12evrensel-2-bolum

1.
ÜNİTE
2
1. ÜNİTE
KİMYA VE ELEKTRİK
BÖLÜM
İÇERİK
1.2.1 Elektrot ve Elektrolit
1.2.2 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 elektrot ve elektrolit kavramlarını, pil ve elektroliz sistemlerinde yarı hücre ve hücre kavramlarını öğreneceğiz.
28
12. SINIF • KİMYA
2.
Elektrotlar ve Elektrokimyasal Hücreler
BÖLÜM
1.2.1 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 elektrot adını alır. Tel, kafes veya levha şeklinde bulunabilen metalik iletkenler
elektrottur, 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
elektrot
elektrot
elektrolit
Şekil 1.3  Bir pil devresindeki elektrolit ve elektrotlar
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 elektrotlar kullanılır.
Yükseltgenme, yükseltgenmiş türlerin metalik iletkene elektron
saldığı bir elektrotta gerçekleşir. İndirgenme de indirgenecek türlerin
metalik iletkenden elektron aldığı diğer elektrotta 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.
12. SINIF • KİMYA
29
1.
ÜNİTE
KİMYA VE ELEKTRİK
1.2.2 Yarı Hücre ve Hücre
Bir elektrot ile içine batırıldığı çözeltinin oluşturduğu sisteme
yarı hücre denir. CuSO4 sulu çözeltisi içine Cu elektrot veya ZnSO4
sulu çözeltisi içine Zn elektrot batırılması ile oluşan sistemlerin her
biri yarı hücredir. Bir yarı hücrede elektrolit olan çözelti ile bir elektrot
vardır.
Yarı hücrelerden oluşan, istemli veya istemsiz redoks tepkime-
lerinin 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
Voltmetre
Zn
elektrot
Cu
elektrot
Tuz köprüsü
pamuk
1M ZnSO4(suda)
1M CuSO4(suda)
Şekil 1.4  Galvanik hücre
Şekil 1.4’te iki yarı hücreden oluşan bir galvanik hücre modeli
görülmektedir. Bu galvanik hücrede Zn elektrot ZnSO4 sulu çözelti-
sinde, Cu elektrot CuSO4 sulu çözeltisinde bulunduğundan model-
den 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
12. SINIF • KİMYA
2.
Elektrotlar ve Elektrokimyasal Hücreler
BÖLÜM
Daniell pili gibi bir galvanik hücrede istemli bir şekilde yarı hüc-
relerde yükseltgenme ve indirgenme olayları gerçekleşmektedir ve
kimyasal enerji elektrik enerjisine çevrilmektedir. Galvanik hücre-
de 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
elektrot
Sn
elektrot
Tuz köprüsü
pamuk
1M FeSO4(suda)
1M SnSO4(suda)
Şekil 1.5  Elektrolitik hücre
Şekil 1.5’te görülen elektrolitik hücrede elektrotlar 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.
12. SINIF • KİMYA
31
1.
ÜNİTE
KİMYA VE ELEKTRİK
Daniell hücresindeki elektrotlar, çözeltide bulunan metal katyo-
nu ile aynı seçilmiştir. Ancak bazı durumlarda yarı hücrelerde kullanılan elektrotların tepkimeye girmeleri istenmez. Bunun için tepkime
verme eğilimi düşük olan metaller (altın, platin) veya grafit gibi bir
ametal elektrot olarak kullanılabilir.
Bir elektrotta,
+
2H (suda) + 2e
–
H2(g)
+
tepkimesi gerçekleştirilerek H iyonlarının indirgenip H2 gazı elde
edilmesi isteniyorsa; tepkimenin gerçekleşeceği elektrot, platin gibi
bir soy metal seçilir. Tepkime verme yatkınlıkları düşük ve yarı hüc-
relerdeki redoks olaylarına katılmayan bu elektrotlara inert elektrot
denir. Platin metali hidrojen için elektrot olarak kullanılır. Hidrojen
iyonları içeren çözeltiye daldırılmış platin metalinin yüzeyinden H2
gazı kabarcıkları çıkar. Bu düzenleme bir hidrojen elektrot olarak
adlandırılır. İnert elektrotlar, tepkimeye girmeden elektronları elektrodun bulunduğu bölmenin içine veya dışına doğru taşır.
32
12. SINIF • KİMYA