Elektroanalitik
kimya, bir çözeltinin elektriksel özelliklerine dayanan bir grup kantitatif
analitik yöntemleri içerir. Elektroanalitik yöntemler üç grupta toplanabilir:
1.
Çözeltinin konsantrasyonu ile potansiyel, akım, direnç (veya iletkenlik), kapasitans
veya elektrik miktarı gibi herhangi bir elektrik parametresi arasındaki doğrudan
ilişkiye dayanan yöntemler.
2.
Bir titrasyonun eşdeğerlik noktasının elektrik parametrelerinden birine göre
saptanmasına dayanan yöntemler.
3. Bir elektrik
akımı ile çözeltideki maddenin tartılabilir bir şekle dönüştürülerek ayrılmasına
dayanan yöntemler.
Elektrokimyasal hücreler, elektrik enerjisi üretiminde
kullanılıyorsa "galvanik", bir dış kaynaktan elektrik alıp harcıyorsa
"elektrolitik" olarak sınıflandırılırlar. Analitik kimyada iki tür
hücre de kullanılır. Hücrelerin çoğu, deney koşulları değiştirilerek galvanik
veya elektrolitik amaçlarla çalıştırılabilir.
Elektrokimyasal bir
hücrede, uygun bir elektrolit çözeltisine daldırılmış, iki metalik iletken
(elektrot) bulunur. Elektrik akımı elde edilmesi için elektrotların dıştan iletken
bir tel ile bağlanması ve iki elektrolit çözeltisinin, iyonların birinden
diğerine hareketini sağlayacak şekilde birbiriyle bağlantı halinde bulunması
gerekir.
Bir elektrokimyasal hücrenin katodunda indirgenme, anodunda
yükseltgenme reaksiyonu olur. Tanım galvanik ve elektrolitik hücreler için
aynıdır.
Hücrelerin tanımını
basitleştirmek için kısaltılmış bazı işaretler kullanılır. Hücrenin bu şekilde
tanımlanması “hücre diyagramı” olarak adlandırılır.
Bir hücre
diyagramında:
·
Anot ve anodun içinde bulunduğu çözelti ile
ilgili bilgiler sol tarafa yazılır.
·
Tek dik çizgiler potansiyelin oluşabileceği faz
sınırlarını gösterir.
·
Tuz köprüsünün varlığı iki dik çizgi ile
belirtilir; potansiyel farkının yüzeylerin her birinde oluştuğunu gösterir.
Örneğin, tuz köprüsü
bulunmayan sıvı bağlantılı bir hücre diyagramı:
Hücre potansiyelinin bir kısmı M1 elektrot ile M1 sulu çözeltisi arasındaki faz sınırında oluşmaktadır. Sıvı bağlantısında da küçük bir potansiyel bulunur; bu nedenle M1 sulu ve M2 sulu çözeltileri arasına da dik bir çizgi konur. Katot, elektrolit çözeltisini M2 elektrottan ayıran başka bir dik çizgiyle sembolik olarak tanımlanır.
Bir hücrede tuz
köprüsünün varlığı iki dik çizgi ile belirtilir; bu işaret potansiyel farkının
yüzeylerin her birinde oluştuğunu gösterir. Tuz köprülü bir hücre diyagramı
aşağıdaki gibi gösterilir:
Hücre Tipleri
1. Sıvı
Bağlantılı (Poröz Cam Diskli) Hücreler
İki yarı-hücre
elemanları arasında doğrudan reaksiyon olmasının istenmediği hallerde poröz cam
disklerle hazırlanan sıvı bağlantılı hücreler kullanılır (Şekil-1).
İki elektrolit
çözeltisi karıştırılırsa açığa çıkan metalik bakır doğrudan çinko elektrodu üzerinde
toplanır ve hücre veriminde düşme gözlenir. İki elektrolit (bileşimleri farklı)
çözelti arasındaki yüzeyde "bağlantı potansiyeli" denilen küçük bir
potansiyel doğar.
