1. Bikifi
  2. Lise Ders Notları
  3. Kimya Ders Notları
  4. Elektrot Potansiyelleri

Elektrot Potansiyelleri

Elektro-analitik çalışmalarda bir hücre potansiyelinin iki yarı-hücre veya elektrot potansiyellerinden oluştuğu kabul edilir. Bunlardan biri katot diğeri anotun elektrot potansiyelleridir.

Standart Elektrot Potansiyeli

Bir yarı hücredeki elektrodun potansiyeli deneyle veya teorik olarak ölçülemez. Çünkü yarı hücre tepkimeleri tek başına gerçekleşmez. Yükseltgenmenin gerçekleşmesi için indirgenmeye, indirgenmenin gerçekleşmesi için de yükseltgenmeye ihtiyaç vardır. Bu çıkmazdan kurtulmak için bir referans elektrot seçmek ve bu elektrot potansiyelini kabul görmüş bir değerle ifade etmek yoluna gidilmiştir. Bir elektrodun potansiyeli, referans elektrot ile hazırlanan elektrokimyasal hücrenin potansiyelinin ölçülmesiyle hesaplanabilir.

Uluslararası Temel ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) tarafından referans elektrodu olarak hidrojen elektrodu seçilmiştir ve bu elektrodun standart elektrot potansiyeli sıfır (0) volt olarak kabul edilmiştir. Standart hidrojen elekrodu, 25 °C’de 1M H+ iyonu içeren asit çözeltisindeki platin elektrot üzerine 1 atm basıncında H gazı gönderilmesi ile oluşturulur.

Standart şartlarda (25 °C, 1atm ve 1 M çözelti) bir elektrotta oluşan indirgenme eğiliminin ölçüsüne standart elektrot potansiyeli denir ve bu potansiyel €€{E^0}€€ ile gösterilir. Standart elektrot potansiyelleri her zaman indirgenme şeklinde yazılır. Bu nedenle standart indirgenme potansiyeli şeklinde de isimlendirilir. Aynı zamanda her elektrodun standart potansiyeli o elektrodun elektron çekme gücünün ölçüsüdür.

Standart hidrojen elektrodu diğer tüm elektrodların standart elektrot potansiyellerini bulmak için kullanılır. Herhangi bir elektrot, standart hidrojen elektrodu ile birleştirilerek bir elektrokimyasal hücre yapılır ve bu hücrenin standart potansiyeli ölçülür. Hidrojen elektrodunun standart indirgenme potansiyeli diğer elektrodun standart indirgenme potansiyeline eşit olur.

Zn elektrodun standart indirgenme potansiyelini belirlemek için bir düzenek kurulmuştur ve voltmetre değeri 0,763 V olarak ölçülmüştür.

Elektrot Potansiyelleri

Hazırlanan galvanik hücrede Zn elektrodun yüzeyinde aşınma olduğu gözlenir. Bu aşınma, Zn metalinin €€Zn^{2+}€€ iyonlarına yükseltgenmesinden kaynaklanır. Yükseltgenmenin olduğu elektrot anot, indirgenmenin olduğu elektrot katottur.

Yarı hücrelerdeki tepkimeler ve hücrenin denklemi şu şekildedir:

Elektrot Potansiyelleri

Hidrojen elektrodun standart indirgenme potansiyeli 0 olduğundan ve Zn yarı hücresinde yükseltgenme gerçekleştiğinde voltmetrede okunan değer, Zn elektrodun yükseltgenme potansiyeli olur. Zn elektrodun standart indirgenme potansiyelini hesaplamak için Zn elektroda ait tepkimenin ters çevrilmesi gerekir. Bu durumda yükseltgenme potansiyelinin işareti değişir.

€€Zn(k) \rightarrow Zn^{2+}_{suda}+2e^-€€ €€E^0_{yük} = +0,763 V €€

€€Zn^{2+}_{suda}+2e^- \rightarrow Zn(k) €€ €€E^0 _{ind} = -0,763 V €€

Zn elektrodun standart indirgenme potansiyeli -0,763 V olarak bulunur. Bu örnekte hidrojen elektrodu yardımıyla Zn elektrodun standart potansiyeli hesaplanmıştır. Benzer şekilde diğer maddeler için standart elektrot potansiyeli hesaplanabilir.

Elektrokimyasal hücrelerin gösterim kolaylığı için şema olarak gösterimi kullanılır. Bu gösterime hücre şeması denir.

