Kimya ve Elektrik → 3. Bölüm

Dersin Özellikleri:

• Seviye: Hiç Bilmeyenler İçin
• Gerekli Bilgiler:
  • Kimya ve Elektrik – II. Bölüm
• Öğretmen:
  • Muzaffer KAYA

Anlatılacak Başlıklar*:

• Elektrot Potansiyelleri (E)
• Standart Pil Potansiyeli (E^o_pil)
• Standart Hidrojen Elektrot
• Metallerin Aktifliği ve Aşınma

* Konu anlatımı, örneklerle zenginleştirilmiştir.

• Galvanik hücrede ANOT ve KATOT’u belirlemek için elementlerin standart elektrot potansiyeli (E^o) değerleri kullanılır.

• Elektrot potansiyeli (E): Bir indirgenme veya yükseltgenme tepkimesinin gerçekleşme eğilimini (isteğini) gösteren değerdir.
  • Standart elektrot potansiyeli (E^o): Standart koşullarda (1 atm dış basınç ve 25^oC sıcaklıkta) hesaplanan E değeridir..
    • Al³⁺ + 3e^– → Al      E^o = -1,66 V
    • Cu → Cu²⁺ + 2e^–     E^o = -0,34 V

• Standart elektrot potansiyeli 2’ye ayrılır:
  1. E^o_ind : Standart indirgenme potansiyeli
  2. E^o_yük : Standart yükseltgenme potansiyeli

1. Standart indirgenme potansiyeli: İndirgenme tepkimesinin E^o değeridir.
   • Bazı atomların E^o değerleri:
     • Al³⁺ + 3e^– → Al      E^o = -1,66 V
     • Cl₂ + 2e^– → 2Cl^1-     E^o = 1,36 V

2. Standart yükseltgenme potansiyeli: Yükseltgenme tepkimesinin E^o değeridir.
   • Bazı atomların E^o değerleri:
     • Al → Al³⁺ + 3e^–      E^o = 1,66V
     • 2Cl^– → Cl₂ + 2e^–     E^o = -1,36V

1. Tepkime bir sayı ile çarpılırsa E^o değeri değişmez:
   • Al³⁺ + 3e^– → Al      E^o = -1,66 V
   • 2Al³⁺ + 6e^– → 2Al      E^o = -1,66 V

2. Tepkime ters çevrilirse E^o değeri işaret değiştirir:
   • Al³⁺ + 3e^– → Al      E^o = -1,66 V
   • Al → Al³⁺ + 3e^–      E^o = 1,66 V

İndirgenme yarı tepkimesini ters çevirirsek yükseltgenme yarı tepkimesi olur!

3. Tepkimeler toplandığında E^o değerleri de toplanır:
   
   
   • 

• E^o değeri ne kadar büyükse:
  • Yarı tepkime o kadar istemli demektir.
  • Elementin o tepkimeye girme eğilimi o kadar çoktur.

Örnek:

• Al³⁺ + 3e^– → Al      E^o = -1,66V
• Zn²⁺ + 2e^– → Zn      E^o = -0,76V
• Cu²⁺ + 2e^– → Cu      E^o = 0,34V

Yukarıda elektrot potansiyelleri verilen metallerin yükseltgenme eğilimlerini karşılaştırınız.

Örnek:

• E_X/X⁺ = 0,55V
• E_Y²⁺/Y = 1,25V
• E_Z/Z²⁺ = -1,34V

Yukarıda elektrot potansiyelleri verilen metallerin:

• İndirgenme eğilimlerini karşılaştırınız.
• Elektron verme isteklerini karşılaştırınız.

Anot ve Katodun Belirlenmesi

• Bir galvanik hücrede, yükseltgenme potansiyeli yüksek olan elektrot anot, indirgenme potansiyeli yüksek olan elektrot katottur.
  • Yani elementler en çok eğilimi olan yarı tepkimeyi verirler.
    • Bu yüzden pil tepkimesi istemlidir.

E^o_pil Hesaplanması

• Anot ve katot tepkimelerinin E^o değerleri ile hesaplanan pil potansiyeline E^o_pil (standart pil potansiyeli) denir.
• 2 şekilde hesaplanabilir:

1. E^o_pil = E^o_{yükseltgenme} + E^o_indirgenme
   veya
2. E^o_pil = E^o_anot + E^o_katot

Örnek:

Ni²⁺_(suda) + 2e^– → Ni_(k)      E^o = -0,25V
Cu²⁺_(suda) + 2e^– → Cu_(k)      E^o = +0,34V

Galvanik hücrenin standart pil potansiyelini hesaplayınız.

Örnek:

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

Galvanik hücrenin standart pil potansiyelini hesaplayınız.

• Elementlerin E^o_ind veya E^o_yük değerlerini hesaplamak için standart hidrojen elektrot kullanırız.
• Standart hidrojen elektrot, standart koşullardaki hidrojen gazı ve platin elektrot ile hazırlanan yarı hücreye denir.
  • Hidrojen atomları platin metalinin yüzeyinde indirgenir veya yükseltgenir.
  • Pt elektrot katalizördür, pil tepkimesinde görünmez, yani inert elektrottur.

