Elektrokimya Nedir? Galvanik ve Elektrolitik Hücreler

Elektrokimyanın tanımı ve çalışma alanı

Elektrokimya, kimyasal tepkimeler ile elektrik enerjisi arasındaki dönüşümü inceler. Bir kimyasal tepkime sırasında elektronlar bir tanecikten diğerine aktarılabiliyorsa bu süreç elektrik akımıyla ilişkilendirilebilir. Elektronların doğrudan temas ederek değil, uygun bir düzenekte dış devre üzerinden hareket etmesi sağlandığında kimyasal enerji elektrik enerjisine dönüştürülebilir. Ters yönde ise dışarıdan verilen elektrik, maddelerde kimyasal değişim meydana getirebilir.

Bu olayların gerçekleştiği düzeneğe elektrokimyasal hücre denir. Hücrede elektron alışverişi elektrot adı verilen iletken yüzeylerde gerçekleşir; iyonlar ise elektrolit adı verilen iyon içeren ortamda hareket eder. Örneğin bir metalin iyon hâline geçerken elektron vermesi ve başka bir metal iyonunun bu elektronları alarak metale dönüşmesi, dış devrede elektrik akımı oluşturabilir. Metallerin arıtılması ve kaplanması da elektrokimyasal yöntemlerle yapılır. Hücrelerdeki tepkimeler kendiliğinden gerçekleşerek elektrik üretebilir veya elektrik verilerek zorlanabilir.

Yükseltgenme-indirgenme tepkimeleri ve elektron alışverişi

Yükseltgenme-indirgenme, kısaca redoks, elektron alışverişinin birlikte gerçekleştiği tepkime türüdür. Elektron veren madde yükseltgenir; elektron alan madde indirgenir. Bu iki olay birbirinden bağımsız gerçekleşemez, çünkü verilen elektronların başka bir tanecik tarafından alınması gerekir. Elektrokimyasal hücrelerde amaç, bu elektron aktarımını kontrollü bir yoldan geçirerek elektrik akımıyla ilişkilendirmektir.

Örneğin çinko ve bakır iyonları arasındaki tepkimede çinko elektron vererek çinko iyonuna dönüşür: Zn -> Zn2+ + 2e-. Bakır iyonları ise bu elektronları alarak bakır metaline dönüşür: Cu2+ + 2e- -> Cu. Elektronlar çinkodan bakıra doğrudan geçmek yerine dış devrede ilerlediğinde elektrik akımı elde edilebilir. Böylece elektron alışverişi yalnızca çözeltideki bir kimyasal değişim olarak kalmaz; ölçülebilen ve işe dönüştürülebilen bir elektrik hareketi hâline gelir.

Bir hücrede hangi türün elektron verdiğini ve hangisinin elektron aldığını belirlemek, hücrenin çalışma yönünü anlamanın ilk adımıdır. Elektron veren elektrot yükseltgenme bölgesidir; elektron alan elektrot ise indirgenme bölgesidir. Bu ayrım, hücre galvanik ya da elektrolitik olsa da değişmez.

Elektrokimyasal hücrenin bileşenleri ve elektrotların anlamı

Bir elektrokimyasal hücrenin temel bileşenleri elektrotlar, elektrolit ve dış devredir. Elektrotlar elektronların hücreye girdiği veya hücreden çıktığı iletken yüzeylerdir. Elektrolit, iyonların hareket edebildiği çözelti ya da erimiş maddedir. Dış devre ise elektronların bir elektrottan diğerine ilerlediği iletken yoldur. Böylece elektrotlardaki elektron alışverişi ile çözeltideki iyon hareketi aynı sistem içinde tamamlanır.

Yükseltgenmenin gerçekleştiği elektrota anot, indirgenmenin gerçekleştiği elektrota katot denir. Bu adlandırma hücrenin türünden bağımsızdır; anot her zaman yükseltgenme, katot her zaman indirgenme elektrodudur. Ancak elektrotların elektrik işareti hücre türüne göre değişir. Galvanik hücrede kendiliğinden tepkime elektron akışı oluşturduğu için anot negatif, katot pozitiftir. Elektrolitik hücrede ise dış güç kaynağı elektronların hareketini zorladığından anot pozitif, katot negatiftir.

