Kimyanın enerji konusunda iddialı konularından biri olan elektro kimyayı, lisans düzeyinde yüzeysel olarak anlatan dökümana yazıyı takip ederek ulaşabilirsiniz

01. Elektrot Potansiyelleri ve Elektrot Potansiyellerinin Ölçümü

Elektrokimya, elektrik enerjisi üreten veya elektrik enerjisiyle yürüyen yükseltgenme indirgenme (redoks) reaksiyonlarinin tümünü içine alan bilim dalidir. Elektrokimya elektrik akiminin kimyasal reaksiyonlarla olan iliskisini açiklar. Bir elektrokimyasal olay mutlaka bir redoks reaksiyonudur. Elektrik üretir veya elektrik akimi yardimiyla bir reaksiyon olusur. Her redoks reaksiyonu indirgenme yarim reaksiyonu ve yükseltgenme yarim reaksiyonu olmak üzere iki yarim reaksiyondan meydana gelir. Burada uzun bir metal parçasi metal parçasi, M, elektrokimyasal çalismalarda kullanildiginda elektrot ismini alir. Mn+ metal iyonlari içeren bir çözeltiye daldirilan bir elektrot bir yari-hücre meydana getirir. Elektrottaki metal atomlariyla çözeltideki metal iyonlari arasindaki iki tür etkilesim olabilir.

Bir metal iyonu, Mn+, elektrotla etkileserek n elektron alip bir metal atomu, M, na dönüsebilir. Bu durumda iyon indirgenir.

Elektrottaki bir metal atomu, M, n elektron verir ve Mn+ iyonu olarak çözeltiye geçebilir. Bu durumda metal atomu yükseltgenir.

Metal ile çözelti arasinda kurulan dengeyi asagidaki gibi gösterebiliriz.

yükseltgenme

M(k) <—-> Mn+(aq) + ne-

Indirgenme

Sulu çözeltide serbest elektronlar asla bulunmaz.

Bir metal elektrotun, M, kendi iyonlarini içeren bir sulu çözeltiye kismen daldirilmasiyla bir yari hücre meydana gelir. Elektrotta ve çözeltide bu denge nedeniyle olusan degisimler ölçülemeyecek kadar az olmasi nedeniyle, ölçümlerimiz iki farkli yari-hücrenin birlesmesini temel almalidir. Özellikle, bir yari-hücrenin elektrotundan diger yari-hücrenin elektrotuna elektronlarin akis egilimini ölçmeliyiz. Elektrotlar, elektrotta yükseltgenme veya indirgenmenin olusmasina göre ayrilir. Yükseltgenmenin olustugu elektrot anot, indirgenmenin olustugu katottur.

Yukaridaki sekilde iki yari-hücrenin birlesmesini göstermektedir. Yari-hücrelerin ilkinde Cu elektrot Cu2+(aq) ile, digerinde ise Ag elektrot Ag+ ile temas halindedir. Bu iki elektrot tellerle bir voltmetreye baglanmistir. Elektrik devresini tamamlamak için iki çözeltinin elektriksel olarak baglanmasi da gerekir. Çözeltiler boyunca yük, iyonlarin göçüyle tasindigindan, bunun için tel kullanilmaz. Çözeltiler ya bir gözenekli engel boyunca dogrudan temasta olmali veya tuz köprüsü denilen bir U tüpündeki üçüncü bir çözeltiye birlestirilmelidirler. Iki yari-hücrenin uygun sekilde baglanmis birlesimine elektrokimyasal hücre ismi verilir. Bir elektrokimyasal hücre, elektrotlari bir tel ile, çözeltileri ise bir tuz köprüsüyle birlestirilmis iki yari-hücreden meydana gelir. (tuz köprüsünün uçlari sivinin akisini engelleyen, fakat iyon göçüne izin veren gözenekli bir malzeme ile kapanmistir). Elektronlar yükseltgenmenin meydana geldigi (anot) Cu elektrottan indirgenmenin meydana geldigi (katot) Ag elektroda akarlar. Duyarli ölçümler için, hücreden çekilen elektrik akimi miktari, bir voltmetre veya potansiyometre yardimiyla, çok küçük tutulmalidir.

Elektrokimyasal hücrede olan degisikler: örnegin Cu atomlari elektronlari anotta birakirlar ve Cu2+(aq) iyonlari olarak Cu(NO3)2 (aq) ortamina geçerler. Cu atomlarinin kaybettigi elektronlar kablodan ve voltmetreden geçerek katoda geçerler. Elektronlar burada, metalik gümüs meydana gelmesi için AgNO3 (aq) daki Ag+ iyonlari tarafindan alinirlar. Bu arada tuz köprüsündeki anyonlar (NO3-) fazla Cu2+ iyonlarindan kaynaklanan pozitif yük fazlaligini dengelemek için bakir yari-hücresine göç ederken, katyonlar (K+) da fazla NO3- iyonlarinin negatif yükünü dengelemek için gümüs yari-hücresine yönelirler. Elektrokimyasal hücrede akan istemli elektrik akimini olusturan net tepkime asagidaki gibidir.

