elektrode

En elektrode [ elɛktroːdə ] (fra gamle greske ηλεκτρόν elektron , " amber ", i. Ü S.. "Elektriske", og ὁδός hodos, "vei") er et elektronleder som samvirker med en motelektrode ( anode - katode ) med et medium som er plassert mellom de to elektrodene, samhandler. Elektroder består av elektriske ledere, vanligvis et metall eller grafitt . De brukes til å forbinde ikke-elektronledende områder med kabler og brukes for eksempel i elektrokjemiske elementer, som verktøy (f.eks. For motstandssveising ) og, om nødvendig , som materialdispensere for elektrisk sveising , som tilkoblinger og elektron- optiske elementer i elektronrør . I tillegg til sin elektriske funksjon, kan elektrodemateriale avsettes eller konsumeres, eller fysiske prosesser kan finne sted i elektroden, for eksempel i anoden til et røntgenrør .

Elektroder i gass eller vakuum eller med en isolator

Glød elektroden i en gassutladningslampe

Avhengig av typen medium som omgir elektroden, er det forskjellige former for interaksjon:

Hvis mediet er en isolator, bygger det seg et elektrisk felt mellom elektrodene . Denne konfigurasjonen kalles kondensator . Se imidlertid også lydløs elektrisk utladning .

Hvis mediet er et vakuum eller en gass , bygger det seg opp et elektrisk felt mellom elektrodene , som i tilfellet med isolatoren . Imidlertid kan elektroner bevege seg fra den ene elektroden, katoden , til den andre hvis utgangen fra katoden er tillatt, f.eks. B. ved feltemisjon eller termisk utslipp eller Edison-Richardson-effekten, slik tilfellet er med forskjellige elektronrør med varme katoder .

Hvis mediet er en gass, blir atomene eller molekylene i gassen delvis ionisert, slik at det dannes et plasma . I plasma, i tillegg til elektronene, beveger ionene seg også i det elektriske feltet, som i en gassutladningslampe .

Elektrodene til tennpluggene , sveiseelektrodene for elektrisk sveising og elektrodene inne i dysen for plasmasmelteskjæring faller også inn i denne kategorien. Ved sveising danner sveiseelektrodene en lysbue med materialet som skal sveises. I varmen fra buen smelter både elektroden og fyllmaterialet, slik at materialene kobles sammen.

Elektrokjemiske elektroder

Her er mediet som grenser til elektroden en flytende eller fast ioneleder , elektrolytten . Et elektrokjemisk potensiale bygger seg opp på elektroden gjennom oksidasjons- og reduksjonsreaksjoner eller gjennom en ekstern spenning .

Avhengig av typen potensiell avhengighet av konsentrasjonen av elektrolytten, skilles det mellom fire typer elektroder:

  1. Første type elektroder
  2. Elektroder av den andre typen , hvor faste stoffer er involvert i reaksjonen
  3. Redox-elektroder; her passerer ingen metallioner, men elektroner gjennom fasegrensene. Selve metallet blir ikke angrepet fordi det ikke er massetransport gjennom fasegrensene.
  4. Ionselektive elektroder , der potensialet ideelt sett avhenger av konsentrasjonen av bare ett spesifikt ion.

Hvis du kobler to elektroder, som er nedsenket i forskjellige konsentrasjoner av elektrolyttløsninger eller er laget av forskjellige materialer, til hverandre via en krets, får du et galvanisk element . En spenning kan måles mellom elektrodene, noe som skyldes potensialforskjellen og kalles kildespenning eller "reversibel cellespenning". En slik ordning kan levere strøm ( batteri ). Når en ekstern spenning slås på, skjer andre kjemiske reaksjoner på elektrodene ( elektrolyse ). Elektrodene kan være laget av metaller eller halvledere , f.eks. B. også laget av grafitt , glasslegemet, og kan være flytende ( kvikksølv ) eller fast.

En elektrode som brukes til korrosjonsbeskyttelse er offeranoden .

I brenselcellen , hvor gassensorene , og i noen batterier som kommer, benyttes gassdiffusjonselektrode .

Polariteten til elektrokjemiske elektroder

Terminologikonvensjoner
anode katode
Galvanisk celle Oksidasjon
- 		Reduksjon
+
Elektrolytisk celle Oksidasjon
+ 		Reduksjon
-

Følgende gjelder elektrokjemiske elektroder:

  • Elektroden som oksidasjonen skjer på er anoden . Elektroner strømmer fra anoden via en leder. Anioner i løsning strømmer til anoden.
  • Elektroden som reduksjonen skjer på er katoden . Elektroner strømmer til katoden via en leder. Kationer i løsning strømmer til katoden.

