کاتد: الکترود کاهش
پایههای شیمی و الکتریسیته: آغاز داستان
برای درک کاتد، ابتدا باید دو مفهوم کلیدی را بشناسیم: اکسایش6 و کاهش. اکسایش از دست دادن الکترون و کاهش گرفتن الکترون توسط یک اتم، مولکول یا یون است. این دو واکنش همیشه همراه یکدیگر رخ میدهند و در کنار هم یک واکنش ردوکس7 را تشکیل میدهند. الکترودها قطعاتی رسانا (معمولاً از فلز یا کربن) هستند که این انتقال الکترون از طریق آنها و یک مدار خارجی صورت میگیرد.
حالا کاتد کجاست؟ در هر دستگاه الکتروشیمیایی (مانند باتری یا سلول الکترولیتی)، الکترودی که در سطح آن نیمواکنش کاهش اتفاق میافتد، کاتد نامیده میشود. به زبان سادهتر، کاتد الکترودی است که مواد شیمیایی در مجاورت آن، الکترون میگیرند.
کاتد در دستگاههای مختلف: قطب مثبت یا منفی؟
این سؤال گیج کننده است! پاسخ آن به این بستگی دارد که دستگاه در حال تولید برق است (مانند یک باتری در حال کار) یا مصرف برق (مانند عمل آبکاری فلزات).
| نوع دستگاه | مثال | کاتد (الکترود کاهش) | آند (الکترود اکسایش) |
|---|---|---|---|
| سلول گالوانی8 (تولیدکننده برق) | باتری قلمی (آشکار) | قطب مثبت (الکترونی که از مدار خارجی میآید، اینجا مصرف میشود) |
قطب منفی (الکترون تولید میکند و به مدار میفرستد) |
| سلول الکترولیتی9 (مصرفکننده برق) | آبکاری طلا، تصفیه مس | قطب منفی (متصل به قطب منفی منبع برق خارجی است) |
قطب مثبت (متصل به قطب مثبت منبع برق خارجی است) |
همانطور که در جدول بالا میبینید، عملکرد شیمیایی (کاهش) تعریفکننده کاتد است، نه قطب الکتریکی آن. اما برای به خاطر سپردن در دبیرستان: در باتری معمولی، سر + (مثبت) کاتد است و سر – (منفی) آند.
واکنشهای شیمیایی در سطح کاتد: از باتری تا آبکاری
بیایید با چند مثال ملموس، نیمواکنش کاهش در کاتد را بررسی کنیم.
مثال ۱: باتری روی-کربن (باتری قلمی معمولی)
در این باتری، کاتد از جنس دیاکسید منگنز ($MnO_2$) است. واکنش کاهش در کاتد به این صورت است:
$ 2MnO_2 + 2H_2O + 2e^- \rightarrow 2MnO(OH) + 2OH^- $
دیاکسید منگنز، الکترونهایی که از مدار خارجی (مثلاً از سیم چراغ قوه) میآیند را میگیرد و به منگنز اکسید-هیدروکسید تبدیل میشود. این گرفتن الکترون، همان کاهش است.
مثال ۲: الکترولیز (برقکافت) آب
اگر میخواهید آب ($H_2O$) را به گازهای هیدروژن و اکسیژن تجزیه کنید، به یک سلول الکترولیتی نیاز دارید. در اینجا، کاتد (الکترود متصل به قطب منفی باتری) محل وقوع این واکنش است:
$ 2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 + 2OH^- $
مولکولهای آب در مجاورت کاتد، الکترون میگیرند (کاهش مییابند) و به گاز هیدروژن و یون هیدروکسید تبدیل میشوند. اگر این آزمایش را انجام دهید، حبابهای گاز هیدروژن روی کاتد را خواهید دید.
مثال ۳: آبکاری یک قاشق با نقره
برای آبکاری، قاشس (که کاتد است) را به قطب منفی منبع برق متصل میکنند. در محلول حاوی یون نقره ($Ag^+$)، واکنش کاتدی این است:
$ Ag^+ + e^- \rightarrow Ag $
یونهای نقره مثبت، به سمت کاتد منفی جذب میشوند، الکترون میگیرند (کاهش مییابند) و به صورت لایهای از فلز نقره بر روی قاشس مینشینند.
