Elektroliz ve Korozyon

Sofra tuzu (NaCl) yan yana dizilmiş sodyum iyonlarından ($\text{Na}^+$, mor) ve klorür iyonlarından ($\text{Cl}^-$, yeşil) oluşur. Her iyonun çevresinde zıt yüklü altı komşu vardır. Katı tuzda iyonlar yerinden kıpırdayamaz.

Tuzu $801\ ^\circ\text{C}$'ta eritince kafes dağılır; iyonlar sıvının içinde serbestçe dolaşır. Potaya iki grafit çubuk (elektrot) daldırıp onları bir pile bağladık, ama akım henüz kapalı.

Pilin eksi kutbuna bağlı elektrot (katot) $\text{Na}^+$ iyonlarını, artı kutba bağlı elektrot (anot) $\text{Cl}^-$ iyonlarını çeker. Katotta sodyum damlaları, anotta klor gazı kabarcıkları oluşur. Bu ayrışmaya elektroliz denir.

Katotta her $\text{Na}^+$ bir elektron alır: indirgenme. Anotta iki $\text{Cl}^-$ birer elektron verip $\text{Cl}_2$ olur: yükseltgenme. Mavi elektronlar dış devrede anottan pile, pilden katoda akar.

Solda Zn–Cu pili kendiliğinden çalışır ve lambayı yakar. Sağda aynı elektrotlar bir güç kaynağına bağlı: tepkime tersine zorlanır. Elektron okları ters yönde. Pilde anot eksi kutuptur; elektrolizde anot artı kutba bağlıdır.

Biraz $\text{H}_2\text{SO}_4$ katılmış su elektroliz edilince katotta $\text{H}_2$, anotta $\text{O}_2$ toplanır. 4 mol elektron 2 mol $\text{H}_2$ ve 1 mol $\text{O}_2$ verir; hacimler her an $2 : 1$'dir.

NaCl suda çözünmüşse katotta su, $\text{Na}^+$'dan daha kolay indirgenir: $\text{H}_2$ kabarcıkları çıkar, $\text{OH}^-$ oluşur. Fenolftalein bu bazik bölgeyi pembeye boyar. $\text{Na}^+$ katodun yanında bekler. Anotta yine $\text{Cl}_2$ oluşur.

Yükün birimi coulomb'dur: $1$ A akım $1$ saniyede $1$ C yük taşır. $1$ mol elektronun yükü $96\,500$ C'tur (1 faraday). Katottaki bakır atomlarına bak: akımı ya da süreyi iki katına çıkarınca atom sayısı da iki katına çıkar.

$\text{Cu}^{2+}$ iki elektron alıp Cu olur ($z = 2$). $2$ A akım $1930$ s geçince $Q = 3860$ C, yani $0{,}04$ mol elektron geçer: $0{,}02$ mol, yani $1{,}28$ g bakır birikir.

Üç hücre tek telle art arda bağlı; hepsinden aynı sayıda elektron geçer. $12$ elektron $12$ $\text{Ag}^+$'yı, $6$ $\text{Cu}^{2+}$'yı ve $4$ $\text{Al}^{3+}$'ü indirger: yığınların boyu $1 : \tfrac{1}{2} : \tfrac{1}{3}$ oranındadır.

Kaşık eksi kutba (katot), saf gümüş çubuk artı kutba (anot) bağlı; kapta $\text{AgNO}_3$ var. Gümüş anottan $\text{Ag}^+$ olarak çözünür, kaşıkta yeniden Ag olur. Anodun kaybettiği kütle kadar kaşık ağırlaşır.

Su damlasının ortasında demir yükseltgenir ve $\text{Fe}^{2+}$ olarak çözünür. Elektronlar metalin içinden, oksijenin kolay ulaştığı kenara gider; orada $\text{O}_2$ indirgenir. İyonlar kenarda buluşur ve pas halkası oluşur. Su ve oksijen birlikte gerekir.

Boruya telle bağlı magnezyum demirden aktiftir ($E^\circ$: Mg $-2{,}37$ V, Fe $-0{,}44$ V). Bu yüzden demir yerine Mg yükseltgenir: blok anot olur ve aşınır, boru katot olur ve korunur.

Elektroliz: elektrikle istemsiz redoks; anotta yükseltgenme, katotta indirgenme. Faraday: $n_{e^-} = I \cdot t / 96\,500$, kütle $n_{e^-} \cdot M / z$. Korozyon: su ve oksijen gerekir; demirden aktif metal kurban elektrot olur.