İstemlilik

• Bulunduğu şartlarda kendiliğinden gerçekleşen tepkimelere istemli tepkime, gerçekleşmeyen tepkimelere istemsiz tepkime denir.
  • İstemli tepkimeler başlatıldıktan sonra kendiliğinden devam eder.
  • İstemsiz tepkimelerin devam edebilmesi için çevreden devamlı enerji almaları gerekir.
• Elektrik enerjisi istemli redoks tepkimeleri ile elde edilir.
  • Piller, aküler, bataryalar bu duruma örnektir.

Elektrokimyasal Hücreler Nelerdir?

• Bir kimyasal tepkime ile elektrik enerjisi arasındaki dönüşümün gerçekleştiği sistemlere elektrokimyasal hücre denir.
• 2 çeşit elektrokimyasal hücre vardır. Bunlar:
  1. Galvanik (Voltaik) Hücre: Kimyasal enerji, elektrik enerjisini dönüşür.
     • Bitmemiş pil, batarya, aküler…
     • Redoks tepkimelerinden elektrik üretir.
     • Galvanik hücreler bittiğinde şarj edilmesi gerekir.
       • Şarj ederken galvanik hücre, elektrolitik hücre adını alır.
  2. Elektrolitik hücre: Galvanik hücrenin tersidir. Elektrik enerjisi kimyasal enerjiye dönüşür.
     • Şarj olan pil, batarya ve aküler.
     • Elektrik enerjisi yardımı ile redoks tepkimesi gerçekleştirir.

Galvanik (Voltaik) Hücreler

• İstemli olarak gerçekleşen redoks tepkimelerinden, elektrik enerjisi üreten sistemelerdir.
• Galvanik bir hücre, bir çeşit sulu pildir.

Galvanik ve Voltaik isimleri, sırasıyla, Luigi Galvani ve Alessandro Volta adındaki bilim adamlarından gelir.

Galvanik Hücre Düzeneği

• Galvanik bir hücre, şu parçalardan oluşur:
  • İki adet elektrolit çözelti (tuz çözeltisi)
  • İki adet elektrot (metal çubuk)
  • İletken bir tel
  • Voltmetre (Pilin ürettiği elektrik miktarını ölçer.)
  • Tuz köprüsü: İçinde tuz çözeltisi olan, uçları pamukla tıkanmış bir U borusudur.

Aşağıdaki vidyoda, Zn – Cu galvanik hücre düzeneğinin hazırlanışını ve çalışmasını görüyorsunuz:

• Galvanik hücrenin parçaları, aşağıdaki gibi bir araya getirilir:
  • İki ayrı kapta birer tuz çözeltisi hazırlanır.
  • Tuz çözeltilerine “elektrolit” denir.
  • Tuz çözeltilerine, tuzun formülündeki metalin çubuğu batırılır.
    • Mesela, tuz çözeltisi ZnSO₄ tuzunun ise, çözeltiye Zn metali batırılır. (ZnSO₄ çözeltisinde, Zn²⁺ iyonları vardır.)
  • Elektrolit çözeltilere batırılan metallere, “elektrot” denir.
  • Elektrolit tuz çözeltileri arasına da bir “tuz köprüsü” kurulur.
  • Metal elektrotlar, iletken bir tel ile birbirine bağlanır. Bu iletken tele, bir de “Voltmetre“, seri bağlanma ile bağlanır ve bu aşamadan sonra pil kendiliğinden elektrik üretmeye başlar.
  • Pilin ürettiği elektrik akımı, iletken tele bağlanmış bir Voltmetre yardımı ile ölçülür.

Tuz Köprüsü

• Tuz köprüsü, camdan yapılmış ve U şeklinde bir borudur.
• İçinde, NaCl, KCl, NH₄Cl gibi tuzlardan herhangi birinin çözeltisi vardır.
• İki ucu pamuk ile gevşek bir şekilde tıkanmıştır.
• “U” borusu, tuz çözeltisi ile önce ağzına kadar doldurulur sonra iki ucu pamuk ile tıkanır.
• Tuz köprüsünün görevleri şunlardır:
  • Anyonları (- yüklü iyonlar) anota (+ kutup),
  • Katyonları da katota taşır.
  • Bu şekilde pilin devresi tamamlanmış olur.