Hücre şeması şu kurallara göre yazılır:

  • Anot ve anodun içinde bulunduğu çözelti ile ilgili bilgiler sol tarafa, katot ve katodun içinde bulunduğu çözelti ile ilgili bilgiler sağ tarafa yazılır.
  • Farklı fazlar arasındaki sınır tek dikey çizgi | ile ayrılır.
  • İki ayrı hücre arasındaki tuz köprüsü çift dikey çizgi || ile gösterilir.

Üsteki hücrenin şematik gösterimi şu şekildedir:

Sağa kaydırın »»»
€€ Zn(k) | Zn^{2+}(suda1,0 M) || H^+(suda1,0 M) | Pt_k | H_2(g, 1 atm) €€
Elektrot Potansiyelleri

Yukarıdaki tabloda verilen indirgenme potansiyellerine bakılarak elektrotlar hakkında bilgi edinilebilir. Negatif işaretli olanlar kendiliğinden yükseltgenebilen, pozitif işaretli olanlar ise kendiliğinden indirgenebilen maddelerdir. Tabloya bakıldığında yükseltgenme eğilimi en büyük olanın Li+ iyonu, indirgenme eğilimi en büyük olan türün ise F elementi olduğu görülür.

Standart elektrot indirgenme potansiyeli hesaplanırken şu eşitlik kullanılabilir:

€€E^0_{hücre}= E^0_{yük}+E^0_{ind}€€

Standart €€{E^0}€€ hücre hesaplarında şu ilkelerden yararlanılır:

  • Bir galvanik hücrede elektrotların hangisinin anot ya da katot olarak görev yapacağı standart elektrotların potansiyellerine bağlıdır. İndirgenme potansiyeli büyük olan elektrot, katot olarak görev yapar ve indirgenme tepkimesi gerçekleşir. İndirgenme potansiyeli küçük olan elektrot ise anot olarak görev yapar ve yükseltgenme tepkimesi gerçekleşir.

€€Zn^{2+}+2e^- \rightarrow Zn(k)€€

€€E^0_{Zn^{2+}/Zn} = -0,763V€€

€€Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu(k) €€

€€E^0_{Cu^{2+}/Cu} = +0,337V €€

Yukarıdaki tepkimelerde bakır elementinin standart indirgenme potansiyeli büyük olduğu için Cu elektrot katot, Zn elektrot ise anot olarak görev yapar.

  • Bir yarı hücre ters çevrildiğinde €€E^0€€ değerinin işareti değişir.

€€ Al^{3+} (suda) + 3e^- \rightarrow Al(k)€€

€€ E^0_{Al^{3+}/Al} = -1,662V €€

€€Al(k) \rightarrow Al^{3+}(suda) + 3e^- €€

€€ E^0_{Al / Al^{3+}} = +1,662V €€

  • Elektrot potansiyeli, birim yüke(bir elektrona) verilen enerjidir. Elektron sayısının artması ya da azalması bu değeri değişmez. Bu nedenle bir yarı hücredeki katsayının değiştirilmesi€€{E^0}€€ değerini etkilemez.

€€Ag^+ (suda) + e^- \rightarrow Ag(k) €€

€€E^0_{Ag^+ / Ag} = +0,799V €€

€€2Ag^+ (suda) + 2e^- \rightarrow 2Ag(k) €€

€€E^0_{Ag^+/Ag}= +0,799V€€

Aşağıdaki yarı hücrelerden bir galvanik hücre oluşturuluyor. Oluşan galvanik hücrenin potansiyelini hesaplayalım.

Örnek

Sağa kaydırın »»»
€€ Li^+(suda) +e^- \rightarrow Li(k) \Rightarrow E^0= -3,040V €€

Sağa kaydırın »»»
€€ Pb^{2+}(suda) + 2e^- \rightarrow Pb(k) \Rightarrow E^0=-0,126V €€

Çözüm: €€{E^0}€€ değeri küçük olan Li yarı hücresinde yükseltgenme, €€{E^0}€€ değeri büyük olan Pb yarı hücresinde ise indirgenme olur.

  • Anot tepkimesi
    • Sağa kaydırın »»»
      €€ Li(k) \rightarrow Li^+(aq) + e^- \Rightarrow E^0=+3,040V €€
  • Katot tepkimesi
    • Sağa kaydırın »»»
      €€ Pb^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Pb(k) \Rightarrow E^0=-0,126V €€
  • Elektron sayılarını eşitlemek için anot tepkimesi ikiyle çarpılır fakat €€{E^0}€€ etkilenmez.
  • Anot tepkimesi
    • Sağa kaydırın »»»
      €€ 2Li(k) \rightarrow 2Li^+(aq)+ 2e^- \Rightarrow E^0=+3,040V €€
  • Katot tepkimesi
    • Sağa kaydırın »»»
      €€ Pb^{2+}(aq) +2e^- \rightarrow Pb(k) \Rightarrow E^0_{hücre}=-0,126V €€
  • Net tepkime:
  • Sağa kaydırın »»»
    €€ 2Li(k) +Pb^{2+}(aq) \rightarrow 2Li^+(aq) + Pb(k) \Rightarrow E^0_{hücre} =+2,914V €€

