Elektroda
Obsah boxu
Elektroda je elektrický vodič, který slouží ke zprostředkování kontaktu a přenosu elektrického náboje mezi vodivou a nevodivou (nebo méně vodivou) částí elektrického obvodu. Typicky se jedná o přechod mezi kovovým vodičem a elektrolytem, polovodičem, plynem nebo vakuem. Elektrody jsou klíčovou součástí mnoha zařízení, od běžných baterií přes průmyslové elektrolyzéry až po citlivé medicínské senzory.
Na povrchu elektrody dochází k zásadním fyzikálním a chemickým dějům, jako je oxidace a redukce v elektrochemii, emise elektronů ve vakuu nebo injekce nosičů náboje do polovodiče. Podle směru toku proudu a probíhajících reakcí se elektrody dělí na anody a katody.
📜 Historie
Koncept elektrod je neoddělitelně spjat s počátky výzkumu elektřiny. Již pokusy Luigiho Galvaniho s žabími stehýnky na konci 18. století zahrnovaly kontakt dvou různých kovů (elektrod) s tkání (elektrolytem). Na jeho práci navázal Alessandro Volta, který kolem roku 1800 sestrojil první galvanický článek, tzv. Voltův sloup. Ten se skládal ze střídavě vrstvených měděných a zinkových disků proložených textilií namočenou ve slaném roztoku. Tyto disky byly v podstatě prvními elektrodami v moderním slova smyslu.
Zásadní přínos pro terminologii měl anglický vědec Michael Faraday. Ve 30. letech 19. století systematicky studoval elektrolýzu a ve spolupráci s Williamem Whewellem zavedl klíčové pojmy, které se používají dodnes:
- Elektroda: Z řeckých slov elektron (jantar, symbol elektřiny) a hodos (cesta).
- Anoda: Z řeckého anodos (cesta vzhůru), elektroda, kde probíhá oxidace.
- Katoda: Z řeckého kathodos (cesta dolů), elektroda, kde probíhá redukce.
- Elektrolyt: Látka, která vede proud prostřednictvím iontů.
Faradayova práce položila základy moderní elektrochemie a definovala roli elektrod jako místa, kde dochází k přeměně mezi elektrickou a chemickou energií.
⚙️ Princip a terminologie
Funkce a označení elektrod závisí na typu zařízení a směru toku energie.
➕ Anoda a katoda
Rozlišení mezi anodou a katodou je jedním z nejčastějších zdrojů nejasností, protože jejich polarita (+ nebo −) se mění v závislosti na tom, zda zařízení energii spotřebovává, nebo dodává.
- Anoda je elektroda, na které dochází k oxidaci (látka odevzdává elektrony). Konvenční proud teče z anody do vnějšího obvodu.
- Katoda je elektroda, na které dochází k redukci (látka přijímá elektrony). Konvenční proud teče do katody z vnějšího obvodu.
Aplikace na konkrétní případy:
- Galvanický článek (např. baterie při vybíjení):
* Anoda je záporný pól (−). Dochází zde k oxidaci (např. zinku), uvolňují se elektrony do vnějšího obvodu. * Katoda je kladný pól (+). Dochází zde k redukci (např. iontů mědi), elektrony jsou spotřebovávány z vnějšího obvodu.
- Elektrolytický článek (např. baterie při nabíjení, elektrolýza):
* Anoda je kladný pól (+). Je připojena ke kladnému pólu zdroje, odebírá elektrony z iontů v elektrolytu (oxidace). * Katoda je záporný pól (−). Je připojena k zápornému pólu zdroje, dodává elektrony iontům v elektrolytu (redukce).
Mnemotechnická pomůcka: Oxidace probíhá na Anodě (obě začínají samohláskou), Redukce na Katodě (obě začínají souhláskou).
⚡ Elektrodový potenciál
Když je elektroda ponořena do elektrolytu obsahujícího ionty jejího kovu, ustaví se na rozhraní mezi kovem a roztokem rovnováha. Vzniká zde elektrická dvojvrstva a s ní spojený elektrodový potenciál. Jeho hodnota závisí na materiálu elektrody, koncentraci iontů v roztoku a teplotě.
Protože absolutní hodnotu potenciálu jedné elektrody nelze změřit, měří se vždy relativně vůči referenční elektrodě. Jako mezinárodní standard byla zvolena standardní vodíková elektroda (SHE), jejíž potenciál byl za standardních podmínek (aktivita H+ iontů = 1, tlak H₂ = 101,325 kPa, teplota 298,15 K) definován jako přesně 0 voltů. Potenciály ostatních elektrod se pak vztahují k této hodnotě. Řada kovů seřazených podle jejich standardních elektrodových potenciálů se nazývá Beketovova řada kovů.
Závislost elektrodového potenciálu na koncentraci (přesněji aktivitě) iontů popisuje Nernstova rovnice.
🔬 Typy elektrod podle funkce a materiálu
Elektrody lze dělit podle mnoha kritérií, nejčastěji podle jejich funkce v daném systému nebo podle materiálu, z něhož jsou vyrobeny.
Elektrochemické elektrody
V elektrochemii se používá systém tří elektrod pro přesná měření:
- Pracovní elektroda: Elektroda, na které probíhá sledovaná elektrochemická reakce (oxidace nebo redukce). Její potenciál je řízen nebo měřen.
- Referenční elektroda: Má stabilní a přesně známý elektrodový potenciál, který není ovlivněn ději v roztoku. Slouží jako referenční bod pro měření potenciálu pracovní elektrody. Příklady: kalomelová elektroda, argentchloridová elektroda.
