Elektrot Potansiyeli Hesaplama: Anot, Katot ve Standart Pil Potansiyeli

Elektrot potansiyeli ile standart hücre potansiyeli arasındaki fark

Elektrot potansiyeli, tek bir yarı hücredeki indirgenme ya da yükseltgenme eğilimini gösteren potansiyel farkıdır. Standart indirgenme potansiyeli tablolarında değerler, yarı tepkimeler indirgenme yönünde yazılmış kabul edilerek verilir. Buna karşılık standart hücre potansiyeli, iki farklı yarı hücrenin birlikte oluşturduğu hücrenin toplam potansiyel farkıdır. Bu nedenle tek bir elektrot için verilen değer ile bütün hücreye ait değer aynı şey değildir.

Bir elektrokimyasal hücre iki yarı hücreden oluşur. Yarı hücrelerden birinde yükseltgenme, diğerinde indirgenme gerçekleşir; bu ayrım elektronların dış devreden akmasını sağlar. Hücrenin potansiyeli, elektronları alma eğilimi daha fazla olan yarı hücrenin indirgenme potansiyeli ile diğer yarı hücrenin indirgenme potansiyeli arasındaki farktan doğar.

Örneğin bir hücre için bakır iyonlarının indirgenme potansiyeli +0,80 V, çinko iyonlarının indirgenme potansiyeli -0,76 V verilmiş olsun. Bu iki sayı ayrı ayrı elektrot potansiyelleridir. Hücrenin standart potansiyeli ise +0,80 V ile -0,76 V arasındaki farktır ve 1,56 V olur. Yani hücre potansiyeli, tablodaki değerlerden birinin tek başına alınmasıyla değil, iki yarı hücrenin karşılaştırılmasıyla bulunur.

Standart koşullar ve indirgenme potansiyelleri tablosu

Standart elektrot potansiyeli, maddelerin standart hâllerindeki indirgenme tepkimesine ait değerdir. Çözeltilerdeki çözünen türler için derişim 1 M, gazlar için basınç 1 bar veya 1 atm kabul edilir; sıcaklık genellikle 298,15 K olarak alınır. Bu koşullar, farklı yarı hücrelere ait potansiyellerin ortak bir temelde karşılaştırılmasını sağlar. Dolayısıyla standart hücre potansiyeli, gerçek hücrenin her koşuldaki anlık voltajı değil, standart koşullara göre hesaplanan potansiyeldir.

Standart indirgenme potansiyelleri tablosunda yarı tepkimeler indirgenme yönünde ve bunlara karşılık gelen E° değerleriyle verilir. Hesaplama yaparken ilgili iyon-atom çiftini bulup aynı türden iki indirgenme potansiyelini karşılaştırmak gerekir. Standart olmayan derişim veya basınç koşullarındaki hesaplamalar ise ayrı bir yöntem gerektirir.

Anot ve katodun indirgenme potansiyellerinden belirlenmesi

Katot, indirgenmenin gerçekleştiği elektrottur; anot ise yükseltgenmenin gerçekleştiği elektrottur. Tablodaki değerlerin tamamı indirgenme potansiyeli olarak verildiği için seçim şu kurala göre yapılır: indirgenme potansiyeli daha büyük olan yarı hücre katot, daha küçük olan yarı hücre anot olur. Daha büyük değer, ilgili türün elektron alma yani indirgenme eğiliminin daha yüksek olduğunu gösterir.

Bu seçim yapıldıktan sonra katottaki yarı tepkime tabloda yazıldığı biçimde indirgenme olarak bırakılır. Anottaki yarı tepkime ise hücrede yükseltgenme gerçekleşeceği için ters çevrilir. Böylece elektronlar anottan çıkar ve katoda doğru ilerler. Hücre gösteriminde anot genellikle sol, katot sağ tarafta yazılır; ancak anot ve katot adları konuma göre değil, gerçekleşen yükseltgenme ve indirgenme olayına göre belirlenir.

Örneğin şu değerler verilsin: Cu2+ + 2e- → Cu E° = +0,80 V Zn2+ + 2e- → Zn E° = -0,76 V

+0,80 V daha büyük olduğundan bakır yarı hücresi katottur ve Cu2+ indirgenir. Çinko yarı hücresi anot olur; çinko için tepkime ters çevrilerek Zn → Zn2+ + 2e- yazılır. Böylece çinko elektron verir, bakır iyonu bu elektronları alır.

