PİLLER

          Piller, en çok kullanılan doğru akım kaynaklarıdır. Bütün pillerin yapısı temelde aynı olup bir elektrolit içerisine batırılmış farklı iki elektrottan oluşur.

          Piller kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürler. Pilde oluşan yük-seltgenme ve indirgenme olayları sonucunda pilin (+) ve (-) kutupları arasında potansiyel farkları oluşur. Elektron fazlalığı olan negatif kutupta düşük potansi-yel, elektron azlığı olan pozitif kutupta ise yüksek potansiyel oluşarak iki kutbun birbirine iletken bir telle bağlanması halinde negatif kutuptan pozitif kutba doğru elektronlar hareket eder. Bu işlem pilin iki kutbunun da potansiyeli eşit olunca biter ve bu anda pil tükenmiş olur, yani daha fazla akım üretemez. Pi-lin uçları arasındaki potansiyel farkına pilin voltajı veya gerilimi denir ve V ile gösterilir. Pilin uçları arasındaki potansiyel farkı da voltmetre ile ölçülür.

          PİLİN TARİHSEL GELİŞİM SÜRECİ

          Günümüzden yaklaşık 2.000 yıl önce, eski Yunan bilgini Thales, bir kumaş parçasını fosil ağaç reçinesinden oluşmuş sarı bir kayaç türü olan kehribara sürterek, küçük elektrik kıvılcımları elde etmişti. Ama insanların bu gücü dene-tim altına alarak, düzenli bir elektrik akımı sağlayan pili üretmeyi başarmaları için aradan çok uzun bir zaman geçmesi gerekliydi. 1800'de Alessandro Volta (1745-1827), yaptığı ilk pile ilişkin ayrıntıları yayınladı. Bu pil, asitli suya batırılmış yuvarlak çuha ya da karton parçalarıyla birbirinden yalıtılmış bir çinko ve ba-kır disk dizisinden oluşuyor; son bakır diski son çinko diske bağlayan metal tel-den de akım geçiyordu. Cruikshank, bu pilin sakıncalarını (asitli suyun akarak parazit bağlantılara neden olması gibi) gidermek için, asitli su yalağına yatırılmış bir sütundan oluşan gözlü batarya’yı geliştirdi.

1826’da Becquerel, bu pillerde ortaya çıkan gerilim düşümüne, kontak-lardaki yapı değişikliğinin ve özellikle, pozitif elektrot üzerinde, elektroliz etki-siyle toplanan hidrojen kabarcıklarının neden olduğunu açıkladı. Elektrotlar-daki bu kutuplanmayı azaltmak için, elektrolit içine kutuplanma gidericiler, yani hidrojen birikimini ortadan kaldırma yeteneği olan yükseltgenler katmak gerekiyordu. Böylece, sıvı (kromik asit, potasyum bikromat, nitrik asit vb.) ve katı (kurşun dioksit ya da manganez dioksit) kutuplanma gidericiler içeren piller yapıldı.

1842’de Poggendorff, daha sonra sırasıyla Grenet, Ducretet ve Trouvé’ nin yetkinleştirecekleri potasyum bikromatlı pil’i tasarladı. Bunsen pilinde (1843) ise kutuplanma giderici olarak nitrik asit kullanıldı.

Tek bir katı kutuplanma giderici içeren pillerin en pratiği Leclanché öğesidir (1868). Bu pil türü, bir amonyum klorür çözeltisi içinde yer alan ve nega-tif kutbu oluşturan çinko çubuğu içeriyor, merkezde de gözenekli bir kap ya da kumaş içerisinde bir karni kömürü levhası (pozitif kutup) bulunuyor-du. Bu levha karşısında, basınç yoluyla manganez dioksit topraklaştırılmış hal-deydi. Bu pil 1,5 V luk gerilim vermesine karşın ancak zayıf akımlar üretebiliyor-du. Kesikli kullanımlar için uygun olan bu pili Féry yetkinleştirdi. Féry pilinde ne-gatif elektrot, kabın dibine yatay olarak yerleştirilmiş bir çinko levhadan oluşur. Pozitif elektrot, katalizör görevi gören gözenekli kömürdendir. Elektrolit, bir amonyum klorür çözeltisidir; havanın, sıvı üst katmanlarında çözünen oksijeni, kutuplanma giderici görevi yapar. Aynı ilkeden yola çıkılarak, günümüzde çok kullanılan ve kum pili denen, elektrolitleri soğurucu ya da jelatinli bir mad-deyle akışmaz kılınmış piller de üretilmiştir.

