A menudo es un problema decidir qué electrodo es el cátodo y cuál es el ánodo. Un buen comienzo es entender los términos.
El concepto de cátodo y ánodo: una explicación sencilla
En las sustancias complejas, los electrones entre los átomos de los compuestos no están distribuidos por igual. La interacción hace que las partículas pasen de un átomo de una sustancia a otro de otra. La reacción se llama reacción de oxidación-reducción. La pérdida de electrones se llama oxidación, el elemento que cede los electrones se llama agente reductor.
La adición de electrones se llama reducción, el elemento que toma los electrones se llama oxidante. La transferencia de electrones del agente reductor al agente oxidante puede tener lugar a través de un circuito externo, y entonces puede utilizarse como fuente de energía eléctrica. Los dispositivos que convierten la energía de una reacción química en energía eléctrica se llaman células galvánicas.
El ejemplo clásico más sencillo de una célula galvánica es el de dos placas hechas de metales diferentes y sumergidas en una solución electrolítica. En este sistema, la oxidación tiene lugar en un metal y la reducción en el otro.
¡IMPORTANTE! El electrodo donde se produce la oxidación se llama ánodo. El electrodo donde se produce la reducción se llama cátodo.
Una pila galvánica de cobre y zinc, que funciona absorbiendo la energía de la reacción entre el zinc y el sulfato de cobre, es un ejemplo conocido de los libros de texto de química. En el dispositivo Jacoby-Daniel, se coloca una placa de cobre en una solución de sulfato de cobre (electrodo de cobre) y se sumerge una placa de zinc en una solución de sulfato de zinc (electrodo de zinc). El electrodo de zinc desprende cationes en la solución, creando un exceso de carga positiva en la misma, mientras que en el electrodo de cobre la solución está desprovista de cationes, aquí la solución está cargada negativamente.
El cierre del circuito externo hace que los electrones fluyan del electrodo de zinc al de cobre. Las relaciones de equilibrio en los límites de fase se interrumpen. Se produce una reacción redox.
La energía de la reacción química espontánea se convierte en energía eléctrica.
Si la reacción química es provocada por energía eléctrica externa, se produce un proceso llamado electrólisis. Los procesos que se producen durante la electrólisis son los inversos a los que se producen durante el funcionamiento de la célula galvánica.
¡ATENCIÓN! El electrodo, en el que se produce la reducción, también se llama cátodo, pero en la electrólisis está cargado negativamente y el ánodo está cargado positivamente.
Aplicaciones electroquímicas
Los ánodos y los cátodos participan en muchas reacciones químicas:
- La electrólisis;
- Electroextracción;
- Galvanoplastia;
- Galvanoplastia.
La electrólisis de compuestos fundidos y soluciones acuosas produce metales, purifica los metales de las impurezas y extrae componentes valiosos (refinado electrolítico). Las placas se funden a partir del metal que se va a refinar. Las placas se colocan como ánodos en el electrolizador. El metal se disuelve mediante una corriente eléctrica. Sus cationes pasan a la solución y se descargan en el cátodo, formando un precipitado de metal puro. Las impurezas contenidas en la placa metálica bruta original permanecen insolubles en forma de lodo anódico o pasan al electrolito, donde se eliminan. El cobre, el níquel, el plomo, el oro, la plata y el estaño se someten a un refinado electrolítico.
La electroextracción es el proceso de extracción de metales de una solución durante la electrólisis. Para transferir el metal a la solución, se trata con reactivos especiales. El proceso separa el metal de alta pureza en el cátodo. Así se producen el zinc, el cobre y el cadmio.
Para evitar la corrosión, hacer el producto más fuerte y más decorativo, la superficie de un metal se recubre con otro. Este proceso se conoce como galvanoplastia.
El electroconformado es el proceso de fabricación de copias metálicas de objetos tridimensionales mediante la electrodeposición de metal.
