Elektroliz Deneyi: Malzemeler, Uygulama ve Güvenlik Kuralları

Deneyin amacı ve elektroliz kavramı

Elektroliz, kendiliğinden gerçekleşmeyen ya da dışarıdan enerji verilmesi gereken bir kimyasal değişimin elektrik enerjisi kullanılarak gerçekleştirilmesidir. Bir güç kaynağı çözeltiye bağlı iki elektrot arasında elektrik alan oluşturur. Çözeltide hareket edebilen iyonlar uygun elektrota yönelir; elektrot yüzeyinde elektron alışverişi gerçekleşir ve yeni maddeler oluşabilir. Böylece elektrik akımı yalnızca devreden geçen bir akım olarak kalmaz, çözeltinin kimyasal yapısında değişim meydana getirir.

Su elektrolizi, bu amacı gösteren temel örneklerden biridir. Uygun bir elektrolit eklenmiş sulu çözeltide su, elektrotlarda hidrojen ve oksijen gazlarının oluşacağı şekilde ayrışabilir. Oluşan hidrojen gazının hacmi oksijen gazının hacminin yaklaşık iki katı olabilir; bunun nedeni suyun yapısındaki hidrojen ve oksijen miktarlarının tepkimedeki oranıdır. Deney sırasında elektrotların çevresinde görülen kabarcıklar, gaz oluşumunun doğrudan gözlenebilir işaretidir. Suya iyon sayısını artırmak ve çözeltinin elektrik iletkenliğini yükseltmek için asitler eklenebilir; ancak basit okul deneyinde güvenlik nedeniyle öğretmen gözetimi ve uygun laboratuvar koşulları gerekir. Elektroliz denklemlerinin ayrıntılı yazımı ve denkleştirilmesi ayrı bir konudur.

Gerekli malzemeler ve deney düzeneği

Düşük gerilimli bir doğru akım güç kaynağı, iki adet iletken elektrot, su geçirmez bağlantı kabloları, küçük bir cam veya plastik kap, su, çözeltinin iletkenliğini artırmak için uygun ve güvenli bir elektrolit, iki küçük deney tüpü ya da ters çevrilebilen şeffaf kap ve koruyucu gözlük gerekir. Elektrot olarak laboratuvar tipi inert elektrotlar tercih edilmelidir. Evde bulunan bilinmeyen metal parçalar kullanılmamalıdır; çünkü metal elektrot çözeltide değişime uğrayabilir veya istenmeyen maddeler oluşturabilir.

Kabın içine elektrolit çözeltisi konur ve iki elektrot birbirine değmeyecek şekilde çözeltiye daldırılır. Elektrotların üst uçları kabloyla güç kaynağının farklı kutuplarına bağlanır. Elektrotlardan birinin çevresindeki gazı toplamak için üzerine suyla dolu ters bir tüp yerleştirilebilir. Tüpler elektrotlara bastırılmamalı, düzenek devrilmeyecek biçimde sabitlenmelidir. Bağlantıların amacı, güç kaynağından gelen akımın bir elektrottan çözeltiye, çözeltiden de diğer elektroda ulaşmasını sağlamaktır. Devre açıkken elektrotlar arasında kimyasal değişim başlamaz; güç kaynağı bağlandığında iyonların hareketi ve elektrot yüzeyindeki tepkimeler gözlenebilir.

Sodyum klorür içeren sofra tuzu çözeltisi, basit su elektrolizi için uygun bir seçim değildir. Böyle bir çözeltide anotta klor gazı oluşabildiğinden bu düzenek yalnızca uygun laboratuvar koşullarında ele alınmalıdır.

Güvenlik kuralları

Deney düşük gerilimli bir güç kaynağıyla ve öğretmen ya da yetişkin gözetiminde yapılmalıdır. Şebeke elektriği kesinlikle kullanılmamalıdır. Bağlantılar yapılırken güç kaynağı kapalı tutulmalı, ıslak elle kablolara veya güç kaynağına dokunulmamalıdır. Elektrotlar birbirine değerse kısa devre oluşabilir; bu nedenle aralarında yeterli mesafe bırakılmalıdır. Deney kabı kırılmayacak ve devrilmeyecek bir yüzeye yerleştirilmelidir. Koruyucu gözlük takılmalı, çözelti cilde veya göze sıçrarsa bol suyla yıkama ve sorumlu kişiye haber verme kurallarına uyulmalıdır.

Elektroliz sırasında gaz oluşabileceği için kapalı bir kap kullanılmamalı ve gazlar solunmamalıdır. Hidrojen ve oksijen gazları toplansa bile tüplerin ağzına alev, kıvılcım veya ısıtıcı yaklaştırılmamalıdır. Çözeltinin içine rastgele asit, baz ya da tuz eklemek güvenli değildir. Özellikle sodyum klorür çözeltisinin elektrolizinde anotta klor gazı oluşabilir; bu nedenle sofra tuzu kullanılarak yapılan denemeler havalandırması yetersiz ortamlarda gerçekleştirilmemelidir. Deney bitince önce güç kaynağı kapatılır, sonra kablolar sökülür ve çözelti sorumlu kişinin belirlediği şekilde uzaklaştırılır. Elektroliz hesaplamalarında akım, süre ve madde kütlesi arasındaki ilişki ayrıca incelenir; bu deneyde bu büyüklüklerle hesap yapılmaz.

