Elektrokimyasal Hücreler: Galvanik Hücreler

Konu Anlatımı

Ne Öğreneceğiz?

Bu konuda elektrokimyasal hücreler içinde galvanik çalışan düzenekleri tanıyoruz. Kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüştüğü bu sistemlerde iki yarı hücre, bir dış devre ve bir tuz köprüsü bulunur. Anot ile katot arasındaki potansiyel farkı, elektronların dış devreden anottan katota doğru akmasını sağlar. Bu başlıkta galvanik hücrenin yapısını, kutupların görevlerini, tuz köprüsünün işlevini ve hücre potansiyelinin nasıl hesaplandığını öğreneceğiz.

Ön Bilgi: Yükseltgenme ve İndirgenme

Redoks tepkimelerinde elektron kaybına yükseltgenme, elektron kazancına indirgenme denir. Bir tanecik elektron verdiğinde yükü bir birim artar, elektron aldığında bir birim azalır. Galvanik hücrede bu iki süreç farklı elektrotlarda ve aynı anda yürür; yükseltgenme anotta, indirgenme katotta gerçekleşir. Böylece elektronlar tek yönde hareket edebilir ve devreden akım oluşur.

Yarı tepkime, bir elektrotun çevresinde gerçekleşen ve elektron alışverişi içeren tepkimedir. İndirgenme yarı tepkimesi katotta, yükseltgenme yarı tepkimesi anotta yazılır. İki yarı tepkime toplandığında elektron sayıları eşitlenir ve net tepkime elde edilir.

Galvanik Hücre Nasıl Çalışır?

Galvanik hücre, kendi kendine enerji üreten elektrokimyasal düzenektir; pil ve akü bu sınıftadır. İki farklı yarı hücre, biri yükseltgenme diğeri indirgenme olmak üzere, uygun bir elektrolit çözeltisi içinde hazırlanır. Standart indirgenme potansiyeli daha büyük olan çift katot, daha küçük olan çift ise anot olarak görev yapar. Dış devre kapatıldığında elektronlar anottan katota doğru, hücre içinde ise iyonlar zıt yönlerde hareket eder.

Galvanik hücrede tepkime dışarıdan bir enerji verilmeden başlar. Bunun nedeni, kimyasal potansiyel enerjinin başlangıçta enerji engelini aşacak kadar büyük olmasıdır. Enerji engeli aşıldığında yarı tepkimeler kendiliğinden başlar ve hücre potansiyeli oluşur.

Anot ve Katot: Kutba Bağlı Süreçler

Anot, elektron veren elektrottur; burada yükseltgenme gerçekleşir ve metal çözünerek iyonlaşır. Bu yüzden anotta bulunan elektrot kütlesi azalır ve çözeltide pozitif yük birikir. Katot ise elektron alan elektrottur; burada indirgenme gerçekleşir, çözeltideki iyonlar elektron alarak metalik hâle geçer ve katot kütlesi artar. Katot çözeltisinde ise negatif yük birikir.

Bu iki yük birikimi devreyi kesintiye uğratacağı için yarı hücreler arasında bir tuz köprüsü ya da iyon geçirgen bir membran bulunur. Tuz köprüsü, katyonları anota ve anyonları katota taşıyarak yük dengesini sağlar ve akımın sürmesini engeller.

Tuz Köprüsünün Görevi

Tuz köprüsünün üç temel görevi vardır. Birincisi, iki yarı hücre arasında iyon taşınmasını sağlayarak devreyi elektriksel olarak tamamlamaktır. İkincisi, iki çözeltinin doğrudan karışmasını engelleyerek yarı hücrelerin birbirine karışmasını önmektir. Üçüncüsü, katot ve anotta oluşan yük birikimini nötrleştirerek hücre potansiyelinin sabit kalmasına katkı sağlamaktır.

Tuz köprüsünde kullanılan çözelti, iyonlarını taşıyacak kadar derişik olmalı ve iki yarı hücrenin çözeltileriyle doğrudan tepkimeye girmemelidir. Tuz köprüsü elektron taşımaz; elektronların tek taşıyıcısı dış devredir. Kimyasal etkinliği düşük olan bir tuz, yarı hücre potansiyelini en az etkileyecek şekilde seçilir.

Yarı Hücre Potansiyeli ve Hücre Gerilimi

Yarı hücrenin standart indirgenme potansiyeli, indirgenme yarı tepkimesinin dengeye ulaşma eğilimini gösteren bir ölçüdür. Bu büyüklük eskiden Standart Elektrot Potansiyeli olarak adlandırılırdı. İki ad da aynı sayıyı gösterir; yalnızca hangi yönün esas alındığının vurgulanması bakımından farklıdır. Bazı kaynaklarda Standart Redoks Potansiyeli adı da kullanılır. Bir yarı hücrenin potansiyeli negatif ise kendiliğinden yükseltgenme yönünde eğilim gösterir ve galvanik hücrede anot olur.

Hücre potansiyeli, katot ile anot arasındaki potansiyel farkıdır ve E°hücre = E°katot − E°anot bağıntısıyla hesaplanır. Bağıntıda E°katot indirgenme potansiyeli, E°anot ise o çiftin yükseltgenme potansiyeli olarak kullanılır. Hücre potansiyeli pozitif olan bir düzenek kendiliğinden çalışır; negatif olan düzenekte tepkime için dışarıdan enerji verilmesi gerekir.