AYT redoks tepkimeleri ve elektrokimyaya giriş konu anlatımı kapsamında elektron alışverişi, yükseltgenme basamağı, redoks denkleştirme, aktiflik, istemlilik ve elektrokimyasal hücrelerin temel bileşenleri işlenecektir.
AYT kimya konularının tamamına AYT konu anlatımı arşivinden ulaşabilirsiniz.
Redoks Tepkimelerinin Temelleri
Elektron Alışverişi ve Yarı Tepkimeler
Redoks tepkimesi, elektronun bir tanecikten başka bir taneciğe aktarıldığı kimyasal tepkimedir. Elektron alan atom ya da iyon indirgenir; elektron veren atom ya da iyon yükseltgenir. Bu iki olay aynı anda gerçekleşir; bir tanecik elektron vermeden diğer tanecik elektron alamaz.
Redoks tepkimesi iki yarı tepkime olarak incelenebilir. Çinko ile bakır(II) iyonu arasındaki tepkimede yarı tepkimeler ve net tepkime şöyledir:
+
=
Yarı tepkimeler toplandığında verilen ve alınan elektronlar birbirini götürür. Bu nedenle elektron net tepkimede görünmez; ancak tepkimenin temelinde elektron aktarımı bulunur.
Cl2(g) + 2e− → 2Cl−(suda)Yukarıdaki yarı tepkimeler uygun katsayılarla birleştirildiğinde net tepkime ve elektron aktarımıyla ilgili aşağıdakilerden hangisi doğrudur?
B) Cl2 elektron verir ve yükseltgenir.
C) Net tepkimede 2 mol Fe2+, 1 mol Cl2‘ye elektron verir.
D) Net tepkimede elektronlar ürün olarak kalır.
E) Fe3+ iyonu indirgenme ürünüdür.
İndirgen, Yükseltgen, İndirgenen ve Yükseltgenen
Bir redoks tepkimesinde taneciğin geçirdiği değişim ile diğer taneciğe yaptığı etki ayrı adlandırılır. Elektron veren tanecik yükseltgenir ve indirgen madde olarak davranır; çünkü karşısındaki taneciğin indirgenmesini sağlar. Elektron alan tanecik indirgenir ve yükseltgen madde olarak davranır; çünkü karşısındaki taneciğin yükseltgenmesini sağlar.
| Taneciğin yaptığı | Tanecikteki olay | Taneciğin görevi |
|---|---|---|
| Elektron verir | Yükseltgenir | İndirgen madde |
| Elektron alır | İndirgenir | Yükseltgen madde |
Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu tepkimesinde Zn yükseltgenen ve indirgen maddedir. Cu2+ ise indirgenen ve yükseltgen maddedir. “Yükseltgen” sözcüğü, maddenin kendisinin yükseltgendiğini değil, başka maddeyi yükseltgediğini belirtir.
I. Fe2+ yükseltgenen taneciktir.
II. H2O2 yükseltgen maddedir.
III. Fe2+ elektron aldığı için indirgenir.
yargılarından hangileri doğrudur?
B) Yalnız II
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III
Yükseltgenme Basamağının Anlamı ve Temel Kurallar
Yükseltgenme basamağı, bir atomun bileşik ya da iyon içindeki elektron dağılımını izlemek için verilen biçimsel sayıdır. Tek atomlu bir iyonda bu sayı iyon yüküne eşittir. Kovalent bileşiklerde her zaman gerçek bir iyon yükü değildir; elektronlar daha elektronegatif atoma verilmiş kabul edilerek hesaplanan bir izleme aracıdır.
| Kural | Yükseltgenme basamağı | Örnek |
|---|---|---|
| Elementel hâl | 0 | Na, O2, S8 |
| Tek atomlu iyon | İyon yükü | Fe3+: +3 |
| 1A metalleri | +1 | NaCl’de Na: +1 |
| 2A metalleri | +2 | MgO’da Mg: +2 |
| Alüminyum | +3 | Al2O3‘te Al: +3 |
| Flor | −1 | HF ve OF2‘de F: −1 |
Nötr bir bileşikte atomların yükseltgenme basamakları toplamı sıfırdır. Çok atomlu bir iyonda toplam, iyonun yüküne eşittir. SO42− iyonunda oksijen −2 alınırsa S için x + 4(−2) = −2 yazılır ve x = +6 bulunur.
