Jak porozumět tomu, co je katoda a co anoda?

Chemické reakce doprovázené přenosem elektronů (redoxní reakce) se dělí na dva typy: reakce, které probíhají spontánně, a reakce, ke kterým dochází, když proud prochází roztokem nebo taveninou. elektrolyt.

Roztok nebo tavenina elektrolytu se umístí do speciální nádoby – elektrolytická lázeň .

Elektrický proud – jde o uspořádaný pohyb nabitých částic – iontů, elektronů atd. pod vlivem vnějšího elektrického pole. V roztoku nebo tavenině elektrolytu vzniká elektrické pole elektrody .

Elektrody – Jsou to zpravidla tyče z materiálu, který vede elektrický proud. Jsou umístěny v roztoku nebo tavenině elektrolyta připojený k elektrickému obvodu se zdrojem energie.

V tomto případě záporně nabitá elektroda katoda – přitahuje kladně nabité ionty kationtů . Kladně nabitá elektroda ( anoda ) přitahuje záporně nabité částice ( anionty ). Katoda působí jako redukční činidlo a anoda působí jako oxidační činidlo.

Existují elektrolýzy s aktivní и inertní elektrody. Aktivní (rozpustné) elektrody během procesu elektrolýzy procházejí chemickými přeměnami. Obvykle jsou vyrobeny z mědi, niklu a dalších kovů. Inertní (nerozpustné) elektrody nepodléhají chemickým přeměnám. Jsou vyrobeny z neaktivních kovů, např. Platina Nebo grafit .

Elektrolýza roztoků

Existuje elektrolýza řešení nebo tát chemická látka. V roztoku je další chemikálie – voda, které se mohou účastnit redoxních reakcí.

Katodové procesy

v roztoku soli Katoda přitahuje kationty kovů. Kovové kationty mohou působit jako oxidační činidla. Oxidační schopnosti kovových iontů se liší. K posouzení redoxních schopností kovů používají elektrochemická napěťová řada :

Každý kov je charakterizován hodnotou svého elektrochemického potenciálu. Čím menší potenciál , více regeneračních vlastností kov a motivy méně oxidační vlastnosti odpovídající ion tohoto kovu. Různé ionty odpovídají různým hodnotám tohoto potenciálu. Elektrochemický potenciál je relativní hodnota. Předpokládá se, že elektrochemický potenciál vodíku je nulový.

V blízkosti katody jsou také molekuly voda N₂О. Voda obsahuje oxidační činidlo – iont H +.

Během elektrolýzy solných roztoků na katodě jsou pozorovány následující vzory:

1. Pokud je kov v soli – aktivní ( do Al 3+ včetně v napěťovém rozsahu ), pak se místo kovu na katodě redukuje (vybíjení) vodík , protože Vodík má mnohem větší potenciál. Dochází k procesu redukce molekulárního vodíku z vody, za vzniku OH – iontů je prostředí v blízkosti katody alkalické:

2H₂O +2ē → H₂ + 2OH –

Například při elektrolýze roztoku chlorid sodný Na katodě se bude z vody redukovat pouze vodík.

2. Pokud je kov v soli – střední aktivita (mezi Al 3+ a H +) , pak se obnoví na katodě (výboje) A kov A vodík , protože potenciál těchto kovů je srovnatelný s potenciálem vodíku:

Já n+ + nē → Já 0

2H+ ₂O +2ē → H₂ 0 + 2OH –

Například během elektrolýzy roztoku síranu železnatého na katodě dojde k redukci (splnit) a železo a vodík:

Fe 2+ + 2ē → Fe 0

2H+ ₂O +2ē → H₂ 0 + 2OH –

3. Pokud je kov v soli – neaktivní (po vodíku v řadě standardních elektrochemických kovů) , pak je ion takového kovu silnějším oxidačním činidlem než iont vodíku a redukuje se pouze na katodě kov:

Já n+ + nē → Já 0

Například, při elektrolýze roztoku síran měďnatý (II). Měď bude redukována na katodě:

Cu 2+ + 2ē → Cu 0

4. Pokud se dostane katoda vodíkové kationty H+ , pak se redukují na molekulární vodík:

2H++ 2ē → H₂ 0

Anodické procesy

Kladně nabitá anoda přitahuje anionty a molekuly vody. Anoda je oxidační činidlo. Redukčními činidly jsou buď anionty kyselého zbytku nebo molekuly vody (díky kyslíku v oxidačním stavu -2: H ₂ O-2 ).