Standart hücre potansiyeli hesaplama bağıntısı

Standart hücre potansiyeli, katot ve anot için tablodan alınan standart indirgenme potansiyelleri arasındaki farktır. Kullanılan temel bağıntı şöyledir:

E°hücre = E°katot, indirgenme - E°anot, indirgenme

Burada iki değer de indirgenme potansiyeli olarak kullanılır. Anot tepkimesi hücrede yükseltgenme yönünde gerçekleşse bile bağıntıda anot için tablodaki indirgenme potansiyeli çıkarılır. Bu yazım, anot tepkimesini ayrıca ters çevirip işaret değiştirme işlemiyle aynı sonucu verir.

Örnek olarak Cu2+/Cu için E° = +0,80 V ve Zn2+/Zn için E° = -0,76 V alınsın. Büyük değer bakıra ait olduğundan bakır katot, çinko anot olur. Hesaplama şöyledir:

E°hücre = (+0,80 V) - (-0,76 V) E°hücre = +1,56 V

Sonuç pozitif ve birimi volttur. Önce katot ile anot belirlendiği için sayıların çıkarılma sırası da doğru kurulmuştur.

Yarı tepkimelerin yönü ve potansiyel işaretleri

Standart potansiyel tabloları yarı tepkimeleri indirgenme yönünde verir. İndirgenmede elektronlar tepkimeye giren tarafta bulunur; yükseltgenmede ise elektronlar ürün olarak yazılır. Bu nedenle katot tepkimesi tablodaki yönüyle kullanılırken anot tepkimesi ters çevrilir.

Bir yarı tepkime ters çevrildiğinde o yarı tepkimeye ait potansiyelin işareti de değişir. Örneğin tabloda Zn2+ + 2e- → Zn için E° = -0,76 V verilmişse, anot tepkimesi Zn → Zn2+ + 2e- olur ve bu yön için potansiyel +0,76 V olarak düşünülebilir. Katotta Cu2+ + 2e- → Cu tepkimesi ve +0,80 V kullanılırsa toplam değer +0,76 V + +0,80 V = +1,56 V çıkar.

Aynı işlem, anottaki indirgenme potansiyelini çıkarmakla daha kısa biçimde yapılır: +0,80 - (-0,76) = +1,56 V. Negatif bir anot indirgenme potansiyelini çıkarmak, sayısal olarak pozitif bir katkı oluşturur. İşaret hatasını önlemek için önce yarı tepkimenin yönünü, sonra o yöne ait işareti kontrol etmek gerekir.

Tepkime katsayıları elektrot potansiyelini değiştirmez

Redoks tepkimeleri birleştirilirken elektron sayılarını eşitlemek için yarı tepkimelerin katsayıları değiştirilebilir. Ancak elektrot potansiyeli, tepkimedeki katsayıyla çarpılmaz. Bunun nedeni potansiyelin elektriksel itici kuvveti göstermesi, katsayının ise tepkimede gerçekleşen madde ve elektron miktarını belirtmesidir.

Örneğin bir yarı tepkimeyi elektronları eşitlemek için 2 ile çarpmak gerekirse, tepkimenin maddeleri ve elektronları 2 ile çarpılır; E° değeri yine aynı kalır. Hücre potansiyeli yalnızca katot ve anot potansiyellerinin uygun işaretlerle birleştirilmesiyle bulunur. Potansiyelleri katsayılarla çarpmak, hesaplanan hücre voltajını yanlış biçimde büyütür.

Hücre potansiyelinin işaretini yorumlama

Hesaplanan standart hücre potansiyelinin işareti, yazılan toplam tepkimenin standart koşullardaki gerçekleşme eğilimi hakkında bilgi verir. Pozitif E°hücre değeri, anot ve katot bu şekilde seçildiğinde toplam yükseltgenme-indirgenme tepkimesinin kendiliğinden gerçekleşme eğilimi taşıdığını gösterir. Galvanik hücrelerde elektrik enerjisi bu kendiliğinden redoks tepkimesinden elde edilir.

Örnekte E°hücre = +1,56 V bulunmuştur. Bu pozitif sonuç, Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu biçiminde yazılan toplam tepkimenin standart koşullarda ileri yönde gerçekleşme eğilimine sahip olduğunu belirtir. Sonucun negatif çıkması ise seçilen yönün kendiliğinden yön olmadığını; tepkimenin ters yönünün değerlendirilmesi gerektiğini gösterir. İşaret, yalnızca matematiksel bir sonuç değil, yazılan hücre tepkimesinin yönü hakkında da bir göstergedir.