Anot ve Katot Kutupları

• Galvanik hücredeki iki kaptan her birine bir “yarı hücre” denir.
• Bir yarı hücrede şunlar bulunur;
  • bir elektrot (metal çubuk),
  • bir elektrolit çözelti ve
  • bu çözeltiye daldırılmış şekilde tuz köprüsünün bir ucu bulunur
• Yarı hücrelerden biri, galvanik hücrenin “anot kutbu“, diğeri de “katot kutbu” olarak çalışır.
• Anot yarı hücresi pilin artı kutbudur.
• Katot yarı hücresi pilin eksi kutbudur.
• Anot yarı hücresinde, yükseltgenme yarı tepkimesi gerçekleşir.
• Katot yarı hücresinde, indirgenme yarı tepkimesi gerçekleşir.

Aşağıda, çalışan bir Galvanik Hücre örneği verilmiştir:

Anot Yarı Hücresinde Gerçekleşen Olaylar

• Aşağıda verilen parça, Galvanik Hücre‘nin anot yarı hücresidir.

Anot yarı hücresinde şu olaylar gerçekleşir:

• Yükseltgenme yarı tepkimesi gerçekleşir.
  • Zn_(k) →  Zn²⁺_(suda) + 2e^–      E^o = 0,76V
• Anot elektrot (metal çubuk), elektron vererek, yükseltgenir.
• Yükseltgenen elektrot atomları, katyonlara dönüşerek sulu çözeltiye karışır.
• Metal elektrot, yükseltgendiği için zamanla aşınır.
• Metal elektrotun kütlesi zamanla azalır.
• Elektrot atomlarının verdiği elektronlar, iletken telden, katota doğru akar.
• Katyonlar, tuz köprüsünden katota akar.

Katot Yarı Hücresinde Gerçekleşen Olaylar

Aşağıda verilen parça, Galvanik Hücre‘nin katot yarı hücresidir.

Katot yarı hücresinde şu olaylar gerçekleşir:

• İndirgenme yarı tepkimesi gerçekleşir.
  • Cu²⁺_(suda) + 2e^– → Cu_(k)      E^o = 0,34V
• Çözeltideki metal iyonları, elektron alarak, indirgenir.
• İndirgenen iyonlar, metal haline dönüşerek elektortun yüzeyinde birikir.
• Metal elektrot, zamanla kalınlaşır ve kütlesi artar.
• Çözeltideki katyonların verdiği elektronlar, iletken telden, katota doğru akar.
• Anyonlar, tuz köprüsünden anota akar.

Pil (Hücre) Tepkimesi

• Bir galvanik hücrede gerçekleşen redoks tepkimesine “pil tepkimesi” denir.
  • Pil tepkimesi, anot ve katot yarı hücresinde gerçekleşen yarı tepkimelerin toplamıdır.

• Aşağıdaki galvanik hücrenin pil tepkimesi de şöyle olacaktır:

Zn_(k) →  Zn²⁺_(suda) + 2e^–      E^o = 0,76V
Cu_(k) → Cu²⁺_(suda) + 2e^–     E^o = – 0,34V

• Yukarıda verilen galvanik hücrede gerçekleşen anot ve katot tepkimesi ve pil tepkimesi şöyledir:

Pil tepkimelerinin genel özellikleri şöyledir:

• Anot ve katot tepkimelerinin toplamıdır.
  • Anot ve katot tepkimeleri toplanırken elektronlar mutlaka eşit sayıda olmalı ve sadeleşmelidir.
  • Elektronlar eşit sayıda değillerse, yarı tepkimeler uygun katsayılar ile genişletilerek elektronlar eşitlenmeli, ondan sonra toplanmalıdır.
• Bir redoks tepkimesidir.
• Pil tepkimesi bir denge tepkimesidir.
• Pil tepkimesi, ekzotermik bir denge tepkimesidir.
• Pil tepkimesi bir denge tepkimesi olduğu için, Le Chatelier Prensibi, pil tepkimesi için de geçerlidir.
• Pil tepkimesini, ürünlere doğru kaydıran her etki, pil potansiyelini arttırır.
• Pil tepkimesini, girenlere doğru kaydıran her etki, pil potansiyelini azaltır.

Hücre Diyagramı (Hücre Şeması)

• Bir elektrokimyasal hücreyi, şeklini çizmeden tarif etmenin yolu, o hücrenin “hücre diyagramını” yazmaktır.
• Hücre diyagramı için; genellikle, aşağıdaki şablon kullanılır:

Anot elektrot | Anot çözeltisindeki katyon (Derişimi) || Katot çözeltisindeki katyon (Derişimi) | Katot elektrot

• Hücre diyagramın yazılış yönünde şu sıra takip edilmelidir:
  1. Anot tepkimesinin gireni | ürünü
  2. || (Tuz köprüsü)
  3. Katot tepkimesinin gireni | ürünü