Elektrokimya, kimyasal reaksiyonlar ile elektrik enerjisi arasındaki ilişkiyi inceleyen bir bilim dalıdır. Bu ilişki, indirgenme ve yükseltgenme (redoks) reaksiyonları aracılığıyla gerçekleşir. Temel olarak, bir türün elektron kaybetmesi (yükseltgenme) ve başka bir türün elektron kazanması (indirgenme) eş zamanlı olarak meydana gelir.
Redoks reaksiyonları, elektrokimyanın temelini oluşturur. Bu reaksiyonlarda, bir atom, iyon veya molekül elektron kaybederken (yükseltgenme), diğeri elektron kazanır (indirgenme). Yükseltgenme ve indirgenme her zaman birlikte gerçekleşir.
Örneğin, aşağıdaki reaksiyon bir redoks reaksiyonudur:
Zn(k) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(k)
Bu reaksiyonda:
Redoks reaksiyonlarında yer alan maddeler, yükseltgen ve indirgen ajanlar olarak adlandırılır:
Yukarıdaki örnekte, Cu2+ iyonu yükseltgen ajandır çünkü Zn'yi yükseltgerken kendisi indirgenir. Zn ise indirgen ajandır çünkü Cu2+ iyonunu indirgerken kendisi yükseltgenir.
Pil potansiyeli, bir elektrokimyasal hücredeki iki elektrot arasındaki potansiyel farkıdır. Bu potansiyel farkı, redoks reaksiyonunun kendiliğinden gerçekleşme eğilimini gösterir. Pil potansiyeli ne kadar yüksekse, reaksiyonun kendiliğinden gerçekleşme olasılığı o kadar fazladır.
Pil potansiyeli, standart koşullarda (25°C, 1 atm basınç, 1 M konsantrasyon) ölçülen standart pil potansiyeli (E°hücre) ile ifade edilir. Standart pil potansiyeli, aşağıdaki formülle hesaplanabilir:
E°hücre = E°katot - E°anot
Burada:
Elektrot potansiyelleri, standart hidrojen elektrot (SHE) referans alınarak belirlenir. SHE'nin potansiyeli 0 volt olarak kabul edilir.
Pil potansiyeli, standart koşullardan farklı koşullarda (farklı sıcaklıklar, konsantrasyonlar veya basınçlar) hesaplanmak istendiğinde Nernst denklemi kullanılır. Nernst denklemi, pil potansiyelinin konsantrasyon ve sıcaklıkla nasıl değiştiğini gösterir:
Ehücre = E°hücre - (RT/nF) lnQ
Burada:
Nernst denklemi, elektrokimyasal hücrelerin davranışını anlamak ve tahmin etmek için güçlü bir araçtır.
