کاتد و آند در شیمی — به زبان ساده

در این آموزش قصد داریم تا به بررسی کاتد و آند در الکتروشیمی و سلول‌های الکترولیتی بپردازیم اما قبل از این‌که با خصوصیات و تعریف‌های کاتد و آند آشنا شویم باید در ابتدا «الکترود» را بشناسیم. بر اساس یک تعریف کلی، الکترود به ماده‌ای می‌گویند که سبب هدایت جریان الکتریسیته (ورود یا خروج) به محیطی نافلزی همچون یک سلول الکترولیتی می‌شود. در تعریفی ساده‌تر، الکترود به یک هادی الکتریسیته می‌گویند که سبب برقراری جریان الکتریکی با بخش غیرفلزی یک مدار شود. الکترودها شامل دو بخش اصلی به نام کاتد و آند هستند که به طور عمده، جهت جریان الکتریکی را توصیف می‌کنند.

کاتد و آند چیست؟

بهتر است به توصیف دقیق‌تر کاتد و آند بپردازیم. کاتد و آند هردو توسط جریان الکتریکی توصیف می‌شوند. به این ترتیب، یک کاتد به الکترودی می‌گویند که جریان الکتریکی بوسیله آن،‌ از دستگاه الکتریکی قطبیده خارج می‌شود. به طور مشابه، آند نیز به الکترودی می‌گویند که از طریق آن،‌ جریان الکتریکی به دستگاه الکتریکی قطبیده وارد می‌شود.

فیلم آموزش پیل های سوختی – مفاهیم و ساختار در فرادرس

کلیک کنید

در نهایت،‌ در سال 1834 این تعریف‌ها توسط «ویلیام هیول» (William Whewell) نهایی شدند. لازم به ذکر است که کلمه «کاتد» از ریشه یونانی آن به معنای «نزول» یا کاهش گرفته شده است و هیول برای این انتخاب از مایکل فارادی کمک گرفته بود.

تعریف کاتد

زمانی که در شیمی، از کاتد صحبت می‌کنیم، به الکترودی اشاره داریم که در آن، کاهش رخ می‌دهد. این مورد را در سلول‌هایی الکتروشیمیایی می‌بینیم. در اینجا کاتد، منفی است زیرا انرژی الکتریکی تامین شده برای سلول، سبب تجزیه ترکیبات شیمیایی می‌شود. با این وجود،‌ در سلول‌های گالوانی که در آن، واکنش شیمیایی سبب تولید انرژی الکتریکی شود، این الکترود، مثبت خواهد بود.

علاوه بر این، کاتد را می‌توان «کاتد سرد» (Cold Cathode) یا «کاتد گرم» (Hot Cathod) نامید. به کاتدی که در حضور یک رشته (فیلامنت) حرارت ببیند تا از طریق «گسیل گرمایونی» (Thermionic Emission)، الکترون آزاد کند، کاتد گرم نام دارد. در مقابل، کاتد سرد به کاتدی می‌گویند که توسط هیچ رشته‌ای حرارت نبیند. به طور معمول، به کاتدی، کاتد سرد می‌گویند که الکترون بیشتری در مقایسه با گسیل گرمایونی، آزاد کند.

تعریف آند

پایه‌ای‌ترین تعریف آند از این قرار است که در الکتروشیمی، به محلی که اکسایش رخ دهد، آند می‌گویند. به طور کلی، ‌در آند، یون‌های منفی یا آنیون‌ها به دلیل پتانسیل الکتریکی خود، تمایل دارند تا با انجام واکنش، الکترون از دست بدهند. این الکترون‌ها در ادامه وارد مدار الکتریکی می‌شوند. اگر یک سلول گالوانی را در نظر بگیریم، آند به طور طبیعی منفی است و بیشتر الکترون‌ها به طور عمده به طرف بخش خارجی مدار حرکت می‌کنند. لازم به ذکر است که در یک سلول الکترولیتی، آند مثبت است. علاوه بر این، یک آند می‌تواند صفحه یا سیمی با بار اضافی مثبت باشد.

فیلم آموزش الکتروشیمی کاربردی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

تفاوت بین کاتد و آند

در جدول زیر، برخی از تفاوت‌ها کلیدی بین کاتد و آند را مشاهده می‌کنید.

سوالات متداول در خصوص کاتد و آند

در ادامه، به سوالات مختلف پیرامون کاتد و آند خواهیم پرداخت.

بار کاتد و آند چیست؟

در یک سلول گالوانی (ولتاییک)، علامت آند، منفی و کاتد، مثبت در نظر گرفته می‌شود. این علامت‌ها در کاتد و آند منطقی به نظر می‌آیند زیرا آند، منشا الکترون‌ها و کاتد، جایی است که الکترون‌ها جریان پیدا می‌کنند.

اکسایش در کاتد اتفاق می افتد یا آند

در پاسخ به این سوال باید گفت، جایی که اکسایش صورت می‌گیرد، آند نام دارد. به عبارت دیگر، آند، الکترون از دست می‌دهد.

محل کاتد و آند در خوردگی فلزات

به هنگام خوردگی فلز و زنگ زدن آهن، فلز آهن نقش آند سلول گالوانی را ایفا می‌کند و به $$Fe ^ {2+}$$ اکسید می‌شود. در کاتد، اکسیژن به آب کاهش پیدا می‌کند.

علامت کاتد و آند چیست؟

همانطور که در طول متن گفته شد،‌ در آند، اکسیداسیون خواهیم داشت و ذرات اکسید شده، الکترون از دست می‌دهند. در اثر این اتفاق، در الکترود، تجمعی از الکترون‌ها را خواهیم داشت و در نتیجه، علامت آند منفی خواهد بود. بر خلاف آند، در کاتد، واکنش کاهشی داریم که ذرات کاهش یافته، الکترون جذب می‌کنند. بنابراین، در الکترود کاتد، کمبود الکترون خواهیم داشت و به همین دلیل، علامت کاتد مثبت است.

آیا کاهش همواره در کاتد صورت می‌گیرد؟

بله. همواره در کاتد، کاهش و در آند، اکسایش داریم.

کاتد و آند ال ای دی به چه صورت است؟

«ال‌ای‌دی‌ها» (LEDs) را به طور کلی بر اساس کاتد مشخص می‌کنند. کاتد را به طور معمول به پایه منفی محرک و آند را به بخش مثبت وصل می‌کنند.