Deneyin uygulama adımları

Önce çalışma alanı düzenlenir, koruyucu gözlük takılır ve güç kaynağının kapalı olduğu kontrol edilir. Temiz kaba yeterli miktarda su konur; uygun elektrolit, öğretmenin veya laboratuvar yönergesinin belirttiği miktarda eklenerek çözeltinin elektrik iletmesi sağlanır. Elektrotlar çözeltinin içine daldırılırken birbirine temas etmemelerine ve kabın tabanına sıkışmamalarına dikkat edilir. Gaz toplamak isteniyorsa deney tüpleri suyla doldurulup ters çevrilerek elektrotların üzerine yerleştirilir.

Kabloların bir ucu birinci elektrota, diğer ucu ikinci elektrota bağlanır. Bağlantıların sağlamlığı kontrol edildikten sonra güç kaynağı düşük gerilim değerinde çalıştırılır. Elektrotların çevresinde kabarcık oluşup oluşmadığı, kabarcıkların hangi elektrot çevresinde daha fazla olduğu ve çözeltinin görünümünde değişim bulunup bulunmadığı gözlenir. Gözlemler tabloya yazılabilir; örneğin başlangıç zamanı, kabarcıkların başladığı yer ve deney sonunda tüplerde biriken gaz miktarı not edilir.

Deney kısa süre gözlendikten sonra güç kaynağı kapatılır. Kablolar, elektrotlar ve gaz toplama tüpleri ancak akım kesildikten sonra düzenekten ayrılır. Tüplerde gaz birikmişse gazların koklanmaması ve alevle sınanmaması gerekir. Aynı düzenek farklı elektrolitlerle karşılaştırılacaksa her denemeden önce kap ve elektrotlar temizlenmeli, fakat güvenli olmayan çözeltiler kullanılmamalıdır.

Gözlemler ve beklenen değişimler

Güç kaynağı çalıştırıldığında elektrotların çevresinde küçük gaz kabarcıkları görülmesi beklenir. Bu kabarcıklar zamanla büyüyebilir ve ters çevrilmiş tüplerde gaz birikmesine yol açabilir. Su elektrolizinde hidrojen oluşan tarafta biriken gaz hacmi, oksijen oluşan taraftakinden daha fazla olabilir. Ancak kabarcıkların sayısı ve büyüklüğü elektrotların yüzeyine, bağlantıların durumuna, çözeltinin iletkenliğine ve uygulanan gerilime bağlı olarak değişebilir.

Elektrot yüzeyinde kabarcık dışında renk değişimi veya katı madde birikimi görülürse bu durum elektrot malzemesinin ya da çözeltideki iyonların tepkimeye katıldığını gösterebilir. Saf suyun elektrik iletkenliği düşük olduğundan kabarcık oluşumu çok yavaş olabilir; uygun bir elektrolit eklenmesi gözlemi belirginleştirir. Sodyum klorür çözeltisinde anotta klor gazı oluşabileceği için bu çözeltinin gözlemi güvenli ve basit su elektroliziyle karıştırılmamalıdır.

Gözlemlerin temel bilimsel açıklaması

Çözeltideki elektrolit, suda hareket edebilen iyonların bulunmasını sağlar. Elektrik alan oluşturulduğunda pozitif iyonlar negatif kutuplu elektrota, negatif iyonlar ise pozitif kutuplu elektrota doğru ilerler. Elektrotlar, elektronların güç kaynağı ile çözelti arasında aktarılmasına aracılık eden iletken yüzeylerdir. Anot ve katot, bu elektrotların adlarıdır; hangi elektrotun anot veya katot olduğu elektroliz düzeneğindeki görevine göre belirlenir. Elektrotlarda gerçekleşen elektron verme olayına oksidasyon, elektron alma olayına indirgenme denir. Oksidasyon ve indirgenme kavramlarının ayrıntıları ayrı bir başlıkta incelenebilir.

Elektrotlardan birinde çözeltideki türlerden biri elektron alırken diğerinde başka bir tür elektron verebilir. Bu elektron alışverişi, iyonların elektrotlara yönelmesiyle birlikte elektrot yüzeyinde yeni maddelerin oluşmasına neden olur. Su elektrolizinde gözlenen gaz kabarcıkları bu yeni ürünlerden gaz hâlinde olanların çözeltiden ayrıldığını gösterir. İki elektrot çevresinde oluşan gaz miktarlarının farklı olması, oluşan maddelerin tepkimedeki miktar oranlarının aynı olmadığını düşündürür. Öte yandan sodyum klorür çözeltisinde hangi türün elektrot yüzeyinde değişeceği yalnızca basit iyon hareketiyle belirlenmez; elektrot tepkimelerinin koşulları ve aşırı gerilim gibi etkenler de sonucu etkileyebilir. Bu nedenle gözlem yapılırken kullanılan çözelti mutlaka kaydedilmelidir.