Hidrojen ve Oksijenin İstisnai Yükseltgenme Basamakları
Hidrojen, ametallerle yaptığı bileşiklerde genellikle +1’dir. LiH, NaH ve CaH2 gibi metal hidrürlerinde ise −1 olur. Oksijen çoğu bileşikte −2’dir; fakat peroksitlerde her oksijen −1, süperoksitlerde ortalama −1/2 ve OF2‘de oksijen +2’dir. OF2‘deki tersliğin nedeni, florun oksijenden daha elektronegatif olması ve bütün bileşiklerinde −1 değerini almasıdır.
B) +7, +3, −3
C) +6, +6, +3
D) +4, +6, −3
E) +7, +6, +3
Hidrojen ve Oksijenin İstisnai Yükseltgenme Basamakları
Hidrojen, ametallerle yaptığı bileşiklerde genellikle +1’dir. LiH, NaH ve CaH2 gibi metal hidrürlerinde ise −1 olur. Oksijen çoğu bileşikte −2’dir; fakat peroksitlerde her oksijen −1, süperoksitlerde ortalama −1/2 ve OF2‘de oksijen +2’dir. OF2‘deki tersliğin nedeni, florun oksijenden daha elektronegatif olması ve bütün bileşiklerinde −1 değerini almasıdır.
B) −1, −1, −1/2, +2
C) −1, +1, −1/2, −2
D) −2, −1, −1, +2
E) −1, −1, −2, +1
Redoks Tepkimesini Tanıma
Bir tepkimenin redoks olup olmadığı, tepkime öncesi ve sonrasında atomların yükseltgenme basamakları karşılaştırılarak belirlenir. En az bir atomun basamağı artarken başka bir atomunki azalıyorsa tepkime redokstur. Yanma, metal–iyon yer değiştirme, bazı ayrışma ve sentez tepkimeleri redoks olabilir.
Asit–baz nötralleşmesi ve çökelme tepkimelerinde genellikle yükseltgenme basamağı değişmez; bu tepkimeler redoks değildir. Girenlerde ya da ürünlerde elementel madde bulunması redoks için güçlü bir işarettir, fakat elementel madde bulunmaması tepkimenin kesinlikle redoks olmadığını göstermez.
B) Fe2O3(k) + 2Al(k) → Al2O3(k) + 2Fe(k)
C) HCl(suda) + NaOH(suda) → NaCl(suda) + H2O(s)
D) 2SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g)
E) Cl2(g) + 2KI(suda) → 2KCl(suda) + I2(k)
Redoks Tepkimelerinin Denkleştirilmesi
Yükseltgenme Basamağı Değişimi ve Elektron Sayısı
Bir atomun yükseltgenme basamağındaki bir birim artış, atom başına bir elektron verildiğini; bir birim azalış ise atom başına bir elektron alındığını gösterir. Toplam elektron sayısı hesaplanırken basamak değişimi, o elementin tepkimedeki atom sayısıyla birlikte değerlendirilir.
Fe2O3 + Al → Fe + Al2O3 tepkimesinde Al, 0’dan +3’e çıkarak atom başına 3e− verir. Fe, +3’ten 0’a inerek atom başına 3e− alır. Fe2O3‘te iki Fe bulunduğu için toplam 6e− alınır; buna karşılık iki Al toplam 6e− verir.
II. Bir C2O42− iyonu toplam 2 elektron verir.
III. Elektron eşitliği için MnO4− ve C2O42− katsayılarının oranı 2/5 olabilir.
yargılarından hangileri doğrudur?
