Катод и анод¶

Катод и анод — два электрода, между которыми протекает электрический ток в гальваническом элементе, электролизёре, вакуумной лампе, полупроводниковом приборе или другом устройстве, где движение зарядов сопряжено с переносом вещества или электронов. Катод — электрод, на котором происходит восстановление (присоединение электронов), анод — электрод, на котором происходит окисление (отдача электронов). Вне зависимости от того, идёт ли речь о гальваническом элементе (где ток создаётся за счёт химической реакции) или об электролизёре (где ток подаётся извне), катод всегда заряжен отрицательно, а анод — положительно; исключение составляют вакуумные лампы и полупроводниковые приборы, где знаки меняются в зависимости от направления тока.

¶Происхождение терминов

Слова «катод» и «анод» ввёл в 1834 году английский физик и химик Майкл Фарадей. Он предложил греческие корни: kathodos («нисхождение») — путь, по которому ток «входит» в раствор, и anodos («восхождение») — путь, по которому ток «выходит». Фарадей сознательно избегал привязки к конкретной химической природе электродов, чтобы термины оставались применимыми и к гальваническим элементам, и к электролизёрам. Позднее, с развитием электронной теории, стало ясно, что направление движения электронов в металлической проводнике противоположно направлению «конвенционального» тока, принято в электротехнике.

¶Определение и знаки заряда

В гальваническом элементе (батарее, аккумуляторе) катод — отрицательный электрод, с которого электроны по внешней цепи уходят к аноду. На аноде электроны отдаются растворённому веществу, и там идёт окислительная реакция. В электролизёре, наоборот, электроны подводятся к катоду от источника тока, поэтому катод заряжен отрицательно, а на нём идёт восстановление ионов металла. Анод в электролизёре заряжен положительно, электроны с него «уходят» к источнику, и на нём идёт окисление.

В вакуумной лампе катод разогревается и испускает электроны, которые устремляются к положительному аноду. В полупроводниковом диоде ток проходит в одном направлении: от анода (p-область) к катоду (n-область), то есть электроны движутся от катода к аноду. Здесь терминология сохранена, но физический смысл процессов иной, чем в растворах.

¶Роль в химических реакциях

На катоде в растворе идёт восстановление: катионы (например, Cu²⁺, Ag⁺, H⁺) присоединяют электроны и превращаются в нейтральные атомы или в вещества с меньшей степенью окисления. Реакция выглядит как Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. На аноде идёт окисление: анионы (например, Cl⁻, OH⁻) или металлический анод отдают электроны. Реакция: 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂.

При электролизе воды на катоде выделяется водород, на аноде — кислород. При электролизе расплавленного хлорида натрия на катоде образуется натрий, на аноде — хлор. При гальваническом элементе, например в элементе Даниэля (медь и цинк в растворах своих солей), на цинковом электроде (катоде) идёт окисление Zn → Zn²⁺ + 2e⁻, а на медном (аноде) — восстановление Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. В аккумуляторах процесс обратим: при разряде работает гальванический элемент, при зарядке — электролизёр, и функции электродов меняются местами.

¶Материалы электродов

Катоды в электролизёрах изготавливают из материалов, устойчивых к восстановлению и коррозии: графита, нержавеющей стали, платины, титана с покрытиями. Аноды бывают растворимыми (например, медный анод при электроосаждении меди — он постепенно расходуется, пополняя раствор ионами Cu²⁺) и нерастворимыми (графит, платина, титан с оксидными покрытиями). В аккумуляторах свинцово-кислотного типа катодом служит диоксид свинца PbO₂, анодом — губчатый свинец Pb; в литий-ионных аккумуляторах катодом является литийсодержащий оксид (например, LiCoO₂), анодом — графит.

¶Применение

Электролиз с использованием катодов и анодов применяется в металлургии для получения алюминия (электролиз расплава криолита с Al₂O₃), натрия, хлора, фтора; в гальваностегии для покрытия металлов (хромирование, никелирование, золочение); в очистке металлов (рафинирование меди); в производстве щёлочей и кислот. В электронике катод и анод — обязательные элементы диодов, тиристоров, вакуумных ламп, электролитических конденсаторов.

¶Интересные факты

• Термины «катод» и «анод» применимы и к биологическим мембранным каналам, где ионы переносятся под действием электрического поля.
• В природе катодом и анодом называют электроды, участвующие в коррозии металлов: участок, где металл окисляется, работает как анод, а участок, где идёт восстановление кислорода, — как катод.
• В гальванической батарее, в отличие от электролизёра, электроны по внешней цепи движутся от катода к аноду, то есть направление тока в проводнике совпадает с направлением «восхождения» по Фарадею.

Источники:

• Фарадей М. «Экспериментальные исследования по электричеству» (1839—1855).
• Глинка Н. Л. «Общая химия».
• Перельман Д. И. «Занимательная физика».
• Справочник по физике для инженеров (под ред. И. К. Кикоина).