Şekil-1: Sıvı köprülü bir galvanik hücre
2. Sıvı
Bağlantısız Hücreler
Elektrotların aynı
elektroliti paylaştıkları hücrelerdir. Hücre diyagramı:
Bu hücrede, sadece iki faz sınırı vardır, elektrolit her iki elektrot için de uygun bir çözeltidir. Bu hücrenin eşdeğer doğrulukta diğer bir tanım şekli aşağıdaki gibi yazılabilir.
Burada, moleküler hidrojenin konsantrasyonu, doygun çözeltideki konsantrasyonuna eşittir (basınç ~1 atm); gümüş iyonları konsantrasyonu, gümüş klorür çözünürlük sabitinden hesaplanmıştır.
Şekil-2: Sıvı bağlantısız bir galvanik hücre; katot gümüş, anot
platindir.
Hidrojen ve katı
gümüş klorür arasındaki doğrudan reaksiyon yavaştır. Bu nedenle hücre verimini
hissedilir derecede düşürmeyen bir elektrolit kullanılmalıdır.
Anot ve katot
bölmelerindeki elektrolitleri birbirinden ayırmak için elektrokimyasal
hücrelerde "tuz köprüsü" bulundurulur. Tuz köprüsü çeşitli şekillerde
hazırlanabilir. Şekil-3'deki örnekte doygun potasyum nitrat ile doldurulmuş U
şeklinde bir tuz köprüsü görülmektedir. Böyle bir hücrede iki sıvı bağlantısı
vardır; birisi katot elektrotu ile köprünün bir ucu arasında, diğeri anot
elektrotu ile köprünün diğer ucu arasındadır.
Şekil-3: Tuz köprülü bir hücrenin şematik görünümü
Elektrik, bir hücrede iyonların bir yerden başka bir yere göç etmesiyle taşınır. Genel bir tarif olarak, metalik iletkenlerde Ohm kanunu yazılır.
I akım (amper), E
iyonların hareketini gerçekleştiren potansiyel farkı (volt) ve R de
elektrolitin akıma karşı gösterdiği dirençtir (ohm). Direnç çözeltideki
iyonların cinsine ve konsantrasyonlarına bağlıdır.
Sabit bir potansiyel
altında, bir çözeltideki çeşitli iyonların hareket hızlarının farklı olduğu
deneysel olarak saptanmıştır. Örneğin, protonun hareket hızı (veya akışı)
sodyum iyonuna göre yedi kat, klorür iyonuna göre beş kat daha fazladır. Bu nedenle
bir çözeltideki iyonların elektrik iletimine katkıları birbirinden farklıdır.
Bunu açıklamak için Şekil-4(a)'da görülen bir hücreyi inceleyelim.
Şekil-4: Altı elektronun akımından oluşan değişiklikler
Hücre üç bölme gibi
düşünülebilir; her bir bölmede altı hidrojen iyonu ve altı klorür iyonu
bulunsun. Bir bataryadan katoda altı elektron gönderilsin; katotta üç molekül
hidrojen molekülü oluşurken anotta da üç molekül klor meydana gelir (Şekil-4b).
Elektrot bölümlerinden iyonların ayrılmasıyla oluşan yük dengesizliği pozitif
iyonların negatif elektrota, negatif iyonların da pozitif elektrota doğru
göçmesiyle yeniden kurulmaya çalışılır. Proton, klorür iyonuna kıyasla beş kez
daha hareketli olduğundan elektroliz esnasında anot bölümüne beş proton yer
değiştirirken katotta anoda doğru bir klorür iyonu akar. Akımın altıda beşini
hidrojen iyonu altıda birini ise klorür iyonunun hareketi oluşturur.
İncelenen hücrenin
her bir bölümüne ayrıca 100 potasyum ve nitrat iyonu ilave edilmesi halinde elektroliz
sonunda oluşan yük dengesizliği hidrojen, klorür, potasyum ve nitrat
iyonlarının seçimli olarak göç etmesiyle giderilir. Hücreye ilave edilen KNO3
tuzunun konsantrasyonu çok fazla olduğunda denge tercihen potasyum ve nitrat
iyonlarının hareketiyle kurulur; hidrojen ve klorür iyonları, sadece
elektrotların yüzeylerindeki akımı sağlarlar.