B) Yalnız II
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III
Nötr Ortamda Redoks Denkleştirme
Yükseltgenme basamağı yönteminde önce basamağı değişen atomlar ve bunların elektron sayıları belirlenir. Katsayılar, toplam verilen elektron sayısı toplam alınan elektron sayısına eşit olacak biçimde kurulur. Ardından basamağı değişmeyen atomlar denkleştirilir; H ve O atomları genellikle en son tamamlanır.
P + HNO3 + H2O → H3PO4 + NO tepkimesinde P, 0’dan +5’e çıkarak 5e− verir; N, +5’ten +2’ye inerek 3e− alır. Elektronlar 15’te eşitlenir. P ve N katsayıları 3 ve 5 olduktan sonra H ile O dengesi 2H2O kullanılarak sağlanır:
3P + 5HNO3 + 2H2O → 3H3PO4 + 5NO
B) 3
C) 4
D) 5
E) 6
B) 107
C) 85
D) 53
E) 2
Denkleştirilmiş Redoks Tepkimesinin Nicel Yorumu
Denkleştirilmiş denklemdeki katsayılar, maddelerin mol oranını verir. Elektron eşitliği kurulduktan sonra sınırlayıcı madde, oluşan ürün miktarı ve harcanan elektron miktarı bu oranlardan bulunabilir. Elektron katsayıları net denklemde yer almasa da yarı tepkimeler nicel yorumda kullanılabilir.
B) 3,00
C) 3,50
D) 3,75
E) 4,00
Aktiflik ve Tepkimenin Kendiliğinden Gerçekleşmesi
Metalik ve Ametalik Aktiflik
Metalik aktiflik, bir metal atomunun elektron verme ve yükseltgenme eğilimidir. Elektronunu daha kolay veren metal daha aktiftir ve daha güçlü indirgen madde olarak davranır. Ametalik aktiflik ise bir ametal taneciğinin elektron alma ve indirgenme eğilimidir. Elektronu daha kolay alan ametal daha aktiftir ve daha güçlü yükseltgen maddedir.
Aktiflik, bir atomun kaç elektron verdiğiyle değil elektronu verme ya da alma eğilimiyle ilgilidir. İki elektron veren bir metalin, bir elektron veren başka bir metalden zorunlu olarak daha aktif olduğu sonucu çıkarılamaz.
Y(k) + Z2+(suda) → Y2+(suda) + Z(k)tepkimeleri kendiliğinden gerçekleştiğine göre X, Y ve Z metallerinin elektron verme eğilimleri nasıl sıralanır?
B) X > Z > Y
C) Y > X > Z
D) Z > Y > X
E) Z > X > Y
Metal–İyon Yer Değiştirme Tepkimeleri
Bir metal çubuk, başka bir metalin iyonlarını içeren çözeltiye daldırıldığında tepkimenin gerçekleşmesi aktiflik karşılaştırmasına bağlıdır. Çubuk metali çözeltideki metal iyonundan daha aktifse elektron verir, iyonlaşır ve aşınır. Çözeltideki daha pasif metal iyonu elektron alır ve katı metal olarak birikir.
Zn çubuğu Pb(NO3)2 çözeltisine daldırıldığında Zn daha aktifse Zn(k) + Pb2+(suda) → Zn2+(suda) + Pb(k) tepkimesi gerçekleşir. Zn çubuğunun kütlesi yalnız aşınma ve kaplanma kütleleri birlikte değerlendirilerek yorumlanabilir; çubuğun kesin olarak hafiflemesi her durumda zorunlu değildir.
Buna göre metallerin aktiflik sıralaması hangisidir?
B) X > Z > Y
C) Y > X > Z
D) Z > X > Y
E) Z > Y > X
Metal Kaplarda Çözelti Saklama ve Aşınma
Bir metal kaptaki çözeltide başka bir metalin iyonları bulunuyorsa kap metali ile iyon arasında yer değiştirme olasılığı incelenir. Kap metali daha aktifse elektron verir ve kap aşınır; bu çözelti o kapta saklanamaz. Kap metali daha pasifse kendiliğinden redoks tepkimesi gerçekleşmez.
