Kimya I · 12. Ünite: Asit-Baz Dengeleri, Termodinamik ve Elektrokimya

Galvanik (Voltaik) Hücreler

Çinko çubuğu $\text{CuSO}_4$ çözeltisine batırırsan çubuk bakırla kaplanır ve çözelti ısınır; tepkime kendiliğinden yürür ama enerji ısı olarak boşa gider. Aynı tepkimeyi yükseltgenme ve indirgenme yarı tepkimelerini ayrı kaplara bölerek yürütürsen elektronlar dış devreden geçer ve iş yapar: bu bir galvanik (voltaik) hücredir (pil). Bu konuda hücrenin parçalarını (anot, katot, tuz köprüsü), hücre şemasını, standart elektrot potansiyellerini ve $E^\circ_{\text{hücre}}=E^\circ_{\text{katot}}-E^\circ_{\text{anot}}$ hesabını öğrenir; $\Delta G^\circ=-nFE^\circ$ ve $\log K=nE^\circ/0{,}05916$ bağıntılarını türetir ve potansiyel tablosundan hangi tepkimelerin istemli olduğunu tahmin edersin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. 1. Bağlam: Aynı Tepkime, Farklı Enerji Çıkışı

  2. 2. Hücrenin Parçaları: Anot, Katot, Tuz Köprüsü

  3. 3. Standart Elektrot Potansiyelleri ve $E^\circ_{\text{hücre}}$

  4. 4. $E^\circ$, $\Delta G^\circ$ ve Denge Sabiti

  5. 5. Potansiyel Tablosundan Tahmin: Hangi Tepkime Olur?

  6. 6. Çözümlü Örnekler

  7. 7. Sınır Durumları ve Sık Yapılan Hatalar

Anahtar terimler

Galvanik (voltaik) hücre
Kendiliğinden yürüyen redoks tepkimesinin kimyasal enerjisini elektrik enerjisine çeviren elektrokimyasal hücre.
Anot
Yükseltgenmenin olduğu elektrot; galvanik hücrede negatif kutuptur, elektronlar buradan dış devreye çıkar.
Katot
İndirgenmenin olduğu elektrot; galvanik hücrede pozitif kutuptur, elektronlar buraya gelir.
Tuz köprüsü (salt bridge)
İki yarı hücreyi iyon iletimiyle bağlayıp yük dengesini sağlayan inert elektrolit köprüsü; anyonlar anota, katyonlar katoda göç eder.
Standart hidrojen elektrodu (SHE)
$1$ M $\text{H}^+$ ve $1$ bar $\text{H}_2$ ile $\text{Pt}$ elektrot; $E^\circ=0$ olarak tanımlanan referans.
Standart indirgenme potansiyeli ($E^\circ$)
Standart koşullarda yarı tepkimenin SHE'ye göre indirgenme eğilimi; elektron başına enerji olduğundan katsayıyla çarpılmaz.
$E^\circ_{\text{hücre}}$
$E^\circ_{\text{katot}}-E^\circ_{\text{anot}}$; pozitifse tepkime standart koşullarda istemlidir.
Faraday sabiti ($F$)
Bir mol elektronun yükü, $96\,485$ C/mol; $\Delta G^\circ=-nFE^\circ$ bağıntısında kullanılır.
Hücre şeması
Anot solda, katot sağda yazılan gösterim; $|$ faz sınırı, $\|$ tuz köprüsüdür.

Örnek soru

$\text{Zn}|\text{Zn}^{2+}\|\text{Cu}^{2+}|\text{Cu}$ galvanik hücresi çalışırken aşağıdakilerden hangisi doğrudur?

  1. $\text{Zn}$ katottur ve indirgenir
  2. Elektronlar dış devrede $\text{Cu}$'dan $\text{Zn}$'ya akar
  3. Anot $\text{Zn}$'dır; elektronlar dış devrede $\text{Zn}$'dan $\text{Cu}$'ya akar
  4. Tuz köprüsünde katyonlar anot kabına göç eder
  5. $\text{Cu}$ elektrotun kütlesi zamanla azalır

Doğru cevap: C

Çözüm

1. $\text{Zn}$ metali daha negatif $E^\circ$'ya sahiptir ($-0{,}76$ V) ve yükseltgenir: $\text{Zn}\rightarrow\text{Zn}^{2+}+2e^-$. Yükseltgenmenin olduğu elektrot anottur.
2. Elektronlar anottan katoda, yani $\text{Zn}$'dan $\text{Cu}$'ya akar. Katotta $\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$ olur ve $\text{Cu}$ elektrotun kütlesi artar.
3. Tuz köprüsünde anyonlar anot kabına, katyonlar katot kabına göç eder.
Sonuç: C. Çeldiriciler: A rolleri ters yazar; B elektron yönünü tersine çevirir; D iyon yönünü tersine çevirir; E bakırın aşındığını sanar (aşınan çinkodur).

Kimya I: tüm konular