Elektrokimyasal Piller
Aktif bir metal kendisinden pasif bir metalin çözeltisine daldırıldığında istemli olarak tepkime verir ve yükseltgenir. Bu arada pozitif bir potansiyel oluşur. Bu sistemde yükseltgenme ve indirgenme olayları aynı kap içinde gerçekleşmektedir.
Aktif olan metal ile pasif metal uygun bir şekilde birbiri arasında bağlantı kurulan yarı hücrelerde, yani farklı kaplarda yükseltgenebilir ve indirgenebilir. Bu sayede kaplar arasında bir potansiyel farkı ve elektrik akımı elde edilir. Bu sistem ilk kez J. F. Daniel tarafından yapılmıştır ve Daniell Pili olarak adlandırılır.
İki yarı hücrenin iletken bir tel ve tuz köprüsü yardımıyla birbirine bağlanmasıyla oluşan ve kendiliğinden elektrik üreten bu tür sistemlere elektrokimyasal pil veya Galvanik hücre adı verilir.
Galvanik hücreler iki türlüdür.
- Aktiflik farkı ile elektrik akımı üreten piller.
- Derişim farkı ile elektrik üreten piller.
Aktiflik Farkından Elektrik Üreten Piller
Bu tür piller, yarı hücrelere batırılan metallerin aktiflikleri arasındaki fark sayesinde elektrik üretir.
Yukarıda verilen iki kaptaki metal çubuklar (elektrot) bir iletken tel ile birbirine bağlanırsa ve çözeltiler de bir tuz köprüsü yardımıyla birbirine bağlanırsa aktif olan Zn metalinin yükseltgendiği ve pasif olan Cu metalinin indirgendiği istemli bir tepkime gerçekleşir.
Anot Kabı (Anot Yarı Hücresi)
Aktif metalin çözeltisinin ve elektrodunun bulunduğu kaptır.
Anot kabında aktif olan (yükseltgenme potansiyeli büyük) metalin elektrodundaki elementler yükseltgenir ve çözeltiye karışır.
- \(\ce{Zn(k) -> Zn^{2+}(aq) + 2e-};\quad E\degree = +0,76V\)
Zn elektrodun kütlesi zamanla azalır.
Çözeltideki \(Zn^{2+}\) iyonu derişimi zamanla artar.
Katot Kabı (Katot Yarı Hücresi)
Pasif metalin çözeltisinin ve elektrodunun olduğu kaptır.
Katot kabında pasif olan (indirgenme potansiyeli büyük, yükseltgenme postansiyeli küçük olan) metalin çözeltisindeki elementler indirgenir ve elektroda yapışır.
- \(\ce{Cu^{2+}(aq) + 2e- -> Cu(k)};\quad E\degree = +0,34V\)
Cu elektrodun kütlesi zamanla artar.
Çözeltideki \(Cu^{2+}\) iyonu derişimi zamanla azalır.
Dış Devre
Anot elektrot ve katot elektrotlar arasındaki iletken teldir. Elektrotlar arasındaki potansiyel farkın ölçülmesi için iletken tel üzerine paralel şekilde voltmetre cihazı bağlanır.
Anot kabında gerçekleşen yükseltgenme sonucu elektrot üzerinde kalan elektronlar iletken tel üzerinden katot elektroda gider. Bu elektronlar katot üzerindeki indirgenme olayında \(Cu^{2+}\) iyonları tarafından alınır.
Anot -> Katot
Tuz Köprüsü
Anot kabında oluşan yükseltgenme sonucunda 1 tane \(Zn^{2+}\) iyonu çözeltiye geçtiğinde 2- yüke ihtiyaç oluşur. Tuz köprüsünün görevi bu yükü sağlamaktır.
- Bu durumda tuz köprüsündeki \(NO_3^-\) iyonlarından 2 tanesi anot kabına geçer.
Katot kabında oluşan indirgenme sonucunda 1 tane \(Cu^{2+}\) iyonu çözeltiden ayrıldığında 2+ yüke ihtiyaç oluşur. Tuz köprüsünün görevi bu yükü sağlamaktır.