X metalinden yapılmış kapta Y2+ çözeltisi saklanabiliyorsa X, Y’den daha aktif değildir. Metallerin farklı olduğu biliniyorsa Y>X sonucu çıkar. Çözeltiye ayrıca Z metali daldırıldığında yalnız Z aşınıyorsa Z>Y>X sıralaması elde edilir.
B) X > Z > Y
C) Y > Z > X
D) Z > X > Y
E) Z > Y > X
Metallerin Asitlerle Tepkimeleri
Hidrojenden daha aktif metaller, HCl ve seyreltik H2SO4 gibi yükseltgen özellik göstermeyen asitlerde H+ iyonuna elektron vererek H2 gazı oluşturabilir. Mg(k) + 2H+(suda) → Mg2+(suda) + H2(g) tepkimesinde Mg yükseltgenir, H+ indirgenir.
Cu, Hg ve Ag gibi hidrojenden daha pasif yarı soy metaller HCl ile H2 gazı oluşturmaz; fakat HNO3 ve derişik H2SO4 gibi yükseltgen asitlerle tepkime verebilir. Bu durumda indirgenen tanecik yalnız H+ olmadığı için genellikle H2 yerine NO, NO2 veya SO2 gibi ürünler oluşur. Au ve Pt gibi soy metaller çoğu tek asitle tepkime vermez.
I. X metali hidrojenden daha aktiftir.
II. Y yarı soy metal olabilir.
III. X’in Y’den daha aktif olduğu kesin olarak söylenebilir.
yargılarından hangileri doğrudur?
B) Yalnız II
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III
İstemli ve İstemsiz Tepkimeler
İstemli tepkime, bulunduğu koşullarda başlatıldıktan sonra dışarıdan sürekli enerji verilmeden ilerleyebilen tepkimedir. İstemli redoks tepkimesindeki elektron aktarımı iki ayrı yarı hücrede gerçekleştirilirse elektronlar iletken telden geçer ve elektrik enerjisi elde edilir.
İstemsiz tepkime, bulunduğu koşullarda kendiliğinden ilerlemez; sürmesi için dışarıdan enerji gerekir. Elektroliz hücrelerinde elektrik enerjisi kullanılarak istemsiz bir redoks tepkimesi gerçekleştirilir. İstemlilik, tepkimenin hızlı olduğu anlamına gelmez; termodinamik eğilim ile tepkime hızı farklı kavramlardır.
II. Bir elektroliz hücresinde elektrik enerjisi istemsiz redoks tepkimesini yürütür.
III. İstemli olan her tepkime gözlenebilecek kadar hızlı gerçekleşir.
yargılarından hangileri doğrudur?
B) Yalnız II
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III
Elektrokimyasal Hücrelere Giriş
Kimyasal Enerji ile Elektrik Enerjisi Arasındaki Dönüşüm
Elektrokimya, redoks tepkimeleri ile elektrik enerjisi arasındaki ilişkiyi inceler. Galvanik hücrede istemli redoks tepkimesi elektronları dış devreden geçmeye zorlayarak elektrik enerjisi üretir. Elektrolitik hücrede ise bir güç kaynağı elektron akışını sağlar ve istemsiz kimyasal değişimi gerçekleştirir.
B) Suyun elektrik akımıyla H2 ve O2‘ye ayrışması
C) Bir Daniell pilinin dış devreye akım vermesi
D) Bakır kaşığın elektrolizle gümüşle kaplanması
E) Akünün dış bir kaynakla şarj edilmesi
Elektrot, Elektrolit ve Yarı Hücre
Elektrot, elektron aktarımının gerçekleştiği iletken yüzeydir; çoğu temel hücrede metal çubuktur. Elektrolit, hareketli iyonları sayesinde elektriksel iletkenlik sağlayan sıvı ya da çözeltidir. Bir elektrot ile temas ettiği elektrolitin oluşturduğu sisteme yarı hücre denir.
