A menudo existe el problema de determinar cuál de los electrodos es el cátodo y cuál es el ánodo. Primero necesitas entender los términos.
El concepto de cátodo y ánodo: una explicación simple
En las sustancias complejas, los electrones se distribuyen de manera desigual entre los átomos de los compuestos. Como resultado de la interacción, las partículas se mueven de un átomo de una sustancia a un átomo de otra. La reacción se llama redox. La pérdida de electrones se llama oxidación, y el elemento que cede electrones se llama agente reductor.
La adición de electrones se llama reducción, el elemento receptor en este proceso es el agente oxidante. La transferencia de electrones del agente reductor al agente oxidante puede proceder a través de un circuito externo, y luego puede usarse como fuente de energía eléctrica.Los dispositivos en los que la energía de una reacción química se convierte en energía eléctrica se denominan celdas galvánicas.
El ejemplo clásico más simple de una celda galvánica son dos placas hechas de diferentes metales e inmersas en una solución electrolítica. En tal sistema, la oxidación ocurre en un metal y la reducción ocurre en otro.
¡IMPORTANTE! El electrodo en el que se produce la oxidación se denomina ánodo. El electrodo sobre el que tiene lugar la reducción es el cátodo.
De los libros de texto de química escolar, se conoce un ejemplo de una celda galvánica de cobre-zinc, que funciona debido a la energía de la reacción entre el zinc y el sulfato de cobre. En el dispositivo Jacobi-Daniel, una placa de cobre se coloca en una solución de sulfato de cobre (electrodo de cobre), una placa de zinc se sumerge en una solución de sulfato de zinc (electrodo de zinc). El electrodo de zinc emite cationes a la solución, creando un exceso de carga positiva en ella, y en el electrodo de cobre la solución se agota en cationes, aquí la solución está cargada negativamente.
Cerrar el circuito externo hace que los electrones fluyan desde el electrodo de zinc al electrodo de cobre. Las relaciones de equilibrio en los límites de fase se interrumpen. Tiene lugar una reacción de oxidación-reducción.
La energía de una reacción química espontánea se convierte en energía eléctrica.
Si una reacción química es provocada por la energía externa de una corriente eléctrica, tiene lugar un proceso llamado electrólisis. Los procesos que ocurren durante la electrólisis son inversos a los procesos que ocurren durante la operación de una celda galvánica.
¡ATENCIÓN! El electrodo donde tiene lugar la reducción también se llama cátodo, pero en la electrólisis tiene carga negativa, mientras que el ánodo tiene carga positiva.
Aplicación en electroquímica
Los ánodos y cátodos participan en muchas reacciones químicas:
- Electrólisis;
- electroextracción;
- galvanoplastia;
- Electrotipia.
Los metales se obtienen por electrólisis de compuestos fundidos y soluciones acuosas, los metales se purifican de impurezas y se extraen componentes valiosos (refinación electrolítica). Las placas se moldean del metal que se va a limpiar. Se colocan como ánodos en el electrolizador. Bajo la influencia de una corriente eléctrica, el metal se disuelve. Sus cationes se disuelven y se descargan en el cátodo, formando un depósito de metal puro. Las impurezas contenidas en la placa metálica original sin limpiar permanecen insolubles como sedimentos anódicos o pasan al electrolito donde se eliminan. El cobre, el níquel, el plomo, el oro, la plata y el estaño se someten a un refinado electrolítico.
La electroextracción es el proceso de separar un metal de una solución durante la electrólisis. Para que el metal se disuelva, se trata con reactivos especiales. Durante el proceso, un metal de alta pureza se precipita en el cátodo. Así se obtienen el zinc, el cobre, el cadmio.
Para evitar la corrosión, dar fuerza, decorar el producto, la superficie de un metal se cubre con una capa de otro. Este proceso se llama galvanoplastia.
La galvanoplastia es el proceso de obtención de copias metálicas a partir de objetos a granel mediante electrodeposición de metales.