Öte yandan, farklı iki metal lamı, her birini tuzlarından birinin çözeltisi içersine daldırarak, kutuplanmaz denen, iki sıvılı piller de geliştirilmiştir. Bu türün ilk örneğini Daniell, 1836‘da vermiştir.

TARİHTE İLK PİL; VOLTA PİLİ

İlk pili 1800’de İtalya’daki Pavia Üniversitesi’nde doğa bilimleri profesörü olan Alessandro Volta geliştirdi.

Sonradan Volta pili olarak ad-landırılan bu aygıt, aralarında tuzlu su emdirilmiş mukavva levhalar bulunan gümüş-çinko levha çiftlerinin oluşturdu-ğu bir diziydi. (Bkz; Şekil II)  En üstteki gümüş levha en alttaki çinko levhaya bir telle bağlandığında telden bir elektrik akımı akıyordu. 1836’da İngiliz kimyacı John Daniell volta pilini geliş-tirdi ve yaygın olarak bilinen biçimine kavuşturdu

Volta pili, bir elektrolit içine daldırılan             Şekil II                            elektron çekme yeteneği farklı iki kim-

      yasal maddenin bir dış devre üzerin-

den birbirine bağlanmasıyla oluşur. Bu iki kimyasal madde elektrokimyasal çift olarak adlandırılır. Elektrokimyasal çift arasındaki tepkime bir yükseltgeme indirgeme tepkimesidir. 

Volta pilinden akım çekilmezken, pilin elektrotları arasında bir potansiyel farkı (geri-lim) oluşur. Bu potansiyel farkı, bir elektronun bir elektrottan öbürüne taşınmasında etkili o-lan kimyasal enerjinin miktarıyla belirlenir,; bu yüzden de elektrotlarda kullanılan maddele-rin kimyasal yapısına bağlıdır. Pilden akan a-kımın şiddetini, pilin kendi direnci de içinde olmak üzere devrenin toplam direnci belirler.  Yüksek akım şiddeti elde etmek için direnci küçük bir pil kullanmak gerekir. Bu da elektrotların yüzeyleri geniş tutularak sağla-nabilir. Pilden akım çekildiğinde, pilin gerilimi, pilin içdirenci ve elektrotlardaki kimyasal sürecin yavaşlığı yüzünden düşme gösterir.                    Volta Pili

Bir volta pilinin toplam enerjisi sınırlıdır.

Bu enerji pilin sığası olarak tanımlanır; anottan salınıp katotta toplanan elektronların toplam sayısıyla belirlenen bu sığa, amper-saat birimiyle ölçülür. Pildeki bütün kimyasal enerji tüketildiğinde (bunun nedeni çoğu kes elektrotlardan birinintümüyle tükenmesidir) gerilim sıfıra düşer ve artık bir daha yükselmez. Pilin sığasını elektrotlardaki etkin kimyasal bileşiklerin miktarı belirler.

VOLTA  PİLİNİN ÇALIŞMA PRENSİBİNİN İNCELENMESİ

DENEYİN AMACI:Volta pilinin yapısını ve özelliklerini incelemek.

KULLANILAN ARAÇ VE GEREÇLER:

DENEY DÜZENEĞİ:

DENEYİN YAPILIŞI:

1-Beherglas içine 200 ml su koyunuz. Üzerine bir miktar sülfirik asit dökünüz.

2-Bakır ve çinko elektrotları şekilde görüldüğü gibi çözeltiye daldırınız.(Gerekirse iki döküm ayak arasına Statif çubuk geçirerek, hertz ayaklarına elektrotlar tutturulabilir.)

3-Voltmetrenin  ( + ) ucuna bakır, ( - )ucuna çinko elektrotları bağlıyarak pilin E.M.K. ‘sını ölçünüz.

DENEYİN SONUCU:

Voltmetre göstergesinin hareket etmesi devreden bir akım geçtiğini gösterir. Volta pilinde voltmetrenin gösterdiği değer 1,1 volttur.

TEORİK BİLGİ:

Bir iletken çözelti içine iki farklı iletken çubuk batırılarak bir pil meydana getirilir. İletken çözeltiye elektrolit, iletken çubuklara da elektrot denir. Çubuklar pilin kutuplarıdır.

İlk defa İtalyan fizikçisi Alessandro Count VOLTA bu düzeneği kurup ilk elektrik üretecini yaptığı için bu pile “volta pili” denir.

