Συχνά αποτελεί πρόβλημα να αποφασιστεί ποιο ηλεκτρόδιο είναι η κάθοδος και ποιο η άνοδος. Μια καλή αρχή είναι να ορίσετε τους όρους.
Η έννοια της καθόδου και της ανόδου - μια απλή εξήγηση
Στις σύνθετες ουσίες, τα ηλεκτρόνια μεταξύ των ατόμων των ενώσεων δεν είναι ισομερώς κατανεμημένα. Η αλληλεπίδραση προκαλεί τη μετακίνηση των σωματιδίων από το ένα άτομο της μιας ουσίας στο άτομο της άλλης. Η αντίδραση ονομάζεται αντίδραση οξείδωσης-αναγωγής. Η απώλεια ηλεκτρονίων ονομάζεται οξείδωση, το στοιχείο που δίνει τα ηλεκτρόνια ονομάζεται αναγωγικό μέσο.
Η προσθήκη ηλεκτρονίων ονομάζεται αναγωγή, ενώ το στοιχείο που προσλαμβάνει τα ηλεκτρόνια ονομάζεται οξειδωτής. Η μεταφορά ηλεκτρονίων από τον αναγωγικό παράγοντα στον οξειδωτικό παράγοντα μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος και στη συνέχεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι συσκευές που μετατρέπουν την ενέργεια μιας χημικής αντίδρασης σε ηλεκτρική ενέργεια ονομάζονται γαλβανικές κυψέλες.
Το απλούστερο κλασικό παράδειγμα γαλβανικού κελιού είναι δύο πλάκες από διαφορετικά μέταλλα που είναι βυθισμένες σε διάλυμα ηλεκτρολύτη. Σε αυτό το σύστημα, η οξείδωση λαμβάνει χώρα στο ένα μέταλλο και η αναγωγή στο άλλο.
ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ! Το ηλεκτρόδιο όπου λαμβάνει χώρα η οξείδωση ονομάζεται άνοδος. Το ηλεκτρόδιο όπου λαμβάνει χώρα η αναγωγή ονομάζεται κάθοδος.
Ένα γαλβανικό στοιχείο χαλκού-ψευδαργύρου, το οποίο λειτουργεί απορροφώντας την ενέργεια της αντίδρασης μεταξύ ψευδαργύρου και θειικού χαλκού, είναι ένα γνωστό παράδειγμα από τα σχολικά εγχειρίδια χημείας. Στη συσκευή Jacoby-Daniel, μια πλάκα χαλκού τοποθετείται σε διάλυμα θειικού χαλκού (ηλεκτρόδιο χαλκού) και μια πλάκα ψευδαργύρου βυθίζεται σε διάλυμα θειικού ψευδαργύρου (ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου). Το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου αποδίδει κατιόντα στο διάλυμα, δημιουργώντας πλεονάζον θετικό φορτίο σε αυτό, ενώ στο ηλεκτρόδιο χαλκού το διάλυμα εξαντλείται σε κατιόντα, οπότε το διάλυμα είναι αρνητικά φορτισμένο.
Το κλείσιμο του εξωτερικού κυκλώματος προκαλεί τη ροή ηλεκτρονίων από το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου στο ηλεκτρόδιο χαλκού. Οι σχέσεις ισορροπίας στα όρια των φάσεων διακόπτονται. Λαμβάνει χώρα μια αντίδραση οξειδοαναγωγής.
Η ενέργεια της αυθόρμητης χημικής αντίδρασης μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια.
Εάν η χημική αντίδραση προκαλείται από εξωτερική ηλεκτρική ενέργεια, υπάρχει μια διαδικασία που ονομάζεται ηλεκτρόλυση. Οι διεργασίες που συμβαίνουν κατά την ηλεκτρόλυση είναι οι αντίστροφες εκείνων που συμβαίνουν κατά τη λειτουργία του γαλβανικού στοιχείου.
ΠΡΟΣΟΧΗ! Το ηλεκτρόδιο, στο οποίο λαμβάνει χώρα η αναγωγή, ονομάζεται επίσης κάθοδος, αλλά στην ηλεκτρόλυση είναι αρνητικά φορτισμένο και η άνοδος είναι θετικά φορτισμένη.
Ηλεκτροχημικές εφαρμογές
Οι άνοδοι και οι κάθοδοι συμμετέχουν σε πολλές χημικές αντιδράσεις:
- Ηλεκτρόλυση,
- Ηλεκτροεκχύλιση,
- Ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση,
- Ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση.
