Es ist oft ein Problem, zu entscheiden, welche Elektrode die Kathode und welche die Anode ist. Ein guter Anfang ist es, die Begriffe zu definieren.
Das Konzept von Kathode und Anode - eine einfache Erklärung
Bei komplexen Stoffen sind die Elektronen zwischen den Atomen in den Verbindungen nicht gleichmäßig verteilt. Die Wechselwirkung bewirkt, dass sich Teilchen von einem Atom eines Stoffes zu einem Atom eines anderen Stoffes bewegen. Diese Reaktion wird als Oxidations-Reduktionsreaktion bezeichnet. Der Verlust von Elektronen wird als Oxidation bezeichnet, das Element, das die Elektronen abgibt, als Reduktionsmittel.
Die Zufuhr von Elektronen wird als Reduktion bezeichnet, das Element, das die Elektronen aufnimmt, als Oxidationsmittel. Die Übertragung von Elektronen vom Reduktionsmittel auf das Oxidationsmittel kann über einen externen Stromkreis erfolgen und dann als Quelle für elektrische Energie genutzt werden. Geräte, die die Energie einer chemischen Reaktion in elektrische Energie umwandeln, nennt man galvanische Zellen.
Das einfachste klassische Beispiel einer galvanischen Zelle sind zwei Platten aus verschiedenen Metallen, die in eine Elektrolytlösung getaucht sind. In diesem System findet die Oxidation bei einem Metall und die Reduktion bei dem anderen statt.
WICHTIG! Die Elektrode, an der die Oxidation stattfindet, wird Anode genannt. Die Elektrode, an der die Reduktion stattfindet, wird Kathode genannt.
Eine galvanische Kupfer-Zink-Zelle, die durch Absorption der Energie der Reaktion zwischen Zink und Kupfersulfat funktioniert, ist ein bekanntes Beispiel aus den Chemie-Lehrbüchern. Bei der Jacoby-Daniel-Vorrichtung wird eine Kupferplatte in eine Kupfersulfatlösung (Kupferelektrode) und eine Zinkplatte in eine Zinksulfatlösung (Zinkelektrode) getaucht. Die Zinkelektrode gibt Kationen an die Lösung ab, so dass diese im Überschuss positiv geladen ist, während an der Kupferelektrode die Lösung an Kationen verarmt, also negativ geladen ist.
Durch das Schließen des äußeren Stromkreises fließen die Elektronen von der Zinkelektrode zur Kupferelektrode. Die Gleichgewichtsbeziehungen an den Phasengrenzen sind unterbrochen. Es findet eine Redoxreaktion statt.
Die Energie der spontanen chemischen Reaktion wird in elektrische Energie umgewandelt.
Wird die chemische Reaktion durch äußere elektrische Energie ausgelöst, kommt es zu einem Prozess, der Elektrolyse genannt wird. Die bei der Elektrolyse ablaufenden Prozesse sind die Umkehrung der Prozesse, die beim Betrieb einer galvanischen Zelle ablaufen.
ACHTUNG! Die Elektrode, an der die Reduktion stattfindet, wird auch als Kathode bezeichnet, ist aber bei der Elektrolyse negativ geladen, während die Anode positiv geladen ist.
Elektrochemische Anwendungen
Anoden und Kathoden sind an vielen chemischen Reaktionen beteiligt:
- Elektrolyse;
- Elektroextraktion;
- Galvanische Beschichtung;
- Galvanische Beschichtung.
Durch die Elektrolyse von geschmolzenen Verbindungen und wässrigen Lösungen werden Metalle erzeugt, Metalle von Verunreinigungen gereinigt und wertvolle Bestandteile extrahiert (elektrolytische Raffination). Die Platten werden aus dem zu veredelnden Metall gegossen. Die Platten werden als Anoden in den Elektrolyseur eingesetzt. Das Metall wird durch einen elektrischen Strom aufgelöst. Seine Kationen gehen in die Lösung über und werden an der Kathode ausgeschieden, wobei sich ein Niederschlag aus reinem Metall bildet. Die in der ursprünglichen Rohmetallplatte enthaltenen Verunreinigungen bleiben entweder als Anodenschlamm unlöslich oder gehen in den Elektrolyten über, wo sie entfernt werden. Kupfer, Nickel, Blei, Gold, Silber und Zinn werden elektrolytisch raffiniert.
Unter Elektroextraktion versteht man die Gewinnung von Metallen aus einer Lösung durch Elektrolyse. Um das Metall in Lösung zu bringen, wird es mit speziellen Reagenzien behandelt. Bei diesem Verfahren wird an der Kathode hochreines Metall abgeschieden. Auf diese Weise werden Zink, Kupfer und Cadmium hergestellt.
Um Korrosion zu vermeiden und das Produkt stärker und dekorativer zu machen, wird die Oberfläche eines Metalls mit einem anderen beschichtet. Dieses Verfahren wird als Galvanisieren bezeichnet.
Galvanoforming ist das Verfahren zur Herstellung von Metallkopien dreidimensionaler Objekte durch galvanische Abscheidung von Metall.