Aplicación en dispositivos electrónicos de vacío
El principio de funcionamiento del cátodo y el ánodo en un dispositivo de vacío puede demostrarse mediante una lámpara de electrones.Parece un recipiente herméticamente cerrado con piezas de metal en su interior. El dispositivo se utiliza para rectificar, generar y convertir señales eléctricas. Según el número de electrodos, hay:
- diodos;
- triodos;
- tetrodos;
- pentodos, etc
Un diodo es un dispositivo de vacío con dos electrodos, un cátodo y un ánodo. El cátodo está conectado al polo negativo de la fuente de alimentación, el ánodo, al positivo. El propósito del cátodo es emitir electrones cuando es calentado por una corriente eléctrica a cierta temperatura. Los electrones emitidos crean una carga espacial entre el cátodo y el ánodo. Los electrones más rápidos corren hacia el ánodo, superando la barrera de potencial negativo de la carga espacial. El ánodo recibe estas partículas. Se crea una corriente de ánodo en el circuito externo. El flujo electrónico es controlado por electrodos adicionales al aplicarles un potencial eléctrico. Por medio de diodos, la corriente alterna se convierte en corriente continua.
Aplicación en electrónica
Hoy en día, se utilizan tipos de diodos semiconductores.
En electrónica, la propiedad de los diodos de pasar corriente en la dirección directa y no pasar en la dirección opuesta es ampliamente utilizada.
El funcionamiento del LED se basa en la propiedad de los cristales semiconductores de brillar cuando pasa una corriente a través de la unión p-n en la dirección directa.
Fuentes de corriente continua galvánica - baterías
Las fuentes químicas de corriente eléctrica en las que se producen reacciones reversibles se denominan baterías: se recargan y se utilizan repetidamente.
Durante el funcionamiento de una batería de plomo, se produce una reacción redox.El plomo metálico se oxida, dona sus electrones, reduciendo el dióxido de plomo, que acepta electrones. El metal de plomo en una batería es el ánodo y está cargado negativamente. El dióxido de plomo es un cátodo y está cargado positivamente.
A medida que la batería se descarga, se consumen las sustancias del cátodo y el ánodo y su electrolito, el ácido sulfúrico. Para cargar la batería, se conecta a una fuente de corriente (más a más, menos a menos). La dirección de la corriente es ahora la inversa de lo que era cuando se descargó la batería. Los procesos electroquímicos en los electrodos se "invierten". Ahora el electrodo de plomo se convierte en cátodo, sobre él tiene lugar el proceso de reducción, y el dióxido de plomo se convierte en ánodo, teniendo lugar el proceso de oxidación. La batería recrea las sustancias necesarias para su funcionamiento.
¿Por qué hay confusión?
El problema surge del hecho de que un cierto signo de carga no se puede unir firmemente al ánodo o al cátodo. A menudo, el cátodo es un electrodo cargado positivamente y el ánodo es negativo. A menudo, pero no siempre. Todo depende del proceso que tiene lugar en el electrodo.
¡ATENCIÓN! La parte que se coloca en el electrolito puede ser tanto el ánodo como el cátodo. Todo depende del propósito del proceso: debe colocarle otra capa de metal o quitarla.
Cómo identificar el ánodo y el cátodo
En electroquímica, el ánodo es el electrodo en el que tienen lugar los procesos de oxidación, el cátodo es el electrodo en el que se produce la reducción.
En un diodo, los grifos se llaman ánodo y cátodo. La corriente fluirá a través del diodo si la toma del ánodo está conectada al "más", la toma del "cátodo" al "menos".
Para un nuevo LED con contactos sin cortar, el ánodo y el cátodo se determinan visualmente por longitud. El cátodo es más corto.
Si los contactos están cortados, una batería conectada a ellos ayudará. La luz aparecerá cuando las polaridades coincidan.
Signo de ánodo y cátodo
En electroquímica, es más correcto hablar no de los signos de las cargas de los electrodos, sino de los procesos que se llevan a cabo en ellos. La reacción de reducción tiene lugar en el cátodo y la reacción de oxidación en el ánodo.
En ingeniería eléctrica, para el flujo de corriente, el cátodo está conectado al polo negativo de la fuente de corriente, el ánodo al positivo.
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