Zn çubuğunun ZnSO4 çözeltisine daldırıldığı Zn/Zn2+ sistemi bir yarı hücredir. Cu çubuğu ile CuSO4 çözeltisi de ikinci yarı hücreyi oluşturur. İki yarı hücre yalnız iletken telle bağlanırsa elektronlar bir süre akabilir; iyonik yük dengesini sürdürecek ikinci bir bağlantı da gerekir.
Tuz köprüsü, iki yarı hücre arasında iyon geçişini sağlayarak çözeltilerde elektriksel nötrlüğü korur ve devrenin tamamlanmasına yardım eder. Elektronlar tuz köprüsünden değil, dış devredeki iletken telden geçer. Voltmetre, iki nokta arasındaki potansiyel farkını ölçer.
B) Elektrolit — Hareketli iyonlar içeren iletken ortam
C) Yarı hücre — Elektrot ve elektrolitten oluşan sistem
D) Tuz köprüsü — Elektronları anottan katoda taşıyan metal tel
E) Voltmetre — Elektrotlar arasındaki potansiyel farkını ölçen araç
Anot ve Katot: Tepkime Türü ile İşaretin Ayrılması
Anot, her hücre türünde yükseltgenmenin gerçekleştiği elektrottur. Katot, her hücre türünde indirgenmenin gerçekleştiği elektrottur. Bu tanımlar tepkime türüne bağlıdır ve değişmez.
Elektrot işaretleri ise hücrenin enerji kaynağına göre değişir. Elektrik üreten galvanik hücrede anot (−), katot (+) işaretlidir. Dış güç kaynağıyla çalışan elektrolitik hücrede anot (+), katot (−) olur. Bu nedenle “anot her zaman negatiftir” veya “katot her zaman pozitiftir” genellemeleri yanlıştır.
II. Elektrolitik hücrede yükseltgenme pozitif elektrotta gerçekleşir.
III. Hücre türü değişse de indirgenmenin gerçekleştiği elektrota katot denir.
yargılarından hangileri doğrudur?
B) Yalnız II
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III
Tuz Köprüsü, Elektron Akışı ve İyon Göçü
Galvanik hücrede elektronlar dış devrede anottan katoda akar. Anotta metal atomları katyona dönüştüğü için çözeltide pozitif yük birikme eğilimi oluşur. Katotta çözeltideki katyonlar elektron alarak harcandığı için pozitif yük azalır. Bu yük dengesizliği sürerse elektron akışı durur.
Tuz köprüsü, hareketli iyonlar içeren ve yarı hücreleri iyonik olarak bağlayan bölümdür. Köprüdeki anyonlar anoda, katyonlar katoda göç ederek elektriksel nötrlüğü korur. Tuz köprüsü elektron taşımaz ve toplam redoks tepkimesinin reaktifi değildir.
I. P anot, Q katottur.
II. P elektrodunun bulunduğu yarı hücrede yükseltgenme gerçekleşir.
III. Q elektrodu pozitiftir.
yargılarından hangileri doğrudur?
B) Yalnız II
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III
I. Yarı hücrelerde elektriksel nötrlüğün korunmasına yardım eder.
II. Elektronları anottan katoda taşır.
III. Anyonları anot, katyonları katot yarı hücresine yönlendirir.
IV. Kaldırıldığında sürekli akım oluşması engellenir.
ifadelerinden hangileri doğrudur?
B) I ve III
C) II ve IV
D) I, III ve IV
E) I, II, III ve IV
I. Zn elektrodunun kütlesi azalır.
II. Zn2+ derişimi artar.
III. Cu2+ derişimi azalır.
IV. Elektronlar Cu elektrodundan Zn elektroduna gider.
ifadelerinden hangileri doğrudur?
B) II ve III
C) I, II ve III
D) I, III ve IV
E) I, II, III ve IV
Sonraki Konu: Galvanik Hücreler: Elektrot Potansiyelleri ve Piller