Aplicaciones electrónicas al vacío
El principio del cátodo y del ánodo en un aparato de vacío puede demostrarse mediante un tubo de electrones. Parece un recipiente hermético con partes metálicas en su interior. El dispositivo se utiliza para rectificar, generar y convertir señales eléctricas. Se distingue según el número de electrodos:
- diodos;
- triodos;
- tetrodos;
- pentodos, etc.
Un diodo es un dispositivo de vacío con dos electrodos, un cátodo y un ánodo. El cátodo se conecta al polo negativo de la fuente de alimentación y el ánodo al polo positivo. El objetivo del cátodo es emitir electrones cuando es calentado por una corriente eléctrica hasta una determinada temperatura. Los electrones se utilizan para crear una carga espacial entre el cátodo y el ánodo. Los electrones más rápidos se precipitan hacia el ánodo, pasando la barrera de potencial negativo de la carga espacial. El ánodo recibe las partículas. Se crea una corriente anódica en el circuito externo. El flujo de electrones se controla mediante electrodos adicionales a los que se les suministra un potencial eléctrico. Los diodos se utilizan para convertir la corriente alterna en corriente continua.
Aplicaciones electrónicas
Hoy en día se utilizan diodos de tipo semiconductor.
La propiedad de los diodos de pasar la corriente en el sentido de avance y no pasar la corriente en el sentido de retroceso se utiliza ampliamente en la electrónica.
El funcionamiento de un LED se basa en la propiedad de los cristales semiconductores de brillar cuando se hace pasar una corriente a través de la unión p-n en la dirección de avance.
Fuentes galvánicas de corriente continua - baterías
Las fuentes químicas de corriente eléctrica en las que se producen reacciones reversibles se denominan baterías recargables: se recargan y se utilizan repetidamente.
Cuando una batería de plomo-ácido funciona, se produce una reacción redox. El plomo metálico se oxida y cede sus electrones, reduciendo el dióxido de plomo que toma los electrones. El plomo metálico de la batería es el ánodo y está cargado negativamente. El dióxido de plomo es el cátodo y está cargado positivamente.
Al descargarse la pila, se consumen las sustancias del cátodo y del ánodo y su electrolito, el ácido sulfúrico. Para cargar la batería, se conecta a una fuente de corriente (más a más, menos a menos). La dirección de la corriente es ahora la opuesta a la que tenía cuando se descargó la batería. Los procesos electroquímicos en los electrodos se "invierten". El electrodo de plomo se convierte ahora en el cátodo, teniendo lugar allí el proceso de reducción, y el dióxido de plomo se convierte en el ánodo, teniendo lugar el proceso de oxidación. Las sustancias necesarias para la pila se crean de nuevo en la pila.
¿Por qué hay confusión?
El problema surge porque un determinado signo de carga no puede estar firmemente unido ni al ánodo ni al cátodo. A menudo, el cátodo es el electrodo con carga positiva y el ánodo es el electrodo negativo. A menudo, pero no siempre. Todo depende del proceso que tenga lugar en el electrodo.
ADVERTENCIA Una pieza colocada en el electrolito puede ser tanto el ánodo como el cátodo. Todo depende del objetivo del proceso: aplicar otra capa de metal o eliminar una capa de metal.
Cómo identificar el ánodo y el cátodo
En electroquímica, el ánodo es el electrodo donde tienen lugar los procesos de oxidación, el cátodo es el electrodo donde tiene lugar la reducción.
En un diodo, los conductores se llaman ánodo y cátodo. La corriente fluirá a través del diodo si el cable del ánodo está conectado al "positivo" y el del cátodo al "negativo".
En el caso de un LED nuevo con pines sin cortar, el ánodo y el cátodo se determinan visualmente por la longitud. El cátodo es más corto.
Si los contactos están cortados, una batería conectada a ellos ayudará. La luz aparecerá cuando las polaridades coincidan.
El signo del ánodo y del cátodo
En electroquímica, es más correcto hablar de los procesos que ocurren en los electrodos en lugar de las señales de los mismos. La reacción de reducción tiene lugar en el cátodo y la de oxidación en el ánodo.
En ingeniería eléctrica, el cátodo se conecta al polo negativo de la fuente de corriente y el ánodo al polo positivo.
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