Elektrokimyasal Piller Nasıl Çalışır? Galvanik (Voltaik) Hücrelerin Çalışma Prensipleri Nelerdir?

Elektrokimyasal piller, kimyasal enerjiden elektrik enerjisi üretebilen veya elektrik enerjisiyle kimyasal tepkime başlatabilen sistemlerdir. Elektrokimyasal pillerin bir türü olan galvanik hücrelerden bu yazımızda, 2019 Nobel Kimya Ödülü'nün lityum-iyon piller üzerine araştırmalara verildiğinden burada bahsetmiştik. Şimdi, bu pillere biraz daha detaylı bir bakış atacağız.

Pixabay

Galvanik (Voltaik) Hücreler

Galvanik hücreler, kimyasal enerjiden elektrik enerjisi üretebilen piller kapsamındadırlar. Galvanik hücrede gerçekleşen indirgenme ve yükseltgenme tepkimeleri sayesinde elektrik akımı elde edilir. Akü ve piller, galvanik hücrelere iyi birer örnektir. Aşağıdaki grafik, galvanik hücrelerin çalışmasını mümkün kılan kimyasalları ve bunların ne tür bir düzen içinde yerleştirildiğini özetlemektedir.

ScienceABC

Bu sistemi ilk defa görüyorsanız, korkmayın. Dışarıdan çok karmaşık gibi gözükse de, öyle değil. Teker teker açıklamaya çalışacağız.

Solda gördüğünüz yarı hücre anottur. Yani (-) yüklü kısım. Bu kısımda yükseltgenme gerçekleşir. Görüldüğü üzere çinko yüksüz haldeyken Zn²⁺ haline gelir ve ortama 2 serbest elektron verir. Elektron vermesine bağlı olarak yükü pozitif olacak biçimde arttığından, bu tepkimeye "yükseltgenme tepkimesi" deriz. Katı çinkonun kaynağı elektrot olduğu için, bu kısımdaki çinko elektrotun zamanla aşınacağını söyleyebiliriz.

Sağda gördüğünüz yarı hücre ise katottur. Yani (+) yüklü kısım. Bu kısımda da indirgenme gerçekleşir. Cu²⁺ iyonları ortamda bulunan 2 serbest elektronu yapısına katarak yüksüz katı bakır oluşturur. Elektron almaya bağlı olarak yükü negatif olacak biçimde azaldığından, bu tepkimeye "indirgenme tepkimesi" deriz. Bu durumun sonucunda ise, bakır elektrot üzerinde katı bakır toplanacaktır.

Tuz köprüsünün amacı ise yük denkliğini sağlayarak hücrenin çalışmasını sağlamaktır.

• Anot: Zn(k) → Zn²⁺ +2e^-
• Katot: Cu²⁺ + 2e^- → Cu(k)
• Net tepkime: Zn(k) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(k)

Bu olayların sonucunda da devreye bağlanan ampul yanacaktır.

"Peki hangi elementin indirgeneceğini veya yükseltgeneceğini belirleyen kriter ne?" diye sorduğunuzu duyabiliyoruz. Bunun da bir cevabı var. Bu soruya cevap verebilmemiz için önce "indirgenme potansiyeli" kavramını irdelemeliyiz.

İndirgenme Potansiyeli (E⁰)

İndirgenme potansiyeli, kısaca, standart koşullarda elektrotta oluşan indirgenme eğilimidir. Bu sebeple indirgenme potansiyeli yüksek olan element, daha kolay indirgenecektir.

Örnek olarak kullandığımız hücreyi incelersek E⁰ değerleri tepkimelerin altında yer almaktadır. Bakırın E⁰ değeri -0.34V iken, çinkonun indirgenme potansiyeli (indirgenme potansiyelinden bahsediyoruz fakat çinkonun altında yükseltgenme potansiyeli yazıyor) ise -0.76V. Bakırın indirgenme potansiyeli yüksek olduğu için bu hücrede bakır indirgenecektir.

