Isınan Beher
Mavi bakır sülfat çözeltisine bir çinko levha bırakın. Birkaç dakikada levhanın yüzeyi kızıl bakırla kaplanır, mavi renk solar ve beher elinizde hafifçe ısınır. Tepkime kendiliğinden yürüyor:
$\mathrm{Zn(k) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(k)}$
Elektronlar çinkodan bakır iyonuna geçiyor ama bu geçiş dokunma noktasında, doğrudan oluyor. Açığa çıkan enerji ısı olarak dağılıyor. Bir lambayı yakmak için elektronları bir telden geçmeye zorlamamız gerekir. Çözüm basit: iki yarıyı ayrı kaplara koymak.
İki Kap, Bir Tel, Bir Köprü
Bir kapta çinko levha çinko sülfat çözeltisinde, öbür kapta bakır levha bakır sülfat çözeltisinde durur. Levhaları tele bağladığımızda galvanik (voltaik) hücre kurulmuş olur: kendiliğinden yürüyen redoks tepkimesinin kimyasal enerjisi elektrik enerjisine dönüşür.
- Anot: yükseltgenmenin olduğu elektrot. $\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-}$; çinko iyon olarak çözeltiye geçer, anot incelir. Galvanik hücrede negatif kutuptur.
- Katot: indirgenmenin olduğu elektrot. $\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu}$; bakır yüzeyde birikir, katot kalınlaşır. Pozitif kutuptur.
Elektronlar dış devrede anottan katoda akar. Hangi metal anot olur? Daha aktif olan; çinko elektron vermeye bakırdan yatkındır.
Ama tel tek başına yetmez. Birkaç saniye sonra anot kabında fazladan $\mathrm{Zn^{2+}}$, katot kabında fazladan $\mathrm{SO_4^{2-}}$ birikir ve bu yük dengesizliği akımı durdurur. Tuz köprüsü (örneğin $\mathrm{KNO_3}$ emdirilmiş bir U boru) iyon göçüyle dengeyi korur: $\mathrm{NO_3^-}$ anyonları anot kabına, $\mathrm{K^+}$ katyonları katot kabına geçer. Köprüden elektron geçmez; çözeltide akımı iyonlar taşır.
Hücreyi Tek Satırda Yazmak
$\mathrm{Zn(k) \,|\, Zn^{2+}(1\,M) \,\|\, Cu^{2+}(1\,M) \,|\, Cu(k)}$
Solda anot, sağda katot yazılır. Tek dikey çizgi faz sınırını (katı metal ile çözelti), çift çizgi tuz köprüsünü gösterir. Gösterimi soldan sağa okumak, elektronun yolunu okumaktır.
Çözümlü örnek: Bu hücre bir süre çalıştıktan sonra çinko levhanın kütlesi 1,30 g azalıyor. Bakır levhanın kütlesi ne kadar artmıştır? (Zn = 65, Cu = 63,5)
Çinko: $1{,}30 / 65 = 0{,}02$ mol. Her çinko 2 elektron verir; 0,04 mol elektron devreden geçmiş. Her bakır iyonu 2 elektron alır; $0{,}04 / 2 = 0{,}02$ mol bakır birikir. Kütle: $0{,}02 \cdot 63{,}5 = 1{,}27$ g.
Mol sayıları eşit, kütleler neden farklı? Çünkü iki metalin mol kütlesi farklı. Toplam elektrot kütlesi 0,03 g azalmıştır.
Mini soru: $\mathrm{Mg(k) \,|\, Mg^{2+} \,\|\, Ag^+ \,|\, Ag(k)}$ gösterimi verilen hücrede elektronlar hangi yönde akar, hangi levha incelir? Gösterimi okuyun: magnezyum solda, yani anottur. Dış devrede akış magnezyumdan gümüşe doğrudur; magnezyum levha incelir, gümüş levhada metal birikir. Bu kez elektron sayıları farklıdır: 1 mol Mg 2 mol elektron verir ve 2 mol $\mathrm{Ag^+}$ indirger. Denkleştirilmiş hâli $\mathrm{Mg + 2Ag^+ \rightarrow Mg^{2+} + 2Ag}$ olur.
Cepteki Piller
| Tür | Tepkime | Örnek |
|---|---|---|
| Primer (birincil) | Tersinmez, şarj edilemez | Çinko-karbon, alkali pil |
| Sekonder (ikincil) | Tersinir; şarjda dış akım tepkimeyi geri yürütür | Kurşunlu akü, lityum iyon |
| Yakıt pili | Tepkenler dışarıdan sürekli beslenir | Hidrojen-oksijen; ürün su |
Lityum iyon piller telefonlarda ve elektrikli araçlarda yaygınlaştı, çünkü lityum en hafif metaldir (6,94 g/mol) ve standart indirgenme potansiyeli çok düşüktür (−3,04 V). Hafif ve yüksek voltajlı bir anot, kilogram başına çok enerji demektir. Şarjda lityum iyonları grafit tabakalarının arasına yerleşir, kullanımda oradan çıkıp katoda göç eder.
Pil neden biter? Elektronlar tükendiği için değil. Zamanla anot metali azalır, katottaki iyonlar tükenir ve tepkime dengeye yaklaşır; hücre potansiyeli sıfıra iner.
Atık piller ayrı toplanmalıdır: içerebildikleri kadmiyum, kurşun ve cıva doğada parçalanmaz, besin zincirinde birikir.
Sık Yapılan Hata
1. Elektronun tuz köprüsünden geçtiğini sanmak. İyon taşır; elektronun yolu yalnız dış devredir. Mini soru: köprü çıkarılırsa ne olur? Akım hemen kesilir, çünkü kaplarda yük birikir.
2. Anot-katot ayrımını işarete göre yapmak. Tanım tepkimeye göredir: anot yükseltgenme, katot indirgenme. İşaret yalnız galvanik hücrede anot = negatif olur.
3. Anot kütlesinin arttığını sanmak. Gerçekte anot erir, katot kalınlaşır.
4. Soy metali anot seçmek. Doğrusu: anot daha aktif metaldir.
AYT ipucu: şemalı sorularda önce elektronun oklarını çizin; elektronun çıktığı levha anottur. Kütle sorularında iki metalin elektron sayısı farklıysa (örneğin Al ve Cu) önce elektronun molünü bulun.
Sık sorulanlar
Tuz köprüsü olmazsa ne olur?
Akım hemen kesilir. Bu durumda anot kabında pozitif, katot kabında negatif yük birikir ve bu birikme tepkimeyi durdurur. Köprü, iyon geçişiyle dengeyi korur; elektron taşımaz.
Pil neden bitiyor, elektronlar mı tükeniyor?
Hayır. Tepkimeye giren maddeler tükenir: anot metali azalır, katottaki iyonlar azalır. Tepkime dengeye yaklaştıkça hücre potansiyeli sıfıra düşer.
İki metali aynı kaba koysam olmaz mı?
Tepkime olur ama elektrik elde edemezsin. Aynı kapta elektron doğrudan aktarılır ve enerji ısı olarak dağılır; ayırmak elektronu tel üzerinden gitmeye zorlar.