Při elektrolýze solných roztoků na anodě Jsou pozorovány následující vzorce:

1. Pokud anoda dostane zbytek kyseliny bez kyslíku , pak se oxiduje do volného stavu (do oxidačního stavu 0):

neMe n- – nē = neMe 0

Například : během elektrolýzy roztoku chloridu sodného na anodě dochází k oxidaci chloridových iontů:

2Cl — – 2ē = Cl₂ 0

Pokud si totiž připomeneme periodický zákon: jak se zvyšuje elektronegativita nekovu, snižují se jeho redukční vlastnosti. A kyslík je druhým prvkem s nejvyšší elektronegativitou. Je tedy snazší oxidovat téměř jakýkoli nekov spíše než kyslík. Pravda, je tu jedna věc výjimka . Asi už to tušíte. Samozřejmě je to fluor. Koneckonců, elektronegativita fluoru je větší než u kyslíku. Tedy, Během elektrolýzy fluoridových roztoků budou oxidovány molekuly vody, nikoli fluoridové ionty. :

2H₂ O-2 – 4ē → O₂ 0+4H+

2. Pokud anoda dostane zbytek kyseliny obsahující kyslík nebo fluoridový ion pak voda podléhá oxidaci za uvolnění molekulárního kyslíku:

2H₂ O-2 – 4ē → O₂ 0+4H+

3. Pokud anoda dostane hydroxidový iont poté oxiduje a uvolňuje se molekulární kyslík:

4 O-2 H – – 4ē → O₂ 0+2H₂O

4. Při elektrolýze roztoků soli karboxylových kyselin podléhající oxidaci atom uhlíku karboxylové skupiny, uvolňuje se oxid uhličitý a odpovídající alkan.

Například , při elektrolýze roztoků acetáty oxid uhličitý a etan se uvolňují:

2 CH₃ C +3 OO – –2ē → 2 C +4 O₂+CH₃-CH₃

Totální procesy elektrolýzy

Uvažujme elektrolýzu roztoků různých solí.

Například , elektrolýza roztoku síran měďnatý. Na katodě ionty mědi jsou redukovány:

Katoda (-): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

Na anodě molekuly se oxidují voda:

Anoda (+): 2H₂ O-2 – 4ē → O₂ +4H+

Síranové ionty se tohoto procesu neúčastní. Zapíšeme je do výsledné rovnice s vodíkovými ionty ve formě kyseliny sírové:

2 Cu 2+ SO₄ + 2H₂ O-2 → 2 Cuo + 0H₂SO₄ + O.₂ 0

Elektrolýza roztoku chlorid sodný Vypadá to takhle:

Na katodě se zotavuje vodík:

Katoda (-): 2H+ ₂O +2ē → H₂ 0 + 2OH –

Na anodě okysličovat chloridové ionty:

Anoda (+): 2 Cl – – 2ē → Cl₂ 0

Sodné ionty se neúčastní procesu elektrolýzy. Zapisujeme je s hydroxidovými anionty do celkové rovnice roztokové elektrolýzy chlorid sodný :

2H+ ₂O +2NaCl – → H₂ 0 + 2NaOH+ Cl₂ 0

Příští příklad : elektrolýza vodného roztoku uhličitan draselný.

Na katodě se zotavuje vodík z voda:

Katoda (-): 2H+ ₂O +2ē → H₂ 0 + 2OH –

Na anodě okysličovat molekuly vody na molekulární kyslík:

Anoda (+): 2H₂ O-2 – 4ē → O₂ 0+4H+

Tedy, když elektrolýza roztoku uhličitanu draselného Draselné ionty a uhličitanové ionty se tohoto procesu neúčastní. Elektrolýza vody probíhá:

2 H₂ + O-2 → 2H₂ 0 + O₂ 0

Další příklad : elektrolýza vodného roztoku chlorid měďnatý.

