Elektrokimya
Elektrokimya, Kimyasal enerji ile elektrik enerjsinin birbirine dönüşmesini inceleyen bilim dalı. Elektrokimya, elektrik akımından yararlanarak kimyasal tepkime elde etme olanağı veren yöntemlerin tümünü oluşturur ve kimya sanayisinin önemli dallarından biridir. Elektrik akımının iletken bir cisim üstünde ilk etkilerinden biri, ısı açığa çıkarmasıdır; bu etkiye "Joule olayı" adı verilir. Akkor duruma gelen bir ampulün filamanı, bu etkiyle ışık verir.
Aynı olay,bir elektrik arkı durumunda da görülür. Kömür ya da demirden yapılmış iki elektrot, bir yüksek gerilim (binlerce volt) üretecinin kutuplarına bağlanır ve açıkta kalan uçları birbirine dokunmazsa, artarda kıvılcımlar sıçrayarak, görünürde kesiksiz bir tür şimşek doğurur. Elektrotlar birleştirilerek akım verilir ve sonra ayrılırsa, elektrik arkı çok daha düşük gerilimle ortaya çıkar. Böyle bir ark ortamında bulunan gaz, büyük ölçüde ısınarak kimyasal bir dönüşümle karşılaşabilir.
Sözgelimi, elektrik arkının içinden hava akımı, yani oksijen (O) ve azot (N) karışımı geçirilirse, havanın bu iki elementi, 2 000-3 000 °C sıcaklıkta birbirine etki ederek azot oksit (NO) verir. Bu bileşim, ayrışmaması için hızla soğutulur. Yöntem, Norveç gibi elektrik enerjisi bakımından zengin ülkelerde, nitrik asit üretiminde kullanılır.
Elektrik arkı ayrıca, iletken bir katida ya da sıvıda ısının açığa çıkmasına yol açabilir. Bu teknik, çelik sanayisinde çeliği arıtmada kullanılır.
Ellektrik arkı fırını, ısıya dayanıklı gereçlerden yapılmış geniş bir havuzdur; bu havuza arıtılacak çelik konur ve özel çelik elde etmek istenirse, başka bileşenler katılır. Elektrik arkı iki elektrot arasında doğar, metalden geçerek onu eritir ve istenen dönüşümlere uğratır. Fırının iç çeper kaplaması, kimyasal tepkimeye katılması nedeniyle özenle seçilir.
İndükleme fırınlarında bütünüyle farklı bir olay görülür. İndükleme fırınları, çevresinde bobinler bulunan bir kaptan oluşur. Sarımlardan yüksek frekanslı, yani frekansı hızla değişen bir akım geçirilir; bu akım, indüklenmiş akımın şiddetini yükseltir; böylece metal kütlesi, yüksek şiddette bir akım yatağı haline gelerek erimeye başlar.
Alüminyum üretiminde başka bir yönteme, elektrolize başvurulur. Elektrolit, erime sıcaklığını düşüren kriyolit ve alüminyum karışımıdır. Anot (artı kutup) kömürden oluşur; katot (eksi kutup) kabın kendidir. Sıcaklık yaklaşık 1 000 °C'a ulaşır, gerekli akım şiddeti binlerce amperdir. Anotta karbon monoksit açığa çıkar ve bir bölümü toplanarak değerlendirilir. Erimiş alüminyumsa, kabın dibine çöker. Bu hazırlama yönteminde, hem elektrolizden, hem akım geçişiyle doğan ısıdan yararlanılır.
Elektroliz yöntemiyle üretilen başka maddeler de vardır. Sözgelimi sanayide klor ve sodyum hidroksit, sodyum klorür çözeltisinin elektroliziyle hazırlanır. Arı bakır ve demir, aynı yöntemle sülfatlardan elde edilir.
Elektroliz ayrıca plombajinle (grafit) cilalanarak yüzeyi iletken duruma getirilmiş metal bir nesneyi, başka bir metalle kaplama olanağı verir. Söz konusu nesne, kaplama metalinin tuzu (sözgelimi nikel kaplamada nikel tuzu) bulunan bir banyoda katot yerine konur. İyi tutmuş bir kaplama elde etme işlemi, banyonun sıcaklığı, kullanılan çözeltinin niteliği, akım şiddeti ve kaplanacak yüzeyin durumuyla ilgili önlemler alınırsa, başarıya ulaşır.
Galvanoplasti, yukarda belirtilen yöntemin, bir nesnenin modelini çıkarmak için yapılmış bir uygulamasıdır. Nesne önce kalıba dökülür, sonra yüzeyi iletken duruma getirilir. İletkenleşmiş bu yüzeye bakır sülfatla elektroliz uygulanarak, ilk nesnenin bütün ayrıntılarını veren bir bakır tabakasıyla kaplanır. Ardından bakır tabakası kolayca kaldırılabilir. Elektrotipi de, benzer yöntemle, sözgelimi ağaç üstündeki oymaların kopya edilmesidir. Böyle bir işlemde kalıp, mumdan yapılır; bakır kaplandıktan sonra, mum eritilerek, yerini eriyebilen bir alaşım alır. Bakır yerine, basınca daha dayanıklı olan demir de kullanılabilir. Elde edilecek klişeye mürekkep sürülerek, kâğıt üstünde örnekler basılabilir.