Sulandırılmış sülfirik asit çözeltisi içine batırılarak basit bir volta pili yapılabilir. Çinko atomları çözelti içinde çözünerek  (+) yüklü iyon durumuna geçerler. Bu durumda çinko elektrot ( - ) , bakır elektrot ( + ) yük kazanır. Çinko elektrottaki ( - ) yükler iletken vasıtasıyla bakır elektrota ulaştıklarında çözeltiden gelen hidrojen iyonları nötr hale geçip gaz halinde bakır elektrot üzerinde toplanırlar. Zamanla bakır elektrot etrafında hidrojen gazının birikmesi arttığı için volta pili akım vermez hale gelir. Bu olaya “kutuplanma” denir. Deneyin sonunda(-) kutup çinko levha,  ( + )kutup ise bakır levha olmuştur.

Yeni yapılmış bir volta pilinin iki kutbu arasına bir voltmetre bağlanırsa, voltmetre 1,1 voltu gösterir.  Volta pili çok çabuk biten bir pildir. Elektrolitleri sıvı olduğundan bir yerden bir yere taşınması zordur ve ekonomik değildir.  Bu bakımdan günümüzde bunun yerine kuru piller tercih edilir.

Volta pilinin yapısını ve nasıl akım verdiğini daha detaylı inceleyelim:

Çinko levha, asitli su içinde çözünür. Her çinko atomu iki elektronu çinko elektrotta bırakarak Zn΅² iyonuna yükseltgenir ve çözeltiye karışır.

Zn          Zn΅² + 2eֿ

Böylece çinko elektrotta elektronlar birikir ve negatif yüklenir. Asitli su ise çinko iyonları ile pozitif yüklü hale gelir ve asitli su ile çinko elektrot arasında potansiyel farkı doğar. Çözünen çinko atomu sayısı arttıkça potansiyel farkı büyür. Çinko elektrotta biriken elektronlar kurulan devreden geçerek bakır elektroda gider. Bu geçişte ampermetre sapar. Bu da akımın geçtiğinin bir göstergesidir. Pilin (-) kutbu çinko elektrot, (+) kutbu ise bakır elektrottur.

Ancak pil çalışmaya başladıktan kısa bir süre sonra akım şiddetinin azal-maya başladığı görülür. Bunun nedeni bakır elektrot etrafında toplanan hid-rojen gazıdır. Çözeltide bakır iyonlarından başka sülfürik asidin suda çözünme-sinden doğan hidrojen atomları da vardır.

H2SO4              2H΅¹+ SO4ˉ²

Akım geçmeye başladıktan sonra bakır elektrot, çinko elektrottan dış devreyi geçerek gelen elektronların etkisiyle pozitif hidrojen iyonlarını çeker. Hidrojen iyonları bakır elektrottan elektron alarak;

          2H΅ + 2eֿ          H2 (gaz)

tepkimesine göre indirgenir ve bakır elektrotta toplanır. Yalıtkan olan hidrojen gazı bakır elektrotla çözeltideki H΅ iyonları arasındaki ilişkiyi keser. Bakır elektro-da gelen elektronların H΅ iyonları tarafından alınmasını engeller ve pilde elektron akışının durmasına neden olur. Kutuplanmış elektrotun silinmesi ve zımpara kağıdı ile silinmesi halinde yeniden akım vermeye başlayan volta pili, zamanla içine kutuplaşma önleyici sıvı ve katılar konularak geliştirilmiştir.

          DİĞER PİL ÇEŞİTLERİ

I. Daniell Pili

          Daniell pili, elektrokimyasal pillerin nasıl çalıştığını gösteren iyi bir örnektir. Bu tür pil, iki çözelti kapsar: bir çinko elektrot kapsayan sulu çinko sülfat çözeltisi ve bir bakır elektrot kapsayan sulu bakır (II) sülfat çözeltisi. Bu iki çözelti birbirinden gözenekli bir porselen çeperle ayrılır.