Na katodě se zotavuje měď:

Katoda (-): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

Na anodě okysličovat chloridové ionty na molekulární chlór:

Anoda (+): 2 Cl – – 2ē → Cl₂ 0

Tedy, když elektrolýza roztoku uhličitanu draselného Elektrolýza vody probíhá:

Cu2+Cl₂ – → Cu 0 + Cl₂ 0

Několik dalších příkladů: elektrolýza roztoku hydroxidu sodného.

Na katodě se zotavuje vodík z vody:

Katoda (-): 2H+ ₂O +2ē → H₂ 0 + 2OH –

Na anodě okysličovat hydroxidové ionty na molekulární kyslík:

Anoda (+): 4 O-2 H – – 4ē → O₂ 0+2H₂O

Tedy, když elektrolýza roztoku hydroxidu sodného voda se rozkládá; sodné kationty se procesu neúčastní:

2 H₂ + O-2 → 2H₂ 0 + O₂ 0

Elektrolýza tavenin

Při elektrolýze taveniny se na anodě oxidují anionty zbytků kyselin a na katodě se redukují kationty kovů. V systému nejsou žádné molekuly vody.

Například: elektrolýza taveniny chlorid sodný. Na katodě sodné kationty jsou redukovány:

Katoda (-): Na + + ē → Na 0

Na anodě anionty jsou oxidovány chlór:

Anoda (+): 2 Cl – – 2ē → Cl₂ 0

Souhrnná rovnice elektrolýzy tavenina chloridu sodného:

2Na+ Cl – → 2 Na 0 + Cl₂ 0

Další příklad: elektrolýza taveniny hydroxid sodný. Na katodě sodné kationty jsou redukovány:

Katoda (-): Na + + ē → Na 0

Na anodě okysličovat hydroxidové ionty:

Anoda (+): 4 OH – – 4ē → O₂ 0 + 2H₂O

Souhrnná rovnice elektrolýzy tavenina hydroxidu sodného:

4Na+ OH – → 4 Na 0 + O₂ 0+2H₂O

Mnoho kovů se vyrábí průmyslově elektrolýzou tavenin.

Například , hliník získaný elektrolýzou roztoku oxid hlinitý v roztaveném kryolitu. Kryolit – Na₃[AlF₆] taje při nižší teplotě (1100 o C) než oxid hlinitý (2050 o C). A oxid hlinitý se dobře rozpouští v roztaveném kryolitu.

V kryolitovém roztoku se oxid hlinitý disociuje na ionty:

Na katodě hliníkové kationty jsou redukovány:

Katoda (-): Al 3+ + 3ē → Al 0

Na anodě okysličovat hlinitanové ionty:

Anoda (+): 4AlO ₃ 3 – – 12ē → 2Al₂O₃ + 3 O₂ 0

Obecná rovnice pro elektrolýzu roztoku oxidu hlinitého v roztaveném kryolitu:

2 až ₂ О ₃ = 4 A0 + 3 ₂ 0

V průmyslu se grafitové tyče používají jako elektrody při elektrolýze oxidu hlinitého. V tomto případě jsou elektrody částečně oxidovány (spáleny) v uvolněném kyslíku:

Elektrolýza s rozpustnými elektrodami

Pokud je materiál elektrody vyroben ze stejného kovu, který je přítomen v roztoku jako sůl, nebo z aktivnějšího kovu, pak výboj na anodě ne molekuly vody nebo anionty, ale částice samotného kovu jsou oxidovány jako součást elektrody.

Například zvažte elektrolýzu roztoku síranu měďnatého s měděnými elektrodami.

Na katodě ionty jsou vybité měď z řešení:

Katoda (-): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

Na anodě částice mědi se oxidují z elektroda :

Anoda (+): Cu – 2ē → Cu 2+

Někdy je nutné připojit elektrody zařízení nebo prvku ke zdroji stejnosměrného proudu. Jsou spojeny, dodržují polaritu. Katoda a anoda jsou názvy vodičů (elektrod) zařízení, se kterým je toto spojení provedeno. Jasná definice těchto dvou pojmů neexistuje. Rozlišují se v závislosti na chemických a fyzikálních procesech, ve kterých se tato označení používají.

Koncepce katody a anody

V elektrotechnice se svorka připojená ke kladné svorce napájecího zdroje (PS) nazývá anoda (A). Elektroda připojená k záporné svorce IP je katoda (K). V překladu z řečtiny znamená anoda „vzestupný, vzestupný pohyb“ a katoda znamená „sestupný, sestupný pohyb“. Tato jména lze nalézt v takových částech fyziky a chemie jako:

• galvanické napájecí zdroje;
• elektrolýza a galvanické pokovování;
• polovodiče a vakuová elektronika.

