و الأنود والكاثود هي أنواع من الأقطاب الكهربائية الموجودة في الخلايا الكهروكيميائية. هذه أجهزة قادرة على إنتاج طاقة كهربائية من خلال تفاعل كيميائي. الخلايا الكهروكيميائية الأكثر استخدامًا هي البطاريات.
هناك نوعان من الخلايا الكهروكيميائية ، الخلايا الإلكتروليتية والخلايا الجلفانية أو الفولتية. في الخلايا الإلكتروليتية ، لا يحدث التفاعل الكيميائي الذي ينتج الطاقة بشكل تلقائي ، ولكن يتم تحويل التيار الكهربائي إلى تفاعل الأكسدة والاختزال الكيميائي.
تتكون الخلية الجلفانية من خليتين نصفيتين. ترتبط هذه بواسطة عنصرين ، موصل معدني وجسر ملح.
الموصل الكهربائي ، كما يوحي اسمه ، يوصل الكهرباء لأنه يتمتع بمقاومة قليلة جدًا لحركة الشحنة الكهربائية. أفضل الموصلات عادة ما تكون معدنية.
جسر الملح عبارة عن أنبوب يربط نصف خليتين ، مع الحفاظ على اتصالهما الكهربائي ، ودون ترك مكونات كل خلية معًا. تحتوي كل نصف خلية من الخلية الجلفانية على قطب كهربائي وإلكتروليت.
عندما يحدث التفاعل الكيميائي ، تفقد إحدى الخلايا النصفية الإلكترونات باتجاه القطب الكهربائي الخاص بها ، من خلال عملية الأكسدة ؛ بينما يكتسب الآخرون إلكترونات لقطبها ، من خلال عملية الاختزال.
تحدث عمليات الأكسدة عند الأنود وعمليات الاختزال عند الكاثود
الأنود
يأتي اسم الأنود من الكلمة اليونانية ανά (aná): up ، و οδός (odós): way. كان فاراداي هو من صاغ هذا المصطلح في القرن التاسع عشر.
أفضل تعريف للقطب الموجب هو القطب الذي يفقد الإلكترونات في تفاعل الأكسدة. عادة ما يكون مرتبطًا بالقطب الموجب لعبور التيار الكهربائي ، ولكن هذا ليس هو الحال دائمًا.
على الرغم من أن القطب الموجب في البطاريات هو القطب الموجب ، إلا أنه عكس ذلك في مصابيح LED ، حيث يكون القطب الموجب هو القطب السالب.
عادة ، يتم تحديد اتجاه التيار الكهربائي ، وتقديره على أنه اتجاه للشحنات الحرة ، ولكن إذا لم يكن الموصل معدنيًا ، يتم نقل الشحنات الموجبة التي يتم إنتاجها إلى الموصل الخارجي.
تشير هذه الحركة إلى أن لدينا شحنات موجبة وسالبة تتحرك في اتجاهين متعاكسين ، لذلك يُقال أن اتجاه التيار هو مسار الشحنات الموجبة للكاتيونات الموجودة في القطب الموجب باتجاه الشحنة السالبة للأنودات. وجدت على الكاثود.
في الخلايا الجلفانية ، التي تحتوي على موصل معدني ، فإن التيار المتولد في التفاعل يتبع المسار من القطب الموجب إلى القطب السالب.
ولكن في الخلايا الإلكتروليتية ، حيث لا تحتوي على موصل معدني ، بل بها إلكتروليت ، يمكن العثور على أيونات ذات شحنة موجبة وسالبة تتحرك في اتجاهين متعاكسين.
تستقبل الأنودات الحرارية معظم الإلكترونات التي تأتي من القطب السالب ، وتقوم بتسخين القطب الموجب ، وعليها إيجاد طريقة لتبديدها. تتولد هذه الحرارة في الجهد الذي يحدث بين الإلكترونات.
الأنودات الخاصة
يوجد نوع خاص من الأنود ، مثل تلك الموجودة داخل الأشعة السينية ، وفي هذه الأنابيب ، فإن الطاقة التي تنتجها الإلكترونات ، بالإضافة إلى إنتاج الأشعة السينية ، تولد قدرًا كبيرًا من الطاقة التي تسخن الأنود.
