Na₂SO₄ sulu çözeltisinin elektrolizi ile ilgili:
I. Katotta hidrojen gazı açığa çıkar
II. Anotta oksijen gazı açığa çıkar
III. Çözeltinin pH değeri zamanla değişmez
ifadelerinden hangileri doğrudur?
Sevgili öğrenciler, bu soruda sodyum sülfat ($Na_2SO_4$) sulu çözeltisinin elektrolizini inceleyeceğiz. Elektroliz, elektrik enerjisi kullanarak istemsiz redoks tepkimelerini gerçekleştirme işlemidir. Hangi maddelerin elektrotlarda tepkimeye gireceğini belirlemek için indirgenme ve yükseltgenme potansiyellerini karşılaştırmamız gerekir.
Öncelikle $Na_2SO_4$ sulu çözeltisinde hangi iyonların ve moleküllerin bulunduğunu belirleyelim:
Çözeltide $Na^+$ iyonları (sodyum iyonları), $SO_4^{2-}$ iyonları (sülfat iyonları) ve $H_2O$ molekülleri (su) bulunur. Bu türler katot ve anotta yarışacaklardır.
Katotta indirgenme (elektron alma) tepkimeleri gerçekleşir. İndirgenme potansiyeli daha yüksek (daha az negatif veya daha pozitif) olan tür önce indirgenir.
Olası indirgenme tepkimeleri ve standart indirgenme potansiyelleri ($E^0$):
1. $Na^+$ iyonlarının indirgenmesi: $Na^+(aq) + e^- \to Na(s)$ ($E^0 = -2.71 V$)
2. Su moleküllerinin indirgenmesi: $2H_2O(l) + 2e^- \to H_2(g) + 2OH^-(aq)$ ($E^0 = -0.83 V$ standart koşullarda, pH 7 için)
Görüldüğü gibi, suyun indirgenme potansiyeli ($E^0 = -0.83 V$), sodyum iyonunun indirgenme potansiyelinden ($E^0 = -2.71 V$) çok daha yüksektir. Bu nedenle katotta su indirgenir ve hidrojen gazı ($H_2$) açığa çıkar.
Katot Tepkimesi: $2H_2O(l) + 2e^- \to H_2(g) + 2OH^-(aq)$
Bu durumda I. ifade (Katotta hidrojen gazı açığa çıkar) doğrudur.
Anotta yükseltgenme (elektron verme) tepkimeleri gerçekleşir. Yükseltgenme potansiyeli daha yüksek (daha az negatif veya daha pozitif) olan tür önce yükseltgenir.
Olası yükseltgenme tepkimeleri ve standart yükseltgenme potansiyelleri ($E^0_{yükseltgenme}$):
1. $SO_4^{2-}$ iyonlarının yükseltgenmesi: $2SO_4^{2-}(aq) \to S_2O_8^{2-}(aq) + 2e^-$ ($E^0_{yükseltgenme} = -2.01 V$)
2. Su moleküllerinin yükseltgenmesi: $2H_2O(l) \to O_2(g) + 4H^+(aq) + 4e^-$ ($E^0_{yükseltgenme} = -1.23 V$)
Suyun yükseltgenme potansiyeli ($E^0_{yükseltgenme} = -1.23 V$), sülfat iyonunun yükseltgenme potansiyelinden ($E^0_{yükseltgenme} = -2.01 V$) daha yüksektir. Bu nedenle anotta su yükseltgenir ve oksijen gazı ($O_2$) açığa çıkar.
Anot Tepkimesi: $2H_2O(l) \to O_2(g) + 4H^+(aq) + 4e^-$
Bu durumda II. ifade (Anotta oksijen gazı açığa çıkar) doğrudur.
Şimdi katot ve anot tepkimelerini birleştirerek net tepkimeyi ve pH üzerindeki etkisini inceleyelim. Elektron sayılarını eşitlemek için katot tepkimesini 2 ile çarpalım:
Katot: $4H_2O(l) + 4e^- \to 2H_2(g) + 4OH^-(aq)$
Anot: $2H_2O(l) \to O_2(g) + 4H^+(aq) + 4e^-$
Bu iki tepkimeyi topladığımızda:
$6H_2O(l) \to 2H_2(g) + O_2(g) + 4H^+(aq) + 4OH^-(aq)$
Çözeltide oluşan $H^+$ ve $OH^-$ iyonları birbirleriyle tepkimeye girerek su oluşturur: $4H^+(aq) + 4OH^-(aq) \to 4H_2O(l)$.
Bu durumu net tepkimede yerine koyarsak:
$6H_2O(l) \to 2H_2(g) + O_2(g) + 4H_2O(l)$
Denklemin her iki tarafından $4H_2O(l)$ çıkarıldığında net tepkime:
$2H_2O(l) \to 2H_2(g) + O_2(g)$
Gördüğümüz gibi, genel tepkime suyun elektrolizidir. Çözeltide net bir $H^+$ veya $OH^-$ iyonu birikimi olmaz. Üretilen $H^+$ ve $OH^-$ iyonları eşit miktarda olduğu için birbirlerini nötralize ederler. $Na^+$ ve $SO_4^{2-}$ iyonları ise tepkimeye girmediği için derişimleri (su azaldıkça oransal olarak artsa da, $H^+$ ve $OH^-$ dengesini bozmazlar) pH'ı etkilemez.
Bu nedenle III. ifade (Çözeltinin pH değeri zamanla değişmez) doğrudur.
Sonuç olarak, verilen üç ifade de doğrudur.
Cevap D seçeneğidir.
