğru olmayabilir ve yanlış kabul edilir.
3. Nernst Denklemi Hesaplaması
Gerçek potansiyel (E) şu denklemle bulunur:
E = E^{\circ} - \frac{0{,}0592}{n} \,\log Q
- Burada n = 2 (iki elektronluk değişim),
- Reaksiyon: Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s).
- Tepkime için reaksiyon bölgesi:
Q = \frac{[\mathrm{Zn}^{2+}]}{[\mathrm{Cu}^{2+}]} - Verilen koşullarda: [Zn²⁺] = 1 M, [Cu²⁺] = 0,1 M →
Q = \frac{1}{0{,}1} = 10
Hesap:
E = 1{,}10 \text{ V} - \frac{0{,}0592}{2}\,\log(10)
E = 1{,}10 \text{ V} - 0{,}0296\cdot 1 \approx 1{,}0704 \text{ V}
Dolayısıyla **(B) ifadesinin “1,10 V” demesi bu sisteme tam uymamaktadır.
4. Özet Tablo
| Yargı | Doğru mu? | Açıklama |
|---|---|---|
| A) Zn elektrot anottur. | Doğru | Zn(s) → Zn²⁺ + 2e⁻ tepkimesi anotta yükseltgenme olduğunu gösterir. |
| B) Başlangıç pil potansiyeli 1,10 Volttur. | Yanlış | İkinci kapta [Cu²⁺] = 0,1 M olduğu için standart koşullar sağlanmaz, gerçek potansiyel ≈ 1,07 V çıkar. |
| C) Cu elektrotun kütlesi zamanla artar. | Doğru | Katotta Cu²⁺ iyonları Cu(s)’a indirgenir, elektrotun kütlesi artar. |
| D) Tuz köprüsündeki K⁺ iyonu 2. kaba göç eder. | Doğru | Cu²⁺ iyonları azalırken, çözeltideki negatif yükü dengelemek için K⁺ iyonları katot bölmesine geçer. |
| E) Sıcaklık artarsa pil gerilimi azalır. | Genelde doğru | Galvanik hücrenin ekzotermik doğası ve Le Chatelier ilkesi gereği sıcaklık artışı, genelde EMK’yı bir miktar düşürür. |
5. Sonuç ve Özet
Soruda yanlış olan ifade, ikinci kapta [Cu²⁺] = 0,1 M oluşundan dolayı pil potansiyelini direkt 1,10 V kabul eden (B) seçeneğidir. Diğer yargılar doğru veya yaygın kabul gören kimyasal ilkelerle uyumludur.
Kısaca özetlemek gerekirse:
- Zn elektrodu anottur (oksitlenme, kütle kaybı yaşar).
- Cu elektrodu katottur (indirgenme, kütle artar).
- Gerçek potansiyel, Nernst denklemine göre 1,07 V civarıdır (standart koşullardan sapma).
- Tuz köprüsünden gelen K⁺ iyonları, Cu²⁺ iyonları indirgenirken negatif yük birikimini önlemek amacıyla katot kısmına doğru göç eder.