Bir hücreye doğru
akım (DC) potansiyeli uygulandığında, iletim için anotta bir yükseltgenme ve
katotta bir indirgenme reaksiyonu olmalıdır. Böyle işlemlere ve akımlara
"faradaik" iletme denir. Değişken akım (ac) potansiyeli uygulamasında
ise hem faradaik hem de faradaik olmayan iletim söz konusudur.
Faradaik olmayan
akımlar, elektrot-çözelti yüzeyleri arasında bir elektriksel çift tabaka
oluşmasından kaynaklanır. Bir elektrolite daldırılmış olan metalik bir elektrota
potansiyel uygulandığında oluşan ani akım, metal yüzeyindeki negatif akımı
artırıcı (veya azaltıcı) etki yapar. İyonik hareketlilikle elektrot
çevresindeki çözeltide zıt yüklü iyonlar toplanır (Şekil-5a). Yüklü faz iki kısımdan oluşur:
1.
İyonların çok yoğun olduğu iç faz (d0–d1 arası); bu
bölgede elektrot yüzeyinden uzaklaştıkça potansiyel doğrusal olarak azalır.
2. İyonların kısmen
yoğun olduğu faz (d1-d2 arası); burada potansiyel
azalması eksponensiyaldir (üstel fonksiyonlu).
Eğrilerin durumu
Şekil-5(b)'de görülmektedir. Yükün bu homojen olmayışı durumu “elektriksel çift
tabaka” terimi ile tanımlanır. Çift tabakanın bir doğru akım potansiyeli ile
oluşması halinde yaratılan ani akım bazı faradaik işlemler bulunmazsa az sonra
sıfıra düşer (elektrot polarize olur).
Değişken akım
potansiyeli uygulamasında ise her yarım devirde bir şarj yükü değişeceğinden
elektrot yüzeyine önce negatif, sonra pozitif iyonlar çekilir. Bu iyonik
hareketler sonucunda elektrik enerjisi harcanır ve sürtünme ısısına dönüşür.
Böylece her bir elektrot yüzeyi kapasitansı oldukça büyük (birkaç yüz ile birkaç
bin mikrofarad/cm2) bir kondansatör gibi davranır. Kapasitans akımı
frekans ve elektrotun büyüklüğü ile artar; bu değişkenler kontrol altında
tutularak bir hücreden akan tüm, değişken akım faradaik olmayan bu işlemle
elektrot yüzeyine taşınabilir.
Şekil-5: Potansiyel uygulamasıyla elektrot yüzeyinde
oluşan elektriksel çift faz
oluşan elektriksel çift faz
Bir kaç bin
devir/saniyeye kadar olan frekanslar için oluşan değişken akım iyon
hareketlerinden bağımsızdır. Hareketin yönü her yarım-devirde bir değişir. Frekansların
çok yüksek olması durumunda ise elektriğin önemli bir kısmı ikinci bir
mekanizma ile taşınır; bu mekanizma dielektrik ortamın elektriksel polarizasyonundan
meydana gelir. Burada voltaj değişikliği, ortamdaki moleküllerin "tesirle
polarizasyonuna" ve "yönlenme polarizasyonuna" neden olur.
Birinci durumda, bir molekül çekirdeğinin etrafını saran elektron bulutunun
bozulması geçici bir polarizasyona neden olur; ikinci durumda ise kararlı bir
diod momenti bulunan moleküller elektrik alanı ile düzenli bir şekle girerler.
İki mekanizmada da akım, değişken voltaj sonucu oluşan işlemlerdeki periyodik
değişmelerden meydana gelir. Dielektrik akım ortamın dielektrik sabitlerine
bağlıdır ve frekansla doğru orantılıdır; bu tür akım sadece radyo
frekanslarında (106 Hz) önemlidir.
Elektrik, bir
galvanik hücrenin çeşitli kısımlarında gerçekleşen üç ayrı işlem sonunda
iletilir.
