Elektrokimya

Yükseltgenme, bir türün elektron vermesi ve yükseltgenme basamağının artmasıdır: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (0 → +2).

İndirgenme, bir türün elektron alması ve yükseltgenme basamağının azalmasıdır: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (+2 → 0).

Bir türün verdiği elektronları başka bir tür almak zorunda olduğu için yükseltgenme ve indirgenme her zaman birlikte gerçekleşir. Bu tür tepkimelere redoks (indirgenme–yükseltgenme) tepkimeleri denir. Verilen ve alınan elektron sayıları eşittir.

Redoks olup olmadığını anlamak: Tepkimede herhangi bir atomun yükseltgenme basamağı değişiyorsa tepkime redokstur.

• Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu: Zn 0 → +2, Cu +2 → 0 → redoks.

• HCl + NaOH → NaCl + H₂O: Hiçbir atomun basamağı değişmez → redoks değil (nötrleşme).

• 2H₂ + O₂ → 2H₂O: H 0 → +1, O 0 → −2 → redoks.

Yanma, solunum, fotosentez, metallerin paslanması ve pillerin çalışması redoks tepkimeleridir.

Elektron veren tür yükseltgenir ve karşısındakini indirgediği için indirgendir (indirgen madde). Elektron alan tür indirgenir ve karşısındakini yükseltgediği için yükseltgendir (yükseltgen madde).

Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu tepkimesinde Zn indirgen, Cu²⁺ yükseltgendir.

Adlandırmadaki tersliğe dikkat: Yükseltgenen tür indirgendir; indirgenen tür yükseltgendir. Akılda tutmak için şunu düşün: Yükseltgen, karşısındakini yükseltgeyen (ondan elektron alan) maddedir; bu yüzden kendisi indirgenir.

Örnek: 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃ tepkimesinde Al (0 → +3) yükseltgenmiş, indirgendir; Cl₂ (0 → −1) indirgenmiş, yükseltgendir. 2 mol Al 6 mol elektron verir; 3 mol Cl₂ 6 mol elektron alır.

Bir maddenin güçlü bir yükseltgen olması, elektron alma eğiliminin yüksek olması demektir. Ametallerden flor ve oksijen, elektron alma eğilimleri yüksek olduğu için güçlü yükseltgenlerdir; aktif metaller ise güçlü indirgenlerdir.

Redoks tepkimeleri, alınan ve verilen elektron sayılarının eşitlenmesi ilkesiyle denkleştirilir. Program iyonik redoks tepkimelerinin denkleştirilmesine girmez; molekül hâlinde yazılmış tepkimeler üzerinde durur.

Örnek: Cu + HNO₃ (seyreltik) → Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O

1. Basamağı değişen atomları bul: Cu 0 → +2 (2 e⁻ verir); N +5 → +2 (3 e⁻ alır).

2. Elektron sayılarını eşitle: 2 ile 3'ün en küçük ortak katı 6'dır. 3 Cu (6 e⁻ verir), 2 NO (6 e⁻ alır).

3. Basamağı değişen atomların katsayılarını yerleştir: 3Cu → 3Cu(NO₃)₂ ve 2NO.

4. Diğer atomları say: Sağda 3Cu(NO₃)₂'de 6 N + 2NO'da 2 N = 8 N → 8HNO₃. Hidrojen: 8 H → 4H₂O.

5. Oksijeni denetle: Solda 8 × 3 = 24 O; sağda 3 × 6 + 2 + 4 = 24 O. ✓

Sonuç: 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

HNO₃'ün bir kısmı yükseltgen olarak NO'ya indirgenmiş, bir kısmı yalnız tuz oluşturmak için kullanılmıştır.

Program bazı yaygın yükseltgen ve indirgenlerin tanınmasını ister. Aynı madde koşullara göre farklı ürünlere indirgenebilir: Örneğin HNO₃ derişikken NO₂'ye, seyreltikken NO'ya; KMnO₄ asidik ortamda Mn²⁺'ya indirgenir.

Bazı maddeler hem yükseltgen hem indirgen olabilir. Kükürt dioksitte kükürt +4 basamağındadır; +6'ya yükseltgenebilir veya daha düşük basamaklara indirgenebilir. Hidrojen peroksitte oksijen −1 basamağındadır; −2'ye indirgenebilir (yükseltgen) veya 0'a yükseltgenebilir (indirgen).

Asitlerin bakırla tepkimesi bu farkı gösterir: Bakır HCl ile tepkime vermez; çünkü H⁺ bakırı yükseltgeyecek kadar güçlü değildir. Derişik H₂SO₄ ve HNO₃ ise yükseltgen asitlerdir; bakırı çözer ve H₂ yerine SO₂, NO₂ veya NO açığa çıkarır.