İyonların birikmesi veya azalması nedeniyle çözeltide yük dengesizliği oluşmasını önlemek için bazı galvanik hücrelerde tuz köprüsü kullanılır. Tuz köprüsü, iki çözelti arasındaki iyon hareketini sağlayarak elektriksel dengeye yardımcı olur. Hücre potansiyeli ise bir hücrenin elektrik enerjisi üretme eğilimini ve iki elektrot arasındaki potansiyel farkı ifade eden kavramdır; ayrıntılı hesaplamaları ayrı bir konudur.

Galvanik hücrede kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüşmesi

Galvanik hücre, kendiliğinden gerçekleşen bir redoks tepkimesinden elektrik enerjisi üreten elektrokimyasal hücredir. Tepkimenin elektron veren kısmı anotta, elektron alan kısmı katotta gerçekleşir. İki yarı tepkime farklı elektrotlarda yürütülürse elektronların doğrudan temas etmesi engellenir. Elektronlar bunun yerine dış devreden geçer ve bu akış elektrik enerjisi olarak kullanılabilir.

Çinko-bakır hücresi bu çalışma ilkesini göstermek için kullanılan temel bir örnektir. Çinko elektrot üzerindeki çinko atomları elektron vererek çözeltiye çinko iyonu olarak geçer. Açığa çıkan elektronlar dış devreden bakır elektrota doğru ilerler. Bakır çözeltisindeki bakır iyonları bu elektronları alır ve bakır metali olarak elektrot üzerinde toplanır. Bu sırada çözeltilerdeki iyon hareketi ve varsa tuz köprüsündeki iyon geçişi, devrenin elektriksel ve kimyasal dengesinin sürmesine yardım eder.

Bu hücrede kimyasal tepkime ilerledikçe tepkimeye giren maddelerin miktarı değişir ve hücrenin elektrik üretme durumu da buna bağlı olarak değişebilir. Galvanik hücrelerin pil ve akülerdeki temel enerji dönüşümünü açıklayan ayrıntılı çalışma türleri ayrı bir başlıkta incelenir. Galvanik hücrelerin gerilimini standart elektrot potansiyelleriyle hesaplama konusu da bu temel tanımdan daha ileri bir incelemedir.

Elektrolitik hücrede elektrik enerjisinin kimyasal değişim oluşturması

Elektrolitik hücre, kendiliğinden gerçekleşmeyen bir kimyasal değişimi dışarıdan verilen elektrik enerjisiyle gerçekleştiren elektrokimyasal hücredir. Bir güç kaynağı elektrotlara bağlanır ve elektronların hareket yönünü zorlar. Böylece anotta yükseltgenme, katotta indirgenme gerçekleşmeye devam eder; fakat galvanik hücreden farklı olarak hücrenin enerji kaynağı kimyasal tepkimenin kendisi değil, dış elektrik kaynağıdır.

Sulu sodyum klorürün elektrolizi buna somut bir örnektir. Bu çözeltide birden fazla tanecik yükseltgenebileceği veya indirgenebileceği için ürünleri yalnızca iyonların adlarına bakarak belirlemek yeterli değildir. Uygun koşullarda anotta klor gazı oluşabilir. Katotta ise suyun indirgenmesiyle hidrojen gazı ve hidroksit iyonları meydana gelir. Tepkime ilerledikçe hidroksit iyonları çözeltide birikir; su uzaklaştırıldığında sodyum hidroksit elde edilebilir. Sodyum hidroksit fırın temizleyici, lavabo açıcı ve kâğıt, kumaş ile sabun üretimi gibi alanlarda kullanılır.

Bu örnek, elektrik enerjisinin yalnızca devrede akım oluşturmadığını, maddelerin kimyasal bileşimini de değiştirebildiğini gösterir. Elektroliz sırasında hangi ürünün oluşacağı; çözeltideki türlere, derişime ve elektrot yüzeyindeki gerçek koşullara bağlı olabilir. Elektroliz hesaplamaları ile Faraday yasaları bu makalenin kapsamı dışındadır.

Elektrokimyanın günlük yaşam ve teknoloji uygulamaları

Piller ve aküler, kendiliğinden gerçekleşen kimyasal tepkimelerden elektrik elde edilmesi ilkesine dayanır; otomobiller, akıllı telefonlar, tabletler, saatler ve kalp pilleri gibi cihazlarda elektrokimyasal enerji kullanılır. Elektroliz ise metallerin arıtılması ve kaplanması ile sodyum hidroksit gibi maddelerin elde edilmesinde kullanılır.