Not: Elektrokimyasal piller üstüne yıllarca sürdürülen araştırmalar, ürünlerini yakıt pilleri biçiminde vermiştir.Bu tür pillerde elektrik, elektrotlardan birine verilen sıvı ya da gaz haldeki vakit ile ötekine verilen oksijen ya da hava arasındaki tepkimeyle, doğrudan üretilir. Tepkimeye katılan kimyasal maddeler pilin içinde bulunmaz, iç patlamalı motorlarda olduğu gibi, dışardan verilir. Gemini ve Apollo uzay araçlarında, elektrik gücü üretmek için sıvı hidrojen ve oksijen kullanan yakıt pillerinden yararlanılmıştır. Burada görülen nükleer reaktör, enerjinin kimyasal tepkimeden elektrik gücüne aktarılmasını simgeleyen bir başka ve çok daha etkili yoldur. Reaktör çekirdeği içinde yer alan fisyon tepkimesinden elde edilen ısı enerjisi, suyu bakıra dönüştürmekte kullanılır. Buhar bir türbini, türbin de jeneratörü harekete geçirir; jeneratör de elektriği üretir. Nötron soğuran denetim çubuktan, fisyon tepkimesinin istenen düzeyde kalmasını sağlamak için alçaltılır ya da yükseltilir. Resimde çubuklar ve konumlarını ayarlayan mekanizma görülmektedir.
ELEKTROKİMYASAL PİLLER
Bütün katı ve sıvı maddeler, elektrik akımını iyi ya da kötü iletmelerine bağlı olarak iki kategoride toplanabilir: İletkenler ve yalıtkanlar. İletkenler kendi aralarında, iletimin nasıl gerçekleştiğine bakılarak, elektronik iletkenlerce elektrolitik iletkenler diye de sınıflandırılabilir. Metalleri de kapsayan elektronik iletkenlerde iletim, bir elektron akıntısı (elektrik akımı) sonucunda ortaya çıkar. Elektronun kütlesi önemsenmeyecek kadar küçük olduğundan, elektrik akımının geçmesi, maddenin aktarımını gerektirmez. Elektrolitik iletkenlerde (sözgelimi sudaki bir sodyum klorür çözeltisi) iletim, çözeltideki elektrolitlerin iyonlara (elektrik yüklü atomlar ya da atom grupları) ayrışmasıyla gerçekleşir. Artı yüklü iyonlara "katyon", eksi yüklü olanlara "anyon" adı verilir. Elektrik yüklü olan ve akışkan bir ortamda bulunan bu tanecikler, bir elektrik alanında hareket ederek, yükün aktarımına, aynı anda da maddenin aktarımına yol açarlar. Elektrokimyasal diye tanımlanan pillerde bu tür süreçler gerçekleştirilir.
Elektrokimyasal bir pil, bağıl bir elektrolit çözeltisi ile elektrot adı verilen, uygun iki metal iletken kapsayan bir kaptan oluşur. Elektromotor kuvvet kaynağının (sözgelimi bir pil ya da bir akümülatör) eksi kutbuna bağlanan elektrota, katot adı verilir (çünkü katyonlar ya da artı yüklü iyonlar bu elektrota doğru hareket eder). Artı kutba bağlanan elektrotaysa anot adı verilir (çünkü anyonlar ya da eksi yüklü iyonlar bu elektrota doğru hareket eder).
FARADAY YASALARI
Bir elektrolit çözeltisinden elektrik akımı geçtiğinde, madde aktarılır ve elektrotların üstünde birikir.
İngiliz fizik ve kimya bilgini Michael Faraday 1833-1835 yıllara arasında, elektrolitler yoluyla iletim konusunda iki ünlü yasanın formüllendirilmesine yol açan bir dizi önemli deneyi gerçekleştirmiştir. Bu yasalar, elektrokimyasal bir pilden geçen akım miktarı ile elektrotlar üstünde biriken ya da çözünen madde miktarı arasındaki ilişkiyi açıklar.
Faraday'ın ilk yasası, elektrik akımı tarafından ayrıştırılan madde miktarına orantılı olduğunu belirler. Uygulamada, bu, akımda bir artış olması durumunda katot üstünde biriken metalin miktarında da bir artış olacağı anlamına gelir ve bu ikisi arasındaki orantı doğru orantıdır. Kullanılan elektrik miktarı birimi çoğunlukla coulombdur. Coulomb, bir elektrokimyasal, pilin katotunda 1,11800 mgr gümüş biriktirmek için gerekli elektrik miktarıdır (zaman öğesi önemsizdir).
Faraday'ın ikinci yasası, eşit miktarda elektriğin farklı maddelerden, bağıl eşdeğer ağırlıklarına orantılı miktarlarda ayrıştırdığını belirler. Bu yasanın uygulaması, eşdeğer ağırlığın anlamı konusunda bilgili olmayı gerektirir.