انواع کاتد و مواد سازنده آنها
کاتدها بسته به نوع باتری یا فرآیند الکتروشیمیایی، از مواد مختلفی ساخته میشوند. انتخاب ماده کاتد بسیار مهم است زیرا ظرفیت و ولتاژ باتری را تعیین میکند.
| نوع باتری / کاربرد | ماده کاتد (الکترود کاهش) | نیمواکنش کاهش (ساده شده) |
|---|---|---|
| باتری لیتیوم-یون (موبایل، لپتاپ) | اکسید لیتیوم کبالت ($LiCoO_2$) | $ LiCoO_2 + e^- + Li^+ \rightarrow Li_2CoO_2 $ |
| باتری قلیایی | دیاکسید منگنز ($MnO_2$) | $ MnO_2 + H_2O + e^- \rightarrow MnO(OH) + OH^- $ |
| باتری سرب-اسید (ماشین) | دیاکسید سرب ($PbO_2$) | $ PbO_2 + 4H^+ + SO_4^{2-} + 2e^- \rightarrow PbSO_4 + 2H_2O $ |
| پیلهای سوختی (تولید آب و برق) | کاتد کاتالیستی (مثلاً پلاتین) | $ O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O $ |
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. همانطور که در جدول اول توضیح داده شد، این موضوع به نوع سلول بستگی دارد. در سلولهای الکترولیتی (مانند آبکاری)، کاتد به قطب منفی منبع برق خارجی متصل است و بنابراین بار منفی دارد. قاعده ثابت این است: کاتد همیشه الکترودی است که کاهش در آن رخ میدهد.
در یک باتری، واکنش اکسایش در آند، باعث تولید الکترونهای اضافی میشود (مانند حل شدن روی). این الکترونها از طریق سیم (مدار خارجی) که بار را حمل میکند، به سمت کاتد رانده میشوند. در کاتد، یک ماده شیمیایی (مانند دیاکسید منگنز) منتظر این الکترونهاست تا با گرفتن آنها، واکنش کاهش انجام دهد و خودش تغییر کند. این جریان الکترونها در سیم، همان جریان برق است که چراغ قوه را روشن میکند.
بله، در بسیاری از باتریهای غیرقابل شارژ (یکبارمصرف)، ماده کاتد به تدریج در واکنش کاهش مصرف شده و به ترکیب دیگری تبدیل میشود. وقتی تمام ماده کاتدی واکنش داد، باتری میمیرد. در باتریهای قابل شارژ (مانند لیتیوم-یون)، این واکنش برگشتپذیر است. هنگام شارژ، جهت واکنشها برعکس میشود و کاتد دوباره به حالت اولیه خود بازمیگردد.
پاورقی
1 کاتد (Cathode): الکترودی که در آن کاهش رخ میدهد.
2 کاهش (Reduction): فرآیند کسب الکترون توسط یک ماده در یک واکنش شیمیایی.
3 باتری (Battery): یک یا چند سلول الکتروشیمیایی که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.
4 الکترولیز (Electrolysis): فرآیندی که در آن با عبور جریان برق از یک الکترولیت، یک واکنش شیمیایی غیرخودبهخود رخ میدهد.
5 آند (Anode): الکترودی که در آن اکسایش رخ میدهد.
6 اکسایش (Oxidation): فرآیند از دست دادن الکترون توسط یک ماده در یک واکنش شیمیایی.
7 واکنش ردوکس (Redox Reaction): واکنشی که در آن هم اکسایش و هم کاهش اتفاق میافتد.
8 سلول گالوانی (Galvanic Cell): سلولی که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند (باتری).
9 سلول الکترولیتی (Electrolytic Cell): سلولی که انرژی الکتریکی را به انرژی شیمیایی تبدیل میکند (برای الکترولیز یا آبکاری).