Η ηλεκτρόλυση λιωμένων ενώσεων και υδατικών διαλυμάτων παράγει μέταλλα, καθαρίζει τα μέταλλα από ακαθαρσίες και εξάγει πολύτιμα συστατικά (ηλεκτρολυτικός εξευγενισμός). Οι πλάκες χυτεύονται από το μέταλλο που πρόκειται να εξευγενιστεί. Οι πλάκες τοποθετούνται ως άνοδοι στον ηλεκτρολύτη. Το μέταλλο διαλύεται με ηλεκτρικό ρεύμα. Τα κατιόντα του περνούν στο διάλυμα και αποβάλλονται στην κάθοδο, σχηματίζοντας ένα ίζημα καθαρού μετάλλου. Οι ακαθαρσίες που περιέχονται στην αρχική ακατέργαστη μεταλλική πλάκα είτε παραμένουν αδιάλυτες ως ιλύς ανόδου είτε περνούν στον ηλεκτρολύτη όπου απομακρύνονται. Ο χαλκός, το νικέλιο, ο μόλυβδος, ο χρυσός, ο άργυρος και ο κασσίτερος υφίστανται ηλεκτρολυτική διύλιση.
Η ηλεκτροεκχύλιση είναι η διαδικασία εξαγωγής μετάλλων από ένα διάλυμα κατά την ηλεκτρόλυση. Για να μεταφερθεί το μέταλλο στο διάλυμα, επεξεργάζεται με ειδικά αντιδραστήρια. Η διαδικασία διαχωρίζει μέταλλο υψηλής καθαρότητας στην κάθοδο. Έτσι παράγονται ο ψευδάργυρος, ο χαλκός και το κάδμιο.
Για να αποφευχθεί η διάβρωση, να γίνει το προϊόν ισχυρότερο και πιο διακοσμητικό, η επιφάνεια ενός μετάλλου επικαλύπτεται με ένα άλλο. Η διαδικασία αυτή είναι γνωστή ως ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση.
Η ηλεκτροδιαμόρφωση είναι η διαδικασία κατασκευής μεταλλικών αντιγράφων τρισδιάστατων αντικειμένων με ηλεκτροαπόθεση μετάλλου.
Ηλεκτρονικές εφαρμογές κενού
Η αρχή της καθόδου και της ανόδου σε μια συσκευή κενού μπορεί να επιδειχθεί με τη βοήθεια μιας ηλεκτρονικής λυχνίας. Μοιάζει με ένα ερμητικά κλειστό δοχείο με μεταλλικά μέρη στο εσωτερικό του. Η συσκευή χρησιμοποιείται για την ανόρθωση, την παραγωγή και τη μετατροπή ηλεκτρικών σημάτων. Γίνεται διάκριση ανάλογα με τον αριθμό των ηλεκτροδίων:
- διόδους,
- τρίοδες,
- τετρόδια,
- πεντόδων κ.λπ.
Η δίοδος είναι μια διάταξη κενού με δύο ηλεκτρόδια, μια κάθοδο και μια άνοδο. Η κάθοδος συνδέεται με τον αρνητικό πόλο του τροφοδοτικού και η άνοδος με τον θετικό πόλο. Ο σκοπός της καθόδου είναι να εκπέμπει ηλεκτρόνια όταν θερμαίνεται από ηλεκτρικό ρεύμα σε μια ορισμένη θερμοκρασία. Τα ηλεκτρόνια χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ενός φορτίου χώρου μεταξύ της καθόδου και της ανόδου. Τα ταχύτερα ηλεκτρόνια σπεύδουν προς την άνοδο, περνώντας το αρνητικό φράγμα δυναμικού του φορτίου χώρου. Η άνοδος δέχεται τα σωματίδια. Στο εξωτερικό κύκλωμα δημιουργείται ανοδικό ρεύμα. Η ροή των ηλεκτρονίων ελέγχεται μέσω πρόσθετων ηλεκτροδίων που τροφοδοτούνται με ηλεκτρικό δυναμικό. Οι δίοδοι χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές.
Ηλεκτρονικές εφαρμογές
Σήμερα χρησιμοποιούνται ημιαγωγικοί τύποι διόδων.
Η ιδιότητα των διόδων να διαρρέουν ρεύμα προς τα εμπρός και να μην διαρρέουν ρεύμα προς τα πίσω χρησιμοποιείται ευρέως στην ηλεκτρονική.
Η λειτουργία μιας λυχνίας LED βασίζεται στην ιδιότητα των κρυστάλλων ημιαγωγών να λάμπουν όταν ρεύμα περνάει από την ένωση p-n προς τα εμπρός.
