Galvanik hücreler
Galvanik hücre, kendiliğinden gerçekleşen bir redoks tepkimesinin yükseltgenme ve indirgenme bölümlerini ayırır; böylece elektronlar dış devreden geçmeye zorlanır ve kimyasal serbest enerji elektrik işi yapabilir. Yükseltgenme anotta, indirgenme katotta olur. Tuz köprüsü veya gözenekli ayırıcı elektron değil iyon taşır ve yarı hücrelerde büyük yük birikimini önler.
Görsel model
Etkileşimli model
Daniell hücresi temel örnektir
Anotta Zn(s) → Zn²⁺(aq)+2e⁻, katotta Cu²⁺(aq)+2e⁻ → Cu(s) gerçekleşir. Toplam tepkime Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu’dur. Galvanik hücrede Zn anodu Cu katoduna göre negatiftir ve elektronlar metal tel boyunca Zn’den Cu’ya gider. Anot ve katot tanımları her zaman yükseltgenme ve indirgenmeye dayanır; elektrot işareti farklı hücre türlerinde değişebilir.
Tuz köprüsü iyon devresini kapatır
Zn tarafında çözeltiye Zn²⁺ katılır, Cu tarafında Cu²⁺ metal bakıra dönüşerek çözeltiden ayrılır. Karşı iyon hareketi olmazsa yük ayrışması hızla elektron akışına karşı bir elektrik alan oluşturur. Basit Daniell düzeninde anyonlar anot bölmesine, katyonlar katot bölmesine yönelir. Elektronlar tuz köprüsünden geçmez; dış metal devreyi kullanır.
Hücre gösterimi ve standart potansiyel
Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s) yazımı faz sınırlarını sırayla gösterir. Standart elektrot değerleri indirgenme potansiyeli olarak verildiğinden E°hücre=E°katot−E°anot kullanılır. Cu²⁺/Cu için +0,34 V ve Zn²⁺/Zn için −0,76 V ile E°hücre=+1,10 V bulunur. Potansiyel yoğunluk özelliğidir; denklemi dengelemek için katsayıyla çarpılmaz.
Gibbs serbest enerjisi ile bağlantı
ΔG=−nFE bağıntısı elektriksel ve kimyasal itici gücü birleştirir. Yazılan yönde E pozitifse ΔG negatiftir ve bu yön verilen koşullarda kendiliğindendir. n, yazılmış toplam reaksiyon başına aktarılan elektron mol sayısıdır. Hücre dengeye yaklaştıkça kimyasal itici güç azalır ve uygun reaksiyon yönü için E sıfıra yaklaşır.
Nernst denklemi ve derişim etkisi
Standart potansiyel standart durumlar için geçerlidir. Gerçek bileşimde E=E°−(RT/nF)lnQ. Daniell hücresinde [Zn²⁺] artması veya [Cu²⁺] azalması Q’yu büyütür ve E’yi düşürür. Nernst denklemi yalnız elektriksel bir düzeltme değildir; bileşimin kimyasal potansiyel ve Gibbs enerjisi üzerindeki etkisinin elektrokimyasal ifadesidir.
Alıştırmalar
Daniell gerilimi
E°(Cu²⁺/Cu)=+0,34 V ve E°(Zn²⁺/Zn)=−0,76 V. E°cell nedir?
Çözüm: 0,34−(−0,76)=+1,10 V.
Elektron yönü
Kendiliğinden çalışan Zn/Cu hücresinde elektronlar hangi yönde akar?
Çözüm: Zn anottan dış tel üzerinden Cu katoda doğru akar.
Gibbs işareti
n=2 ve E=1,10 V ise ΔG’nin işareti nedir?
Çözüm: ΔG=−nFE olduğundan negatiftir; yazılan reaksiyon yönü kendiliğindendir.