• Standart hidrojen elektrotun potansiyeli keyfi olarak sıfır kabul edilmiştir.
  • E_2H⁺/H2 = 0 V
  • E_H2/2H⁺ = 0 V
• Bir elementin SHE ile birlikte oluşturduğu hücrede, elementin E^o değeri, hücrenin E^o_pil değerine eşit olur.

Örnek:

2H⁺_(suda) + 2e^– → H_2(g)      E^o = 0,00V
Cu²⁺_(suda) + 2e^– → Cu_(k)      E^o = +0,34V

Şekildeki galvanik hücre için aşağıda verilenlerden, hangisi ya da hangileri doğrudur. (Cu: 64 g/mol)

I) Dış devrede elektronlar Cu elektrota doğru akar.
II) E^o_pil = 0,34V olur.
III) Pil şeması: (Pt)H_2(g)|H⁺(1M)||Cu²⁺(1M)|Cu şeklindedir.
IV) Pil çalışırken; Cu elektrotun kütlesi 6,4 gram artarsa, normal koşullarda 2,24 L H₂ gazı tükenir.

Örnek:

Şekilde verilen Cd-SHE elektrokimyasal pilinde, Cd elektrotun kütlesi zamanla azalmaktadır. Buna göre;

I) Cd²⁺ ve H⁺ iyonlarının indirgenme potansiyellerini kıyaslayınız.
II) Anot, katot ve pil tepkimelerini yazınız.
III) İkinci kabın pH değeri zamanla nasıl değişir?

• Metaller elektron vererek kararlı bir katyon olurlar.
  • Yani; elektron verme eğilimi arttıkça metalin aktifliği artar.
    • Yani; daha aktif metalin yükseltgenme potansiyeli daha yüksektir.

• Soy metallerin yükseltgenme potansiyeli sıfırdan küçüktür ve hidrojenden daha pasiftirler.
  • Soy metaller: Cu, Ag, Au, Hg, Pt
• Aktif metallerin yükseltgenme potansiyelleri sıfırdan büyüktür.
  • Bazı metallerin aktiflik sıralaması:
    • Na > Zn > Fe > H₂ > Cu > Ag

Örnek:

Al → Al³⁺ + 3e^–       E^o = 1,66V
Cu → Cu²⁺ + 2e^–     E^o = -0,34V
Ag → Ag⁺ + e^–      E^o = -0,80V

Yukarıda yarı tepkimeleri verilen metalleri aktifliklerine göre sıralayınız.

Örnek:

Ca_(k) → Ca²⁺_(suda) + 2e^–      E^o = 2,86V
Cu²⁺_(suda) + 2e^– → Cu_(k)      E^o = +0,34V
Na⁺_(suda) + e^– → Na_(k)      E^o = -2,71V

Yukarıda, yarı tepkimeleri verilen metalleri elektron verme eğilimlerine göre sıralayınız.

Örnek:

X_(k) → X²⁺_(suda) + 2e^–      E^o_X
Y_(k) → Y²⁺_(suda) + 2e^–      E^o_Y
Z_(k) → Z²⁺_(suda) + 2e^–      E^o_Z

Yukarıda, X, Y ve Z metallerinin standart yükseltgenme potansiyelleri verilmiştir.

Bu metallerin, elektron alma eğilimleri Y>X>Z şeklinde ise standart yükseltgenme potansiyellerini sıralayınız.

Örnek:

Verilen şekilde, CuSO₄ çözeltisine batırılmış Ni metali vardır. Aşağıda, Cu ve Ni metallerinin elektrot potansiyelleri verilmiştir.

Ni → Ni²⁺ + 2e^–       E^o = 0,25 V
Cu → Cu²⁺ + 2e^–     E^o = – 0,34 V

Buna göre, bu kapta, Ni çubuk aşınır mı? Aşınma gerçekleşirse, aşınma tepkimesinin denklemini yazınız.

Örnek:

Şekilde verilen kaplar; X, Y ve Z metallerinden yapılmıştır. Kapların içinde ise, bu metallerin sülfat tuzları çözünmüştür. Aşağıda, bu üç metalin elektrot potansiyelleri verilmiştir.

X²⁺_(suda) + 2e^– → X_(k)      E^o = 0,25 V
Y²⁺_(suda) + 2e^– → Y_(k)      E^o = – 1,55 V
Z²⁺_(suda) + 2e^– → Z_(k)      E^o = 0,45 V

Buna göre, hangi çözeltiler bulundukları kapta saklanabilir?

• Bütün Galvanik hücrelerin pil potansiyeli (E_pil), Nernst Eşitliği ile hesaplanır.

Nernst Eşitliği:

• Formüldeki sembollerin anlamı şöyledir:
  • E_pil : Hücrenin pil potansiyeli (Voltajı)
  • E^o_pil : Hücrenin standart pil potansiyeli
  • 0,0592 : Nernst sabitini
  • n : Pil tepkimesi bulunurken sadeleştirilen elektron sayısıdır.
  • Q : Pil tepkimesinin, denge kesridir.

