Анод — что это и как работает¶

Анод — электрод, через который в электрохимической ячейке, гальваническом элементе или электровакуумном приборе в систему поступает электрический ток; по определению Международной электротехнической комиссии (МЭК) анодом называют электрод, к которому подводится положительный потенциал. В зависимости от типа прибора и направления протекания тока анод может быть как положительным, так и отрицательным электродом — ключевым здесь является не знак потенциала, а направление движения электронов и ионов относительно электрода.

¶Происхождение термина

Слово «анод» происходит от греческого ἄνοδος (anodos) — «восхождение», «восход». Термин введён Майклом Фарадеем в 1834 году для обозначения электрода, через который ток «входит» в электролит. Фарадей же предложил парные термины «анод» и «катод» (от κατά, kata — «вниз» и ὁδός, hodos — «путь»), а также «электролит», «электрод», «ион», «катион» и «анион». В русском языке термин закрепился в XIX веке и с тех пор используется в электрохимии, электротехнике и физике.

¶Анод в электрохимии

В гальваническом элементе (первичном элементе питания) анод является отрицательным электродом: на нём происходит окисление — отдача электронов, то есть реакция вида M → Mⁿ⁺ + ne⁻. Выделяющиеся электроны по внешней цепи переходят к катоду, а образующиеся катионы переходят через электролит к катоду. Именно поэтому в батарейках и аккумуляторах разряда анод — это минусовой вывод.

В электролизёре (электролитической ванне) направление тока противоположно: анод подключается к положительному полюсу источника, на нём протекает реакция окисления, и он постепенно разрушается — металл анода растворяется в электролите. На этом принципе основаны:

• Гальваностегия — нанесение металлического покрытия на изделие (катод) из растворённого в ванне металла анода.
• Электролитическое рафинирование — получение высокочистых металлов (например, меди) с использованием нерастворимого анода из свинца или титана.
• Анодирование — электрохимическое окисление поверхности металла (обычно алюминия) с образованием твёрдой оксидной плёнки.

¶Анод в электровакуумных приборах

В электровакуумных лампах, электронных лампах и рентгеновских трубках анод — это электрод, принимающий поток электронов, испускаемых катодом. В лампе накала анод подключается к положительному полюсу источника питания: разность потенциалов между катодом и анодом ускоряет электроны, которые, достигнув анода, передают ему кинетическую энергию, превращаясь в тепло и рентгеновское излучение (в рентгеновских трубках — в основном рентгеновское).

В полупроводниковых приборах — диодах, тиристорах, светодиодах — анодом называют вывод p-типа (в диоде с p-n переходом), через который в прибор входят дырки. При прямом смещении анод подключается к положительному полюсу, и ток через переход проходит; при обратном смещении прибор закрыт.

¶Анод в коррозионной защите

Понятие анода широко используется в электрохимической защите металлических конструкций от коррозии. В гальванической защите к защищаемому сооружению (корабль, трубопровод, резервуар) присоединяют более активный металл — цинк, магний или алюминий. Этот металл играет роль анода: он разрушается вместо конструкции, отдавая электроны. В электрохимической защите током на сооружение подают ток от внешнего источника, делая его катодом, а специальные жертвенные электроды (магниевые, алюминиевые, железные) работают как аноды.

¶Анод в аккумуляторах

В свинцово-кислотном аккумуляторе в разрядном режиме анодом служит оксид свинца PbO₂ (положительный электрод), однако при зарядке, когда процесс идёт в обратную сторону, функции анода и катода меняются местами. В литий-ионных аккумуляторах анодом при разряде является графит, на поверхности которого интеркалируется литий. Стандартная маркировка выводов аккумуляторов — «+» и «−» — связана с полярностью именно в режиме разряда.

¶Интересные факты

• Термины «анод» и «катод» в электрохимии противоположны по знаку потенциала в гальваническом элементе и в электролизёре — это частая причина путаницы у студентов.
• В рентгеновских трубках анод обычно изготавливают из вольфрама или молибдена и охлаждают потоком воды или масла, так как до 99 % энергии электронов превращается в тепло.
• Слово «анион» (отрицательно заряженный ион, движущийся к аноду) и «катион» (положительно заряженный ион, движущийся к катоду) также введены Фарадеем и образованы от тех же корней.

¶Источники

• Фарадей М. «Экспериментальные исследования по электричеству».
• МЭК 60050. Международный электротехнический словарь.
• Хаммер Р., Дженкинс Г., Куттер Р. «Электрохимия».
• ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность. Общие требования» (терминология электрохимических процессов).
• Пасечник В. Н. «Общая химия».