Piller: Kimyasal Tepkimelerden Elektrik Üretimi
 

Piller: Kimyasal Tepkimelerden Elektrik Üretimi
Piller: Kimyasal Tepkimelerden Elektrik Üretimi
Depoladığı kimyasal enerjiyi daha sonra elektrik olarak veren bir düzenek ticari pil olarak isimlendirilir. Bazı piller iki elektrot ve uygun elektrolit içeren tek bir volta pilinden meydana gelmişlerdir. Flaş pili buna örnektir. Diğer ticari piller toplam potansiyeli arttırmak için artıdan eksiye seri bağlanmış iki veya daha fazla volta pilinden meydana gelmişlerdir. Otomobil aküsü bu türe örnek verilebilir. Bu kesimde üç tür inceleyeceğiz.

• Birincil ticari piller: Hücre tepkimesi tersinir değildir. Tepkenlerin büyük kısmı ürünlere dönüştüğünde, artık daha fazla elektrik üretilmez ve pil biter.
• İkincil ticari piller (akümülatörler) : Hücre tepkimesi aküden elektrik geçirilerek tersine dönebilir (yükleme). Böylece bir pil her boşalışından sonra yüklenerek birkaç yüz kez kullanılma olanağı vardır.
• Akış pilleri ve yalıt pilleri : Bu tür piller, içlerinden tepkenler, ürünler ve elektrolitler geçirilirken kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren düzeneklerdir.

Leclanché Pili (Kuru Pil)

Serbest sıvısı olmadığından herkesce kuru pil veya flaş pili olarak adlandırılan Leclanché pilinde, çinko anotta yükseltgenme, karbon (grafit) Katotda ise indirgenme meydana gelir. Elektrolit, MnO2, ZnCl2, NH4Cl ve karbon siyahı içeren ıslak bir macun kıvamındadır. Maksimum pil potansiyeli 1,55 V dur.

Yükseltgenme : Zn(k) → Zn2+(aq) + 2e-

İndirgenme : 2 MnO2(k) + H2O(s) + 2 e- → Mn2O3(k) + 2 OH-(aq)

NH4Cl den gelen NH4+ ile OH- arasında asit-baz tepkimesi meydana gelir.

NH4+(aq) + OH-(aq) → NH3(g) + H2O(s)

Akımı bozması nedeniyle katot civarında NH3(g) artışına izin verilmez. Bu durum, Zn2+ ile NH3(g) dan [Zn(NH3)2]2+ kompleks iyonu oluşturan bir tepkimeyle önlenip, kompleks iyon, klorür tuzu olarak kristallenir.

Zn2+(aq) + 2 NH3(g) + 2 Cl-(aq) → [Zn(NH3)2]Cl2(k)

Pilin ana bileşenleri indirgenmenin olduğu grafit (karbon) çubuk olup (katot olarak çalışır) çinko kap (anottur) ve bir elektrolit görevi görür.

Leclanché pili birincil bir pildir, tekrardan dolmaz. Leclanché pilini yapmak ucuz ise de bazı sakıncaları şunlardır; pilden hızla akım çekildiğinde, ürünlerin elektrotlardaki artışı voltaj düşmesine sebep olur ve elektrolit ortamı asidik olduğundan çinko metali yavaş yavaş çözünür.

Leclanché pillerinin daha üstün bir türü, elektrolit olarak NH4Cl yerine NaOH veya KOH ın kullanıldığı bazik pillerdir. İndirgenme yarı-tepkimesi yukarıda görülenle aynıdır. Bazik pilin üstünlükleri, çinkonun bazik ortamda asidik ortamdaki gibi kolayca çözünmemesi ve pilden akım çekilirken pilin voltajını koruyarak daha iyi iş yapmasıdır. Yükseltgenme yarı-tepkimesiyle Zn(OH)2(k) meydana gelir.

Zn(k) → Zn2+(aq) + 2 e-
Zn2+(aq) + 2 OH-(aq) → Zn(OH)2(k)
-------------------------------------------------
Zn(k) + 2 OH-(aq) → Zn(OH)2(k) + 2 e-

Kurşun-Asit Pili (Akümülatör)

Kullandığı kimyasal tepkimeler tersinir olduğundan bir akümülatör tekrar kullanılabilir. Yani pile yeniden elektrik akımı verilerek boşalan enerji yeniden depolanalıp kullanılabilir. Kurşun-asit pilindeki tepkenler, anotta bir kurşun ızgara içine sıkıca doldurulmuş kurşun metali, Katotta kurşun ızgara içine doldurulmuş kırmızı-kahverengi kurşun (IV) oksit ve kütlece yaklaşık % 35 lik seyreltik sülfürik asittir. Bu kuvvetli asidik ortamda H2SO4 tümüyle iyonlaşmaz. Ortamda HSO4-(aq) ve SO42-(aq) bulunur, fakat HSO4-(aq) daha fazladır. Yarı-tepkimeler ve net tepkime aşağıdaki gibidir.

