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.

Evrim Ağacı'ndan Mesaj

Neden Desteğe İhtiyacımız Var?

Aslında maddi destek istememizin nedeni çok basit: Çünkü Evrim Ağacı, bizim tek mesleğimiz, tek gelir kaynağımız. Birçoklarının aksine bizler, sosyal medyada gördüğünüz makale ve videolarımızı hobi olarak, mesleğimizden arta kalan zamanlarda yapmıyoruz. Dolayısıyla bu işi sürdürebilmek için gelir elde etmemiz gerekiyor.

Bunda elbette ki hiçbir sakınca yok; kimin, ne şartlar altında yayın yapmayı seçtiği büyük oranda bir tercih meselesi. Ne var ki biz, eğer ana mesleklerimizi icra edecek olursak (yani kendi mesleğimiz doğrultusunda bir iş sahibi olursak) Evrim Ağacı'na zaman ayıramayacağımızı, ayakta tutamayacağımızı biliyoruz. Çünkü az sonra detaylarını vereceğimiz üzere, Evrim Ağacı sosyal medyada denk geldiğiniz makale ve videolardan çok daha büyük, kapsamlı ve aşırı zaman alan bir bilim platformu projesi. Bu nedenle bizler, meslek olarak Evrim Ağacı'nı seçtik.

Eğer hem Evrim Ağacı'ndan hayatımızı idame ettirecek, mesleklerimizi bırakmayı en azından kısmen meşrulaştıracak ve mantıklı kılacak kadar bir gelir kaynağı elde edemezsek, mecburen Evrim Ağacı'nı bırakıp, kendi mesleklerimize döneceğiz. Ama bunu istemiyoruz ve bu nedenle didiniyoruz.

Destek Ol

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.

Agora Bilim Pazarı

Bulut Yayınları Felsefe Seti (4 Kitap)

Felsefe Bir Sevinçtir

Felsefe nedir? Bir beyin fırtınası mıdır felsefe, düşünsel anlamda kök sökmek midir, yoksa bir çile çekme yolu mu? Bu sorulara, “Hayır” yanıtını veriyor Afşar Timuçin ve ekliyor: “Felsefe bir sevinçtir! Anakapısını aralayıp da içeri girdiğinizde, bunu siz de onaylayacaksınız. Felsefe bir tutkudur, ona bağlanılır. Felsefe dostunuz olur, ona güvenebileceğiniz… Sıkıştığınızda, ondan sorup öğreneceğiniz konular olduğunu göreceksiniz. Hem de kimsenin size kolay kolay öğretemeyeceği nice konular… “Pekiyi, sevincin kaynağı nedir burada?” Bu soruya da Timuçin, “Bilinçle yapılan felsefe bir sevinçtir!” yanıtını veriyor. “Bilinçsizce yapılan felsefe sıkıntılar getirebilir; ama bilinçli yapılan sevinçtir!”

Felsefenin Önceliği Bilgi Sorunu 

Bu kitap dört ayrı yazıdan oluşuyor. Birbirinden bağımsız olan bu yazılar arasında ortak bir yan var. Bu ortak yan felsefenin dört temel alanının sorunlarını bilgi açısından tartışıyor olmakla ilgilidir. Bilgi sorunları felsefede önceliklidir. Bugünün darmadağın olmuş felsefe dünyasında bunun böyle olmadığını görüyoruz. Felsefe dediğimiz bilgi alanı felsefeyle çokça ilgisi olmayan felsefe uzmanlarının eline geçeli beri bilgi sorunları unutulmuş görünüyor. Bu kitabın birinci yazısında felsefenin temel konusu olan bilgikuramının ne olup ne olmadığı ve felsefe tarihi boyunca nasıl bir gelişim gösterdiği tartışılıyor. İkinci yazı özgül bir konu çerçevesinde toplumda bilgi sorunlarını irdelerken tarihsel olayların tanıklığına da başvuruyor. Üçüncü yazı estetiği ele alıyor. Estetiğin uzunca bir zamandır felsefenin yöntemleriyle düşünmeyi bırakıp kendi yöntemlerini bulmuş ve belli bir bilimsellik değeri kazanmış olması estetikçinin sorunlara aynı zamanda felsefenin gözleriyle bakmasını engellemez. Estetik uzun zaman felsefenin bağrında yaşadı ve günü gelince ondan ayrılıp kendi alanını oluşturdu. Dördüncü yazımız ise ahlakla ilgilidir. Ahlak felsefeyle bağlarını koparmış değildir, koparacak gibi de görünmüyor. Onu felsefenin bir dalı olarak belirlerken felsefeyi başlıbaşına bir ahlak diye değerlendirmek yanlış olmaz.

