Online Kolej
Kayıt Ol

12. Sınıf Kimya · Ünite 1

Lityumdan Hidrojene: Pillerin Gücünü Keşfetmek

2019 Nobel Kimya Ödüllü lityum-iyon pillerinden yola çıkarak galvanik hücre potansiyelini, Standart Hidrojen Elektrodu'nu (SHE) ve hücre potansiyeli hesaplamalarını keşfediyoruz.

Kazanım KİM.12.1.4 · 35 dk okuma

Cep telefonunuzun, dizüstü bilgisayarınızın veya sokakta sessizce süzülen bir elektrikli otomobilin ortak noktası nedir? Hepsi gücünü lityum-iyon pillerden alır. Bu teknoloji o kadar devrimseldi ki, 2019 yılında Nobel Kimya Ödülü'nü lityum-iyon pili üzerine çalışan bilim insanlarına (John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham ve Akira Yoshino) kazandırdı. Elektronik endüstrisinin günümüzdeki taşınabilir yapısı, tamamen bu kimyasal enerji depolarının verimliliğine bağlıdır. Peki, bu pillerin ne kadar güçlü olduğunu nasıl ölçüyoruz?

Galvanik Hücreler ve Hücre Potansiyeli

Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çeviren sistemlere galvanik hücre diyoruz. Bir galvanik hücrede, elektronların anottan katoda doğru akmasını sağlayan elektriksel itici güce 'hücre potansiyeli' veya 'elektromotor kuvvet (EMK)' adı verilir. Hücre potansiyelinin birimi Volt (V)'tur ve voltmetre adı verilen cihazlarla ölçülür. Kısaca E hücre sembolü ile gösterilir.

Referans Noktamız: Standart Hidrojen Elektrodu (SHE)

Madem tek bir elektrodun potansiyelini doğrudan ölçemiyoruz, o halde elimizdeki elementlerin potansiyelini nasıl sıralayacağız? Dağların yüksekliğini ölçerken 'deniz seviyesini' sıfır kabul ettiğimiz gibi, kimyada da bir referans noktasına ihtiyacımız vardır. Bilim insanları bu iş için Standart Hidrojen Elektrodu'nu (SHE) seçmiş ve onun standart potansiyelini kesin olarak 0.00 V kabul etmişlerdir.

SHE sistemi; 1 Milyarlık (1 M) hidrojen iyonu (H+) içeren bir çözeltiye, 1 atm basınçta H2 gazı gönderilmesi ve iletkenliği sağlamak için tepkimeye girmeyen (inert) bir platin (Pt) tel kullanılmasıyla oluşturulur. Artık diğer tüm metalleri (örneğin lityum, çinko, bakır) SHE ile eşleştirerek onların standart indirgenme potansiyellerini hesaplayabiliriz.

Standart Hücre Potansiyelini Matematiksel Olarak Modelleme

Farklı standart elektrokimyasal hücrelere ait verileri incelediğimizde muazzam bir örüntü karşımıza çıkar. Bir pilin toplam standart hücre potansiyeli, anotta gerçekleşen yükseltgenme potansiyeli ile katotta gerçekleşen indirgenme potansiyelinin toplamına eşittir. Bunu matematiksel olarak şöyle modelleyebiliriz:

Ehu¨cre∘=Eyu¨kseltgenme(Anot)∘+Eindirgenme(Katot)∘E^{\circ}_{h\ddot{u}cre} = E^{\circ}_{y\ddot{u}kseltgenme (Anot)} + E^{\circ}_{indirgenme (Katot)}

Eğer elimizde sadece metallerin standart indirgenme potansiyelleri (elektron alma istekleri) listesi varsa, şu basit mantığı yürütürüz: İndirgenme potansiyeli büyük olan metal elektron alarak indirgenir (Katot). Küçük olan metal ise mecbur kalarak elektron verir, yani yükseltgenir (Anot). Anottaki tepkime tersine döndüğü için, indirgenme potansiyelinin işaretini de ters çeviririz. Bu durumu tek bir formülde birleştirmek istersek şu modeli kullanırız:

Ehu¨cre∘=Ekatot∘−Eanot∘E^{\circ}_{h\ddot{u}cre} = E^{\circ}_{katot} - E^{\circ}_{anot}

Örnek Üzerinde İnceleyelim

Diyelim ki Çinko (Zn) ve Bakır (Cu) elektrotlarından oluşan klasik bir Daniell pili kurduk. Tablolara baktığımızda standart indirgenme potansiyelleri şöyledir:

Zn2++2e−→Zn(k)E∘=−0.76VZn^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Zn(k) \quad E^{\circ} = -0.76 V
Cu2++2e−→Cu(k)E∘=+0.34VCu^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Cu(k) \quad E^{\circ} = +0.34 V

Bakırın (+0.34 V) indirgenme potansiyeli çinkodan (-0.76 V) daha büyüktür. Örüntümüze göre Bakır (Cu) katot, Çinko (Zn) ise anottur. Formülü uygulayarak hücre potansiyelini bulalım:

Ehu¨cre∘=0.34V−(−0.76V)=+1.10VE^{\circ}_{h\ddot{u}cre} = 0.34 V - (-0.76 V) = +1.10 V

Sonuç pozitif çıktığı için, bu tepkime bizim ekstra bir enerji vermemize gerek kalmadan kendiliğinden gerçekleşir ve 1.10 V'luk bir elektrik enerjisi üretir!

auto_awesome

Lityumdan Hidrojene: Pillerin Gücünü Keşfetmek: Alıştırma Soruları

  1. 1. Elektrot potansiyellerini belirlerken referans (sıfır) noktası olarak kabul edilen sistem aşağıdakilerden hangisidir?