Vakuum-Elektronik-Anwendungen
Das Prinzip von Kathode und Anode in einem Vakuumgerät kann anhand einer Elektronenröhre demonstriert werden. Es sieht aus wie ein hermetisch verschlossenes Gefäß mit Metallteilen im Inneren. Das Gerät dient der Gleichrichtung, Erzeugung und Umwandlung elektrischer Signale. Es wird nach der Anzahl der Elektroden unterschieden:
- Dioden;
- Trioden;
- Tetroden;
- Pentoden usw.
Eine Diode ist ein Vakuumgerät mit zwei Elektroden, einer Kathode und einer Anode. Die Kathode ist mit dem Minuspol des Netzteils und die Anode mit dem Pluspol verbunden. Die Kathode hat die Aufgabe, Elektronen zu emittieren, wenn sie durch einen elektrischen Strom auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird. Die Elektronen werden verwendet, um eine Raumladung zwischen der Kathode und der Anode zu erzeugen. Die schnellsten Elektronen eilen zur Anode und passieren dabei die negative Potenzialbarriere der Raumladung. Die Anode nimmt die Partikel auf. Im externen Stromkreis wird ein anodischer Strom erzeugt. Der Elektronenfluss wird durch zusätzliche Elektroden gesteuert, die mit einem elektrischen Potential versorgt werden. Die Dioden werden zur Umwandlung des Wechselstroms in Gleichstrom verwendet.
Elektronische Anwendungen
Heute werden Halbleiterdioden verwendet.
Die Eigenschaft von Dioden, Strom in Durchlassrichtung und nicht in Sperrrichtung durchzulassen, wird in der Elektronik häufig genutzt.
Der Betrieb einer LED basiert auf der Eigenschaft von Halbleiterkristallen, zu leuchten, wenn ein Strom durch den p-n-Übergang in Durchlassrichtung fließt.
Galvanische Gleichstromquellen - Batterien
Chemische Stromquellen, in denen reversible Reaktionen ablaufen, werden als wiederaufladbare Batterien bezeichnet: Sie werden wieder aufgeladen und wiederholt verwendet.
Wenn ein Blei-Säure-Akku funktioniert, findet eine Redox-Reaktion statt. Das metallische Blei wird oxidiert und gibt seine Elektronen ab, wodurch das Bleidioxid, das die Elektronen aufnimmt, reduziert wird. Das metallische Blei in der Batterie ist die Anode und ist negativ geladen. Das Bleidioxid ist die Kathode und ist positiv geladen.
Bei der Entladung der Batterie werden die Stoffe der Kathode und der Anode sowie ihr Elektrolyt, die Schwefelsäure, verbraucht. Um die Batterie zu laden, wird sie an eine Stromquelle angeschlossen (Plus an Plus, Minus an Minus). Die Stromrichtung ist nun entgegengesetzt zu der Richtung, in der die Batterie entladen wurde. Die elektrochemischen Prozesse an den Elektroden werden "umgekehrt". Die Bleielektrode wird nun zur Kathode, an der der Reduktionsprozess stattfindet, und das Bleidioxid wird zur Anode, an der der Oxidationsprozess stattfindet. Die für die Batterie notwendigen Stoffe werden in der Batterie neu gebildet.
Warum ist die Verwirrung so groß?
Das Problem besteht darin, dass ein bestimmtes Ladungszeichen weder an der Anode noch an der Kathode festgemacht werden kann. Häufig ist die Kathode die positiv geladene Elektrode und die Anode die negative Elektrode. Oft, aber nicht immer. Es kommt auf den Prozess an, der an der Elektrode stattfindet.
WARNUNG! Ein Teil, das in den Elektrolyten gelegt wurde, kann sowohl Anode als auch Kathode sein. Dies hängt vom Zweck des Verfahrens ab: Aufbringen einer weiteren Metallschicht oder Entfernen einer Metallschicht.
Wie man die Anode und die Kathode identifiziert
In der Elektrochemie ist die Anode die Elektrode, an der Oxidationsprozesse stattfinden, die Kathode ist die Elektrode, an der die Reduktion stattfindet.
Bei einer Diode werden die Anschlüsse als Anode und Kathode bezeichnet. Der Strom fließt durch die Diode, wenn die Anodenleitung mit dem Pluspol und die Kathodenleitung mit dem Minuspol verbunden ist.
Bei einer neuen LED mit ungeschnittenen Stiften werden Anode und Kathode anhand der Länge visuell bestimmt. Die Kathode ist kürzer.
Wenn die Kontakte durchtrennt sind, hilft eine daran befestigte Batterie. Wenn die Polaritäten übereinstimmen, erscheint Licht.
Das Vorzeichen der Anode und der Kathode
In der Elektrochemie ist es korrekter, von den Vorgängen an den Elektroden zu sprechen als von den Zeichen der Elektroden. Die Reduktionsreaktion findet an der Kathode und die Oxidationsreaktion an der Anode statt.
In der Elektrotechnik ist die Kathode mit dem Minuspol der Stromquelle und die Anode mit dem Pluspol verbunden.
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