Elektrolitik Hücreler

Galvanik hücrelerin aksine elektrolitik hücreler, elektrik enerjisi kullanarak kimyasal tepkimeleri meydana getirirler. Yani istemli bir şekilde gerçekleşmeyecek pil tepkimesinin çalışmasını sağlarlar.

Chemistry LibreTexts

Hücre şekli galvanik hücreyle aynıdır ama ampul yerine tepkimeyi başlatabilmek için bir güç kaynağı koyulur. Böylece istemli bir şekilde gerçekleşmeyecek tepkimeler gerçekleştirilmiş olur.

İstemlilik ve İstemsizlik

İstemlilik ve istemsizlik, bilimde kullanılan çok önemli kavramlardır. Bir tepkimenin kendiliğinden gerçekleşip gerçekleşmeyeceğini öngörmemizi sağlar. Bunun için de Gibbs serbest enerjiden yararlanılır.

Gibbs serbest enerjisi, Jossiah Willard Gibbs tarafından bir sistemin kendiliğinden gerçekleşip gerçekleşemeyeceğini öngörmek için tanımlanmıştır. Maalesef, Gibbs, kendi zamanında hak ettiği değeri görememiştir. Halbuki buluşu, termodinamik için devrim niteliğinde bir buluştu. Gibbs serbest enerjisi şöyle ifade edilir:

$G=H-TS$

$H$ entalpiyi, $T$ sıcaklığı, $S$ ise entropiyi temsil etmektedir.

Kimyasal süreçlerde genellikle değişim incelenir. Bu yüzden Gibbs serbest enerji ifadesi çoğunlukla şu şekilde kullanılır:

$\Delta G^0=\Delta H^0-T\Delta S^0$

• ΔG⁰ < 0 ise tepkime kendiliğinden gerçekleşir.
• ΔG⁰ > 0 ise tepkime kendiliğinden gerçekleşmez.
• ΔG⁰ = 0 ise tepkime dengededir.

Pilimiz için de bu eşitliği kullanamayız. Bu sebeple bu ifadeyi elektrokimyasal pillere uyarlamalıyız. Sizi matematiksel detaylarla sıkmamak adına ara basamakları es geçiyoruz. Uyarlanmış Gibbs enerjisi ifademiz:

$\Delta G^0=-nF{E}_{\text{pil}}^0$

$n$, akan mol elektron sayısı, $F$, Faraday sabiti (1 mol elektronun toplam elektriksel yükü), $E_{\text{pil}}^0$ ise pil potansiyelidir.

Tepkimenin gerçekleşip gerçekleşmeyeceğini öngörmek için önce E⁰_pil değerini hesaplamamız gerekir. Bu değer, katotun indirgenme potansiyelinden anotun indirgenme potansiyeli çıkartılarak bulunur.

$E_{\text{pil}}^0=E_{\text{katot}}^0-E_{\text{anot}}^0$

Eğer elde edilen sonuç pozitif ise pil kendiliğinden çalışır. Çünkü ΔG⁰ değeri sıfırdan küçük olacaktır. Negatif ise kendiliğinden çalışmaz ve bu pili çalıştırmak için dışarıdan müdahalede bulunmak gerekir.

Hücre Diyagramı

Elektrokimyasal piller, kolaylık olması için diyagramlarla gösterilir. Çünkü her seferinde pili çizecek olsaydık bu çok uzun sürerdi. Bu diyagramlar, hücrelerin tanımını basitleştirmek için kullanılırlar. Örneğin ilk örnekte bahsedilen pilin gösterimi şu şekildedir:

$Zn(k)|Z{n}_{suda}^{2+}||C{u}_{suda}^{2+}|Cu(k)$

Hücre diyagramını yazarken önce anot sonra katot yazılır. "|" faz sınırı, "||" ise tuz köprüsü anlamına gelir.

Sonuç

Elektrokimyasal piller, göründüklerinin aksine anlaşılması zor sistemler değildir. Sadece diğer her şey gibi biraz ilgi isterler. Onlara yaklaşıp, ne anlatmak istediklerini anlamak istemek yeterlidir. Diğerlerinin aksine sizi asla yarı yolda bırakmazlar. Tabii araba akünüz ömrünün sonuna gelmiş durumda değilse...