کاتد: الکترودی که در آن واکنش کاهش انجام می‌شود.

کاتد: قطبِ جادوگرِ الکتروشیمی

کاتد چیست و چه کاری انجام می‌دهد؟

برای شروع، بیایید یک باتری قلمی ساده را تصور کنید. دو سر مثبت و منفی دارد. داخل باتری، یک الکترولیت⁶ و دو الکترود⁷ وجود دارد. الکترودها معمولاً از جنس فلز یا کربن هستند و محل اتصال و انتقال الکترون‌ها به مدار خارجی یا از آن محسوب می‌شوند.

در هر پیل الکتروشیمیایی، دو نوع واکنش مهم رخ می‌دهد:

1. اکسایش⁸: از دست دادن الکترون.
2. کاهش: گرفتن الکترون.

الکترودی که در آن واکنش کاهش انجام می‌شود، کاتد نام دارد. به بیان ساده‌تر، کاتد محل "تشنه‌ی الکترون" است. گونه‌های شیمیایی موجود در الکترولیت یا خود الکترود، برای پایدار شدن، به الکترون نیاز دارند و این الکترون‌ها را از کاتد دریافت می‌کنند.

کاتد در پیل‌های گالوانی (باتری) در مقابل پیل‌های الکترولیتی

نقش کاتد بسته به نوع پیل، می‌تواند متفاوت به نظر برسد. این تفاوت مهم را باید دقیق فهمید.

پس مهم است بدانیم: کاتد همیشه قطب مثبت نیست. تعریف ثابت کاتد، محل وقوع کاهش است. قطب مثبت یا منفی بودن آن به نوع پیل (گالوانی یا الکترولیتی) بستگی دارد.

کاتد در عمل: از باتری تا آبکاری

حالا بیایید ببینیم این مفهوم در دنیای اطراف ما چگونه خودنمایی می‌کند.

مثال ۱: باتری لیتیوم-یون تلفن همراه
در باتری گوشی شما، هنگام دشارژ (استفاده)، یون‌های لیتیوم مثبت ($Li^+$) از طریق الکترولیت به سمت کاتد (که معمولاً از جنس اکسید فلز لیتیوم، مثل $LiCoO_2$ است) حرکت می‌کنند. همزمان، الکترون‌ها از مدار الکتریکی (پردازشگر گوشی) به سمت همان کاتد می‌روند. در کاتد، این $Li^+$ ها با الکترون‌ها ترکیب شده و کاهش می‌یابند و به اتم لیتیوم ($Li$) تبدیل می‌شوند و در ساختار کاتد ذخیره می‌شوند. این فرآیند انرژی لازم برای روشن نگه داشتن صفحه‌نمایش را فراهم می‌کند.

مثال ۲: آبکاری فلزات (الکترولیز)
فرض کنید می‌خواهیم یک قاشس ساده را با یک لایه نقرهای آبکاری کنیم. قاشق را به قطب منفی منبع تغذیه (مثلاً یک آداپتور) متصل می‌کنیم. بنابراین، قاشق در این پیل الکترولیتی، کاتد (الکترود کاهش) است. در محلول الکترولیت حاوی یون نقره ($Ag^+$)، این یون‌های مثبت به سمت کاتد (قاشق) جذب می‌شوند. با رسیدن به سطح قاشق، هر یون $Ag^+$ یک الکترون از قاشق (که از منبع تغذیه می‌آید) می‌گیرد و کاهش می‌یابد و به اتم نقره ($Ag$) تبدیل می‌شود و به آرامی روی قاشس می‌نشیند: $Ag^+ + e^- \rightarrow Ag$. این یک واکنش کاهش کلاسیک در کاتد است.

مثال ۳: زنگ زدن آهن (خوردگی)
خوردگی آهن یک پیل گالوانی خودبه‌خودی است. در یک نقطه از سطح آهن مرطوب (که نقش آند را دارد)، آهن اکسید شده و الکترون آزاد می‌کند. این الکترون‌ها درون فلز به نقطه دیگری (مثلاً جایی که اکسیژن وجود دارد) حرکت می‌کنند. در آن نقطه، اکسیژن و آب، الکترون‌ها را گرفته و کاهش می‌یابند و یون هیدروکسید تولید می‌کنند: $O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$. این نقطه که کاهش در آن رخ می‌دهد، نقش کاتد را در فرآیند خوردگی بازی می‌کند.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

1. کاتد (Cathode): الکترودی که در آن واکنش کاهش رخ می‌دهد.
2. پیل (Cell): یک سامانه‌ی الکتروشیمیایی که از دو الکترود و یک الکترولیت تشکیل شده و قادر به تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی یا بالعکس است.
3. کاهش (Reduction): فرآیندی که در آن یک گونه‌ی شیمیایی یک یا چند الکترون به دست می‌آورد. عدد اکسایش آن کاهش می‌یابد.
4. الکترون (Electron): ذره‌ای بنیادی با بار الکتریکی منفی که نقش کلیدی در پیوندهای شیمیایی و جریان الکتریکی دارد.
5. الکترولیز (Electrolysis): فرآیندی که در آن با اعمال جریان الکتریکی به یک الکترولیت، یک واکنش شیمیایی غیرخودبه‌خودی را وادار به انجام می‌کنیم (مانند تجزیه‌ی آب یا آبکاری).
6. الکترولیت (Electrolyte): یک ماده‌ی رسانای الکتریسیته (معمولاً محلول یا مذاب یک نمک، اسید یا باز) که یون‌های متحرک دارد.
7. الکترود (Electrode): مادّه‌ای رسانا (مانند فلز یا گرافیت) که از طریق آن جریان الکتریکی وارد یا از الکترولیت خارج می‌شود.
8. اکسایش (Oxidation): فرآیندی که در آن یک گونه‌ی شیمیایی یک یا چند الکترون از دست می‌دهد. عدد اکسایش آن افزایش می‌یابد.
9. آند (Anode): الکترودی که در آن واکنش اکسایش رخ می‌دهد.