                (Yandaki şekilde Daniell pilinin bölümlerini görüyoruz)

Daniell pili şöyle çalışır:

Bakır metali bakır elektrotun üzerinde birikir ve aynı anda, eşdeğer ağırlıkta çinko çözeltiye geçer.                                                             Şekil III

Daha kesinlik kazandırmak için şöyle

diyebiliriz; metal çinko, çinko iyonları halinde çözeltiye girer ve bakır iyonları, bakır elektrotun üstünde metal olarak birikir. Toplam tepkime şöyledir:

Zn (elektrot) +Cu΅² (çözelti)        Zn΅² (çözelti) + Cu (elektrot)  (1)

          Bu tepkime, 2 ayrı elektrotta yer alan iki ayrı tepkimenin toplamıdır. Çinko elektrottaki tepkime şöyledir:

          Zn          Zn΅² + 2e־                                                                                                (2a)

            Çinko atomları elektrottan ayrılır ve Zn² iyonları halinde çözetiye geçerken, geride, elektrotun üstünde elektronlar kalır. Öte yandan, bakır elektrottaki tepkime de şöyledir:

          Cu΅² + 2e־           Cuº                                                                                  (2b)

          Ötekinin tersine bu tepkime, bakır elektrotta bir pozitif yük fazlalığı oluş-masına neden olur. (2a) ve (2b) tepkimelerinin toplamı, toplam tepkime olan (1)’i verir.

Bu tepkimeler ancak, elektronlar çinko elektrottan bakır elektrota geçi-yorlarsa gerçekleşebilir. Elektrotlar, bir tel parçası türünden bir dış iletken yardı-mıyla bağlandığında olan budur. Bir elektron akımı iletken yoluyla çinko elek-trottan 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 (II) sülfat çözeltisindeki bakır iyonlarının tüketilmesi demektir. Metal çinko ya da Cu΅²  iyonları tükenir tükenmez, tepkime (1) de, dış devredeki elektron akıntısı da durur.

Son olarak, elektron bakımından zengin olan elektrot (çinko elektrot) negatif yüklü, elektron yönünden yoksu olan elektrot ise (bakır elektrot) pozitif yüklü olur.

Elektrokimyasal pilleri tanımlamakta yararlanılan klasik yöntem, yeralan kimyasal olayları, negatif elektrottan başlayarak sırayla yazmaktır. Bu bağlam içinde, temel olarak bir çinko elektrot, sulu bir ZnSO4 çözeltisi, gözenekli bir zar, sulu bir CuSO4 çözeltisi ve bir bakır elektrottan oluşan Daniell pili şöyle tanımlanır:

Zn / ZnSO4 (çöz.) || CuSO4 (çöz.) /Cu

II. Féry Pili

Kesikli ve güçsüz bir debiye (onda bir amper kadar) ve 1,5 volta yakın bir emk’e sahiptir. Pozitif elektrot gözenekli kömürden, negatif elektrot ise çinko-dan oluşur. Elektrolit de bir amonyum klorür çözeltisin-den oluşur.

Bu pilde, dış hava, pozitif elektrot olan gözenekli kömürde yayılarak pilin kutuplaşmasını giderir.

III. Kuru Leclanché Pili

          Elektroliti bir amonyum klorür çözeltisi olan ve kutuplaşma önleyici yükseltgen olarak man-ganez dioksit içeren bu pilin, toza batırılmış pozi-tif elektrodu karni kömüründen ve negatif elek-trodu çinkodan oluşur.

          Leclanché tipi pil, zamanla değişime uğ-ratılarak kullanımı rahat olan ve kuru denen pile dönüştürülmüştür. Çinkodan yapılmış negatif elektrot pili saran silindirdir; elektrolit de bir jöle   

içersinde hareketsiz kılınmıştır.                                          Şekil V

          IV. Kuru Piller

          Günlük hayatta en çok kullanılan pillerdir. Cep fenerleri, oyuncaklar, saatler, radyo, teyp, telsiz, telefon, fotoğraf makinesi ve bunlar gibi pek çok araç kuru pille çalışır.

Pilin (+) kutbu, pilin ortasındaki karbon çubuktur. Bu çubuk, elek-triği iyi ileten yapay bir kömürün günlük hayatta kullandığımız kuru piller            tozu sıkıştırılarak elde edilir. Karbon                                                           çubuk, içinde %75 mangan dioksit

ve %25 grafit bulunan bir bez torbaya yerleştirilir. Torba içindeki bu karışım amonyum klorür çözeltisi ile nemlendirilir. Silindir şeklindeki çinko kap içine %20 kadar amonyum klorür ve bir miktar da pelteleştirici madde konulur ve bez torba bunların içine yerleştirilir. Leclanché pilinde de olduğu gibi, çinko kap pilin (-) kutbudur. Çinko kabın dibine bez torbanın kaba değmesini engelle-yen yalıtkan madde konur. Bu şekilde hazırlanan pil bir süre sıcakta bekleti-lerek amonyum klorür pelteleştirilir. Sonra pil parafinli kağıtla kapatılır. Oluşabi-lecek gazların toplanması için pilin üst kısmında boşluk bırakılır. Boşluğun üstü ziftle kapatılır. Zift, peltemsi amonyum klorürün kurumasını engeller.