• Denge kesri (Q) şöyle yazılır;
  • Pil tepkimesinin denge bağıntısıdır.
  • Pil tepkimesindeki ürün ve girenlere bakılarak yazılır.
  • Katı ve sıvılar dikkate alınmaz.
  • Formülü şöyledir:

Örnek:

Şekilde verilen hücrenin pil potansiyel (E_pil) değerini hesaplayınız.

• Derişim pillerinde:
  • Farklı olan tek şey, yarı hücrelerin elektrot çözeltilerinin derişimleridir.
  • Galvanik hücre, derişim farkıyla çalışır.
  • Derişimi az olan yarı hücre ANOT görevi yapar.
  • Derişimi çok olan yarı hücre KATOT görevi yapar.
  • Derişim farkı arttıkça, pil potansiyeli yükselir.
  • Pil çalışırken, zamanla, derişim farkı azalır.
  • Derişimler eşitlendiğinde, derişim pili bitmiş olur.
  • E^o_pil değerleri her zaman sıfırdır.
  • Pil potansiyelleri Nernst Eşitliği ile hesaplanır:

Örnek:

Şekilde verilen Galvanik Hücre ile ilgili olarak, aşağıdaki yargılardan hangisi ya da hangileri doğrudur?

I) Pil potansiyeli olarak 0,03V’tur.
II) Elektronlar 1. kaptan 2. kaba doğru akar.
III) 2. kaba, 450 mL saf su ilave edilirse E_pil = 0 olur ve pil durur.
IV) 1. kaba saf su ilave edilirse, pil potansiyeli artar.
V) 1. kaba CuCl₂ tuzu ilave edersek, pil potansiyeli artar.
VI) 2. kapta Cu²⁺_(suda) + 2e^– → Cu_(k) yarı tepkimesi gerçekleşir.
VII) 1. kaba 0,09 mol CuCl₂ tuzu eklenip tamamen çözünürse, E_pil = 0 olur.

• Pil tepkimesi:
  • bir denge tepkimesidir.
  • ekzotermiktir; elektrik enerjisi üretir.

• Pil tepkimesi bir dengesi tepkimesi olduğundan:
  • Bütün denge tepkimeleri gibi, Le Chatelier Prensibi‘ne göre hareket eder:
    • Ürünler yönüne kayarsa, pil potansiyeli artar.
    • Girenler yönüne kayarsa, pil potansiyeli azalır.
    • Anot elektrotu ya da katotta indirgenen iyon tükendiğinde pil bitmiş olur ve şarj edilmesi gerekir.

1. Sıcaklık Etkisi

• Pil dengesi ekzotermik bir denge tepkimesi olduğundan;
  • Hücrenin sıcaklığı:
    • Artarsa, denge, girenlere kayar ve pil potansiyeli azalır.
    • Düşerse, denge ürünlere kayar ve pil potansiyeli artar.

2. Derişim

• Anot derişimi ürünlerin derişimdir.
  • Arttıkça:
    • Denge girenler kayar.
    • Pil potansiyeli azalır.
• Katot derişimi girenlerin derişimidir.
  • Arttıkça:
    • Denge ürünlere kayar
    • Pil potansiyeli artar.

3. Basınç

• Sadece gazlı tepkimelerde etkilidir.
  • Basıncı artan gaz dengeyi karşıya, azalan gaz kendine çeker.

4. Metal Elektrotlar

• Katı ve sıvılar dengeyi etkilemediğinden, elektrot olarak kullanılan metallerin kütlesi ve yüzey alanının değişmesi gibi değişikler, dengeyi etkimez.

Örnek:

Şekilde verilen elektrokimyasal pille ilgili,

I.    Pil potansiyeli 1,932 V olur.
II.   Zamanla Mg elektrodun kütlesi azalır.
III.  Katot yarı hücresinde Cr²⁺ derişimi artar.
IV.  Ag elektrot Fe metali ile kaplanır.

yargılarından hangileri doğrudur?

Örnek:

Şekilde verilen sistemdeki metallerin aktiflikleri Mg > Cu > Ag şeklindedir.

Buna göre aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? 

(MgS için K_çç=10^-12 )

A) Anotta  Mg → Mg²⁺ + 2e^– yarı reaksiyonu gerçekleşir.

B) Dış devreden elektronlar Mg elektrottan Cu elektrota doğru akmaktadır.

C) Elektrik akımı I. kaptan II. kaba doğrudur.

D) Katotta ilk önce Cu²⁺ + 2e^– → Cu yarı reaksiyonu gerçekleşir.

E) II. kaba (NH₄)₂S katısı eklendiğinde pil potansiyeli artar.

• Galvanik hücreleri şarj etmek için üreteç takılır.
  • Üretecin potansiyeli pil potansiyelinden yüksek olmalıdır.
• Şarj esnasında:
  • Hücre elektrolitik hücre adını alır.
  • İstemsiz bir redoks gerçekleşir.
  • Anot ve Katot yer değiştirir.
  • Anot-katot olayları değişmez.
  • Üretecin kutupları buna göre takılmalıdır.