Anoda a katoda – jak to funguje?

Katoda – základní vlastnosti

V chemických reakcích je katoda ta elektroda, ve které se nachází jev redukce. Vyskytuje se také v elektrochemických článcích a bývá s nimi spojován. V tomto případě  katoda má zápornou polaritu  v důsledku přítomnosti záporného napětí v článcích, což vede k reakci analýzy (rozkladu) chemických sloučenin. Toto napětí může mít také opačné znaménko (kladné), když nastane opačná situace, při níž chemické reakce vedou ke vzniku elektřiny. Kromě toho může být katoda označována jako horká katoda nebo studená katoda. Katoda, která je zahřátá v důsledku přítomnosti materiálu schopného emitovat elektrony, je horká katoda, zatímco katoda, v níž dochází k emisi termů, je studená katoda.

Anoda – základní vlastnosti

Anoda v elektrochemii je oblast, kde probíhá oxidační reakce. Na anodě obvykle reagují záporné ionty (anionty), které mají díky svému zápornému elektrickému potenciálu tendenci přebírat elektrony. Tyto elektrony se pohybují směrem ke zdroji, který nutí jejich tok. V galvanických článcích je anoda vlastně pólem záporného napětí a elektrony se pohybují hlavně směrem ven z obvodu.  Galvanický článek   je proto jedinečným typem systému. Naproti tomu u elektrolytických článků (např. olověných akumulátorů, které jsou velmi rozšířené v automobilech) má anoda kladný potenciál. Anoda může mít navíc podobu desky nebo drátu obsahujícího přebytečný kladný elektrický náboj.

Základní rozdíly mezi anodou a katodou

Tok elektrického náboje mezi katodou a anodou

Podle nejčastěji přijímané konvence teče elektrický proud ve stejnosměrných obvodech od katody k anodě (tok elektronů v opačném směru), bez ohledu na typ článku a způsob jeho provozu (vybíjení nebo nabíjení). Polarita katody a odpovídajícím způsobem i anody může být kladná nebo záporná v závislosti na způsobu provozu článku. Kladně nabité kationty budou vždy sledovat směr anody a záporně nabité anionty, stejně jako elektrony, budou sledovat směr katody, i když polarita katody závisí na konstrukci článku a může se měnit v závislosti na způsobu provozu. V článcích, kde dochází k ukládání elektrické energie (např. při nabíjení baterií), má katoda zápornou polaritu (elektrony následují katodu, kudy elektrický náboj odtéká), a když dochází k uvolňování energie (např. napájení zátěže z baterie, tj. její vybíjení), má katoda kladnou polaritu.  

Baterie nebo galvanický článek se při vybíjení vyznačuje tím, že katoda je považována za kladný pól, protože proud teče z katody, když je obvod uzavřen. Uvnitř článku je proud přenášen kladnými ionty z elektrolytu ke katodě (která má kladnou polaritu) v důsledku energie uvolněné chemickou reakcí. Pohyb iontů pokračuje směrem ven prostřednictvím zavádění elektronů do článku (nebo baterie), což vede ke vzniku kladného proudu (při uzavřeném obvodu). Například v galvanickém článku Daniella je měděná elektroda katodou s kladnou polaritou. Nabíjená baterie nebo elektrolytický článek, v němž probíhá elektrolýza, se vyznačuje katodou záporné polarity. Z katody se proud vrací do zdroje (např. nabíječky automobilu nebo USB nabíječky) v důsledku přivedení náboje do článků.

Anoda a katoda v elektrochemických článcích

V elektrochemii je anoda elektroda elektrochemického článku, na které probíhá oxidační reakce, a následně redukční reakce na katodě. Chemické reakce, při nichž dochází k současné oxidaci a redukci, se nazývají  redox reakce   -red- z redukce, -ox z oxidace (oxidace). Při těchto reakcích je katoda spojena s kationty (akceptory elektronů) a anoda s anionty (nosiči elektronů). Katoda může nabývat záporné polarity v případě elektrolytických článků (kdy je do článku přiváděna elektrická energie, která se využívá při rozkladných reakcích přítomných chemických látek) nebo kladné polarity u galvanických článků (kdy jsou příčinou vzniku elektrické energie chemické reakce). Katoda pak dodává elektrony kationtům (které se vyznačují kladným nábojem) pocházejícím z elektrolytu.