تنتج هذه الحرارة بجهد مختلف بين القطبين ، مما يؤدي إلى الضغط على الإلكترونات. عندما تتحرك الإلكترونات في التيار الكهربائي ، فإنها تصطدم بالقطب الموجب ، وتنقل حرارتها إليه.
كاثود
الكاثود هو القطب السالب الشحنة ، والذي يخضع لتفاعل اختزال في التفاعل الكيميائي ، حيث تنخفض حالة الأكسدة عندما يستقبل الإلكترونات.
كما هو الحال مع الأنود ، كان فاراداي هو من اقترح مصطلح الكاثود ، والذي يأتي من الكلمة اليونانية κατά: 'downwards' و ὁδός: 'path'. إلى هذا القطب ، تُعزى الشحنة السالبة بمرور الوقت.
تبين أن هذا النهج خاطئ ، نظرًا لأنه اعتمادًا على الجهاز الموجود به ، فإنه يحتوي على حمولة أو أخرى.
تنشأ هذه العلاقة مع القطب السالب ، كما هو الحال مع القطب الموجب ، من افتراض أن التيار يتدفق من القطب الموجب إلى القطب السالب. ينشأ هذا داخل خلية كلفانية.
داخل الخلايا الإلكتروليتية ، يمكن أن تتعايش الأيونات السالبة والموجبة التي تتحرك في اتجاهين متعاكسين ، ليس في معدن ولكن في إلكتروليت. لكن وفقًا للاتفاقية ، يُقال إن التيار ينتقل من القطب الموجب إلى الكاثود.
الكاثودات الخاصة
أحد أنواع الكاثودات المحددة هو الكاثودات الحرارية. في هذه ، يصدر الكاثود إلكترونات بسبب تأثير الحرارة.
في الصمامات الحرارية ، يمكن للكاثود تسخين نفسه عن طريق تدوير تيار تسخين في خيط متصل به.
تفاعل التوازن
إذا أخذنا خلية كلفانية ، وهي الخلية الكهروكيميائية الأكثر شيوعًا ، فيمكننا صياغة تفاعل التوازن الناتج.
كل نصف خلية مكونة للخلية الجلفانية لها جهد خاص يعرف باسم إمكانية الاختزال. داخل كل نصف خلية ، يحدث تفاعل أكسدة بين الأيونات المختلفة.
عندما يصل رد الفعل هذا إلى التوازن ، لا تستطيع الخلية توفير المزيد من التوتر. في هذا الوقت ، سيكون للأكسدة التي تحدث في نصف الخلية في تلك اللحظة قيمة موجبة كلما اقتربت من التوازن. ستكون احتمالية التفاعل أكبر كلما تم الوصول إلى المزيد من التوازن.
عندما يكون الأنود في حالة توازن ، فإنه يبدأ في فقدان الإلكترونات التي تمر عبر الموصل إلى القطب السالب.
يحدث تفاعل الاختزال عند القطب السالب ، وكلما ابتعد عن التوازن ، زادت احتمالية التفاعل عند حدوثه وأخذ الإلكترونات التي تأتي من الأنود.
المراجع
- هوهي ، جيمس إي ، وآخرون. الكيمياء غير العضوية: مبادئ التركيب والتفاعل. بيرسون للتعليم الهند ، 2006.
- سينكو ، ميشيل ج. روبرت ، أ. الكيمياء: المبادئ والخصائص. نيويورك ، الولايات المتحدة: ماكجرو هيل ، 1966.
- برادي ، جيمس إي. الكيمياء العامة: المبادئ والبنية. وايلي ، 1990.
- بتروشي ، رالف هـ ، وآخرون. كيمياء عامة. صندوق التعليم الأمريكي ، 1977.
- ماسترتون ، وليام إل. HURLEY، Cecile N. الكيمياء: المبادئ وردود الفعل. تعلم Cengage ، 2015.
- بابور ، جوزيف أ. بابور ، خوسيه جوزيف أ. أزنيريز ، خوسيه إيبارز. الكيمياء العامة الحديثة: مقدمة في الكيمياء الفيزيائية والكيمياء الوصفية العليا (الكيمياء غير العضوية والعضوية والكيمياء الحيوية). مارين ، 1979.
- شارلوت ، غاستون ؛ تريميلون ، برنارد ؛ BADOZ-LAMBLING، J. التفاعلات الكهروكيميائية. توراي ماسون ، 1969.