          Kuru pil akım vermeye başladığında çinko çözünür. Her çinko atomu iki elektronunu kapta bırakarak Zn΅² iyonuna dönüşür ve çinko kap aşınır. Zn΅² iyonu, Cl¯ iyonları ile birleşerekçinko klorür oluşturur. Bu sırada amonyum klorür iyonlaşır. Amonyum iyonu karbon çubuktan elektron alarak amonyak ve hidrojen gazına dönüşür. Açığa çıkan hidrojen gazı mangan dioksit tarafın-dan tutularak kutuplanma (polarizasyon) önlenir.

          Elektronlar dış devreye çinko kaptan çıkar ve karbon elektroda gelir. Kuru pilin sağladığı potansiyel farkı volta pilininkinden fazladır. Polarizasyon kısmen engellendiğinden uzun süre kullanılabilir. Ancak pilden bir defada çok enerji çekilir veya çok uzun süre kullanılırsa oluşan hidrojenin olumsuz etkisi yok edilemez. Pildeki yük akımı durur ve pil tükenir.

          Pil çalışırken oluşan kimyasal tepkimeler pildeki maddelerin yapısında değişikliğe neden olmaktadır. Bu değişiklikler kimyasal tepkimeleri yavaşlata-rak pil gerilimini düşürür. Örneğin; çinko kap yenilenirse pil yeniden akım vere-bilir. Kuru pil kullanılmasa bile içindeki kimyasal tepkimeler yavaş yavaş de-vam eder ve nemini kaybeder. Bu yüzden pil alınırken taze olmasına dikkat edilmelidir. Sıcaklıkta tepkimeler hızlandığından, pildeki olayları yavaşlatmak için kullanılmayan piller serin bir yerde saklanmalıdır.

V. Cıva Pili Ya da Ruben Mallory Pili

Geçmiş yıllarda bir dizi ticari uygulamada başarıyla kullanılan bu pillerde, negatif elektrot her zaman çinko, diğer elektrot ise civadır. Elektrolit katı HgO ve Zn(OH)2 kapsayan, sulu bir K2CO3 (yüzde 40) çözeltisidir.

Cıva pilleri, hacimleri göz önüne alındığında oldukça etkilidir. Sürekli bir voltaj ve taşınabilirlik gerektiren durumlarda kullanılırlar. Emk 1,86 V’tur.

VI. Yakıtlı Piller

Bu piller elektrokimyasal birer üreteçtir. Belirli sıcaklık ve basınç koşullarında, katalizörlü ortamda yakıtlar (hidrojen ya da hidrojenli bileşikler) ve bir yükseltgenden (oksijen ya da hava) hareketle, su elektrolizinin tersi olan tepkime gerçekleştirilebilir. Hidrojen iyonları ve oksijen iyonlarının birleşmesiyle su elde edilir ve bu arada elektrik akımı elde edilir.

Yüksek sığalı ve 1 kW’tan yüksek güçte piller yapılmış, ayrıca uydularda yakıtlı piller kullanılmıştır; bu yolla elektrik enerjisi üretiminin giderek daha da gelişeceği sanılmaktadır.

VII. Biyokimyasal Piller

Yakıtlı bir pil çeşididir. Hidrojenli yakıt, pil içinde, özel bir mayalanmayla elde edilir; bu mayalanma, mikroorganizmalar (bakteriler) aracılığıyla organik maddelerin (glikoz, üre ya da çeşitli karbonhidratlar içeren) dönüşümüne dayanır. Biyokimyasal bir üretecin gücü 20-30 kilowatt kadardır, ayrıca, bazı artıkların yok edilmesini sağlar.

VIII. Fotopil Ya da FotovoltaikPiller

Işık enerjisinin elektrik enerjisine dönüşmesini sağlar.

Yorumlar (0)

Bu icerige ait yorumlari masaustune alabilirsiniz

Yorum Yazin

Adiniz

Email

Baslik

Yorum

eksi not | arti not

Bu yoruma abone ol (Sadece kayitli kullanicilar icin)

Okudum ve kabul ediyorum Yorum gonderim kurallari.

Lutfen resimdeki guvenlik kodunu girin

Yorum Ekleyin