Gyorskeresés

Katód és anód az elektrokémiai cellákban 6741

 Definíció 

  • a KATÓD az az elektród, melynek felületén REDUKCIÓ (elektronfelvétel) zajlik
  • az ANÓD az az elektród, melynek felületén OXIDÁCIÓ (elektronleadás) zajlik

Másik definíciós lehetőség:

  • a KATÓD az az elektród, amiben a fémlemez felé a KATIONOK vándorolnak az elektrolit oldatában vagy olvadékában

Az ionmozgások okozója galváncellában illetve elektrolízáló cellában nem azonos eredetű:

  • elektrolizálócellában az elektrosztatikus mező által az ionra ható elektromos erő, emiatt elektrolizálócellában a pozitív ionok az elektrosztatikus mező potenciálesésének irányába haladnak.
  • galváncellában viszont az ionmozgások az elektrosztatikus erőkkel ellentétes irányban zajlanak, mert a kémiai természetű hajtóerők erősebbek az elektrosztatikusnál. Például a koncentrációviszonyok okozta kémiai természetű hajtóerők; konkrétan a gyakorlatban leggyakrabban előforduló (izobár és izoterm) folyamatokban a szabadentalpia minimumára való törekvés termodinamikai elve. Így galváncellában a pozitív ionok a potenciálemelkedés irányába haladnak.

Ezekből a definíciókból sok minden következik. Nézzük először táblázatos formában:

Milyen
cellában?
Hol Mik Merre Milyen természetű hajtóerő miatt
áramlanak?

Galváncella

Katód: \(+\)
Anód: \(-\)

a cella belsejében
(az elektrolitban)
\(+\) ionok \(\displaystyle \genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{Anód}}{-}\ \to \ \genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{Katód}}{+}\) kémiai (nem elektrosztatikus)
\(-\)

\(\displaystyle \genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{Katód}}{+}\ \to \ \genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{Anód}}{-}\)

kémiai (nem elektrosztatikus)
a cellán kívül
(a fémdrótban)
\(-\) e--ok \(\displaystyle \genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{Anód}}{-}\ \to \ \genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{Katód}}{+}\) elektrosztatikus

Elektrolizáló-
cella

Katód: \(-\)
Anód: \(+\)

a cella belsejében
(az elektrolitban)
\(+\) ionok \(\displaystyle \genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{Katód}}{-}\ \to \ \genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{Anód}}{+}\) elektrosztatikus
\(-\) \(\displaystyle \genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{Anód}}{+}\ \to \ \genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{Katód}}{-}\) elektrosztatikus
a cellán kívül
(a fémdrótban)
\(-\) e--ok \(\displaystyle \genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{Katód}}{-}\ \to \ \genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{Anód}}{+}\) elektrosztatikus

Ugyanez részletesen kifejtve szöveges formában:
 

 Adott elektrokémiai cella adott elektródja lehet anód is illetve katód is, attól függően, hogy a cella épp galváncellaként vagy elektrolizálócellaként működik 

  • ha egy adott elektrokémiai cella egyik elektródja galváncellaként anód, akkor ez az elektród elektrolizálócella üzemmódban katód
    (például a Daniell-elemben a cinklemez galváncella üzemmódban anód, elektrolizálócella üzemmódban viszont katód)
  • ha egy adott cella egyik elektródja galváncella üzemmódban katód, akkor ez az elektród elektrolizálócella üzemmódban anód
    (például a Daniell-elemben a rézlemez galváncella üzemmódban katód, elektrolizálócella esetben viszont anód)

Gondoljunk arra, hogy például a Daniell-elemben galváncella üzemmódban a fémcink beoldódik ionok formájába az oldatba, vagyis elektronleadás (oxidáció) zajlik a cinklemezen, ezért ez ilyenkor az anód. De az ezzel ellentétes folyamatban (elektrolizálócella) az imént az elektrolitba került \(\mathrm{Zn^{2+}}\) cinkionok "visszamennek" (visszanőnek) a cinklemezre, vagyis a pozitív töltésű \(\mathrm{Zn^{2+}}\) cinkionok elektronokat vesznek fel, ami redukciót jelent, hogy semleges fématomokká váljanak, tehát a cinklemez a redukció miatt ilyenkor katód.

 Egy elektrokémiai cella adott elektródjának kivezetése (kapcsa) mindig ugyanolyan előjelű, galváncella és elektrolizálócella üzemmódban egyaránt 

  • ha egy elektrokémiai cella egyik elektródja galváncella üzemmódban anód (negatív), akkor ez az elektród elektrolizálócella üzemmódban katód (szintén negatív)
    (például a Daniell-elem cinklemeze mindkét üzemmódban negatív előjelű; galváncellaként anód, elektrolizálócellaként katód)
  • ha egy elektrokémiai cella egyik elektródja galváncella üzemmódban katód (pozitív), akkor ez az elektród elektrolizálócella üzemmódban anód (szintén pozitív)
    (például a Daniell-elem rézlemeze mindkét üzemmódban pozitív előjelű; galváncellaként katód, elektrolizálócellaként anód)

Ezt szemléletesen úgy mondhatjuk, hogy ha a cella egyik elektródja galváncella üzemmódban negatív, azaz áramforrásként "ontja magából kifelé az elektronokat, a fogyasztó felé", akkor az ezzel ellentétes folyamatban (elektrolízis) "vissza kell pumpálnunk" az imént ledott elektronokat "az eredeti helyükre". A reverzibilis galvánelemekben, vagyis az akkumulátorokban ezt nevezzük feltöltésnek, ehhez pedig a külső áramforrásunk negatív pólusát kell rákapcsolnunk.
 