- Pomocná (protielektroda): Slouží k uzavření elektrického obvodu. Proud protéká mezi pracovní a pomocnou elektrodou, aby se zabránilo průchodu proudu referenční elektrodou, což by narušilo její potenciál.
Další typy:
- Indikátorové elektrody: Jejich potenciál závisí na koncentraci určité látky v roztoku. Používají se v potenciometrii. Nejznámějším příkladem je skleněná elektroda pro měření pH.
- Ion-selektivní elektrody (ISE): Speciální typ indikátorových elektrod, které jsou citlivé na aktivitu specifického iontu (např. Na⁺, K⁺, Ca²⁺, F⁻).
Elektrody v elektronice
- Vakuové elektronky: Obsahují katodu (často žhavenou, emituje elektrony), anodu (sbírá elektrony) a jednu nebo více mřížek (řídí tok elektronů).
- Polovodičové součástky: Názvy elektrod se liší podle typu součástky.
* Bipolární tranzistor: emitor, báze, kolektor. * Tranzistor řízený polem (FET): source, gate, drain. * Dioda: anoda a katoda.
Elektrody pro svařování
Při obloukovém svařování slouží elektroda k přivedení proudu a vytvoření elektrického oblouku, který taví svařovaný materiál.
- Obalená elektroda: Pro metodu SMAW. Kovové jádro je pokryto obalem (tavidlem), který chrání svarovou lázeň před oxidací a stabilizuje oblouk.
- Netavící se elektroda: Typicky z wolframu pro metodu TIG. Slouží pouze k hoření oblouku, přídavný materiál se dodává zvlášť.
Medicínské elektrody
- Diagnostické elektrody: Snímají biopotenciály z povrchu těla. Jsou vyrobeny z materiálů jako stříbro/chlorid stříbrný (Ag/AgCl) a používají se pro EKG (snímání srdeční aktivity) nebo EEG (snímání mozkové aktivity).
- Stimulační a terapeutické elektrody: Dodávají do těla elektrické pulzy.
* Elektrody pro defibrilaci a kardioverzi. * Elektrody kardiostimulátorů. * Elektrody pro nervovou a svalovou stimulaci (TENS, EMS).
Materiály elektrod
Volba materiálu je klíčová pro funkci elektrody. Požadavky zahrnují dobrou elektrickou vodivost, chemickou stálost a v některých případech specifické katalytické vlastnosti.
- Ušlechtilé kovy: Platina a zlato jsou velmi inertní a používají se pro přesná elektrochemická měření.
- Uhlík: Ve formě grafitu nebo skelného uhlíku je levný, chemicky odolný a má široké elektrochemické okno. Používá se v bateriích, senzorech i při výrobě hliníku.
- Stříbro: Často se používá ve formě Ag/AgCl pro referenční elektrody.
- Rtuť: Díky neustále obnovitelnému povrchu se používala v polarografii (kapková rtuťová elektroda). Dnes je její použití omezeno kvůli toxicitě.
- Běžné kovy: Měď, zinek, olovo, nikl, lithium a další tvoří aktivní hmoty v různých typech baterií a akumulátorů.
💡 Aplikace a využití
Elektrody jsou všudypřítomné v moderní technice i každodenním životě:
- Zdroje energie: Všechny typy baterií a akumulátorů (tužkové baterie, autobaterie, Li-ion akumulátory) fungují na principu galvanického článku se dvěma elektrodami.
- Průmyslová výroba: Elektrolýza se používá k výrobě chemikálií (chlor, hydroxid sodný), a kovů (výroba hliníku, rafinace mědi).
- Povrchové úpravy: Při galvanickém pokovování (např. chromování, zinkování) se pokovovaný předmět zapojuje jako katoda.
- Senzory a analytika: Měření pH, stanovení koncentrace iontů, glukometry pro diabetiky, detektory plynů.
- Medicína: Diagnostika (EKG, EEG), terapie (defibrilátory, kardiostimulátory) a neurovědecký výzkum.
- Osvětlovací technika: Elektrody jsou součástí výbojek, zářivek a xenonových výbojek.
- Ochrana proti korozi: tzv. obětovaná anoda (např. z hořčíku nebo zinku) se používá k ochraně ocelových konstrukcí (lodní trupy, potrubí) před korozí.
🧑🔬 Pro laiky: Co je to elektroda?
Představte si elektrodu jako "přístav" nebo "bránu" pro elektřinu. Elektřina v drátech je tvořena proudem malých částic zvaných elektrony. Ty se ale nemohou volně pohybovat například ve vodě, v lidském těle nebo v chemickém roztoku uvnitř baterie.
Elektroda je speciální materiál (obvykle kov nebo uhlík), který vytvoří most mezi světem drátů a tímto "jiným" prostředím.
- Příklad s baterií: Běžná tužková baterie má dva kovové konce – plus (+) a mínus (−). To jsou její elektrody. Uvnitř baterie probíhá chemická reakce, která na jedné elektrodě (anodě) uvolňuje elektrony a na druhé (katodě) je spotřebovává. Když baterii vložíte do ovladače a zapnete ho, vytvoříte dráhou přes ovladač cestu, kudy mohou elektrony z anody putovat na katodu a přitom pohánět zařízení.
- Příklad s EKG: Když vám lékař natáčí EKG, přilepí vám na tělo malé nálepky. To jsou elektrody. Vaše srdce při každém stahu vytváří slabé elektrické signály, které se šíří tělem. Elektrody tyto signály "chytí" na kůži a převedou je do drátů vedoucích do přístroje, který je zobrazí jako známou křivku.
Stručně řečeno, elektroda je prostředník, který umožňuje elektřině vstoupit do prostředí, kde se nemůže šířit jako v drátě, nebo z něj naopak vystoupit.