Anoda a katoda v automobilové baterii

Jedním z konkrétních případů elektrochemických článků, se kterými se denně setkáváme, jsou články, které tvoří automobilové baterie (akumulátory). Akumulátor je zásobárnou elektrické energie, která může být použita k napájení elektrických součástí vozidla, když motor stojí s vypnutým motorem (např. rádio nebo poziční světla), a před nastartováním k napájení zapalovacího systému (u motorů se vznětovým zapalováním k předehřevu žhavicích svíček), palivového čerpadla a startéru. Při běžícím motoru je akumulátor “průběžně dobíjen” z alternátoru (poháněného od motoru klínovým řemenem) přes usměrňovací systém s komparátorem napětí. Prvním důležitým bodem je, že na rozdíl od běžných baterií používaných například k napájení hodin, dálkových ovladačů nebo hraček. hodin, dálkových ovladačů nebo hraček (např. LR6 nebo 6F22), je vnitřní struktura baterie tvořena několika (obvykle šesti) články zapojenými do série, což způsobuje, že se napětí článků sčítají stejně, jako se sčítají odpory rezistorů zapojených do série. U většiny olověných automobilových akumulátorů je výsledné napětí 12 V, přičemž skutečný, správně provozovaný akumulátor by měl v nezatíženém stavu dávat napětí přibližně 10 V. 13V. V elektromobilech se nejčastěji používají baterie o napětí 24 V nebo 36 V, ale způsob zapojení článků a technologie výroby je stejná jako u baterií o nižším napětí. Zjednodušeně řečeno, elektrická energie z baterie se uvolňuje po připojení zátěže k jejím svorkám. Uvolněná energie zahrnuje elektrický proud, což je uspořádaný pohyb elektronů – záporně nabitých elementárních částic, které hrají klíčovou roli při přenosu elektrické energie.

U baterie jsou důležité zejména póly, kterými je připojena ke spotřebičům. Tyto póly se právě označují jako anoda a katoda. Za normálních provozních podmínek probíhá v baterii proces přeměny energie chemické reakce na energii elektrickou, který zahrnuje uvolňování elektronů oxidací anody (kladného pólu). Proud se do baterie vrací přes katodu (záporný pól), která přijímá elektrony uvolněné z anody. Při nabíjení baterie se celý proces obrátí. Pokud je výstupní napětí z baterie nedostatečně nízké, může být příčinou nadměrné vybíjení a značná ztráta elektrolytu. V olověném akumulátoru se katoda skládá z desek z oxidu olovnatého (II) a katoda z desek z čistého olova. Elektrolyt je naproti tomu %-40% roztok kyseliny sírové (VI) v demineralizované vodě. Když je obvod s baterií uzavřen (spotřebiče jsou k ní připojeny), dochází k chemické reakci, při níž vzniká síran olovnatý (VI) a voda. Výsledkem reakce je emise elektronů, které se zformují do elektrického proudu, jenž je dodáván do spotřebičů připojených k baterii. Tyto reakce probíhají oběma směry, a proto lze baterii opakovaně nabíjet a vybíjet.

Anoda a katoda v polovodičové diodě

Polovodičová dioda  je jednou z nejoblíbenějších elektronických součástek, která může plnit mnoho užitečných funkcí v elektronických obvodech a systémech, například chránit proti přepólování napájecího napětí nebo převádět (usměrňovat) sinusové napětí na pulzující jednosměrné napětí. V polovodičových diodách je na p-n přechodu katoda dopovanou vrstvou typu n, která má díky použitému dopování vysokou hustotu volných elektronů a rovnoměrnou hustotu pevných kladných nábojů, což jsou tepelně ionizované dopanty.  

V anodové vrstvě typu n dochází k opačné situaci, kdy je přechod charakterizován vysokou hustotou elektronových děr a pevnými zápornými náboji zachycujícími elektrony. Pokud jsou vedle sebe vytvořeny vrstvy dopované P- a N-typem, zajišťuje difúze tok elektronů z oblastí s vysokou hustotou do oblastí s nízkou hustotou, tj. z vrstvy typu n do vrstvy typu p.