Bilim ve Felsefe Açısından Ruhsallık Bilgileri

Afşar Timuçin ile birlikte ruhbilim alanında değerli araştırmalar yapan Cemal Dindar ve Yavuz Erten’in editörlüğünde Ruhbilim ile Felsefe arasındaki ilişki irdeleniyor. Ruhbi­lim alanın­da epey­dir bir ça­tışkı ya­şa­nı­yor. Bu ala­nın kav­ram­la­rı ne­re­dey­se kah­ve soh­bet­le­ri­ne gir­miş ve ko­nuş­ma di­li­nin bir par­ça­sı ol­muş du­rum­da: Duy­gu­sal aç­maz­lar ya­şa­yan in­san­lar ar­tık nev­ro­tik”, kı­lı kırk ya­ran­lar ­agse­sif”, ke­der­li in­san­lar dep­re­sif”, sık gün­de­me ge­len de­ğer­ler kar­ma­şa­sı do­la­yı­sıy­la top­lu­mu­muz şi­zof­ren”, şa­ka­nın do­zu art­mış soh­bet­ler­de kah­ka­ha­yı ba­san­lar ma­nik”…  tir­ya­ki­lik terk edi­le­li çok ol­du, si­ga­ra­nın, al­ko­lün ve bi­li­mum baş­ka­ca şey­le­rin ar­tık “ba­ğım­lı­lı­ğı” var vs… Kav­ram­lar, ko­nuş­ma di­li­ne ve or­tak­du­yu­ya bu den­li gir­miş­ken, ruh­bi­li­min ve asıl, top­lu­mun bu alan­da­ki bil­giy­le kar­şı­laş­ma­sı­nın ana ka­nalı olan psi­ki­yat­ri­nin tu­tu­mu ga­rip çe­liş­ki­ler içe­ri­yor. Son 20-30 yıl için­de bu alan­da ye­ğin bir in­dir­ge­me­ci­lik ya­şa­nı­yor; ruh­sal­lık ile il­gi­li zor­lan­ma­la­rın, ra­hat­sız­lık­la­rın, has­ta­lık­la­rın bi­yo­lo­jik yanı  üze­rin­de da­ha faz­la du­ru­lu­yor ve bu bi­yo­lo­jik be­lir­le­yi­ci­li­ğin gü­cüy­le, psi­ki­yat­rist­ler, kim­de, ne­re­de bir ruh­sal ra­hat­sız­lık keş­fet­se­ler akıl­la­rı­na he­men bir ilaç adı ge­li­yor, ruh­bi­lim­ci­ler ise sık­lıkla te­ra­pi uy­gu­la­ma­la­rın­da zor­lan­ma ya­şa­dık­la­rın­da ilaç­la­rı” dev­re­ye so­ku­yor­lar.”

Felsefe Sözlüğü

Düşünen insanların dünyasında felsefe sözlüğü vazgeçilmez bir alettir. Gönül ister ki her ülkede ya da her dilde sekiz on felsefe sözlüğü yazılmış olsun. Felsefe sözlükleri giderek gelişen ve özelleşen ulusal dillerin düşünce anahtarlarıdır, onlarda bir dilin temel kavramlarını tanımlarıyla, açıklamalarıyla, örnekleriyle buluruz. Varlığını düşünceye adamış aydınlar için bir felsefe sözlüğü yaşamsal bir önem taşır. Felsefe sözlüğü felsefe okumalarımızın dayanağıdır. Hızla değişen ya da başkalaşan, yeni görüşlerle yeni bakış açılarıyla zenginleşen bir dünyada sözlüklerin ve ansiklopedilerin yazıldıkları gibi bırakılmamaları, zaman zaman ya da belli zamanlarda yeniden ele alınmaları ve dönüştürülmeleri gerekir. Felsefe konusunda özel bir duyarlığı olan yayınevimiz büyük bir emeğin ürünü olan Felsefe Sözlüğü’müzün yeni baskısını okurlarına ulaştırmanın sevincini yaşıyor. Bunun aynı zamanda tarihimize düşülmüş küçük bir not olduğuna da inanıyoruz.

Devamını Göster

₺450.00

Satın Al Tüm Ürünler

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...