Często pojawia się problem określenia, która z elektrod jest katodą, a która anodą. Najpierw musisz zrozumieć warunki.
Pojęcie katody i anody – proste wyjaśnienie
W złożonych substancjach elektrony są nierównomiernie rozmieszczone między atomami w związkach. W wyniku interakcji cząstki przemieszczają się z atomu jednej substancji na atom innej. Reakcja nazywa się redoks. Utrata elektronów nazywana jest utlenianiem, a pierwiastek, który oddaje elektrony, nazywany jest środkiem redukującym.
Dodanie elektronów nazywamy redukcją, elementem odbierającym w tym procesie jest środek utleniający. Przenoszenie elektronów z czynnika redukującego do utleniacza może przebiegać przez obwód zewnętrzny, a następnie może być wykorzystany jako źródło energii elektrycznej.Urządzenia, w których energia reakcji chemicznej jest zamieniana na energię elektryczną, nazywane są ogniwami galwanicznymi.
Najprostszym klasycznym przykładem ogniwa galwanicznego są dwie płytki wykonane z różnych metali i zanurzone w roztworze elektrolitu. W takim układzie utlenianie zachodzi na jednym metalu, a redukcja na innym.
WAŻNY! Elektroda, na której następuje utlenianie, nazywana jest anodą. Elektrodą, na której zachodzi redukcja, jest katoda.
Ze szkolnych podręczników do chemii znany jest przykład miedziano-cynkowego ogniwa galwanicznego, które działa dzięki energii reakcji między cynkiem a siarczanem miedzi. W urządzeniu Jacobiego-Daniela płytkę miedzianą umieszcza się w roztworze siarczanu miedzi (elektroda miedziana), płytkę cynkową zanurza się w roztworze siarczanu cynku (elektroda cynkowa). Elektroda cynkowa wydziela kationy do roztworu, tworząc w nim nadmierny ładunek dodatni, a na elektrodzie miedzianej roztwór jest zubożony w kationy, tutaj roztwór jest naładowany ujemnie.
Zamknięcie obwodu zewnętrznego powoduje przepływ elektronów z elektrody cynkowej do elektrody miedzianej. Relacje równowagi na granicach faz zostają przerwane. Zachodzi reakcja utleniania-redukcji.
Energia spontanicznej reakcji chemicznej zamieniana jest na energię elektryczną.
Jeśli reakcja chemiczna jest wywołana energią zewnętrzną prądu elektrycznego, zachodzi proces zwany elektrolizą. Procesy zachodzące podczas elektrolizy są odwrotnością procesów zachodzących podczas pracy ogniwa galwanicznego.
UWAGA! Elektroda, w której zachodzi redukcja, nazywana jest również katodą, ale w elektrolizie jest naładowana ujemnie, podczas gdy anoda jest naładowana dodatnio.
Zastosowanie w elektrochemii
Anody i katody biorą udział w wielu reakcjach chemicznych:
- Elektroliza;
- Elektroekstrakcja;
- galwanotechnika;
- Elektrotyp.
Metale pozyskuje się w procesie elektrolizy stopionych związków i roztworów wodnych, metale oczyszcza się z zanieczyszczeń i ekstrahuje cenne składniki (rafinacja elektrolityczna). Talerze są odlewane z czyszczonego metalu. Umieszczone są jako anody w elektrolizerze. Pod wpływem prądu elektrycznego metal ulega rozpuszczeniu. Jego kationy przechodzą do roztworu i są rozładowywane na katodzie, tworząc osad czystego metalu. Zanieczyszczenia zawarte w oryginalnej, nieoczyszczonej płycie metalowej albo pozostają nierozpuszczalne jako szlam anodowy, albo przechodzą do elektrolitu, gdzie są usuwane. Miedź, nikiel, ołów, złoto, srebro, cyna poddawane są rafinacji elektrolitycznej.
Elektroekstrakcja to proces oddzielania metalu od roztworu podczas elektrolizy. Aby metal przeszedł do roztworu, jest traktowany specjalnymi odczynnikami. Podczas procesu na katodzie wytrąca się metal o wysokiej czystości. W ten sposób uzyskuje się cynk, miedź, kadm.
Aby uniknąć korozji, dać siłę, ozdobić produkt, powierzchnia jednego metalu jest pokryta warstwą innego. Ten proces nazywa się galwanizacją.
Galwanizacja to proces uzyskiwania metalowych kopii z przedmiotów masowych poprzez elektroosadzanie metali.