Yükseltgenme : Cu(k) → Cu2+(aq) + 2 e-Indirgenme : 2 {Ag+(aq) + e- → Ag(k) }———————————————–

Net Tepkime : Cu(k) + 2 Ag+(aq) → Cu2+(aq) + 2 Ag(k)

Voltmetrede okunan deger (0,460 V) önemlidir. Bu hücre voltaji veya iki yari-hücre arasindaki potansiyel farkidir. Hücre voltajinin birimi volt (V), yük basina enerjidir. Bu nedenle, bir voltluk potansiyel farki, bir elektrik devresinden geçen bir kulonluk her yük için bir jullük enerjiyi ifade eder: 1 V = 1 J / C Voltaj veya potansiyel farkini elektronlar için sürükleyici güç olarak düsünebiliriz. Hücre voltaji elektromotor kuvveti (emk) veya hücre potansiyeli olarak da isimlendirilir ve Epil simgesi ile gösterilir.

Hücre Diyagramlari ve Terimler Dizgesi :

Hücre diyagrami bir elektrokimyasal hücrenin bilesenlerini simgesel olarak gösterir. Hücre diyagramlarinin yazilisinda genel olarak kabul edilen bilgileri izleyecegiz.

Yükseltgenmenin oldugu elektrot olan anot diyagramin sol tarafinda bulunur.

Indirgenmenin oldugu elektrot olan katot diyagramin sag tarafinda bulunur.

Farkli fazlarin (elektrot ve çözelti gibi) arasindaki sinir tek bir dikey çizgi (|) ile gösterilir. Genellikle bir tuz köprüsü olan yari-hücre bölmeleri arasindaki sinir çift dikey çizgi (||) ile gösterilir. Sulu çözeltideki türler çift dikey çizginin her iki yaninda yer alirlar. Ayni çözeltideki farkli türler birbirlerinden virgül ile ayrilarak yazilirlar.

Örnegin:

Anot → Zn(k) | Zn2+(aq) || Cu2+(aq) | Cu(k) ← katot Epil = 1,103 V

Yari-hücre tuz yari-hücre hücre voltaji

(yükseltgenme) köprüsü (indirgenme)

02. Standart Elektrot Potansiyelleri

Bir standart hidrojen elektrotta (SHE) , çözeltideki birim aktiflikleri H3O+ iyonlari (yani aH3O+ = 1) ile gaz fazinda 1bar basincindaki H2 molekülleri arasinda (platin gibi) soy bir metal yüzeyinde kurulan bir denge vardir. Denge tepkimesi metal yüzeyinde belirli bir potansiyel olusturur, fakat bu potansiyel keyfi olarak sifir alinir.

Pt üzerinde

2 H+ (a = 1) + 2 e- H2(g, 1bar) E° = 0 volt (V)

Bu yari-hücrenin diyagrami

Pt | H2(g, 1bar) | H+ (a = 1)

Iki ayri dik çizgi, üç fazin oldugunu gösterir. Bu fazlar kati platin, hidrojen gazi ve sulu çözeltideki hidrojen iyonudur. Basit olarak genellikle H3O+ yerine H+ yazariz, birim aktiviteyi (a = 1) yaklasik olarak [H+] = 1 M aliriz ve 1 bar basinci 1 atm ile degistiririz.

Standart elektrot potansiyelinin, E°, elektrotta olusan indirgenme isleminin egilimini ölçtügü, uluslararasi düzeyde, kabul edilmistir. Sulu çözeltide bulunan iyonik türler daima birim etkinlikte (yaklasik 1 M), gazlar ise daima 1 bar (yaklasik 1 atm) basinçta olmalidir. E° degeri ölçülecek madde bir metal degilse, potansiyel, platin gibi soy bir metal elektrot üzerinden ölçülerek bulunur. Indirgenen madde (çizgi) isaretinin sol tarafina, ana indirgenme ürünü ise sag tarafina yazariz.

Cu2+(1 M) + 2 e- → Cu(k) E°Cu2+ / Cu = ?

Yukaridaki yari tepkimenin oldugu bir standart elektrotun E° degerini tayin etmek için, bu yari-hücreyi bir standart elektrotu (SHE) ile karsilastirilir. Bu karsilastirmada SHE daima hücre diyagraminin solundaki elektrot (anot) olarak alinir. Karsilastirilan elektrot ise hücre diyagraminin sagindaki elektrot (katot) dur. Elektronlarin H2 den Cu elektroda ilettigi asagidaki hücrede ölçülen potansiyel farki 0,340 V dur.

Pt | H2(g, 1 atm) | H+(1 M) || Cu2+(1 M) | Cu(k) E°pil = 0,340 V

Anot Katot