electrodo

Un electrodo [ elɛkˈtroːdə ] (del griego antiguo ηλεκτρόν electrón , " ámbar ", i. Ü . S. "eléctrico" y ὁδός hodós, "vía") es un conductor de electrones que interactúa con un contraelectrodo ( ánodo - cátodo ) con un medio ubicado entre los dos electrodos interactúa. Los electrodos constan de conductores eléctricos, generalmente de metal o grafito . Se utilizan para conectar áreas no conductoras de electrones con cables y se utilizan, por ejemplo, en elementos electroquímicos, como herramientas (por ejemplo, para soldadura por puntos de resistencia ) y, si es necesario , como dispensadores de material para soldadura eléctrica , como conexiones y electrones. elementos ópticos en tubos de electrones . Además de su función eléctrica, material de electrodo se puede depositar o consumido, o procesos físicos puede tener lugar en el electrodo, tal como en el ánodo de un tubo de rayos X .

Electrodos en gas o vacío o con aislante

Electrodo incandescente en una lámpara de descarga de gas

Dependiendo del tipo de medio que rodea al electrodo, existen diferentes formas de interacción:

Si el medio es un aislante, se forma un campo eléctrico entre los electrodos . Esta configuración se llama condensador . Sin embargo, consulte también descarga eléctrica silenciosa .

Si el medio es un vacío o un gas , se forma un campo eléctrico entre los electrodos , como en el caso del aislante . Sin embargo, los electrones pueden moverse de un electrodo, el cátodo , al otro si se permite la salida del cátodo, p. B. por emisión de campo o emisión térmica o el efecto Edison-Richardson como es el caso de varios tubos de electrones con cátodos calientes .

Si el medio es un gas, los átomos o moléculas del gas se ionizan parcialmente, de modo que se crea un plasma . En el plasma, además de los electrones, los iones también se mueven en el campo eléctrico, como en una lámpara de descarga de gas .

Los electrodos de las bujías , los electrodos de soldadura para soldadura eléctrica y los electrodos dentro de la boquilla para corte por fusión de plasma también entran en esta categoría. Al soldar, los electrodos de soldadura crean un arco con el material a soldar. En el calor del arco, tanto la masa fundida como el electrodo sirven como material de relleno, de modo que los materiales están conectados.

Electrodos electroquímicos

Aquí el medio que bordea el electrodo es un conductor de iones líquido o sólido , el electrolito . Un potencial electroquímico se acumula en el electrodo a través de reacciones de oxidación y reducción o mediante un voltaje externo .

Dependiendo del tipo de dependencia potencial de la concentración del electrolito, se hace una distinción entre cuatro tipos de electrodos:

  1. Primer tipo de electrodos
  2. Electrodos del segundo tipo , en los que los sólidos están involucrados en la reacción.
  3. Electrodos redox; aquí no hay iones metálicos, pero los electrones atraviesan los límites de fase. El metal en sí no es atacado porque no hay transporte de masa a través de los límites de fase.
  4. Electrodos selectivos de iones , en los que el potencial depende idealmente de la concentración de un solo ión específico.

Si conecta dos electrodos, que están sumergidos en diferentes concentraciones de soluciones de electrolitos o están hechos de diferentes materiales, entre sí a través de un circuito, obtiene un elemento galvánico . Se puede medir un voltaje entre los electrodos, que resulta de la diferencia de potencial y se denomina voltaje de fuente o "voltaje de celda reversible". Tal disposición puede suministrar electricidad ( batería ). Cuando se conecta un voltaje externo, se producen otras reacciones químicas en los electrodos ( electrólisis ). Los electrodos pueden estar hechos de metales o semiconductores , p. Ej. B. también está hecho de grafito , carbono vítreo y puede ser líquido ( mercurio ) o sólido.

Un electrodo utilizado para la protección contra la corrosión es el ánodo de sacrificio .

En la pila de combustible , en la que se encuentran los sensores de gas , y en algunas baterías de las que viene el electrodo de difusión de gas que se utiliza.

