Oft besteht ein Problem darin, zu bestimmen, welche der Elektroden die Kathode und welche die Anode ist. Zuerst müssen Sie die Begriffe verstehen.
Das Konzept von Kathode und Anode - eine einfache Erklärung
In komplexen Substanzen sind Elektronen ungleichmäßig zwischen Atomen in Verbindungen verteilt. Als Ergebnis der Wechselwirkung bewegen sich Teilchen von einem Atom einer Substanz zu einem Atom einer anderen. Die Reaktion wird Redox genannt. Der Verlust von Elektronen wird als Oxidation bezeichnet, und das Element, das Elektronen abgibt, wird als Reduktionsmittel bezeichnet.
Die Anlagerung von Elektronen nennt man Reduktion, das aufnehmende Element bei diesem Vorgang ist das Oxidationsmittel. Die Übertragung von Elektronen vom Reduktionsmittel zum Oxidationsmittel kann über einen externen Stromkreis erfolgen und dann als elektrische Energiequelle verwendet werden.Als galvanische Zellen werden Geräte bezeichnet, in denen die Energie einer chemischen Reaktion in elektrische Energie umgewandelt wird.
Das einfachste klassische Beispiel einer galvanischen Zelle sind zwei Platten aus unterschiedlichen Metallen, die in eine Elektrolytlösung getaucht sind. In einem solchen System erfolgt die Oxidation an einem Metall und die Reduktion an einem anderen.
WICHTIG! Die Elektrode, an der oxidiert wird, nennt man Anode. Die Elektrode, an der die Reduktion stattfindet, ist die Kathode.
Aus Schulbüchern für Chemie ist ein Beispiel einer galvanischen Kupfer-Zink-Zelle bekannt, die aufgrund der Energie der Reaktion zwischen Zink und Kupfersulfat funktioniert. Beim Jacobi-Daniel-Gerät wird eine Kupferplatte in eine Kupfersulfatlösung (Kupferelektrode) gelegt, eine Zinkplatte in eine Zinksulfatlösung getaucht (Zinkelektrode). Die Zinkelektrode gibt Kationen an die Lösung ab, wodurch eine überschüssige positive Ladung darin entsteht, und an der Kupferelektrode wird die Lösung an Kationen verarmt, hier ist die Lösung negativ geladen.
Durch das Schließen des äußeren Stromkreises fließen Elektronen von der Zinkelektrode zur Kupferelektrode. Gleichgewichtsbeziehungen an den Phasengrenzen werden unterbrochen. Es findet eine Oxidations-Reduktions-Reaktion statt.
Die Energie einer spontanen chemischen Reaktion wird in elektrische Energie umgewandelt.
Wenn eine chemische Reaktion durch externe Energie eines elektrischen Stroms hervorgerufen wird, findet ein Prozess namens Elektrolyse statt. Die bei der Elektrolyse ablaufenden Vorgänge sind umgekehrt zu den beim Betrieb einer galvanischen Zelle ablaufenden Vorgängen.
AUFMERKSAMKEIT! Die Elektrode, an der die Reduktion stattfindet, wird auch Kathode genannt, aber bei der Elektrolyse ist sie negativ geladen, während die Anode positiv geladen ist.
Anwendung in der Elektrochemie
Anoden und Kathoden sind an vielen chemischen Reaktionen beteiligt:
- Elektrolyse;
- Elektroextraktion;
- Galvanik;
- Elektrotyp.
Metalle werden durch Elektrolyse aus geschmolzenen Verbindungen und wässrigen Lösungen gewonnen, Metalle von Verunreinigungen gereinigt und wertvolle Bestandteile extrahiert (elektrolytische Raffination). Aus dem zu reinigenden Metall werden Platten gegossen. Sie werden als Anoden im Elektrolyseur platziert. Unter dem Einfluss von elektrischem Strom löst sich das Metall auf. Dessen Kationen gehen in Lösung und werden an der Kathode entladen, wobei sich ein Niederschlag aus reinem Metall bildet. Die in der ursprünglichen ungereinigten Metallplatte enthaltenen Verunreinigungen bleiben entweder als Anodenschlamm unlöslich oder gelangen in den Elektrolyten, wo sie entfernt werden. Kupfer, Nickel, Blei, Gold, Silber, Zinn werden einer elektrolytischen Raffination unterzogen.
Elektroextraktion ist der Prozess der Trennung eines Metalls aus einer Lösung während der Elektrolyse. Damit das Metall in Lösung geht, wird es mit speziellen Reagenzien behandelt. Dabei wird an der Kathode ein hochreines Metall abgeschieden. So werden Zink, Kupfer, Cadmium gewonnen.
Um Korrosion zu vermeiden, Festigkeit zu verleihen und das Produkt zu dekorieren, wird die Oberfläche eines Metalls mit einer Schicht eines anderen bedeckt. Dieser Vorgang wird Galvanik genannt.
Galvanisieren ist das Verfahren zum Erhalten von Metallkopien von Massenobjekten durch galvanische Metallabscheidung.
