ELEKTROKİMYA
Dr. Fatih Büyükserin
ELEKTROKİMYA
•Normalde moleküller/iyonlar arasında gerçekleşen kimyasal
reaksiyonların (redoks) dış bir elektrik devresi vasıtasıyla bir enerji
kaynağı oluşturdukları (voltaj kaynağı, pil) ya da
•Endüstriyel öneme sahip kimyasalların üretimi için dışarıdan
elektrik enerjisi verilerek yapılmaya zorlanan kimyasal tepkimeleri
içerir
•Pekçok farklı uygulama alanı mevcuttur
•Piller – Yakıt hücreleri
•Bilgisayar devrelerinin oluşturulması
•Galvanizleme Korozyon
•Metal Kaplama
REDOKS ve ELEKTROKİMYASAL HÜCRE TEPKİMELERİ
Elektrokimyasal Hücre Reaksiyonları
Redoks tepkimesi
fineartamerica.com
web.eng.fiu.edu
REDOKS TEPKİMELERİNİN DENKLEŞTİRİLMESİ
Ör1:
Elektrokimyasal Hücreler ve Volta Pili
İki tip elektrokimyasal hücre vardır
-Volta hücresi: Kimyasal enerji elektrik enerjisine dönüştürülür. Bu şekilde
enerji kaynağı olarak üretilen pile volta yada galvanik pil denilir
-Elektroliz hücresinde endüstriyel öneme sahip kimyasal reaksiyonları dışarıdan
elektrik Enerjisi vererek (voltaj uygulayarak) olmaya zorlarız
sciencetess.wordpress.com
VOLTA PİLİ
Neden gerçekleşiyor?
VOLTA PİLİ
•Biraz önce kendiliğinden gerçekleşen
tepkimeyi yandaki şekilde birleştirerek bir
devre oluşturduğumuzda bir enerji
kaynağı elde ederiz
•Bu devrede elektrotlar kendi tuzları
içerisinde metallerdir
•Kendi tuzu içinde olmak zorunda
değil (Hidrojen elektrotta Pt metali
vardır)
•Anod her zaman yükseltgenmenin
olduğu elektrodtur
•Hem volta hücresinde hem
elektrolitik hücrede
•Yükü değişir
•Katod her zaman indirgemenin
gerçekleştiği elektrodtur
•Hem volta hücresinde hem
elektrolitik hücrede
•Yükü değişir
VOLTA PİLİ
•Elektronların kendiliğinden hareketi bir enerji kaynağı oluşturur
•Elektronları bir potansiyele karşı hareket ettirmek, bir enerji kaynağının kullanımını gerektirir
•Tuz köprüsünün işlevi devreyi tamamlamak ve de iyon denkliğini sağlamaktır
VOLTA PİLİ
•Solda anot ve yükseltgenme reaksiyonu
•Sağda katot ve indirgenme reaksiyonu
•Ortada bariyer tuz köprüsü, dikey çizgiler faz farkını sergiler
VOLTA PİLİ
•Herhangi bir Volta pilinin standart hücre potansiyeli:
•Anotta olan standart yükselgenme potansiyeli ile
•Katotta olan standart ingirgenme potansiyeli toplamına eşittir
•Standarttan kasıt çözeltiler için 1M derişim, gazlar için 1 atm basınçtır
•Bizim örneğimiz için
Zn (k)

Cu 2+ (aq) (1M) +
2eE0hücre = 1.1 V
Zn+2 (aq) (1M)
+

Cu (k)
2e-
(0,76 V)
(0,34 V)
VOLTA PİLİ
•Herhangi bir Volta pilinin standart hücre potansiyelinin hesabı bazı kaynaklarda aşağıdaki
şekilde hesaplanmaktadır
•Tablolar genellikle standart indirgenme potansiyeli değerlerini içerdiğinden
Zn (k)
Cu 2+ (aq) (1M) +