Tyto termíny navíc označují vývody prvků na obvodech a znaky jejich náboje.

Označení v elektrochemii a neželezné metalurgii

Pojem anod v elektrolytických procesech platí pro kladně nabité elektrody. Elektrolýza, kterou se izolují nebo čistí různé chemické prvky, je účinek elektrického proudu na elektrolyt. Elektrolyty jsou roztoky solí nebo kyselin. Další elektrodou zapojenou do této reakce je katoda.

Varování! Na záporně nabité katodě (K) dochází k redukční reakci a na anodě (A) probíhá oxidační proces. V tomto případě může být „A“ částečně zničeno a účastní se čištění kovů od nežádoucích přísad.

V metalurgickém průmyslu se anody používají při nanášení ochranných vrstev na výrobek elektrochemickou metodou (pokovování) nebo elektrorafinací. Elektrické čištění umožňuje rozpustit hrubý kov (s nečistotami) na „A“ a uložit jej na „K“ v čisté formě.

Řada běžně používaných anod – vyrobeno z kovů:

• zinek;
• měď;
• nikl;
• kadmium;
• olovo (slitina olova a antimonu);
• stříbro;
• zlato;
• platina.

Niklování, zinkování a další nanášení ochranných nebo esteticky žádaných povlaků na výrobky se provádí převážně z obecných kovů.

Pomocí „A“ z drahých kovů se zvyšuje elektrická vodivost součástí elektrotechnických výrobků a na šperky se nanášejí vrstvy drahých kovů.

Pro vaši informaci. Čistý kov nanesený na katodě se také nazývá „katoda“. Například čistá měď získaná tímto způsobem se nazývá „měděná katoda“. Pak se z něj vyrábí měděná fólie, drát a další věci.

Anoda a katoda ve vakuových elektronických zařízeních

Elektronka je nejjednodušší vakuové zařízení. Skládá se z následujících částí:

Tyto tři prvky tvoří vakuovou diodu. Má válcové „K“, uvnitř kterého je vlákno. Zahřívá „K“, aby se zvýšila termionická emise. V takových zařízeních elektrony opouštějí „K“ a cestují do „A“ ve vakuu, čímž vytvářejí elektrický proud. Anoda je elektroda výbojky s kladným potenciálem. Vyrábí se ve formě krabice obklopující pletivo a „K“. Může být vyroben z molybdenu, tantalu, grafitu, niklu. Jeho provedení je různé, někdy má žebra pro odvod tepla.

Mřížka je prvek umístěný uprostřed, který řídí tok částic. Nejčastěji se vyrábí ve formě spirálového ovinutí kolem katody.

Důležité! Čím větší je povrch katody a čím je teplejší, tím více proudu protéká lampou.

„A“ a „K“ pro vakuovou diodu

Anoda a katoda v polovodičových součástkách

Polovodičové prvky vedou elektřinu určitým směrem. Pokud vezmeme v úvahu polovodičovou diodu, pak se její elektrody také nazývají „katoda“ a „anoda“. Když je na ni aplikováno stejnosměrné napětí: kladný náboj na anodě, dioda je otevřená. Pokud ke katodě přijde kladný potenciál, dioda se uzavře. Taková dioda má pn přechod mezi těmito dvěma oblastmi a je náročná na aplikovanou polaritu. Výstup prvku z p-oblasti se nazývá „A“, z n-oblasti – „K“.

Anoda a katoda znamení

Které znamení je označeno „K“, které „A“, závisí na tom, jaký postup a v jaké oblasti se uvažuje. V elektrochemii existují dvě zařízení, která mají různé symboly: elektrolyzér a galvanický článek.

Během elektrolýzy (redoxní chemická interakce pod vlivem vnějšího IP) mínus „-“ označuje katodu. Právě na něm dochází k redukci kovů v důsledku přebytku elektronů. Plus „+“ zase označuje anodu (kladnou elektrodu), kde dochází k oxidaci kovů v důsledku nedostatku záporně nabitých částic.