1.
Elektronların hareketi; elektronlar çinko, çinko-bakır iletken bağlantı maddesi
ve bakır metali yönünde hareket ederek bakır elektrotuna doğru akım
halindedirler.
2.
İki çözelti arasındaki iyon göçü; katyonlar çinko elektrotundan bakıra,
anyonlar da bakır elektrotundan çinkoya doğru göç ederler. Bu işlemde, iki
çözeltideki tüm iyonların katkısı vardır.
3. İki elektrotun
yüzeyinde oluşan yükseltgenme veya indirgenme reaksiyonu.
Böylece hazırlanan
ortamla, elektrotun elektron akımı ile çözeltinin iyonik gücü arasında bağlantı
kurularak bir akım elde edilmesi için gerekli devre tamamlanır.
Şekil-6: Galvanik
(voltaik) bir hücrenin şematik görünümü
2. Elektrolitik
Hücreler
Galvanik hücrede
bakır elektrotu katot, çinko elektrotu anottur. Bu hücreye, bir dış kaynaktan
yeterli miktarda potansiyel uygulaması halinde hücre, elektrolitik hücre
şeklinde çalışır. Burada elektrotların rolü tersine dönmüştür; bakır elektrotu
anot, çinko elektrotu katot olmuştur.
Şekil-7: Elektrolitik bir hücrenin şematik görünümü
3. Tersinir
ve Tersinmez Hücreler
Termodinamik
tersinir (reversible) reaksiyon, şarjdan deşarja geçerken elektrot
reaksiyonunun tersine dönüşmesidir. Tersinir işlemde:
Şekil-8: Tersinir çalışabilen iki hücre tipi
Şekil-8(a)’da
görülen galvanik hücrede bakır elektrotu katot, çinko elektrotu anottur. Bu
hücreye, bir dış kaynaktan yeterli miktarda (1.1 volttan daha yüksek) potansiyel
uygulaması halinde hücre, elektrolitik hücre şeklinde çalışır; elektron akımı
ters yöne döner. Bu koşullarda elektrotlardaki reaksiyonlar aşağıdaki şekilde
olur.
Şekil-8(b)'de
görülen galvanik hücre 0.46 V kadar potansiyel üretir. 0.46 V’dan daha yüksek
potansiyel üreten bir batarya, negatif ucu hücrenin platin elektrotuna
bağlanarak devreye konulursa, elektron akımı ters yöne döner; böylece iki elektrottaki
reaksiyonlar aşağıdaki şekilde olur.
Bu durumda gümüş
elektrot anot, platin elektrot katot olmuştur. Akım yönü değişikliği ile
elektrokimyasal reaksiyonun ters yöne çevrildiği hücreye (veya elektrota)
"tersinir" hücre denir.
Şekil-8(a)'daki hücrede
çinko elektrotunun bulunduğu bölmeye az miktarda seyreltik asit ilave edilirse,
reaksiyon tersinmez olmaya yatkınlaşır. Bu durumda potansiyel uygulamasıyla
katotta metalik çinko toplanmaz, bunun yerine aşağıdaki reaksiyona göre
hidrojen gazı çıkar:
4. Konsantrasyon Hücreleri
Yarım hücrelerinde
aynı elektrotlar olan, fakat elektrolit konsantrasyonları farklı olan
hücrelerdir.
Şekil-9: Bir konsantrasyon hücresinin şematik görünümü
Bu hücrenin
potansiyeli (E0hücre) Nernst eşitliğiyle hesaplanır.
Aşağıdaki
voltaik hücre için Nernst eşitliğinden yararlanılarak Ehücre
değerinin bulunması.
Hücre diyagramı:
Konsantrasyonlar:
Aşağıdaki
voltaik hücreyle AgI bileşiğinin Ksp değerinin tayin edilmesi.
Hücre için Nernst eşitliğinden Ag+ iyonlarının
konsantrasyonu bulunur, ve çözünürlük eşitliğinden denge sabiti hesaplanır.