الکترود[1]: پلی برای عبور الکترونها
الکترود چیست و چه نقشی دارد؟
تصور کنید میخواهید از یک طرف رودخانه به طرف دیگر بروید. برای این کار از یک پل استفاده میکنید. در دنیای شیمی و الکتریسیته، الکترود دقیقاً همان نقش پل را ایفا میکند؛ اما به جای شما، الکترونها از روی آن عبور میکنند. الکترود معمولاً یک قطعه جامد رسانای جریان برق (مانند فلز مس، روی یا گرافیت) است که در تماس با یک محلول یا مادهای به نام الکترولیت قرار میگیرد. این تماس، محل وقوع واکنشهای شیمیایی مهمی است.
هر سلول الکتروشیمیایی کامل (مانند یک باتری ساده) از دو نیمسلول تشکیل شده است. در هر نیمسلول، یک الکترود در داخل یک الکترولیت فرو رفته است. الکترودها مسیر را برای حرکت الکترونها بین قسمتهای مختلف مدار خارجی و همچنین برای تبادل یون[8] با الکترولیت فراهم میکنند.
انواع الکترود: آند و کاتد
در هر سلول الکتروشیمیایی، دو الکترود وجود دارد که بر اساس کاری که انجام میدهند، نامهای متفاوتی دارند. درک این دو نام، کلید فهم بسیاری از پدیدههاست.
| ویژگی | الکترود آند | الکترود کاتد |
|---|---|---|
| تعریف عملکرد | الکترودی که در آن واکنش اکسایش رخ میدهد. (از دست دادن الکترون) | الکترودی که در آن واکنش کاهش رخ میدهد. (گرفتن الکترون) |
| بار الکتریکی در پیل گالوانی (باتری) | بار منفی دارد. | بار مثبت دارد. |
| جهت حرکت الکترون در مدار خارجی | الکترونها از آند به سمت کاتد حرکت میکنند. | الکترونها از آند به سمت کاتد حرکت میکنند. |
| مثال در باتری روی-مس | میله روی (Zn). واکنش: $ Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^- $ | میله مس (Cu). واکنش: $ Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu $ |
الکترودها در دو دنیای متفاوت: پیل گالوانی و پیل الکترولیتی
الکترودها بسته به نوع سلولی که در آن قرار دارند، رفتار متفاوتی از خود نشان میدهند. دو نوع اصلی، پیل گالوانی (که انرژی شیمیایی را به الکتریکی تبدیل میکند) و پیل الکترولیتی (که انرژی الکتریکی را به شیمیایی تبدیل میکند) هستند.
پیل گالوانی (باتری): در این پیل، واکنش به صورت خودبهخودی رخ میدهد و جریان برق تولید میشود. مانند باتری قلمی. در اینجا:
• آند: قطب منفی است. الکترون از دست میدهد.
• کاتد: قطب مثبت است. الکترون به دست میآورد.
پیل الکترولیتی: در این پیل، با وصل کردن یک منبع جریان برق خارجی (مثل یک باتری دیگر)، یک واکنش غیرخودبهخودی را وادار به انجام میکنیم. مانند آبکاری طلا روی یک قطعه فلز. در اینجا برعکس میشود:
• آند: به قطب مثبت منبع خارجی وصل میشود و اکسایش مییابد.
• کاتد: به قطب منفی منبع خارجی وصل میشود و کاهش مییابد.
از آزمایشگاه تا زندگی: الکترودها در عمل
الکترودها جزئی جداییناپذیر از فناوریهای روزمره ما هستند. در اینجا به چند نمونه عملی نگاه میکنیم:
۱. باتریها: در باتری لیتیومیون گوشی شما، الکترود مثبت (کاتد) از جنس اکسید لیتیوم کبالت و الکترود منفی (آند) از جنس گرافیت است. یونهای لیتیوم بین این دو الکترود، در حین شارژ و دشارژ حرکت میکنند.
۲. آبکاری الکتریکی: برای روکش دادن یک قاشق آهنی با نقره، قاشق را به عنوان کاتد (قطب منفی) و یک میله نقره خالص را به عنوان آند (قطب مثبت) در نظر میگیریم. با برقراری جریان، یونهای نقره از آند آزاد شده و بر روی قاشق (کاتد) مینشینند و یک لایه براق ایجاد میکنند.
۳. پیل سوختی[11]: در این فناوری پاک، الکترودها نقش کاتالیست[12] را نیز بازی میکنند. به عنوان مثال، هیدروژن به آند وارد شده و اکسید میشود و الکترون آزاد میکند. اکسیژن به کاتد وارد شده و با گرفتن الکترون کاهش مییابد. محصول نهایی، آب و برق است.
۴. اندازهگیری pH: در pHسنج، یک الکترود شیشهای مخصوص وجود دارد که نسبت به یونهای هیدروژن حساس است. تغییر غلظت این یونها، اختلاف پتانسیل بین این الکترود و یک الکترود مرجع ایجاد میکند که به عنوان عدد pH خوانده میشود.
پرسشهای رایج و تصورات نادرست
پاورقی
[1] الکترود (Electrode): از ریشه یونانی به معنای «راه الکتریسیته».
[2] نیمسلول (Half-Cell): بخشی از یک سلول الکتروشیمیایی کامل که از یک الکترود و الکترولیت اطراف آن تشکیل شده است.
[3] الکترولیت (Electrolyte): یک ماده که هنگام حل شدن در آب یا ذوب شدن، یونهای آزاد تولید میکند و قادر به انتقال بار الکتریکی است.
[4] آند (Anode): الکترودی که در آن واکنش اکسایش رخ میدهد.
[5] کاتد (Cathode): الکترودی که در آن واکنش کاهش رخ میدهد.
[6] پیل گالوانی (Galvanic Cell) یا سلول ولتایی: سلولی که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند (مانند باتری).
[7] پیل الکترولیتی (Electrolytic Cell): سلولی که با استفاده از انرژی الکتریکی اعمالی از خارج، یک واکنش شیمیایی غیرخودبهخودی را انجام میدهد.
[8] یون (Ion): یک اتم یا مولکول باردار.
[9] اکسایش (Oxidation): فرآیند از دست دادن الکترون.
[10] کاهش (Reduction): فرآیند به دست آوردن الکترون.
[11] پیل سوختی (Fuel Cell): وسیلهای که انرژی شیمیایی یک سوخت (مانند هیدروژن) را مستقیماً و بدون احتراق، به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.
[12] کاتالیست (Catalyst): مادهای که سرعت یک واکنش شیمیایی را افزایش میدهد، بدون اینکه خودش مصرف شود.
[13] آلوتروپ (Allotrope): حالتهای مختلف یک عنصر در یک فاز فیزیکی (مانند گرافیت، الماس و گرافن برای کربن).