- Bu durumda tuz köprüsündeki \(K^+\) iyonlarından 2 tanesi katot kabına geçer.
Sonuçta tuz köprüsündeki anyonlar anoda, katyonlar katoda göç etmiş olur.
Net Pil Tepkimesi
Pil potansiyeli (gerilimi) bulunurken anot ve katottaki tepkimelerin potansiyelleri toplanır.
- Anot Tepkimesi: \(\ce{Zn(k) -> Zn^{2+}(aq) + 2e-};\quad E\degree = +0,76V\)
- Katot Tepkimesi: \(\ce{Cu^{2+}(aq) + 2e- -> Cu(k)};\quad E\degree = +0,34V\)
- Pil Tepkimesi: \(\ce{Zn(k) + Cu^{2+}(aq) <=> Zn^{2+}(aq) + Cu(k)};\quad E\degree = +1,1V\)
\(E_{pil}\degree = E_{yukseltgenme}\degree + E_{indirgenme}\degree\)
\(E_{pil}\degree = E_{anot}\degree + E_{katot}\degree\)
Pil Şeması
Pilin anot ve katodunda gerçekleşen tepkimelerin kısa yoldan gösterilmesiyle pil şeması elde edilir.
Elektrokimyasal hücrelerde anot ve katot kaplarındaki çözeltiler elektrolit, bu kaplara daldırılan metal çubuklar da elektrot olarak adlandırılır.
Galvanik hücrelerdeki anot elektrot negatif (-) işaretli, katot elektrot pozitif (+) işaretlidir.
Pil tepkimesi denge tepkimesi olduğundan tepkime denkleminde \(\ce{<=>}\) işareti kullanılır. Pil çalıştığı sürece çözeltilerde oluşan derişim farkı denge tepkimesini geri yönde yürütür. Bunun sonucunda bir süre sonra pil dengeye ukaşır. Bu durumda pil gerilimi sıfır olur ve pil elektrik üretemez.
Tuz köprüsünde pil tepkimesini etkilemeyen sadece yük denkliğini sağlayan \(KNO_3\), \(NaCl\), \(NH_4Cl\) gibi tuzların derişik sulu çözeltileri bulunur.
Pil tepkimeleri denge tepkimeleri olduğundan denge bağıntıları vardır.
- \(\ce{Zn(k) + Cu^{2+}(aq) <=> Zn^{2+}(aq) + Cu(k)}\)
- \(K_{pil} = \text{Ürünler / Girenler} = \text{Anot / Katot} = [Zn^{2+}]/[Cu^{2+}]\)
Elektrot Potansiyellerinin Belirlenmesi
Daha önce de ifade edildiği üzere elektrot potansiyelleri hidrojen elementinin yükseltgenme ve indirgenme potansiyeli sıfır kabul edilerek ölçülmüş değerlerdir.
Diğer elementlerin potansiyelleri hidrojene göre deneysel olarak bulunur.
Yukarıdaki sistemde 1. yarı hücredeki X elektrot kütlesinin azaldığı ve voltmetrede +0,76 değeri görülüyor.
- Anot: \(\ce{X(k) -> X^{2+}(aq) + 2e-};\quad E\degree = ?V\)
- Katot: \(\ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)};\quad E\degree = 0,00V\)
- \(\ce{X(k) + 2H+ <=> X^{2+}(aq) + H2(g)};\quad E\degree +0,76V\)
Buna göre, voltmetrede okunan değer, X in yükseltgenme potansiyeli +0,76V dir.
Questions
- İndirgenme tepkimesi gerçekleşen kapta (yükseltgenme potansiyeli az olan) elektrot kütlesi artar, sudaki iyon derişimi azalır.
- Yükseltgenme tepkimesi gerçekleşen kapta elektrot kütlesi azalır, sudaki iyon derişimi artar.
- pH değeri azalır, H+ derişimi ve asitlik artar. Cevap yalnız 2.
- İkinci yarı hücrede platinyumun yükseltgenip içine karışabileceği bir çözelti olmadığından platinyum görmezden gelinir. Tek görevi elektrik iletmektir.
- Bu soruda voltlar toplanır.