İndirgenme : PbO2(k) + 3 H+(aq) + HSO4-(aq) + 2 e- → PbSO4(k) + 2 H2O(s)
Yükseltgenme : Pb(k) + HSO4-(aq) → PbSO4(k) + H+(aq) + 2 e-
------------------------------------------------------------------------------------
Net Tepkime : PbO2(k) + Pb(k) + 2 H+(aq) + 2 HSO4-(aq) → 2 PbSO4(k) + 2 H2O(s)

Gümüş-Çinko Pili: Düğme Pil

Bir gümüş-çinko hücresinin diyagramı aşağıdaki gibi yazılabilir.

Zn(k), ZnO(k) | KOH(doygun) | Ag2O(k), Ag(k)

Boşalma sırasındaki yarı-tepkimeler aşağıdaki gibidir.

İndirgenme: Ag2O(k) + H2O(s) + 2 e- → 2 Ag(k) + 2 OH-(aq)
Yükseltgenme : Zn(k) + 2 OH-(aq) → ZnO(k) + H2O(s) + 2 e-
-----------------------------------------------------------------------
Net Tepkime : Zn(k) + Ag2O(k) → ZnO(k) + 2 Ag(k)

Net tepkimede çözelti olmadığından, elektrolit miktarı çok azdır ve elektrotlar birbirine çok yakın tutulabilir. Gümüş-çinko hücresinin depolama kapasitesi aynı boyuttaki kurşun-asit hücresininkinden yaklaşık altı kez daha büyüktür. Bu sebepler gümüş-çinko hücresini “düğme” pil olarak kullanışlı yapar. Bu çok küçük piller saatlerde, elektronik hesap makinelerinde, işitme cihazlarında ve fotoğraf makinelerinde kullanılabilir.

Nikel-Kadmiyum Pili: Yeniden Yüklenebilir Pil

Nikel-kadmiyum pili veya nikad pili genelde elektrikli traş makineleri ve el hesap makineleri gibi kordonsuz elektrikli cihazlarda kullanılır. Bu pildeki anot kadmiyum metalidir, katot ise nikel metali üzerine tutturulmuş Ni(III) bileşiği NiO(OH) dir. Nikel-kadmiyum pilinin boşalımı sırasındaki yarı-hücre tepkimeleri aşağıdaki gibidir.

İndirgenme : 2 NiO(OH)(k) + 2 H2O(s) + 2 e- → 2 Ni(OH)2(k) + 2 OH-(aq)
Yükseltgenme: Cd(k) + 2 OH-(aq) → Cd(OH)2(k) + 2 e-
---------------------------------------------------------------------------------
Net Tepkime : Cd(k) + 2 NiO(OH)(k) + 2H2O(s) → 2 Ni(OH)2(k) + Cd(OH)2(k)

Bu pil 1,4 V luk oldukça sabit bir voltaj verir ve pili bir dış voltaj kaynağına bağlayarak yeniden yüklerken yukarıdaki tepkime tersine döner.

06. Elektroliz: İstemsiz Kimyasal Tepkimelerin Oluşum Nedeni

Elektroliz olarak adlandırılan bu işlemde kendiliğinden olmayan bir tepkime elektrik enerjisinden yararlanarak yürütülür.

Hücre kendiliğinden çalıştığında elektronlar çinkodan bakıra doğru gider. Bu durumda volta hücresindeki toplam kimyasal değişim aşağıdaki gibidir.

Zn(k) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(k) E°pil = 1,103 V

Şimdi aynı hücreyi 1,103 V dan daha büyük voltajlı bir dış elektrik kaynağına bağlarsak, elektronlar bakır elektrottan ayrılıp çinko elektroda doğru gitmeye zorlanır. Bu durumdaki toplam tepkime volta hücresi tepkimesinin tersi olup, E°pil negatiftir.

İndirgenme : Zn2+(aq) + 2 e- → Zn(k)
Yükseltgenme : Cu(k) → Cu2+(aq) + 2 e-
--------------------------------------------------
Net Tepkime : Cu(k) + Zn2+(aq) → Cu2+(aq) + Zn(k)

E°pil = E°Zn2+/Zn - E°Cu2+/Cu = -0,763 V – 0,340 V = -1,103 V

Böylece, elektron akışının yönünü tersine çevirerek, volta hücresini bir elektroliz hücresine dönüştürebiliriz