Anoda i katoda są rodzaje elektrod znajdujących się w ogniwach elektrochemicznych. Są to urządzenia zdolne do wytwarzania energii elektrycznej w wyniku reakcji chemicznej. Najczęściej używanymi ogniwami elektrochemicznymi są baterie.
Istnieją dwa rodzaje ogniw elektrochemicznych, ogniwa elektrolityczne i ogniwa galwaniczne lub galwaniczne. W ogniwach elektrolitycznych reakcja chemiczna, która wytwarza energię, nie zachodzi spontanicznie, ale prąd elektryczny przekształca się w chemiczną reakcję utleniania i redukcji.
Ogniwo galwaniczne składa się z dwóch półogniw. Są one połączone dwoma elementami, metalowym przewodnikiem i mostkiem solnym.
Przewodnik elektryczny, jak sama nazwa wskazuje, przewodzi prąd, ponieważ ma bardzo mały opór na ruch ładunku elektrycznego. Najlepsze przewodniki są zwykle metalowe.
Mostek solny to rura, która łączy dwie półogniwa, zachowując ich styk elektryczny i nie dopuszczając do połączenia elementów każdego ogniwa.Każde półogniwo ogniwa galwanicznego zawiera elektrodę i elektrolit.
Kiedy zachodzi reakcja chemiczna, jedna z półogniw traci elektrony w kierunku swojej elektrody w procesie utleniania; podczas gdy druga uzyskuje elektrony dla swojej elektrody w procesie redukcji.
Na anodzie zachodzą procesy utleniania, a na katodzie procesy redukcji
Anoda
Nazwa anody pochodzi od greckiego ανά (aná): w górę i οδός (odós): droga. Faraday był tym, który ukuł ten termin w XIX wieku.
Najlepszą definicją anody jest elektroda, która traci elektrony w reakcji utleniania. Zwykle jest połączony z dodatnim biegunem tranzytu prądu elektrycznego, ale nie zawsze tak jest.
Chociaż w akumulatorach anoda jest biegunem dodatnim, w lampach LED jest odwrotnie, przy czym anoda jest biegunem ujemnym.
Zwykle określa się kierunek prądu elektrycznego, uznając go za kierunek swobodnych ładunków, ale jeśli przewodnik nie jest metalowy, wytwarzane ładunki dodatnie są przenoszone na przewodnik zewnętrzny.
Ruch ten oznacza, że mamy ładunki dodatnie i ujemne, które poruszają się w przeciwnych kierunkach, więc mówi się, że kierunek prądu jest drogą, jaką dodatnie ładunki kationów znajdują się w anodzie, w kierunku ujemnego ładunku anod. znalezione na katodzie.
W ogniwach galwanicznych posiadających metalowy przewodnik prąd generowany w reakcji podąża ścieżką od bieguna dodatniego do ujemnego.
Ale w ogniwach elektrolitycznych, ponieważ nie mają one metalowego przewodnika, a raczej elektrolit, można znaleźć jony o ładunku dodatnim i ujemnym, które poruszają się w przeciwnych kierunkach.
Anody termionowe przyjmują większość elektronów pochodzących z katody, podgrzewają anodę i muszą znaleźć sposób na jej rozproszenie. Ciepło to jest wytwarzane w napięciu, które występuje między elektronami.
Specjalne anody
Istnieje specjalny rodzaj anody, taki jak te, które znajdują się wewnątrz promieni X. W tych lampach energia wytwarzana przez elektrony, oprócz wytwarzania promieni rentgenowskich, generuje dużą energię, która podgrzewa anodę.
Ciepło to jest wytwarzane przy różnym napięciu między dwiema elektrodami, które wywiera nacisk na elektrony. Kiedy elektrony poruszają się w prądzie elektrycznym, uderzają w anodę, przekazując do niej swoje ciepło.
Katoda
Katoda jest ujemnie naładowaną elektrodą, która ulega reakcji redukcji w reakcji chemicznej, w której jej stopień utlenienia ulega zmniejszeniu, gdy otrzymuje elektrony.
Podobnie jak w przypadku anody, to Faraday zasugerował termin katoda, który pochodzi z greckiego κατά: „w dół” i ὁδός: „droga”. Do tej elektrody w czasie przypisywano ładunek ujemny.
To podejście okazało się fałszywe, ponieważ w zależności od urządzenia, w którym się znajduje, ma jedno lub drugie obciążenie.
Ten związek z biegunem ujemnym, podobnie jak z anodą, wynika z założenia, że prąd płynie od bieguna dodatniego do bieguna ujemnego. Dzieje się to w ogniwie galwanicznym.
Wewnątrz ogniw elektrolitycznych, medium przenoszącym energię, nie znajdującym się w metalu, ale w elektrolicie, mogą współistnieć jony ujemne i dodatnie, poruszające się w przeciwnych kierunkach. Ale umownie mówi się, że prąd płynie od anody do katody.
Specjalne katody
Jednym z rodzajów określonych katod są katody termojonowe. W nich katoda emituje elektrony pod wpływem ciepła.
W zaworach termoelektrycznych katoda może się nagrzewać, krążąc prąd grzejny w przymocowanym do niej włóknie.
Reakcja równowagi
Jeśli weźmiemy ogniwo galwaniczne, które jest najpowszechniejszym ogniwem elektrochemicznym, możemy sformułować generowaną reakcję równowagi.
Każde półogniwo tworzące ogniwo galwaniczne ma charakterystyczne napięcie znane jako potencjał redukcyjny. W obrębie każdej półogniwa zachodzi reakcja utleniania między różnymi jonami.
Kiedy ta reakcja osiągnie stan równowagi, ogniwo nie może już zapewnić napięcia. W tym momencie utlenianie, które zachodzi w tym momencie w półogniwie, będzie miało wartość dodatnią, im bliżej jest ona do równowagi. Potencjał reakcji będzie tym większy, im większa równowaga zostanie osiągnięta.
Kiedy anoda jest w stanie równowagi, zaczyna tracić elektrony, które przechodzą przez przewodnik do katody.
Reakcja redukcji zachodzi na katodzie, im dalej jest od równowagi, tym większy potencjał będzie miała reakcja, gdy zajdzie i zabierze elektrony pochodzące z anody.
Bibliografia
- HUHEEY, James E. i in. Chemia nieorganiczna: zasady budowy i reaktywności. Pearson Education India, 2006.
- SIENKO, Michell J.; ROBERT, A. Chemia: zasady i właściwości. Nowy Jork, USA: McGraw-Hill, 1966.
- BRADY, James E. Chemia ogólna: zasady i struktura. Wiley, 1990.
- PETRUCCI, Ralph H. i in. Chemia ogólna. Międzyamerykański Fundusz Edukacyjny, 1977.
- MASTERTON, William L.; HURLEY, Cecile N. Chemia: zasady i reakcje. Cengage Learning, 2015.
- BABOR, Joseph A.; BABOR, JoseJoseph A.; AZNÁREZ, José Ibarz. Współczesna chemia ogólna: wprowadzenie do chemii fizycznej i wyższej chemii opisowej (nieorganicznej, organicznej i biochemii). Marin, 1979.
- CHARLOT, Gaston; TRÉMILLON, Bernard; BADOZ-LAMBLING, J. Reakcje elektrochemiczne. Toray-Masson, 1969.