Bir metalin eşdeğer ağırlığı, atom ağırlığının (o metalin bir molünün ya da 6,023x10/23 tanesinin gram cinsinden ağırlığı) değerliğine (metalin iyonunun kapsadığı yük sayısı) bölünmesiyle elde edilir. Sözgelimi, gümüşün değerliği 1, atom ağırlığı ise 107,88'dir. Dolayısıyla, gümüşün eşdeğer ağırlığı 107,88 gr olur. Çinkonun atom ağırlığı 65,38, değerliği ise 2'dir. Dolayısıyla, eşdeğer ağırlığı 32,69 gr olur.
Uygulamada Faraday'ın ikinci yasası, farklı metaller kullanıldığında eş miktarda akımın, bir pilin elektrotları üstünde farklı ağırlıkta metaller birikmesine yol açacağı anlamına gelir. Belli bir akımla biriken metalin ağırlığı, o metalin eşdeğer ağırlığına bağlı olur.
Yasa ayrıca, belli bir maddenin elektrot üstünde birikmesi için gerekli elektrik akımı miktarının hesaplanmasını da olanaklı kılar. 1 coulombun 1,11800 mgr biriktireceği belli olduğuna göre, eşdeğer ağırlığı kadar gümüş (107,88 gr) 107,88 bölü 0,00111800 - 96,493 coulomb ile biriktirilebilir.
Bu yük miktarı normal olarak 96,500 biçiminde yuvarlanır ve İngiliz bilim adamı Michael Faraday'ın adından 1 faraday diye adlandırılır. Yani 1 faraday, bir pilin elektrotları üstünde, bir maddeden eşdeğer ağırlığına eşit bir miktar biriktirebilmek (ya da oluşturabilmek) için gerekli yük miktarıdır.
ELEKTROKİMYASAL BİR PİLİN TEMEL NİTELİKLERİ
Elektrokimyasal bir pil, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir aygıttır. İki tür pil vardır: Ömrü kimyasal yük tükenene kadar süren birincil piller(flaşlarda, transistörlü radyolarda, fotoğraf makinelerinde ve benzerlerinde kullanılan piller); bir dış akım kaynağı kullanılarak yeniden yüklenebilen ikincil piller ya da akümülatörler.
DANİELL PİLİ
Daniell pili, elektrokimyasal pillerin nasıl çalıştığını gösteren iyi bir örnektir. Bu tür bir pil iki çözelti kapsar: Bir çinko elektrot kapsayan sulu çinko sülfat çözeltisi ve bir bakır elektrot kapsayan sulu bakır-ll sülfat çözeltisi. İki çözelti birbirinden, gözenekli bir porselen çeperle ayrılır. Pil şöyle çalışır. Bakır metali bakır elektrotun üstünde birikir ve aynı anda, eşdeğer ağırlıkta çinko, çözeltiye geçer. Daha kesinlik kazandırmak için olay şöyle de açıklanabilir: Metal çinko, çinko iyonları halinde çözeltiye girer ve bakır iyonları, bakır elektrotun üstünde metal olarak birikir. Toplam tepkime şöyledir (1):
Zn (elektrot) + Cu² + (çözelti) —
Zn² + (çözelti) + Cu (elektrot).
Bu tepkime, iki ayrı elektrotta yer alan iki ayrı tepkimenin toplamıdır. Çinko elektrottaki tepkime şövledir (2A):
Zn - Zn²++ 2 e/-,
Çinko atomları elektrottan ayrılır ve Zn/2+ iyonları halinde çözeltiye geçerken, geride, elektrotun üstünde elektronlar kalır. Öte yandan, bakır elektrottaki tepkime de şöyledir (2B):
Cu/2+ + 2e Cu/0.
Ötekinin tersine bu tepkime, bakır elektrottan bir pozitif yük fazlalığı birikmesine neden olur. 2A ve 2B tepkimelerinin toplamı, toplam tepkime olan Ti verir.
Bu tepkimeler ancak, elektronlar çinko elektrottan bakır elektrota geçiyorlarsa gerçekleşebilir. Elektrotlar, bir tel parçası türünden bir dış iletken yardımıyla bağlandığında olan budur. Bir elektron akımı iletken yoluyla çinko elektrottan bakır elektrota geçerken, tepkime 1 oluşur. Bu dış elektron akımı, pil tarafından oluşturulan elektrik akımıdır.
Bu tür bir pil, çoğunlukla kısa ömürlü olur. Pilin çalışabilmesi için, tepkime 1 'in mutlaka gerçekleşmesi gerekir. Ancak bu, metal çinko elektrotun ve bakır-ll sülfat çözeltisindeki bakır iyonlarının tüketilmesi anlamına gelir. Metal çinko ya da Cu/2+ iyonları tükenirtükenmez, tepkime 1 'de, dış devredeki elektron akıntısı da durur.
Elektron bakımından zengin olan elektrot (çinko elektrot) eksi yüklü, elektron yönünden yoksul olan elektrotsa (bakır elektrot) artı yüklü olur.