Zastosowanie w próżniowych urządzeniach elektronicznych
Zasadę działania katody i anody w urządzeniu próżniowym można zademonstrować za pomocą lampy elektronowej.Wygląda jak hermetycznie zamknięte naczynie z metalowymi częściami w środku. Urządzenie służy do prostowania, generowania i przetwarzania sygnałów elektrycznych. Zgodnie z liczbą elektrod istnieją:
- diody;
- triody;
- tetrody;
- pentody itp.
Dioda to urządzenie próżniowe z dwiema elektrodami, katodą i anodą. Katoda jest połączona z ujemnym biegunem źródła zasilania, anoda - z dodatnim. Zadaniem katody jest emitowanie elektronów po podgrzaniu prądem elektrycznym do określonej temperatury. Emitowane elektrony tworzą ładunek przestrzenny między katodą a anodą. Najszybsze elektrony pędzą do anody, pokonując ujemną barierę potencjału ładunku kosmicznego. Anoda odbiera te cząstki. W obwodzie zewnętrznym powstaje prąd anodowy. Przepływ elektroniczny jest kontrolowany przez dodatkowe elektrody poprzez przyłożenie do nich potencjału elektrycznego. Za pomocą diod prąd przemienny zamieniany jest na prąd stały.
Zastosowanie w elektronice
Obecnie stosuje się diody półprzewodnikowe.
W elektronice szeroko stosowana jest właściwość diod do przepuszczania prądu w kierunku do przodu i nieprzepuszczania w przeciwnym kierunku.
Działanie diody LED opiera się na właściwości kryształów półprzewodnikowych do świecenia, gdy prąd przepływa przez złącze p-n w kierunku do przodu.
Źródła prądu stałego galwanicznego - baterie
Chemiczne źródła prądu elektrycznego, w których zachodzą reakcje odwracalne, nazywane są bateriami: są one wielokrotnie ładowane i używane.
Podczas pracy akumulatora ołowiowego zachodzi reakcja redoks.Metaliczny ołów utlenia się, oddaje swoje elektrony, redukując dwutlenek ołowiu, który przyjmuje elektrony. Metalowy ołów w akumulatorze jest anodą i jest naładowany ujemnie. Dwutlenek ołowiu jest katodą i jest naładowany dodatnio.
W miarę rozładowywania się akumulatora zużywane są substancje katody i anody oraz ich elektrolit, kwas siarkowy. Aby naładować akumulator, jest on podłączony do źródła prądu (plus do plusa, minus do minusa). Kierunek prądu jest teraz odwrotny do tego, jaki był, gdy akumulator był rozładowany. Procesy elektrochemiczne na elektrodach są „odwrócone”. Teraz elektroda ołowiowa staje się katodą, na niej zachodzi proces redukcji, a dwutlenek ołowiu staje się anodą, przy czym zachodzi proces utleniania. Bateria odtwarza substancje niezbędne do jej działania.
Dlaczego panuje zamieszanie?
Problem wynika z tego, że pewien znak ładunku nie może być trwale przymocowany do anody lub katody. Często katoda jest elektrodą naładowaną dodatnio, a anoda ujemną. Często, ale nie zawsze. Wszystko zależy od procesu zachodzącego na elektrodzie.
UWAGA! Część umieszczona w elektrolicie może być zarówno anodą, jak i katodą. Wszystko zależy od celu procesu: musisz nałożyć na niego kolejną warstwę metalu lub go usunąć.
Jak zidentyfikować anodę i katodę?
W elektrochemii anoda jest elektrodą, na której zachodzą procesy utleniania, katoda jest elektrodą, w której zachodzi redukcja.
W diodzie odczepy nazywane są anodą i katodą. Prąd przepłynie przez diodę, jeśli zaczep anody zostanie podłączony do „plusa”, zaczep „katody” - do „minusu”.
W przypadku nowej diody LED z nieodciętymi stykami anoda i katoda są określane wizualnie na podstawie długości. Katoda jest krótsza.
Jeśli styki zostaną odcięte, pomoże dołączona do nich bateria. Po dopasowaniu polaryzacji pojawi się światło.
Znak anody i katody
W elektrochemii bardziej poprawne jest mówienie nie o znakach ładunków elektrod, ale o zachodzących na nich procesach. Reakcja redukcji zachodzi na katodzie, a reakcja utleniania na anodzie.
W elektrotechnice dla przepływu prądu katoda jest połączona z ujemnym biegunem źródła prądu, anoda z dodatnim.
Podobne artykuły:
