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
- Galvanik hücrede anot ve katodu, elektron ve iyon (tuz köprüsü) yönlerini, elektrot işaretlerini ve hücre şemasını belirler.
- İki yarı tepkimeden toplam tepkimeyi yazar; aktarılan elektron sayısı $n$'yi bulur ve $E^\circ$ değerinin katsayıyla çarpılmadığını gerekçelendirir.
- Standart indirgenme potansiyelleri tablosundan $E^\circ_{\text{hücre}}=E^\circ_{\text{katot}}-E^\circ_{\text{anot}}$ hesaplar ve işaretinden istemliliği yorumlar.
- $\Delta G^\circ=-nFE^\circ$ bağıntısını türetir; $\Delta G^\circ$ ve $K$ değerlerini $E^\circ$'den hesaplar.
- Potansiyel tablosuna bakarak bir metalin asitle ($\text{H}_2$ açığa çıkararak) ya da başka bir metal iyonuyla tepkimeye girip girmeyeceğini tahmin eder.
- Tablo $E^\circ$ değerlerinin sınırlarını (sulu ortamda suyla tepkimeye giren $\text{Mg}$, $\text{Al}$; tepkime hızı; standart koşullar) belirtir.
Konu anlatımı
1. Bağlam: Aynı Tepkime, Farklı Enerji Çıkışı
2. Hücrenin Parçaları: Anot, Katot, Tuz Köprüsü
3. Standart Elektrot Potansiyelleri ve $E^\circ_{\text{hücre}}$
4. $E^\circ$, $\Delta G^\circ$ ve Denge Sabiti
5. Potansiyel Tablosundan Tahmin: Hangi Tepkime Olur?
6. Çözümlü Örnekler
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?
- $\text{Zn}$ katottur ve indirgenir
- Elektronlar dış devrede $\text{Cu}$'dan $\text{Zn}$'ya akar
- Anot $\text{Zn}$'dır; elektronlar dış devrede $\text{Zn}$'dan $\text{Cu}$'ya akar
- Tuz köprüsünde katyonlar anot kabına göç eder
- $\text{Cu}$ 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).