El ànode i el càtode són els tipus d'elèctrodes que es troben en les cel·les electroquímiques. Aquests són dispositius capaços de produir energia elèctrica a través d'una reacció química. Les cel·les electroquímiques més usades són les piles.
Hi ha dos tipus de cel·les electroquímiques, les cel·les electrolítiques i les cèl·lules galvàniques o voltaiques. A les cel·les electrolítiques, la reacció química que produeix l'energia no succeeix de forma espontània, sinó que el corrent elèctric es transforma en una reacció química d'oxidació-reducció.
La cel·la galvànica està composta per dos semiceldas. Aquestes estan connectades per dos elements, un conductor metàl·lic i un pont salí.
El conductor elèctric, com indica el seu nom, condueix l'electricitat perquè té molt poca resistència a el moviment de la càrrega elèctrica. Els millors conductors solen ser metalls.
El pont salí és un tub que connecta les dues semiceldas, mentre manté el contacte elèctric de les mateixes, i sense deixar que els components de cada cel·la es unan.Cada semicelda de la cel·la galvànica conté un elèctrode i un electròlit.
Quan es produeix la reacció química, una de les semiceldas perd electrons cap a la seva elèctrode, mitjançant el procés d'oxidació; mentre que l'altra guanya els electrons per a la seva elèctrode, mitjançant el procés de reducció.
Els processos d'oxidació es produeixen en l'ànode, i els processos de reducció en el càtode
ànode
El nom de l'ànode prové de el grec ανά (anà): cap amunt, i οδός (Odós): camí. Faraday va ser el que va encunyar aquest terme al segle XIX.
La millor definició d'ànode és l'elèctrode que perd electrons en una reacció d'oxidació. Normalment es vincula a el pol positiu de l'trànsit del corrent elèctric, però no sempre és així.
Malgrat que en les piles l'ànode és el pol positiu, en les llums led és tot el contrari, sent l'ànode el pol negatiu.
Normalment es defineix el sentit del corrent elèctric, apreciant-lo com un sentit de les càrregues lliures, però si el conductor no és metàl·lic, les càrregues positives que es produeixen es traslladen a l'conductor extern.
Aquest moviment implica que tenim càrregues positives i negatives que es mouen en sentits oposats, de manera que es diu que el sentit del corrent és el recorregut de les càrregues positives dels cations que es troben en l'ànode cap a la càrrega negativa dels ànodes que es troben en el càtode.
En les cel·les galvàniques, a l'tenir un conductor metàl·lic, el corrent generat en la reacció sí que segueix el camí des del pol positiu a l'negatiu.
Però en les cèl·lules electrolítiques, al no tenir un conductor metàl·lic, sinó un electròlit, poden trobar-ions amb càrrega positiva i negativa que es mouen en sentits oposats.
Els ànodes termoiònics reben la major part dels electrons que provenen de l'càtode, escalfen l'ànode i han de trobar una forma de dissipar-se. Aquesta calor es genera en la tensió que es produeix entre els electrons.
ànodes especials
Hi ha un tipus de ànodes especials, com els que es troben dins dels raigs X. En aquests tubs, l'energia que produeixen els electrons, a més de produir els raigs X, genera una gran energia que escalfa l'ànode.
Aquesta calor es produeix a la diferent tensió que hi ha entre tots dos elèctrodes i que exerceix pressió en els electrons. Quan els electrons es mouen en el corrent elèctric, aquests impacten contra l'ànode transmetent la seva calor.
càtode
El càtode és l'elèctrode amb càrrega negativa, que en la reacció química pateix una reacció de reducció, on el seu estat d'oxidació es redueix quan rep electrons.
A l'igual que amb l'ànode, va ser Faraday qui va suggerir el terme càtode que prové de el grec κατά: 'cap avall', i ὁδός: 'camí'. A aquest elèctrode, se li va atribuir la càrrega negativa al llarg de el temps.
Aquest plantejament va resultar fals, ja que depenent de el dispositiu en el qual es trobi, té una càrrega o una altra.
Aquesta relació amb el pol negatiu, a l'igual que amb el ànode, sorgeix per la suposició que el corrent flueix des del pol positiu fins al negatiu. Això sorgeix dins d'una cel·la galvànica.
Dins de les cel·les electrolítiques, el mitjà de traspàs de l'energia, a l'llevat en un metall sinó en un electròlit, poden coexistir ions negatius i positius que es mouen en sentits oposats. Però per conveni, es diu que el corrent va des del ànode cap al càtode.
càtodes especials
Un tipus de càtodes específics són els càtodes termoiònics. En aquests, el càtode emet electrons per l'efecte de la calor.
En les vàlvules termoiòniques, el càtode pot escalfar-se a si mateix fent circular un corrent d'escalfament en un filament que té acoblat a ell.
Reacció d'equilibri
Si prenem una cel·la galvànica, que és la cel·la electroquímica més comú, podem formular la reacció d'equilibri que es genera.
Cada semicelda que conforma la cel·la galvànica, té una tensió característica coneguda com a potencial de reducció. Dins de cada semicelda es produeix una reacció d'oxidació entre els diferents ions.
Quan aquesta reacció arriba a un equilibri, la cèl·lula no pot proporcionar més tensió. En aquest moment, l'oxidació que estigui tenint lloc a la semicelda d'aquest moment tindrà un valor positiu com més a prop es trobi de l'equilibri. El potencial de la reacció serà més gran com més equilibri s'assoleixi.
Quan l'ànode està en equilibri, comença a perdre electrons que passen a través de l'conductor cap al càtode.
Al càtode s'està produint la reacció de reducció, com més lluny es trobi de l'equilibri més potencial tindrà la reacció a l'produir-se i prendre els electrons que provenen de l'ànode.
referències
- Huheey, James E., et al. Inorganic chemistry: principles of structure and reactivity. Pearson Education Índia, 2006.
- SIENKO, Michell J.; ROBERT, A. Chemistry: principles and properties. New York, US: McGraw-Hill, 1966.
- BRADY, James E. General chemistry: principles and structure. Wiley, 1990.
- Petrucci, Ralph H., et al. Química general. Fons Educatiu Interamericà, 1977.
- MASTERTON, William L.; HURLEY, Cecile N. Chemistry: principles and reactions. Cengage Learning, 2015.
- BABOR, Joseph A.; BABOR, JoseJoseph A.; Aznárez, José Ibarz. Química general moderna: una introducció a la química física ia la química descriptiva superior (inorgànica, orgànica i bioquímica). Marín,, 1979.
- CHARLOT, Gaston; TRÉMILLON, Bernard; BADOZ-LAMBLING, J. Les reaccions electroquímiques. Toray-Masson, 1969.