BÖLÜM. Elektrotlar ve Elektrokimyasal Hücreler 1. ÜNİTE İÇERİK Elektrot ve Elektrolit Yarı Hücre ve Hücre

Transkript

1 İÇERİK Elektrot ve Elektrolit Yarı Hücre ve Hücre Elektrotlar ve Elektrokimyasal Hücreler Bitkilerin fotosentez yapması, metallerin arıtılması, yakıt hücrelerinin görev yapması gibi birçok kimyasal aktivitenin altında yatan temel süreç; bir türden diğerine elektron aktarımıdır. Elektronların nasıl aktarıldığını öğrenirsek; Kimyasal bir tepkimeden elektrik üretebilir miyiz? veya Kimyasal tepkimeleri gerçekleştirmek için elektriği nasıl kullanabiliriz? gibi soruların cevaplarına ışık tutmuş oluruz. Bu bölümde ve elektrolit kavramlarını, pil ve elektroliz sistemlerinde yarı hücre ve hücre kavramlarını öğreneceğiz. 28

2 Elektrotlar ve Elektrokimyasal Hücreler Elektrot ve Elektrolit Sulu çözeltilerde veya sıvı ortamda gerçekleşen indirgenme ve yükseltgenme olaylarını ayrı kaplarda gerçekleştireceğimizi biliyoruz. Bu indirgenme veya yükseltgenme olaylarının gerçekleşebilmesi için çözelti içine batırılan bir metal tel, kafes veya levha adını alır. Tel, kafes veya levha şeklinde bulunabilen metalik iletkenler tur, pil veya elektroliz sistemlerinde kullanılabilir. Elektrotlar, içine batırıldığı sulu çözeltide bulunan metal katyonu ile aynı olabileceği gibi farklı metalden de yapılmış olabilir. Elektrotların içine batırıldığı iyonik iletkenliği sağlayan sulu çözeltiden elektrolit olarak bahsedilir. Elektrolit genelde iyonik bir bileşiğin sulu çözeltisidir (Şekil 1.3). V elektrolit Şekil 1.3 Bir pil devresindeki elektrolit ve lar Elektrik akımı; iyonik sulu çözeltilerde (elektrolit) iyonların hareketi ile metallerde ise elektronların hareketi ile iletilir. Bunun için elektroliz sistemlerinde veya pillerde, elektrik akımını ileten sulu çözelti ve metalden yapılmış lar kullanılır. Yükseltgenme, yükseltgenmiş türlerin metalik iletkene elektron saldığı bir ta gerçekleşir. İndirgenme de indirgenecek türlerin metalik iletkenden elektron aldığı diğer ta gerçekleşir. Toplam kimyasal tepkimeyi, elektronları yükseltgenmenin gerçekleştiği yerden bir elektroda ittiği ve diğer elektrodun da indirgenmenin olduğu yere bu elektronları çekmesi şeklinde düşünebiliriz. Bu itme-çekme sürekliliği, iki elektrodun birbirine bağlı olduğu dış devredeki elektron akışını sağlar. 29

3 Yarı Hücre ve Hücre Bir ile içine batırıldığı çözeltinin oluşturduğu sisteme yarı hücre denir. CuSO 4 sulu çözeltisi içine Cu veya ZnSO 4 sulu çözeltisi içine Zn batırılması ile oluşan sistemlerin her biri yarı hücredir. Bir yarı hücrede elektrolit olan çözelti ile bir vardır. Yarı hücrelerden oluşan, istemli veya istemsiz redoks tepkimelerinin oluştuğu sistemlere ise elektrokimyasal hücre denir. Elektrokimyasal hücre istemli kimyasal tepkimenin elektrik akımını ürettiği (pil) ya da istemsiz bir tepkimeyi oluşturmak için elektrik akınının kullanıldığı (elektroliz) bir sistemdir. Yarı hücrelerin metalik iletken ve tuz köprüsü ile birleşmesinden oluşan, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çeviren sisteme galvanik hücre (pil) denir. V Zn Voltmetre Tuz köprüsü Cu pamuk 1M ZnSO 4 1M CuSO 4 Şekil 1.4 Galvanik hücre Şekil 1.4 te iki yarı hücreden oluşan bir galvanik hücre modeli görülmektedir. Bu galvanik hücrede Zn ZnSO 4 sulu çözeltisinde, Cu CuSO 4 sulu çözeltisinde bulunduğundan modelden Daniell hücresi (Daniell pili) olarak bahsedilebilir. Daniell pili bakır iyonlarını çinko atomları ile indirgenmede kullanılan bir galvanik hücrenin ilk örneğidir. Daniell pilini, telgraf geliştirilirken ucuz, güvenilir, kararlı ve sürekli bir elektrik akımı kaynağına ihtiyaç duyulması üzerine 1836 yılında J.F. Daniell icat etmiştir. 30

4 Elektrotlar ve Elektrokimyasal Hücreler 2. Daniell pili gibi bir galvanik hücrede istemli bir şekilde yarı hücrelerde yükseltgenme ve indirgenme olayları gerçekleşmektedir ve kimyasal enerji elektrik enerjisine çevrilmektedir. Galvanik hücrede gerçekleşen kimyasal tepkimeyi tersine çevirmek için sisteme elektrik enerjisi vermek gerekir. Elektrik enerjisi verilerek istemsiz tepkimelerin gerçekleştirildiği elektrokimyasal hücrelere elektrolitik hücre denir. Elektrolitik hücrelerde yükseltgenme ve indirgenme olayları kendiliğinden gerçekleşmez. Verilen elektrik enerjisi yardımı ile kimyasal tepkime oluşturulur. Oluşan tepkimeler istemsizdir. Elektrik enerjisi kesildiğinde elektrolitik hücrede reaksiyonlar durur. Elektrolitik hücrelerde de yükseltgenmenin ve indirgenmenin gerçekleştiği yarı hücrelerden bahsedilebilir. Üreteç Fe Tuz köprüsü Sn pamuk 1M FeSO 4 1M SnSO 4 Şekil 1.5 Elektrolitik hücre Şekil 1.5 te görülen elektrolitik hücrede lar iletken bir tel ve bir üreteç (pil) ile birbirine bağlanmıştır. Sisteme elektrik enerjisi verildiğinde yarı hücrelerdeki tepkimeler istemsiz yönde gerçekleşir. Elektrolitik bir hücrede yapılan elektroliz işleminde elektrik enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülmüştür. 31

5 1. Daniell hücresindeki lar, çözeltide bulunan metal katyonu ile aynı seçilmiştir. Ancak bazı durumlarda yarı hücrelerde kullanılan ların tepkimeye girmeleri istenmez. Bunun için tepkime verme eğilimi düşük olan metaller (altın, platin) veya grafit gibi bir ametal olarak kullanılabilir. Bir ta, 2H + + 2e H 2 (g) tepkimesi gerçekleştirilerek H + iyonlarının indirgenip H 2 gazı elde edilmesi isteniyorsa; tepkimenin gerçekleşeceği, platin gibi bir soy metal seçilir. Tepkime verme yatkınlıkları düşük ve yarı hücrelerdeki redoks olaylarına katılmayan bu lara inert denir. Platin metali hidrojen için olarak kullanılır. Hidrojen iyonları içeren çözeltiye daldırılmış platin metalinin yüzeyinden H 2 gazı kabarcıkları çıkar. Bu düzenleme bir hidrojen olarak adlandırılır. İnert lar, tepkimeye girmeden elektronları elektrodun bulunduğu bölmenin içine veya dışına doğru taşır. 32