Hemen en açıklayıcı şekilde ve elektrokimyasal altyapısını da vererek pil kavramını anlatayım.
1.Bizi pil yapımına götürecek Yükseltgenme-İndirgenme Tepkimesi ve Kaynağı Nedir?
Atomlar , çekirdekleriyle elektronları arasında elektrostatik kuvvetlerinin kararlılığını sağlamak için elektronlarını başka atomlar arasında yerdeğiştirerek belirli tepkimeler yaratırlar ve farklı bileşikler oluştururlar. Bu bileşikler , atomların farklı elektron paylaşımları yada alışverişleriyle kurulduğu için , asıl elektron yapısına göre atomu farklı elektriksel düzeyde tutabilir. (Yani bir atomun aldığı yada paylaştığı elektronların farklı kombinasyonlarda oluşuna göre yük düzeyinin örneğin kimi zaman +3 kimi zaman 4 , 5 olabilmesi) Bu durum , atomun kendisini içeren bileşiklerinin arasında , uygun şartlarda farklı pozisyonlara geçebilmesine yol açar. Yani bileşikler arasındaki elektron alış verişinin aslında bileşiğin içerdiği ortak atomun elektriksel yükün değiştirmesine yol açar. Bu yüzden bir atomun yük artışı diğerinin eksiltilmesiyle sonuçlanır.
2.Bir Yükseltgenme-İndirgenme Tepkimesi Nasıl İşleyebilir ve Önemli Şartları Nedir ?
Örnek : Organik Bileşik Yükseltgenmesi (Alkan -> Alkol geçişi)
H2C=CH2 Yapısının H3O+ (hidronyum) ile karşılaştığını düşünelim. Hidronyumun oksijeni pozitif durumdadır , proton fazlalığını (hidrojenlerinden birini) karbon bağına bırakmak isteyecektir. Çift bağın uzunluğundan ve karbonun elektron yoğunluğunu üzerinde tutmasından ötürü bu yavaş da olsa olası bir durumdur. Sonrasında bağın iki tarafından biri pozitif karbon içerir hale gelir. Etraftaki bir su molekülünün elektron yoğunluğu yüksek olan oksijeni , hemen bu pozitif karbon yapısını tutmak isteyecektir. Bu sayede oksijen kısmen pozitif yüklenir ve bir hidrojenini , başka su molekülüne bırakarak onu hidronyuma çevirir. Böylece H2C-OH yani alkol elde edilir.
Birinci bileşikteki karbonun elektriksel durumu , -2 iken alkole çevrilince -1 olduysa yükseltgenmiş demektir. Bu hikayenin içeriği elektron aktarımı için elektronegatiflik farkları ve elektron aktarımları için bir katalizörden ibarettir.
3.Yükseltgenme ve İndirgenmeyi Kullanarak Nasıl Bir Gerilim Kaynağı Yaratıyoruz ?
Eğer bu yükseltgenme veya indirgenme durumunu istemli bir şekilde yani dış etki olmaksızın gerçekleştirme eğilimi olan bir tepkime yaratabilirsek o zaman elektron vericisi/alıcısı yaratmış oluruz. Eğer her iki türü aynanda istemli şekilde barındıran bir düzeneğimiz olursa o zaman kendiliğinden elektron iletimi yaratan bir sistem kurabiliriz. (Yani akım oluşturabiliriz !)
Bunun için elektron alıp anyon oluşturacak bir atom ile bunun anyonunun bulunduğu bileşik ve elektron verip katyona çevrilecek bir atom ve bunun katyonunun bulunduğu bileşik gerekiyor. Bu iki atomun ilgili bileşikleri bize bu sistemin bütünleşeceği ve olası pil kaynağının iki ucunun birleşeceği noktayı yaratacak. Şu şekilde :
A(0) + 2e- ----> BA
C(0) ------> C(+2) + 2e-
BA 'nın bulunduğu bölgeye B kaynağı vermeliyiz ki yeni indirgenecek A'ların tepkimeyi sürdürebilmesini sağlasın. Ayrıca C için de yine bir anyon kaynağımız olmalı (X diyelim). Bu kaynakları da iki tepkimenin olduğu bölgeleri bağlayan bir hatta vermeliyiz - mesela BX gibi bir tuz formunda bunu sağlayabiliriz.
4.Bu Gerilim Kaynağı (Yani Pilin) Gerilimini (Voltajını) Ne Belirliyor ?
Gerilimi , yani potansiyel farkı , aslında elektronların oluşturulabildiği indirgenme/yükseltgenme tepkimelerinin tepkime enerjileri belirler.
Tepkimenin kullanıma hazır sunduğu enerji değişimi (Gibbs Serbest Enerjisi) , elektronların miktarı ve 1 mol miktardaki elektronun yüküyle orantılı şekilde bir tepkime gerilimi yaratır. [ deltaG = -nFE denkleminde E standart tepkime potansiyelidir , birimi volttur.]
Tepkimenin kullanıma hazır enerji değişimini , tepkimenin düzensizliğe olan eğilimi (entropi) ve bağ enerjilerinden doğan ürün-giren arası enerji farkları (entalpi) ve sıcaklık belirler.
Birimi Volt olan bu standart tepkime potansiyelinin , bizim üreteceğimiz pilin indirgenme ve yükseltgenme olaylarının ayrı tepkime kısımları için değerlerinin net tepkimedeki toplamı pilin gerilimini (Voltajını) belirler.
Yani gerilim , yüks.-ind. tepkimelerinin elektronlarına atfettiği enerjiye dayanır. Bu atfedilen enerji bağların enerjisiyle ilintilidir , bağlardaki enerjinin de atomların yükleri ve çaplarıyla alakalı olan temel Coulomb kuvvetiyle ilintili olduğunu biliyoruz. Yani tüm olayın aslında elektrostatiğin sonucu olduğunu söyleyebiliriz :)
5.Peki Pil nasıl doldurulur da tekrar enerji depolamaya hazır hale getirilir?
Eğer tepkime düzeneğinin her iki fazına gerilim uçları bağlarsanız , tepkimeleri tersine çevirerek baştaki kullanıma uygun hale sokarsınız. (Şarj Edilebilir Piller)
Tüm kullandığımız Ni-Cd , Li-İyon , Pb-Asit , Zn-C pillerin altında aynı yapı yatar.
Kaynaklar
- Yazar Yok. Standart Elektrot Potansiyeli , Vikipedi. (21 Nisan 2020). Alındığı Tarih: 21 Nisan 2020. Alındığı Yer: Bağlantı | Arşiv Bağlantısı