2e-
Zn+2 (aq) (1M)
+

Cu (k)
2e-
(0,76 V)
(0,34 V)
E0hücre = E katot – E anot = E 0Cu+2/Cu - E0Zn+2/Zn = 0,34- (-0,76) = 1,1 V
•İlk gösterimle hata ihtimali daha düşük
•Peki konsantrasyonlar 1 M ya da basınçlar 1 atm olmak zorunda mı?
•Çoğu kez değildir ve Nernst denklemi kullanılır
•Eğer tepkenler standard koşullarda ise standard elektrod potansiyelleri
kullanılır ve çıkan Epil = E0pil = E0hücre dir.
•Ör2: Cl2(g) in Fe 2+ (aq) yi Fe 3+ (aq) e yükseltgediği tepkime için E0pil nedir?
STANDART YARI HÜCRE POTANSİYELLERİ
•Cu 2+ (aq) (1M) + 2e
Cu (k)
(0,34 V)
•Bu yarı tepkimelerin potansiyelleri bir referans yarı hücre ile ölçülür
•Tek bir yarı hücre için potansiyel (E) değeri yoktur. Bir devrenin
tamamlanması gerekir!
STANDART YARI HÜCRE POTANSİYELLERİ
E0hücre = E0 indirgenme
Herhangi bir sistem için yarı hücre potansiyeli hidrojen
elektrodun potansiyeli 0 V alınarak bu şekilde hesaplanmaktadır.
VOLTA PİLİ
BİRİMLER TUTUYOR MU?
Voltaj ürettiğimiz bir sistemin kendiliğinden olması gerekir
METALLERİN ASİT İÇİNDE ÇÖZÜNMESİ
M (k) + 2H+  M+2 + H2 (g)
E0hücre = E0 indirgenme + E0 yükseltgenme
Hangi metallerde çözünme kendiliğinden olur?
Ör 3: Bilinmeyen tepkimenin standard elektrod potansiyeli bilinen değerlerden
bulunabilir mi?
Fe 2+ (aq)
+
2e-

Fe (k)
E0= -0,44 V
Fe 3+ (aq)
+
e-

Fe 2+ (aq)
E0= 0,771 V
Fe 3+ (aq)
+
3e-

Fe (k)
E0= ?
KONSANTRASYONUN POTANSİYELE ETKİSİ
Q Tepkime katsayısı, denge işlenirken herhangi
bir andaki denge sabiti şeklinde gösterildi
Nernst Eşitliği
Zn(k) + Cu2+ (1M)  Cu (k) + Zn2+ (1M)
1.1 V
Zn(k) + Cu2+ (2M)  Cu (k) + Zn2+ (1M) 1.142 V
Artan tepkenle ileri yönde tepkime ve potansiyel
artışı
Aynı mantıkla bir elektokimyasal hücre
tepkimesi için denge sabiti de hesaplanabilir
Denge anında ileri ya da geri yönde istemlilik yok,
potansiyel üretimi yok Ehücre = 0
KONSANTRASYONUN HÜCRELERİ
Aynı yari hücreler farklı potansiyellerde iyon içerirse değişik bir volta hücresi oluşturmuş oluruz
E0 =? , Q = ?
Kaplan
0,1 M CuSO4 0,2 M CuSO4
Denge sağlanana kadar potansiyel üretir
pH metrelerin çalışma prensibidir, ölçülen voltaj bilinmeyen çözeltideki proton derişimini bildirir
İSTENMEYEN VOLTA HÜCRESİ - KOROZYON
•Hava varlığında (oksijen ve su) demir yavaş yavaş tükenir
Fe  Fe+2 + 2 eO2 (g) + 2H2O (s) + 4 e-  4 OH•Önlemek için galvanizleme, Zn ile demirin kaplanması, elektron kaynağı olarak demirin
bozunmasına gerek yok Zn bozunması e kaynağıdır, Zn+2 bazik ortamda kararlı tuzlara
dönüşür ve altındaki metali uzun süre korur, sade demir varlığında pas oluşur, pul pul atması
her an taze demir kaynağı doğurur
www.frmartuklu.net
•Gemilerde tonlarca Mg feda ediliyor.
ELEKTROLİZ HÜCRESİ
•Volta hücresinde elektronları ters yönde hareket ettirmek için
•Yani bakırdan çinkoya doğru hareket ettirmek için 1.1 V enerji vermek gerekmektedir
•Bu durumda anotta bakır yükseltgenirken katotta çinko ingirgenecek ve E0hücre = -1,1 V olur
•∆G > 0, tepkime kendiliğinden olmaz, dışardan enerji gerekir
•Voltaj sayesinde neredeyse dilediğiniz metalle iletken bir yüzeyi kaplayabilirsiniz
•Pekçok endüstriyel uygulaması vardır
•Elektrokaplama, elektrosaflaştırma, elektroliz…
•Ör:
e-
Download

Ders 3 - fbuyukserin.at.etu.edu.tr