Program şu soruyu sorar: İndirgen ile yükseltgen arasındaki elektron alışverişi doğrudan temas dışında bir yolla mümkün müdür?

Zn ve Cu²⁺ aynı kapta temas ettiğinde elektronlar doğrudan aktarılır ve enerji ısı olarak dağılır. İki madde ayrı kaplara konur ve aralarına bir iletken tel bağlanırsa, Zn'nin verdiği elektronlar tel üzerinden Cu²⁺ iyonlarına ulaşabilir. Telde elektron akışı, yani elektrik akımı oluşur. Böylece redoks tepkimesinin enerjisi elektrik enerjisi olarak kullanılabilir.

İstemlilik ile elektrik enerjisi arasındaki ilişki:

• İstemli (kendiliğinden yürüyen) redoks tepkimeleri elektrik enerjisi üretir; bunlardan galvanik (voltaik) hücre, yani pil yapılır. Zn + Cu²⁺ tepkimesi istemlidir.

• İstemsiz redoks tepkimeleri ancak dışarıdan elektrik enerjisi verilerek yürütülebilir; buna elektroliz, bu düzeneğe elektrolitik hücre denir. Cu + Zn²⁺ → Cu²⁺ + Zn tepkimesi istemsizdir; ancak bir güç kaynağıyla zorlanabilir.

Bu ikilik elektrokimyanın temelidir: Pil kimyasal enerjiyi elektriğe, elektroliz elektriği kimyasal enerjiye dönüştürür.

Elektrot, elektron alışverişinin gerçekleştiği, elektriği ileten katı yüzeydir; genellikle metal bir levha veya grafit çubuktur.

Yarı hücre, bir elektrot ile onun temas ettiği çözeltiden oluşur. Zn levhanın ZnSO₄ çözeltisine daldırılmasıyla Zn/Zn²⁺ yarı hücresi oluşur.

Elektrokimyasal hücre, iki yarı hücrenin dış devre (tel) ve tuz köprüsüyle birleştirilmesiyle oluşur.

• Anot: Yükseltgenmenin gerçekleştiği elektrottur. Galvanik hücrede anot, elektronların dış devreye çıktığı elektrottur ve negatif (−) kutuptur.

• Katot: İndirgenmenin gerçekleştiği elektrottur. Galvanik hücrede pozitif (+) kutuptur.

İnert (etkisiz) elektrotlar: Yarı tepkimede katı metal bulunmadığında elektron alışverişi için tepkimeye girmeyen bir iletken yüzey gerekir. Örneğin H⁺/H₂, Cl₂/Cl⁻ veya Fe³⁺/Fe²⁺ yarı hücrelerinde platin ya da grafit elektrot kullanılır. İnert elektrot kendisi harcanmadan elektronları iletir.

Hücre kısaca şöyle gösterilir: Zn(k) | Zn²⁺(suda) || Cu²⁺(suda) | Cu(k). Tek çizgi faz sınırını, çift çizgi tuz köprüsünü gösterir; anot sola, katot sağa yazılır.

Galvanik hücre çalışırken anot bölmesinde Zn²⁺ iyonları oluşur ve çözelti pozitif yük kazanmaya başlar; katot bölmesinde Cu²⁺ iyonları harcanır ve çözeltide negatif yük (SO₄²⁻ fazlası) birikir. Bu yük dengesizliği giderilmezse elektron akışı kısa sürede durur.

Tuz köprüsü, içinde KNO₃ veya KCl gibi tepkimeye girmeyen bir tuzun çözeltisi (çoğunlukla jel hâlinde) bulunan U biçimli bir borudur. Görevleri:

• Anyonlar (NO₃⁻) anot bölmesine, katyonlar (K⁺) katot bölmesine göç ederek çözeltilerin elektriksel nötrlüğünü korur.

• İç devreyi tamamlar; elektrik devresi kapalı hâle gelir.

• İki çözeltinin doğrudan karışmasını önler; karışsalardı Cu²⁺ iyonları doğrudan Zn levhaya ulaşır ve enerji ısı olarak harcanırdı.

Tuz köprüsünden elektron geçmez; dış devrede elektronlar, iç devrede (çözeltiler ve tuz köprüsü) iyonlar taşınır. Tuz köprüsü çıkarılırsa voltmetre sıfırı gösterir.

Zn/Cu pili deneyi: İki beherde ZnSO₄ ve CuSO₄ çözeltileri, içlerinde ilgili metal levhalar, aralarında tuz köprüsü ve dış devrede bir voltmetre bulunur. Standart koşullara yakın derişimlerde voltmetre yaklaşık 1,1 V gösterir; zamanla çinko levha incelir, bakır levhada bakır birikir.