Metallerde Aktiflik

Metallerin aktifliği elektron verme potansiyelleriyle doğru orantılıdır. Standart indirgenme elektrot gerilimi en küçük olan elementin yükseltgenme eğilimi ve aktifliği en büyüktür. Yukarıdaki tabloda görüldüğü gibi standart indirgenme elektrot gerilimi en küçük olan lityumun en aktif element olduğu görülür.

Redoks Tepkimelerinin İstemliliği ve Elektrot Potansiyelleri

Standart şartlarda (1,0 M ve 25 °C) ölçülen pil potansiyeline standart hücre potansiyeli veya standart pil potansiyeli denir ve bu potansiyel €€{E^0}€€ şeklinde gösterilir.€€E^0_{hücre}€€ değeri, iki yarı hücre ile oluşturulan hücrenin çalışıp çalışmadığını veya hangi yönde çalıştığını tahmin etmede kullanılır. €€{E^0}_{hücre}€€ değeri sıfırdan büyükse redoks tepkimesi istemsizdir. Galvanik hücrelerde elektrotlar arasındaki potansiyel fark ne kadar büyükse redoks tepkimesi o kadar istemlidir.

Sağa kaydırın »»»
€€ Ni(k)+2Fe^{3+}(aq) \rightarrow Ni^{2+}+ 2Fe^{2+}(k) €€
redoks tepkimesinin istemli olarak gerçekleşip gerçekleşmeyeceği standart elektrot potansiyellerine bakılarak belirlenebilir.
  • €€Ni^{2+}(aq)+2e^- \rightarrow Ni(k)€€ €€E^0_{yük}=-0,250V€€
  • €€Fe^{3+}(aq)+e^- \rightarrow Fe^{2+}(suda)€€ €€E^0_{ind}=+0,771V€€

€€{E^0}€€ değerlerine göre €€Fe^{3+}€€ iyonunun standart indirgenme elektrot potansiyeli €€Ni^{2+}€€ iyonundan daha büyüktür. Bu nedenle €€Fe^{3+}€€ indirgenir, €€Ni^{2+}€€ yükseltgenir.

  • Anot tepkimesi:
  • €€Ni(k) \rightarrow Ni^{2+}(aq)+2e^-€€ €€E^0_{yük} = +0,250V €€
  • Katot tepkimesi:
  • €€2Fe^{3+}(suda) + 2e^- \rightarrow 2Fe^{2+}(aq) €€ €€E^0_{ind} =+0,771V €€
  • Net tepkime:
  • Sağa kaydırın »»»
    €€ Ni(k) +2Fe^{3+}(aq) \rightarrow Ni^{2+}(aq) + 2Fe^{2+}(aq) E^0_{hücre}=+1,021V €€

€€ E^0_{hücre} €€ değeri pozitif çıktığı için redoks tepkimesi istemli olarak gerçekleşir.

Hücre Potansiyeli Etkileyen Faktörler ve Nernst Denklemi

Elektrokimyasal hücre potansiyelinin doğru şekilde ölçümü önemlidir. şimdiye kadar hücre potansiyellerinin hesabında standart durum (25 C’de 1,0 M, gazlar için ise 1,0 atm ) kullanılmıştır. Fakat deneysel ölçümler herzaman standart şartlarda yapılmaz.

Hücre potansiyelini etkileyen faktörler şöyledir:

  • Kullanılan €€e^-€€ cinsi
  • sıcaklık
  • Çözelti derişimleri
  • basınç (gaz €€ e^- €€ ‘lar için)

→ Hücre potansiyeli iki elektrodun standart potansiyeli arasındaki fark olduğu için yarı hücrelerde anot ve katot olarak kullanılan elektrotlar değişik türden kullanıldığında hücre potansiyeli değişir. Yani kısada elektrot cinsi değişir ise potansiyel fark da değişir.

→ Diğer bir faktör sıcaklıktı. Pil tepkimeleri gerçekleşirken enerji açığa çıkar. Bu demektir ki pil tepkimeleri ekzotermiktir.