Polaridad de electrodos electroquímicos

Convenciones terminológicas
ánodo cátodo
Célula galvánica Oxidación
- 		Reducción
+
Celda electrolítica Oxidación
+ 		Reducción
-

Lo siguiente se aplica a los electrodos electroquímicos:

  • El electrodo sobre el que tiene lugar la oxidación es el ánodo . Los electrones fluyen desde el ánodo a través de un conductor. Los aniones en solución fluyen hacia el ánodo.
  • El electrodo sobre el que tiene lugar la reducción es el cátodo . Los electrones fluyen hacia el cátodo a través de un conductor. Los cationes en solución fluyen hacia el cátodo.

Cuál de los dos electrodos es positivo y cuál es negativo depende del dispositivo electroquímico:

  • Si la reacción química es forzada por un flujo de corriente causado por un voltaje externo ( electrólisis , galvanización ), la oxidación es causada por la extracción de electrones del ánodo cargado positivamente: en este caso, el ánodo es el polo positivo (+).
  • Si el voltaje eléctrico es generado por procesos químicos, por ejemplo en celdas galvánicas ( batería o celda de combustible ), el ánodo se carga negativamente porque los electrones se liberan durante la oxidación voluntaria. El ánodo es entonces el polo negativo (-).

Dado que la polaridad de los electrodos se invierte durante la electrólisis en comparación con un elemento galvánico, la asignación de ánodo y cátodo a menudo es confusa. Sin embargo, puede orientarse en la dirección del flujo de los electrones. Para hacer esto, imagine la celda esquemáticamente: el prefijo ana- significa hacia arriba, el prefijo kata- significa hacia abajo. Como regla general, el ánodo se muestra en los dibujos de la izquierda, el cátodo a la derecha.

Primer tipo de electrodos

Electrodo del primer tipo con una doble capa electroquímica en el electrolito

Los electrodos del primer tipo son electrodos cuyo potencial eléctrico depende directamente de la concentración de la solución electrolítica que los rodea. Estos son, por ejemplo, todos los metales que están sumergidos en una solución de sus iones metálicos (solución de electrolitos). En el límite de fase , se establece un equilibrio entre la presión de la solución del metal y la presión osmótica de la solución de electrolito.

  • La presión de disolución del metal se produce porque cada metal intenta liberar cationes de su red . El metal se carga negativamente debido al exceso de electrones en el metal. Como resultado de la atracción de Coulomb , los cationes permanecen relativamente próximos al electrodo. Se forma una doble capa electroquímica. La capacidad de un metal para liberar cationes de su red se enumeró para cada metal de la serie electroquímica . Cuanto más bajo es, más innoble es y mayor es su capacidad para liberar cationes.
  • La tendencia opuesta se debe a la presión osmótica de la solución de electrolitos o, para decirlo de manera más simple: las soluciones de electrolitos quieren diluirse. Lo logran forzando los iones metálicos disueltos en la rejilla del electrodo e instalándolos allí. Lo hacen particularmente bien cuando hay muchos iones metálicos presentes en forma disuelta. Esto conduce a la formación de una doble capa electroquímica con el signo opuesto. Esta tendencia opuesta está respaldada por la atracción electrostática de los iones salinos disueltos por los electrones que quedan en el metal durante el proceso de disolución del metal.

La presión de la solución, así como la presión osmótica y la presión eléctrica, están en equilibrio. En qué lado (presión de la solución frente a presión osmótica) se encuentra el equilibrio depende, por un lado, de la posición del metal en la serie electroquímica y, por otro lado, de la concentración de la solución de electrolito.

Electrodos del segundo tipo

Los electrodos del segundo tipo son electrodos cuyo potencial eléctrico depende sólo indirectamente de la concentración de la solución electrolítica que los rodea . Sin embargo, la desviación del electrodo del primer tipo es solo una diferencia de voltaje constante. Los electrodos del segundo tipo se utilizan como electrodos de referencia .

La independencia de la concentración del potencial se logra mediante la estructura especial del electrodo. Más precisamente, la composición especial de la solución de electrolito mantiene constante el potencial. La solución de electrolito consiste, por un lado, en una solución saturada de una sal poco soluble , que como catión consiste en el mismo metal que el electrodo, y por otro lado, en una sal alcalina fácilmente soluble y concentrada con precisión , que contiene el mismo anión como la sal poco soluble.

El potencial depende de la concentración del catión de la sal poco soluble. Esta concentración, a su vez, está vinculada a la concentración del anión a través del producto de solubilidad . Si la concentración del anión se mantiene constante, el potencial en consecuencia también permanece constante. Esta concentración de aniones se puede mantener casi constante eligiendo una concentración muy alta. Restando estos valores de voltaje del valor medido, se obtiene el potencial real o el voltaje de la fuente de una solución.