 Adott elektrokémiai cella adott elektródján galváncella illetve elektrolizálócella üzemódban ellentétes redoxi folyamat zajlik 

  • ha egy adott cella egyik elektródjának felületén galváncella üzemmódban oxidáció zajlik, akkor ugyanezen elektród felületén elektrolizálócella üzemmódban redukció zajlik
    (például a Daniell-elemben galváncella üzemmódban a cinklemez cinkatomjai \(\mathrm{Zn^{2+}}\) cinkionként beoldódnak az oldatba, vagyis elektront adnak le, oxidálódnak; míg elektrolíziskor az oldatban lévő \(\mathrm{Zn^{2+}}\) cinkionok elektronfelvétel azaz redukció révén semleges cinkatomokká alakulva kiválnak a cinklemezre)
  • ha egy adott cella egyik elektródjának felületén galváncella üzemmódban redukció zajlik, akkor ugyanezen elektród felületén elektrolíziskor oxidáció zajlik
    (például a Daniell-elemben galváncella üzemmódban az oldatban lévő \(\mathrm{Cu^{2+}}\) rézionok elektronfelvétel azaz redukció révén semleges rézatomokká alakulva kiválnak a rézlemezre; míg elektrolíziskor a rézlemez rézatomjai \(\mathrm{Cu^{2+}}\) rézionként beoldódnak az oldatba, vagyis elektront adnak le, oxidálódnak)


 Az ionok az elektrolit oldatában (vagy olvadékában) elektrolíziskor az elektrosztatikus erők szerint "érthető" irányba vándorolnak, míg galváncella üzemmódban az elektrosztatikus erők alapján "érthetetlen" irányba mozognak 

Az elektrosztatikában az ellentétes előjelű töltések között mindig vonzás lép fel, az azonos előjelű töltések között pedig mindig taszítás. Tehát az elektrosztatika alapján az érthető, ha egy kation (pozitív ion) egy negatív elektróda felé vándorol, vagy egy pozitív elektródától távolodik. Ugyanígy érthető, ha egy anion (negatív ion) egy pozitív elektróda felé vándorol illetve egy negatív elektródától távolodik. Ha csupán az elektrosztatikus erőket nézzük, akkor viszont érthetetlen, ha egy kation távolodik egy negatív elektródától, vagy közeledik egy pozitív elektródához. Ez csak galváncella üzemmódban zajlik, és ilyenkor az elektrosztatikus erőknél erősebb kémiai természetű hajtóerők (például ionkoncentráció-különbségek; általánosságban pedig a szabadentalpia minimumára való törekvés elve) okozzák ezt a "furcsaságot".

  • elektrolíziskor az elektrolit oldatában a pozitív kationok a negatív katód felé vándorolnak, a negatív anionok pedig a pozitív anód felé. Ezek az elektrosztatikus erők alapján érthető irányok
    (például a Daniell-elemben elektrolíziskor a bal oldali elektródban a \(\mathrm{Zn^{2+}}\) cinkionok a negatív katód (cinklemez) felé vándorolnak, vonzódva az ellentétes töltéshez. A jobb oldali elektródban pedig a pozitív anódként viselkedő rézlemezről a réz \(\mathrm{Cu^{2+}}\) ionok formájában beoldódik az elektrolitba, eltávolodva ezáltal az őt taszító, vele azonos előjelű töltéstől.
  • galváncellában a negatív anódon oxidáció zajlik: az elektród fémlemeze (elektronleadást követően) pozitív ionok formájában az oldatba kerül (a fém beoldódik), vagyis a pozitív fémionok a negatív anód felületétől eltávolodnak, az elektrosztatikus vonzás ellenére, vagyis "érthetetlenül". A pozitív katód felületén redukció zajlik: az oldatban lévő pozitív fémion az elektród fémlemezén elektronhoz jut, így ott fémkiválás zajlik. Vagyis a pozitív fémion a pozitív katód felé vándorol, az elektrosztatikus taszítás ellenére, "érthetetlenül".


 Mind galváncella, mind elektrolizálócella üzemmódban muszáj, hogy az egyik elektród katód legyen, a másik pedig anód 

Ha mondjuk mindkét elektródon oxidáció (elektronleadás) zajlana, akkor a leadott elektronok gyorsan felgyűlnének valahol (az elektromos fogyasztóban), és az ő elektromos mezejük, annak taszítása megakadályozná, hogy az elektródok újabb elektront adjanak le, tehát megakadályoznák, hogy folytatódjon az oxidáció. Ugyanígy ha mindkét elektródon redukció (elektronfelvétel) zajlana, akkor az elektródok környezete pozitív töltésűvé válna, és rövid idő múlva már nem engedne újabb elektronokat a katód felé, így leállna a redukció.