Sağa kaydırın »»»
€€ Mg(k) + Zn^{2+}(aq) ↔ Mg^{2+}(aq) + Zn(k) €€

Yukarıdaki pil tepkimenin sıcaklığı artırılırsa denge girenler yönüne kayar ve pil gerilimi azalır. Eğer sıcaklık azaltılırsa denge, ürünler yönüne kayar ve pil potansiyeli artar.

→ Pil potansiyelini etkileyen diğer bir etken çözeltinin derişimidir. Yarı hücrelerdeki çözeltilerin derişimlerinin değişimi elektrokimyasal hücre potansiyelini etkiler. Bir pil tepkimesinde katot yarı hücresinde derişim arttırıldığında ya da anot yarı hücresindeki derişim azaltıldığında tepkime, ürünler yönünde ilerler ve hücre potansiyeli artar. Diğer taraftan katot yarı hücresindeki derişim azaltılırsa ya da anot yarı hücresindeki derişim artırılırsa tepkime, girenler yönünde ilerler ve hücre potansiyeli azalır. Hücre potansiyeli ile derişim arasındaki ilişkiyi ilk kez Alman kimyacı Walther Nernst (Valther Nerst) ortaya koymuştur.

Nernst eşitliği:

€€E_{hücre}=E^0_{hücre} – {0,0592 \over{n}} logQ {log{[A^+]^a}\over{[B^+]}^b}€€

  • €€E_{hücre}€€ Standart olmayan şartlardaki hücre potansiyelidir.
  • €€E^0_{hücre}€€ Aynı hücrenin standart şartlardaki hücre potansiyelidir.
  • n: Tepkimede alınan veya verilen elektron sayısıdır.
  • Q: Tepkime oranıdır (Denge sabiti).

Sağa kaydırın »»»
€€ aA(k)+bB^+(aq) \rightarrow aA^+(aq) + bB(k) €€
tepkimesinde bir pilin potansiyeli genel olarak

€€E_{hücre}=E^0_{hücre}-{0,0592\over{n}} {log{{[A^+]^a}\over{[B^+]^b}}}€€ eşitliğiyle hesaplanır. Bu eşitlikte €€[A^+] ve [B^+]€€ deney şartlarındaki €€A^+ ve B^+€€ iyonlarının derişimleridir.

Derişim Hücreleri

Elektrolit derişimleri farklı olan ve aynı metalden yapılmış iki elektrodun biri anot, diğeri katot olacak şekilde kullanılmasıyla hücreye derişim hücresi denir.

Elektrot Potansiyelleri

Derişim hücrelerinde anot ve katot aynı elektrotlar(Ag) kullanıldığı için standart pil potansiyeli €€E^0_{hücre}€€ = 0 olacaktır. Elektrolit derişimleri de aynı olursa Nernst eşitliğine göre logQ=0 olacağından pil potansiyeli €€E_{hücre}€€ =0 olur ve bu şekildeki bir pil çalışmaz. Eğer elektrolit derişimleri farklı olursa sadece bu farktan yararlanan bir pil yapılabilir. Bu pil, derişimler birbirine eşitleninceye kadar çalışır.

Bu pilin çalışması için €€E^0_{hücre}€€ değerinin pozitif olması gerekir. €€E^0_{hücre}€€ değerinin pozitif olması için Nernst eşitliğine göre logQ değerinin negatif çıkması gerekir. Bu nedenle derişim pillerinde derişimi az olan yarı hücre daima anot olarak alınır.

Anot tepkimesi:

Sağa kaydırın »»»
€€ Ag(k) \rightarrow Ag^+(0,01 M) + e^- \Rightarrow E^0 =-0,799V €€

Katot tepkimesi:

Sağa kaydırın »»»
€€ Ag^+ (1,0 M) + e^- \rightarrow Ag(k) \Rightarrow E^0 =+0,799V €€

Net tepkime:

Sağa kaydırın »»»
€€ Ag^+(1,0 M) \leftrightarrow Ag^+(0,01 M) \Rightarrow E_{hücre} = ? V €€

€€ E_{hücre} = E^0_{hücre} – {{0,0592}\over{n}} {log{{[Ag^+]}\over{[Ag^+]}}}€€

€€ \Rightarrow E_{hücre}=0-{{0,0592}\over{1}} {log{{0,01}\over{1,0}}}€€ şeklinde hesaplanır ve €€E_{hücre}€€= 0,1184 V bulunur.

Kimya ve Elektrik Ünitesi Konu Anlatım Serisi

  1. Redoks ve İstemlilik
  2. Elektrotlar ve Elektrokimyasal Hücreler
  3. Elektrot Potansiyelleri
  4. Kimyasallardan Elektrik Üretimi
  5. Elektroliz: Elektrik ve Madde İlişkisi
  6. Korozyon