Hvilken av de to elektrodene som er positiv og hvilken som er negativ, avhenger av den elektrokjemiske enheten:

  • Hvis den kjemiske reaksjonen blir tvunget av en strømstrøm forårsaket av en ekstern spenning ( elektrolyse , galvanisering ), er oksidasjonen forårsaket av tilbaketrekking av elektroner fra den positivt ladede anoden: I dette tilfellet er anoden den positive polen (+).
  • Hvis den elektriske spenningen genereres av kjemiske prosesser, for eksempel i galvaniske celler ( batteri eller brenselcelle ), er anoden negativt ladet fordi elektroner frigjøres under den frivillige oksidasjonen. Anoden er da den negative polen (-).

Siden polariteten til elektrodene er reversert under elektrolyse sammenlignet med et galvanisk element, er tildelingen av anode og katode ofte forvirrende. Imidlertid kan du orientere deg på strømmen til elektronene. For å gjøre dette, forestill deg cellen skjematisk: Prefikset ana- betyr oppover, prefikset kata- betyr nedover. Som regel er anoden vist på tegningene til venstre, katoden til høyre.

Første type elektroder

Elektrode av den første typen med et elektrokjemisk dobbeltlag i elektrolytten

Elektroder av den første typen er elektroder hvis elektriske potensial avhenger direkte av konsentrasjonen av elektrolyttløsningen som omgir dem. Dette er for eksempel alle metaller som er nedsenket i en løsning av metallionene (elektrolyttoppløsningen). Ved fasegrensen , en er en likevekt mellom den oppløsning trykk av metallet og det osmotiske trykk av elektrolytt-løsningen.

  • Oppløsningstrykket til metallet oppstår fordi hvert metall prøver å frigjøre kationer fra gitteret . Metallet blir negativt ladet på grunn av overskuddet av elektroner i metallet. Som et resultat av Coulomb- tiltrekningen, forblir kationene i relativ nærhet til elektroden. Et elektrokjemisk dobbeltlag dannes. Et metalls evne til å frigjøre kationer fra gitteret ble oppført for hvert metall i den elektrokjemiske serien . Jo lavere det er, jo mer ugudelig er det, og jo større er evnen til å frigjøre kationer.
  • Den motsatte tendensen skyldes det osmotiske trykket til elektrolyttløsningen, eller for å si det enklere: elektrolyttløsninger ønsker å fortynne. De oppnår dette ved å tvinge de oppløste metallionene inn i gitteret på elektroden og installere dem der. De gjør dette spesielt bra når mange metallioner er tilstede i oppløst form. Dette fører til dannelsen av et elektrokjemisk dobbeltlag med motsatt tegn. Denne motsatte trenden støttes av den elektrostatiske tiltrekningen av de oppløste saltionene av elektronene som er igjen i metallet under oppløsningen av metallet.

Løsningstrykket, så vel som det osmotiske trykket og det elektriske trykket, er i balanse. Hvilken side (løsningstrykk vs. osmotisk trykk) likevekten ligger på, avhenger av den ene siden av metallets posisjon i den elektrokjemiske serien og på den andre siden av konsentrasjonen av elektrolyttløsningen.

Elektroder av andre type

Elektroder av den andre typen er elektroder hvis elektriske potensial bare avhenger indirekte av konsentrasjonen av elektrolyttløsningen som omgir dem . Imidlertid er avviket fra elektroden av den første typen bare en konstant spenningsforskjell. Elektroder av den andre typen brukes som referanseelektroder .

Konsentrasjonens uavhengighet av potensialet oppnås ved den spesielle strukturen til elektroden. Mer presist, den spesielle sammensetningen av elektrolyttløsningen holder potensialet konstant. Elektrolyttløsningen består på den ene siden av en mettet løsning av et lite oppløselig salt , som som et kation består av samme metall som elektroden, og på den andre siden av et lett løselig og nøyaktig konsentrert alkalisalt , som inneholder det samme anion som det lite løselige saltet.

