L' anodo e il catodo sono i tipi di elettrodi presenti nelle celle elettrochimiche. Si tratta di dispositivi in grado di produrre energia elettrica attraverso una reazione chimica. Le celle elettrochimiche più utilizzate sono le batterie.
Esistono due tipi di celle elettrochimiche, celle elettrolitiche e celle galvaniche o voltaiche. Nelle celle elettrolitiche, la reazione chimica che produce energia non avviene spontaneamente, ma la corrente elettrica si trasforma in una reazione chimica di ossidoriduzione.
La cella galvanica è composta da due semicelle. Questi sono collegati da due elementi, un conduttore metallico e un ponte salino.
Il conduttore elettrico, come suggerisce il nome, conduce l'elettricità perché ha pochissima resistenza al movimento della carica elettrica. I migliori conduttori sono generalmente di metallo.
Il ponte salino è un tubo che collega le due semicelle, mantenendo il loro contatto elettrico e senza che i componenti di ciascuna cellula si uniscano, ciascuna semicella della cella galvanica contiene un elettrodo e un elettrolita.
Quando avviene la reazione chimica, una delle semicelle perde elettroni verso il suo elettrodo, attraverso il processo di ossidazione; mentre l'altro guadagna elettroni per il suo elettrodo, attraverso il processo di riduzione.
I processi di ossidazione avvengono all'anodo e i processi di riduzione al catodo
Anodo
Il nome dell'anodo deriva dal greco ανά (aná): verso l'alto e οδός (odós): via. Faraday è stato colui che ha coniato questo termine nel XIX secolo.
La migliore definizione di anodo è l'elettrodo che perde elettroni in una reazione di ossidazione. Normalmente è collegato al polo positivo del transito della corrente elettrica, ma non è sempre così.
Sebbene nelle batterie l'anodo sia il polo positivo, nelle luci a LED è l'opposto, con l'anodo che è il polo negativo.
Normalmente si definisce la direzione della corrente elettrica apprezzandola come direzione delle cariche libere, ma se il conduttore non è metallico, le cariche positive che si producono vengono trasferite al conduttore esterno.
Questo movimento implica che abbiamo cariche positive e negative che si muovono in direzioni opposte, quindi si dice che la direzione della corrente è il percorso delle cariche positive dei cationi che si trovano nell'anodo verso la carica negativa degli anodi trovato sul catodo.
Nelle celle galvaniche, aventi un conduttore metallico, la corrente generata nella reazione segue il percorso dal polo positivo a quello negativo.
Ma nelle celle elettrolitiche, poiché non hanno un conduttore metallico, ma piuttosto un elettrolita, si possono trovare ioni con carica positiva e negativa che si muovono in direzioni opposte.
Gli anodi termoionici ricevono la maggior parte degli elettroni che provengono dal catodo, riscaldano l'anodo e devono trovare un modo per dissiparlo. Questo calore viene generato nella tensione che si verifica tra gli elettroni.
Anodi speciali
Esiste un particolare tipo di anodo, come quelli che si trovano all'interno dei raggi X. In questi tubi l'energia prodotta dagli elettroni, oltre a produrre raggi X, genera una grande energia che riscalda l'anodo.
Questo calore viene prodotto alla diversa tensione tra i due elettrodi, che esercita una pressione sugli elettroni. Quando gli elettroni si muovono nella corrente elettrica, colpiscono l'anodo, trasmettendogli il loro calore.
catodico
Il catodo è l'elettrodo caricato negativamente, che subisce una reazione di riduzione nella reazione chimica, dove il suo stato di ossidazione si riduce quando riceve elettroni.
Come per l'anodo, fu Faraday a suggerire il termine catodo, che deriva dal greco κατά: "verso il basso" e ὁδός: "via". A questo elettrodo è stata attribuita la carica negativa nel tempo.
Questo approccio si è rivelato falso, poiché a seconda del dispositivo in cui si trova, ha un carico o un altro.
Questa relazione con il polo negativo, come con l'anodo, nasce dal presupposto che la corrente fluisca dal polo positivo al polo negativo. Ciò si verifica all'interno di una cella galvanica.
All'interno delle celle elettrolitiche, il mezzo di trasferimento di energia, non essendo in un metallo ma in un elettrolita, possono coesistere ioni negativi e positivi che si muovono in direzioni opposte. Ma per convenzione si dice che la corrente vada dall'anodo al catodo.
Catodi speciali
Un tipo di catodi specifici sono i catodi termoionici. In questi, il catodo emette elettroni per effetto del calore.
Nelle valvole termoioniche, il catodo può riscaldarsi facendo circolare una corrente di riscaldamento in un filamento ad esso collegato.
Reazione di equilibrio
Se prendiamo una cella galvanica, che è la cella elettrochimica più comune, possiamo formulare la reazione di equilibrio che si genera.
Ogni semicella che compone la cella galvanica ha una tensione caratteristica nota come potenziale di riduzione. All'interno di ciascuna semicella, si verifica una reazione di ossidazione tra i diversi ioni.
Quando questa reazione raggiunge l'equilibrio, la cellula non può fornire più tensione. In questo momento, l'ossidazione che sta avvenendo nella semicella in quel momento avrà un valore positivo quanto più si avvicina all'equilibrio. Il potenziale della reazione sarà tanto maggiore quanto più si raggiungerà l'equilibrio.
Quando l'anodo è in equilibrio, inizia a perdere elettroni che passano attraverso il conduttore al catodo.
La reazione di riduzione sta avvenendo al catodo, più è lontana dall'equilibrio, più potenziale avrà la reazione quando si verifica e prende gli elettroni che provengono dall'anodo.
Riferimenti
- HUHEEY, James E., et al. Chimica inorganica: principi di struttura e reattività. Pearson Education India, 2006.
- SIENKO, Michell J .; ROBERT, A. Chimica: principi e proprietà. New York, Stati Uniti: McGraw-Hill, 1966.
- BRADY, James E. Chimica generale: principi e struttura. Wiley, 1990.
- PETRUCCI, Ralph H., et al. Chimica generale . Fondo interamericano per l'educazione, 1977.
- MASTERTON, William L.; HURLEY, Cecile N. Chimica: principi e reazioni. Cengage Learning, 2015.
- BABOR, Joseph A.; BABOR, JoseJoseph A.; AZNÁREZ, José Ibarz. Chimica generale moderna: un'introduzione alla chimica fisica e alla chimica descrittiva superiore (inorganica, organica e biochimica). Marin, 1979.
- CHARLOT, Gaston; TRÉMILLON, Bernard; BADOZ-LAMBLING, J. Reazioni elettrochimiche. Toray-Masson, 1969.