Známky nábojů při elektrolýze

V galvanickém článku probíhá oxidace bez vnějšího vlivu elektřiny. Vezmeme-li jako příklad měděno-zinkovou baterii, na anodě se hromadí velké množství elektronů (minus). Při pohybu po vnějším řetězci se podílejí na redukci mědi. To znamená, že v tomto případě bude kladnou elektrodou katoda.

Varování! U galvanických článků je plus katoda, mínus anoda. U elektrolyzérů je to naopak – anoda je považována za plus a katoda za mínus.

Nabíjecí značky pro galvanickou baterii

U polovodičových součástek je znaménko i pojem jasně přiřazen ke kolíkům součásti. Anoda je „plus“, katoda je „mínus“ diody.

Proč je tam zmatek?

Vše se děje proto, že neexistuje jasná souvislost mezi mínus a plus se složkami nazývanými „K“ a „A“. Michael Faraday také přišel s jednoduchým pravidlem značení polarity pro tento pár elektrod. Co je to anoda, podle jeho vysvětlení? Když si vědec zapamatoval definici, navrhl nakreslit analogii se Sluncem. Kde proud vstupuje (stoupá) je anoda, kde proud odchází (západ slunce) je katoda. U baterií se polarita na anodě a katodě mění v závislosti na tom, zda funguje jako galvanický článek (při vybíjení) nebo jako elektrolyzér (při nabíjení).

Stejnosměrné svařování také nejednoznačně určuje „A“ a „K“ při zapálení oblouku s přímou nebo obrácenou polaritou.

Značky „A“ a „K“ pro stejnosměrné svařování

Jak určit anodu a katodu

Co je to katoda a anoda, je objasněno v konkrétních okamžicích: při určování vývodů polovodičových prvků nebo při identifikaci elektrod v elektrochemických procesech.

Polovodičová dioda vyžaduje poziční umístění v elektrických obvodech. Pro správné připojení je nutné identifikovat kolíky. To lze provést podle následujících kritérií:

• označení aplikovaná na tělo prvku;
• délka vedení části;
• hodnoty testeru při měření v režimu ohmmetru nebo při kontrole diod;
• pomocí zdroje proudu se známou polaritou.

Označení polovodičů tohoto typu lze provést aplikací grafického označení diody na pouzdro. Potom mínus (K) je výstup ze strany svislé čáry, do které spočívá obrys šipky. Diodová noha, ze které vychází šipka, je plus (A). Takto je graficky znázorněn dopředný směr proudu – od „A“ do „K“.

Dalším způsobem, jak označit anodu diodového prvku, může být jedna nebo dvě barevné tečky nebo dvojice úzkých kroužků aplikovaných na tělo. Existují konstrukčně řešené diody, u kterých je negativní (katodový) vývod označen širokým stříbrným kroužkem. Jako takový příklad slouží dioda 2A546A-5 (DM).

Příklady označovacích diod

Polaritu vývodů může naznačovat i délka LED nohou, které nebyly nikdy připájeny do desek. U LED diod je dlouhá větev kladná elektroda a krátká větev je záporná. Kromě toho může jako vodítko sloužit tvar těla (okraj kruhu).

Polarita vývodů LED diod

Při použití multimetru k určení polarity kontaktních svorek polovodiče jej připojte v režimu testování diod. Pokud se na displeji objeví čísla, znamená to, že dioda je zapojena v propustném směru. V tomto případě je červená sonda připojena k anodě „+“, černá je připojena ke katodě „-“.

Pokud nemáte po ruce tester, můžete určit názvy svorek diod sestavením sériového obvodu z baterie, žárovky a diody. Při přímém zapnutí se žárovka rozsvítí, což znamená, že baterie jsou na anodě plus a na druhé elektrodě podobně mínus.

Informace. Elektrody LED lze identifikovat pomocí zdroje konstantního napětí se známou polaritou a odporu omezujícího proud zapojeného do série. Záře prvku bude indikovat přímé sepnutí. Pro tento účel můžete vzít 2032V baterii RG3 a odpor 1 kOhm.

Rozsvícení LED přes omezovací rezistor

Pokud jde o polovodiče, vždy existuje přísná shoda názvů. V ostatních případech pomůže správné určení probíhajících elektrochemických reakcí k jasné orientaci v identifikaci elektrod.