Potensialet avhenger av konsentrasjonen av kationen av det lite løselige saltet. Denne konsentrasjonen er i sin tur knyttet til konsentrasjonen av anionet via løselighetsproduktet . Hvis konsentrasjonen av anionen holdes konstant, forblir potensialet også konstant. Denne anionkonsentrasjonen kan holdes nesten konstant ved å velge en veldig høy konsentrasjon. Ved å trekke disse spenningsverdiene fra den målte verdien, oppnås det faktiske potensialet eller kildespenningen til en løsning.

Viktige referanseelektroder er sølv-sølvkloridelektroden og kalomelelektroden . De brukes for eksempel i potensiometri .

Ionselektive elektroder

Skjema for en ioneselektiv fluorelektrode

Potensialet målt på ioneselektive elektroder avhenger av konsentrasjonen (nærmere bestemt aktivitet ) av en bestemt type ion. En slik elektrode består i prinsippet av en elektrode som ikke deltar i den elektrokjemiske reaksjonen, f.eks. B. en grafittelektrode, og en tilhørende elektrodefase, som i det enkleste tilfellet består av et lite oppløselig salt med den type ion som er i likevekt med det tilsvarende ionet i løsningen. I praksis er ioneselektive elektroder konstruert på samme måte som en glasselektrode , og membranene er ionespesifikke, f.eks. B. består av det lite løselige saltet (krystallmembran) eller av kaliumchlor eller brus. Flytende membraner består av en inert bærer som ionoforer oppløst i organiske løsemidler er festet på . Selektiviteten til elektroden bestemmes i det vesentlige av løselighetsproduktet og den ioniske ledningsevnen . Det skal også bemerkes at mange andre ioner som er tilstede i løsningen samtidig kan danne en forstyrrende faktor.

Eksempler:

  • Når det gjelder en kadmiumselektiv elektrode, består den faste elektrodefasen eller membranen av kadmiumsulfid .
  • Med en sølvklorid - sølvsulfidelektrode , som har en blandet sølvklorid og sølvsulfidkrystallmembran , kan konsentrasjonene av sølvioner så vel som de av klorid og sulfidioner bestemmes.

Et stort antall ioner bestemmes nå selektivt. I analytisk praksis, bl.a. Den fluorelektrode blir brukt til å bestemme fluoridioner i vann med en nøyaktighet på opp til 0,01 mg / l og, i en modifisert prinsipp, ammoniakken elektrode (en gass-permeabel membran elektrode). En spesiell utvikling er elektrokjemiske biosensorer , f.eks. B. Enzymelektroder.

Mikroelektroder

Fordelene med mikroelektroder er den svært lille totale strømmen (bare liten forstyrrelse av systemet som skal undersøkes av reaksjonsprodukter, bare et lite spenningsfall i løsningen), ingen påvirkning av (moderat) strøm på måleresultatet, verifiserbarhet av veldig liten konsentrasjoner, ubetydelige kapasitive effekter (dette muliggjør svært høye målehastigheter) og gjennomførbarheten av svært høye strømtettheter. Disse oppveies av ulemper som en liten total strøm til tross for høy strømtetthet og et ekstremt stort forhold mellom prøvevolum og elektrodeoverflaten (selv om bare spor av overflateaktive stoffer er tilstede, dekker de lett hele elektrodeoverflaten).

Historisk

Begrepene elektrode, elektrolytt, anode og katode oppstod etter forslag fra Michael Faraday (1791–1867) og ble offentliggjort av ham. Faraday, som ikke hadde lært noe gresk, ble veiledet av William Whewell (1794–1866), rektor ved Trinity College ved Cambridge University .

litteratur

  • International Electrotechnic Vocabulary (IEV), utgitt av International Electrotechnic Commission (IEC)

weblenker

Commons : Elektroder  - samling av bilder, videoer og lydfiler
Wiktionary: electrode  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

Individuelle bevis

  1. ^ Charles E. Mortimer, Ulrich Müller: Kjemi. 8. utgave, Georg Thieme Verlag KG, 2007, ISBN 978-3-13-484309-5 , s. 352.
  2. W H. Wenck, K. Hörner: Ionselektive elektroder , kjemi i vår tid, 23. år 1989, nr. 6, s. 207
  3. ↑ Ludwig Pohlmann: Elektrokjemiske målemetoder: mikroelektroder
  4. ↑ https://www.plasma.uaic.ro/topala/articole/Faraday%201834%20VII.pdf ( Memento 8. mars 2018 i Internettarkivet ) Seksjon 662, 664 og 663