Anwendung in vakuumelektronischen Geräten
Das Funktionsprinzip von Kathode und Anode in einem Vakuumgerät kann anhand einer Elektronenlampe demonstriert werden.Es sieht aus wie ein hermetisch verschlossenes Gefäß mit Metallteilen im Inneren. Das Gerät dient zur Gleichrichtung, Erzeugung und Umwandlung elektrischer Signale. Je nach Anzahl der Elektroden gibt es:
- Dioden;
- Trioden;
- Tetroden;
- Pentoden usw.
Eine Diode ist ein Vakuumgerät mit zwei Elektroden, einer Kathode und einer Anode. Die Kathode ist mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden, die Anode mit dem Pluspol. Der Zweck der Kathode besteht darin, Elektronen zu emittieren, wenn sie durch einen elektrischen Strom auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird. Die emittierten Elektronen erzeugen eine Raumladung zwischen Kathode und Anode. Die schnellsten Elektronen eilen zur Anode und überwinden die negative Potentialbarriere der Raumladung. Die Anode nimmt diese Teilchen auf. Im Außenkreis entsteht ein Anodenstrom. Der elektronische Fluss wird durch zusätzliche Elektroden gesteuert, indem ein elektrisches Potential an sie angelegt wird. Mittels Dioden wird Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt.
Anwendung in der Elektronik
Heutzutage werden Dioden vom Halbleitertyp verwendet.
In der Elektronik ist die Eigenschaft von Dioden, Strom in Durchlassrichtung zu leiten und nicht in Gegenrichtung zu leiten, weit verbreitet.
Der Betrieb der LED basiert auf der Eigenschaft von Halbleiterkristallen zu leuchten, wenn ein Strom durch den p-n-Übergang in Durchlassrichtung geleitet wird.
Galvanische Gleichstromquellen - Batterien
Chemische Stromquellen, in denen reversible Reaktionen ablaufen, werden als Batterien bezeichnet: Sie werden wieder aufgeladen und wiederholt verwendet.
Beim Betrieb einer Bleibatterie findet eine Redoxreaktion statt.Metallisches Blei oxidiert, gibt seine Elektronen ab und reduziert Bleidioxid, das Elektronen aufnimmt. Das Bleimetall in einer Batterie ist die Anode und ist negativ geladen. Bleidioxid ist eine Kathode und positiv geladen.
Wenn sich die Batterie entlädt, werden die Substanzen der Kathode und Anode und ihr Elektrolyt, Schwefelsäure, verbraucht. Zum Laden des Akkus wird dieser an eine Stromquelle angeschlossen (Plus an Plus, Minus an Minus). Die Stromrichtung ist jetzt umgekehrt wie beim Entladen der Batterie. Elektrochemische Prozesse an den Elektroden werden „umgekehrt“. Nun wird die Bleielektrode zur Kathode, an ihr findet der Reduktionsprozess statt, und das Bleidioxid wird zur Anode, wobei der Oxidationsvorgang stattfindet. Die Batterie stellt die für ihren Betrieb notwendigen Substanzen wieder her.
Warum gibt es Verwirrung?
Das Problem ergibt sich aus der Tatsache, dass ein bestimmtes Ladungszeichen nicht fest an der Anode oder Kathode angebracht werden kann. Oft ist die Kathode eine positiv geladene Elektrode und die Anode eine negative. Oft, aber nicht immer. Es hängt alles von dem Prozess ab, der an der Elektrode stattfindet.
AUFMERKSAMKEIT! Der in den Elektrolyten eingebrachte Teil kann sowohl Anode als auch Kathode sein. Es hängt alles vom Zweck des Prozesses ab: Sie müssen eine weitere Metallschicht darauf auftragen oder entfernen.
So identifizieren Sie Anode und Kathode
In der Elektrochemie ist die Anode die Elektrode, an der Oxidationsprozesse stattfinden, die Kathode die Elektrode, an der die Reduktion stattfindet.
In einer Diode werden die Abgriffe Anode und Kathode genannt. Der Strom fließt durch die Diode, wenn der Anodenabgriff mit dem "Plus" verbunden ist, der "Kathoden" -Abgriff - mit dem "Minus".
Bei einer neuen LED mit ungeschnittenen Kontakten werden Anode und Kathode visuell nach Länge bestimmt. Die Kathode ist kürzer.
Wenn die Kontakte abgeschnitten sind, hilft eine daran befestigte Batterie. Licht erscheint, wenn die Polaritäten übereinstimmen.
Anoden- und Kathodenzeichen
In der Elektrochemie ist es richtiger, nicht über die Vorzeichen der Ladungen der Elektroden zu sprechen, sondern über die Prozesse, die an ihnen ablaufen. An der Kathode findet die Reduktionsreaktion und an der Anode die Oxidationsreaktion statt.
In der Elektrotechnik wird für den Stromfluss die Kathode mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden, die Anode mit dem Pluspol.
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