Los electrodos de referencia importantes son el electrodo de cloruro de plata-plata y el electrodo de calomelanos . Se utilizan, por ejemplo, en potenciometría .

Electrodos selectivos de iones

Esquema de un electrodo de fluoruro selectivo de iones

El potencial medido en electrodos selectivos de iones depende de la concentración (más precisamente, actividad ) de un cierto tipo de ión. Un electrodo de este tipo consiste en principio en un electrodo que no participa en la reacción electroquímica, p. Ej. B. un electrodo de grafito, y una fase de electrodo asociada, que en el caso más simple consiste en una sal poco soluble con el tipo de ion que está en equilibrio con el ion correspondiente en la solución. En la práctica, los electrodos selectivos de iones se construyen de manera similar a un electrodo de vidrio , siendo las membranas específicas de iones, p. B. constan de la sal poco soluble (membrana cristalina) o de potasa o vasos de soda. Las membranas líquidas consisten en un portador inerte al que se adhieren ionóforos disueltos en disolventes orgánicos . La selectividad del electrodo está determinada esencialmente por el producto de solubilidad y la conductividad iónica . También debe tenerse en cuenta que muchos otros iones que están presentes en la solución al mismo tiempo pueden formar un factor disruptivo.

Ejemplos:

  • En el caso de un electrodo selectivo de cadmio, la fase del electrodo sólido o la membrana consiste en sulfuro de cadmio .
  • Con un cloruro de plata - sulfuro de plata del electrodo, que tiene una plata sulfuro-cloruro de plata de cristales mixtos de la membrana, las concentraciones de iones de plata, así como las de los iones de cloruro y sulfuro puede ser determinada.

Ahora se determina selectivamente un gran número de iones. En la práctica analítica, inter alia El electrodo de fluoruro se utiliza para determinar los iones de fluoruro en agua con una precisión de hasta 0,01 mg / ly, en un principio modificado, el electrodo de amoniaco (un electrodo de membrana permeable a los gases). Un desarrollo especial son los biosensores electroquímicos , p. Ej. B. Electrodos enzimáticos.

Microelectrodos

Las ventajas de los microelectrodos son la muy pequeña corriente total (solo una pequeña perturbación del sistema a examinar por los productos de reacción, solo una pequeña caída de voltaje en la solución), ninguna influencia de corrientes (moderadas) en el resultado de la medición, verificabilidad de muy pequeña concentraciones, efectos capacitivos insignificantes (esto permite velocidades de medición muy altas) y la viabilidad de densidades de corriente muy altas. Estos se compensan con desventajas como una pequeña corriente total a pesar de la alta densidad de corriente y una relación extremadamente grande entre el volumen de la muestra y la superficie del electrodo (incluso si solo están presentes trazas de sustancias tensioactivas, cubren fácilmente toda la superficie del electrodo).

Histórico

Los términos electrodo, electrolito, ánodo y cátodo surgieron por sugerencia de Michael Faraday (1791-1867) y los hizo públicos. Faraday, que no había aprendido nada de griego, fue asesorado por William Whewell (1794-1866), rector del Trinity College de la Universidad de Cambridge .

literatura

  • Vocabulario Electrotécnico Internacional (IEV), publicado por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC)

enlaces web

Commons : Electrodos  - colección de imágenes, videos y archivos de audio
Wikcionario: electrodo  - explicaciones de significados, orígenes de palabras, sinónimos, traducciones

Evidencia individual

  1. ^ Charles E. Mortimer, Ulrich Müller: Química. 8a edición, Georg Thieme Verlag KG, 2007, ISBN 978-3-13-484309-5 , p. 352.
  2. ↑ H. Wenck, K. Hörner: Electrodos selectivos de iones , química en nuestro tiempo, año 23 1989, No. 6, p. 207
  3. ↑ Ludwig Pohlmann: Métodos de medición electroquímica: microelectrodos
  4. ↑ https://www.plasma.uaic.ro/topala/articole/Faraday%201834%20VII.pdf ( Memento del 8 de marzo de 2018 en Internet Archive ) Sección 662, 664 y 663 respectivamente