    • A) Standart Çinko Elektrodu
    • B) Standart Lityum Elektrodu
    • C) Standart Hidrojen Elektrodu (SHE)
    • D) Standart Bakır Elektrodu
    Cevabı göster

    Doğru cevap: C) Standart Hidrojen Elektrodu (SHE)

    Tıpkı yükseklik ölçümlerinde deniz seviyesinin sıfır kabul edilmesi gibi, elektrot potansiyelleri ölçümünde de Standart Hidrojen Elektrodu (SHE) sıfır (0.00 V) kabul edilir.

  2. 2. Bir galvanik hücrede potansiyel farkı ölçmek için kullanılan birim ve bu birimi ölçen alet sırasıyla aşağıdakilerden hangisidir?

    • A) Amper - Ampermetre
    • B) Volt - Voltmetre
    • C) Joule - Kalorimetre
    • D) Watt - Multimetre
    Cevabı göster

    Doğru cevap: B) Volt - Voltmetre

    Hücre potansiyelinin (E hücre) birimi Volt (V)'tur ve voltmetre adı verilen cihazla ölçülür.

  3. 3. Ag+ / Ag yarı hücresinin standart indirgenme potansiyeli +0.80 V, Ni2+ / Ni yarı hücresinin standart indirgenme potansiyeli ise -0.25 V'tur. Bu iki yarı hücreden oluşturulan standart bir galvanik hücrenin potansiyeli (E° hücre) kaç Volt olur?

    • A) +0.55 V
    • B) +1.05 V
    • C) -1.05 V
    • D) +1.85 V
    Cevabı göster

    Doğru cevap: B) +1.05 V

    Gümüşün (Ag) indirgenme potansiyeli büyük olduğundan katottur (+0.80 V). Nikel (Ni) ise anottur. E° hücre = E° katot - E° anot formülünden: 0.80 - (-0.25) = +1.05 V bulunur.

  4. 4. Hücre potansiyeli ve elektrokimyasal pillerle ilgili aşağıdaki ifadelerden hangisi doğrudur?

    • A) Tek bir yarı hücrenin potansiyeli voltmetre ile doğrudan ve kesin olarak ölçülebilir.
    • B) Katot yarı hücresinin standart indirgenme potansiyeli, anot yarı hücresininkinden daima daha küçüktür.
    • C) Standart hücre potansiyeli pozitif (+) olan bir galvanik hücre tepkimesi kendiliğinden gerçekleşir.
    • D) Pil tepkimesi denkleştirilirken katsayılar 2 ile çarpılırsa, hücre potansiyeli de 2 ile çarpılır.
    Cevabı göster

    Doğru cevap: C) Standart hücre potansiyeli pozitif (+) olan bir galvanik hücre tepkimesi kendiliğinden gerçekleşir.

    E hücre değeri 0'dan büyük (pozitif) ise tepkime istemlidir ve pil kendiliğinden çalışır. Tek bir elektrot doğrudan ölçülemez, katodun indirgenme potansiyeli daha büyüktür ve E değeri madde miktarından (katsayılardan) bağımsızdır.

  5. 5. X metali ve Standart Hidrojen Elektrodu (SHE) kullanılarak standart şartlarda bir galvanik hücre kuruluyor. Voltmetrede 0.40 V değeri okunuyor ve dış devrede elektronların X elektrodundan SHE'ye doğru aktığı gözlemleniyor. Buna göre X2+ iyonunun standart indirgenme potansiyeli kaç Volt'tur?

    • A) +0.40 V
    • B) -0.40 V
    • C) +0.20 V
    • D) -0.80 V
    Cevabı göster

    Doğru cevap: B) -0.40 V

    Elektronlar anottan katoda akar. Elektronlar X'ten SHE'ye aktığına göre X anottur (yükseltgenir), SHE ise katottur (indirgenir). E° hücre = E° katot - E° anot -> 0.40 = 0.00 - E° anot. Buradan X'in indirgenme potansiyeli (E° anot) -0.40 V olarak bulunur.

1 soru daha seni bekliyor

Ücretsiz kaydol; Lityumdan Hidrojene: Pillerin Gücünü Keşfetmek testini puanlı çöz, XP kazan ve takıldığın yeri yapay zeka öğretmenine sor.

Ücretsiz Kaydol