آند: آغازگر جریان الکتریسیته
آند چیست و چگونه کار میکند؟
برای درک آند، ابتدا باید با مفهوم سلول الکتروشیمیایی3 آشنا شویم. سلول الکتروشیمیایی دستگاهی است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند (مثل باتری قلمی) یا برعکس، انرژی الکتریکی را به انرژی شیمیایی تبدیل مینماید (مثل شارژر موبایل). در هر سلول، دو الکترود وجود دارد: آند و کاتد4.
آند الکترودی است که در آن واکنش اکسایش رخ میدهد. اکسایش یعنی از دست دادن الکترون. بنابراین، آند منبع الکترونهاست. این الکترونها از طریق یک سیم خارجی به سمت الکترود دیگر (کاتد) جریان مییابند و این جریان، همان برق یا جریان الکتریکی است که ما استفاده میکنیم.
به عنوان مثال، در یک باتری قلمی معمولی (روی-کربن)، آند از فلز روی (Zn) ساخته شده است. در حین کار باتری، اتمهای روی در آند اکسید میشوند. یعنی هر اتم روی، دو الکترون از دست میدهد و به یون روی (Zn2+) تبدیل میشود. این واکنش را میتوان به شکل زیر نشان داد:
$ Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-} $
الکترونهای آزادشده از این واکنش، از سیم مدار خارجی عبور کرده و به کاتد میروند و لامپ چراغ قوه یا موتور اسباببازی را روشن میکنند.
انواع آند و مواد تشکیلدهنده آن
آندها بسته به نوع کاربرد از مواد مختلفی ساخته میشوند. انتخاب ماده آند بسیار مهم است زیرا باید تمایل به از دست دادن الکترون (واکنش پذیری) داشته باشد. در جدول زیر برخی از رایجترین مواد آند و کاربردهای آنها آورده شده است:
| نام ماده | نماد شیمیایی | کاربرد اصلی | مثال ملموس |
|---|---|---|---|
| روی | Zn | باتریهای قلمی معمولی، پیل خشک | باتری چراغ قوه، کنترل تلویزیون |
| لیتیوم | Li | باتریهای قابل شارژ لیتیوم-یون | تلفن همراه، لپتاپ، خودروهای برقی |
| سرب | Pb | باتری اسیدی (سربی-اسیدی) | باتری ماشین، موتورسیکلت، سیستمهای UPS |
| آلومینیوم | Al | محافظت کاتدی، آند فداشونده | لولههای آب گرمکن، بدنه کشتیها |
| گرافیت (کربن) | C | آند بیاثر در الکترولیز | تولید آلومینیوم، آبکاری فلزات |
آند در زندگی روزمره: از باتری تا زنگ زدن
شما هر روز و همه جا با پدیدههای مرتبط با آند سروکار دارید، بی آن که بدانید. در این بخش به چند نمونه عینی نگاه میکنیم.
۱. روشن کردن یک چراغ قوه: وقتی کلید چراغ قوه را میزنید، مدار بین آند (روی) و کاتد (کربن) در باتری بسته میشود. اکسایش روی در آند، الکترون تولید میکند. این الکترونها از سیمهای داخل چراغ قوه عبور کرده، به رشته تنگستن لامپ میرسند و آن را گداخته و روشن میکنند. در واقع، آند باتری، سوخت لازم برای تولید برق را تأمین میکند.
۲. زنگ زدن آهن (خوردگی): این یک مثال طبیعی و ناخواسته از تشکیل یک سلول الکتروشیمیایی است. وقتی یک میخ آهنی مرطوب در معرض هوا قرار میگیرد، سطح آن تبدیل به مجموعهای از آند و کاتدهای کوچک میشود. در نقاط آند، آهن اکسید شده و الکترون از دست میدهد:
$ Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^{-} $
این یونهای آهن سپس با آب و اکسیژن ترکیب شده و همان زنگ قهوهای (Fe2O3.xH2O) را تشکیل میدهند. پس زنگ زدن، یک فرآیند اکسایش خودبهخودی در آندهای سطح فلز است.
۳. آبکاری طلا روی زیورآلات: در این فرآیند صنعتی که یک سلول الکترولیز است، از یک آند طلا استفاده میکنند. در اینجا آند مثبت است. با وصل کردن جریان برق، اکسایش در آند طلا رخ داده، یون طلا (Au+) تولید میشود. این یونها در محلول به سمت کاتد (قطعه زیورآلات از جنس فلز ارزانتر) حرکت کرده و بر روی آن به صورت یک لایه نازک و درخشان طلا مینشینند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1آند (Anode): الکترودی که در آن واکنش اکسایش (از دست دادن الکترون) رخ میدهد.
2اکسایش (Oxidation): فرآیند از دست دادن الکترون توسط یک اتم، مولکول یا یون.
3سلول الکتروشیمیایی (Electrochemical Cell): دستگاهی که انرژی شیمیایی و الکتریکی را به یکدیگر تبدیل میکند. دو نوع اصلی دارد: پیل گالوانی و پیل الکترولیز.
4کاتد (Cathode): الکترودی که در آن واکنش کاهش (گرفتن الکترون) رخ میدهد.
5حفاظت کاتدی (Cathodic Protection): روشی برای جلوگیری از خوردگی یک فلز با تبدیل آن به کاتد یک سلول الکتروشیمیایی، معمولاً با اتصال آن به یک آند فداشونده.