Γαλβανικές πηγές συνεχούς ρεύματος - μπαταρίες
Οι χημικές πηγές ηλεκτρικού ρεύματος στις οποίες λαμβάνουν χώρα αντιστρεπτές αντιδράσεις ονομάζονται επαναφορτιζόμενες μπαταρίες: επαναφορτίζονται και χρησιμοποιούνται επανειλημμένα.
Όταν μια μπαταρία μολύβδου-οξέος λειτουργεί, λαμβάνει χώρα μια αντίδραση οξειδοαναγωγής. Ο μεταλλικός μόλυβδος οξειδώνεται και δίνει τα ηλεκτρόνιά του, μειώνοντας το διοξείδιο του μολύβδου που παίρνει τα ηλεκτρόνια. Ο μεταλλικός μόλυβδος της μπαταρίας είναι η άνοδος και είναι αρνητικά φορτισμένος. Το διοξείδιο του μολύβδου είναι η κάθοδος και είναι θετικά φορτισμένο.
Καθώς η μπαταρία εκφορτίζεται, οι ουσίες της καθόδου και της ανόδου και ο ηλεκτρολύτης τους, το θειικό οξύ, καταναλώνονται. Για τη φόρτιση της μπαταρίας, αυτή συνδέεται σε μια πηγή ρεύματος (συν προς συν, μείον προς μείον). Η κατεύθυνση του ρεύματος είναι τώρα αντίθετη από αυτήν που ήταν όταν η μπαταρία εκφορτίστηκε. Οι ηλεκτροχημικές διεργασίες στα ηλεκτρόδια "αντιστρέφονται". Το ηλεκτρόδιο μολύβδου γίνεται τώρα η κάθοδος, με τη διαδικασία αναγωγής να λαμβάνει χώρα εκεί, και το διοξείδιο του μολύβδου γίνεται η άνοδος, με τη διαδικασία οξείδωσης να λαμβάνει χώρα. Οι ουσίες που είναι απαραίτητες για την μπαταρία δημιουργούνται και πάλι στην μπαταρία.
Γιατί υπάρχει σύγχυση;
Το πρόβλημα προκύπτει επειδή ένα συγκεκριμένο σημείο φορτίου δεν μπορεί να συνδεθεί σταθερά ούτε με την άνοδο ούτε με την κάθοδο. Συχνά η κάθοδος είναι το θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο και η άνοδος είναι το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Συχνά, αλλά όχι πάντα. Όλα εξαρτώνται από τη διαδικασία που λαμβάνει χώρα στο ηλεκτρόδιο.
ΠΡΟΕΙΔΟΠΟΙΗΣΗ! Ένα εξάρτημα που έχει τοποθετηθεί στον ηλεκτρολύτη μπορεί να είναι τόσο η άνοδος όσο και η κάθοδος. Όλα εξαρτώνται από το σκοπό της διαδικασίας: να εφαρμόσετε ένα άλλο στρώμα μετάλλου ή να αφαιρέσετε ένα στρώμα μετάλλου.
Πώς να αναγνωρίσετε την άνοδο και την κάθοδο
Στην ηλεκτροχημεία, η άνοδος είναι το ηλεκτρόδιο όπου λαμβάνουν χώρα διεργασίες οξείδωσης, ενώ η κάθοδος είναι το ηλεκτρόδιο όπου λαμβάνει χώρα αναγωγή.
Σε μια δίοδο, τα καλώδια ονομάζονται άνοδος και κάθοδος. Το ρεύμα θα ρέει μέσα από τη δίοδο εάν το καλώδιο ανόδου είναι συνδεδεμένο στο "συν" και το καλώδιο καθόδου στο "μείον".
Για μια νέα λυχνία LED με μη κομμένες ακίδες, η άνοδος και η κάθοδος καθορίζονται οπτικά από το μήκος. Η κάθοδος είναι μικρότερη.
Εάν οι επαφές έχουν κοπεί, μια μπαταρία που είναι συνδεδεμένη σε αυτές θα βοηθήσει. Το φως θα εμφανιστεί όταν οι πολικότητες ταιριάζουν.
Το πρόσημο της ανόδου και της καθόδου
Στην ηλεκτροχημεία, είναι πιο σωστό να μιλάμε για τις διεργασίες που συμβαίνουν στα ηλεκτρόδια αντί για τα σημάδια των ηλεκτροδίων. Η αντίδραση αναγωγής λαμβάνει χώρα στην κάθοδο και η αντίδραση οξείδωσης λαμβάνει χώρα στην άνοδο.
Στην ηλεκτρολογία, η κάθοδος συνδέεται με τον αρνητικό πόλο της πηγής ρεύματος και η άνοδος με τον θετικό πόλο.
Σχετικά άρθρα:
