Katoda

Rozbalit box

Obsah boxu

Katoda je elektroda, na které v elektrochemii dochází k redukci. Jedná se o protějšek anody, kde probíhá oxidace. Polarita katody (zda je kladná, či záporná) závisí na typu elektrochemického zařízení. Termíny katoda a anoda zavedl kolem roku 1834 anglický vědec Michael Faraday. Název pochází z řeckého slova kathodos (κάθοδος), což znamená "cesta dolů" nebo "sestup".

• V galvanickém článku (např. baterii), který samovolně vyrábí elektrickou energii, je katoda kladným pólem (+). Přijímá elektrony z vnějšího obvodu.
• V elektrolytickém článku, do kterého je energie dodávána z vnějšího zdroje (např. při elektrolýze nebo nabíjení akumulátoru), je katoda záporným pólem (−). Do okolního prostředí (např. elektrolytu) uvolňuje elektrony.

V oblasti elektroniky, například u součástek jako je dioda, elektronka nebo tyristor, je katoda obvykle elektrodou se záporným napětím, ze které vystupuje proud.

💡 Pro laiky: Katoda jako "přijímací brána"

Představte si elektrický proud jako proud malých částic, elektronů, které tečou v obvodu podobně jako voda v potrubí. V tomto přirovnání jsou elektrody (katoda a anoda) dvě brány, kterými elektrony vstupují do různých zařízení nebo chemických roztoků a zase je opouštějí.

• Katoda je "přijímací brána" pro kladné ionty nebo "výstupní brána" pro elektrony. V závislosti na situaci se na ní dějí dvě věci:

   1.  **V roztoku (při elektrolýze):** Kladně nabité částice (kationty) z roztoku jsou přitahovány k záporné katodě. Když k ní dorazí, katoda jim "předá" elektrony. Tím se z nich stávají neutrální atomy. Můžete si to představit tak, že katoda "obléká" kladné ionty do elektronového kabátu. Takhle se například při pokovování nanáší vrstva kovu na předmět.
   2.  **V baterii (galvanickém článku):** Zde je katoda kladný pól. Je to cíl, kam směřují elektrony putující vnějším obvodem (např. dráty přes žárovku). Katoda je tedy místo, kde elektrony "končí" svou cestu vnějším obvodem a vstupují zpět do chemického procesu uvnitř baterie.

Zjednodušeně řečeno, na katodě vždy dochází k přijímání elektronů nějakou látkou (chemickou redukcí). Její náboj (+ nebo –) se ale mění podle toho, jestli zařízení energii vyrábí (baterie), nebo spotřebovává (elektrolýza).

⏳ Historie a původ názvu

Pojmy katoda, anoda, elektroda a iont zavedl do vědy anglický fyzik a chemik Michael Faraday kolem roku 1834. Požádal o pomoc klasického filologa Williama Whewella, aby mu pomohl vytvořit vhodné názvy pro jevy, které pozoroval při svých experimentech s elektrolýzou.

Název "katoda" je odvozen z řeckého slova κάθοδος (kathodos), které je složeninou slov katá (dolů) a hodós (cesta). Doslovně tedy znamená "cesta dolů". Faraday si představoval, že elektrický proud teče od východu na západ, sledujíce dráhu slunce. V tomto kontextu anoda (z řeckého anodos, cesta nahoru) představovala "východ" a katoda "západ", tedy místo, kam proud "sestupuje" nebo "zapadá".

Tato terminologie se rychle ujala a stala se základem pro popis elektrochemických dějů a později i pro elektroniku.

🔬 Princip funkce v elektrochemii

V kontextu elektrochemie je funkce katody neoddělitelně spjata s procesem redukce. Redukce je chemická reakce, při které atom, iont nebo molekula přijímá jeden nebo více elektronů, čímž se snižuje její oxidační číslo.

Polarita katody se liší podle typu elektrochemického článku:

Katoda v galvanickém článku (zdroj energie)

V galvanickém článku, jako je například tužková baterie nebo Daniellův článek, probíhají samovolné chemické reakce, které generují elektrickou energii.

• Katoda je kladná elektroda (+).
• Na ní probíhá redukce. Například v Daniellově článku se na měděné katodě redukují měďnaté kationty (Cu²⁺) z roztoku na pevnou měď (Cu) přijetím dvou elektronů.

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

• Elektrony přitékají ke katodě vnějším elektrickým obvodem od anody (záporného pólu), kde probíhá oxidace.

Katoda v elektrolytickém článku (spotřebič energie)

V elektrolytickém článku je vnější zdroj napětí používán k vynucení chemické reakce, která by samovolně neprobíhala.

• Katoda je záporná elektroda (−). Je připojena k zápornému pólu zdroje.
• Zdroj napětí "pumpuje" elektrony na katodu, která je následně předává částicím v elektrolytu.
• Na katodě dochází k redukci. Například při elektrolýze roztoku chloridu sodného (NaCl) ve vodě se na katodě redukují molekuly vody za vzniku plynného vodíku a hydroxidových iontů.

2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

• Kladně nabité ionty (kationty) v elektrolytu jsou přitahovány k záporné katodě.

Katoda u akumulátoru

U akumulátorů se funkce elektrod mění v závislosti na tom, zda se zařízení nabíjí nebo vybíjí.

• Při vybíjení funguje akumulátor jako galvanický článek. Kladná elektroda je katodou, na které probíhá redukce.
• Při nabíjení funguje jako elektrolytický článek. Kladná elektroda se stává anodou (probíhá na ní oxidace) a záporná elektroda se stává katodou (probíhá na ní redukce). Z praktických důvodů se proto u akumulátorů častěji používají termíny "kladná elektroda" a "záporná elektroda", aby se předešlo nejednoznačnosti.

⚡ Využití v elektronice a technice

Mimo elektrochemii hraje katoda klíčovou roli v mnoha elektronických součástkách a technických aplikacích. Zde je její hlavní funkcí emise (vyzařování) elektronů.

Elektronky a vakuové obrazovky (CRT)

V elektronkách, magnetronech a starších vakuových obrazovkách (CRT) je katoda zdrojem elektronů, které tvoří elektronový paprsek. Aby katoda snadněji emitovala elektrony, bývá obvykle zahřívána. Rozlišujeme dva hlavní typy:

• Přímo žhavená katoda: Tvoří ji samotné žhavicí vlákno (obvykle z wolframu), kterým prochází proud.
• Nepřímo žhavená katoda: Skládá se z kovové trubičky potažené emisní vrstvou (např. oxidy barya a stroncia), která je zahřívána samostatným izolovaným žhavicím vláknem uvnitř. Toto uspořádání je běžnější.

Emitované elektrony jsou následně urychlovány a usměrňovány elektrickým polem směrem k anodě (kladné elektrodě).

Polovodičové diody a LED

U polovodičových diod, včetně LED, je katoda částí, která je v propustném směru připojena k zápornému pólu zdroje.

• Katoda je tvořena polovodičem typu N, který má přebytek volných elektronů.
• Anoda je tvořena polovodičem typu P s nedostatkem elektronů (tzv. "dírami").
• Když je na anodu přivedeno kladné napětí a na katodu záporné, elektrony a díry se začnou pohybovat přes P-N přechod, což umožní průchod proudu.

Rentgenové lampy (Rentgenky)

V rentgenové lampě (rentgence) je žhavená katoda zdrojem elektronů, které jsou urychlovány vysokým napětím a dopadají na anodu (nazývanou také antikatoda). Při jejich prudkém zabrzdění na anodě vzniká rentgenové záření.

🛡️ Katodová ochrana

Katodová ochrana je důležitá technika pro ochranu kovových konstrukcí (jako jsou potrubí, lodní trupy, mosty nebo železobetonové konstrukce) před korozí. Princip spočívá v tom, že chráněný kovový objekt se uměle učiní katodou elektrochemického článku, čímž se zabrání jeho oxidaci (rezivění).

Existují dva hlavní způsoby realizace:

1. Metoda s vnějším zdrojem proudu: Chráněná konstrukce je připojena k zápornému pólu zdroje stejnosměrného proudu, zatímco kladný pól je připojen k pomocné anodě (často z inertního materiálu), která je umístěna v okolním prostředí (půdě, vodě).
2. Metoda obětované anody (galvanická ochrana): Chráněný objekt je elektricky spojen s kusem méně ušlechtilého (reaktivnějšího) kovu, jako je zinek, hliník nebo hořčík. Tento reaktivnější kov se stane anodou a koroduje "obětuje se" namísto chráněné konstrukce, která se stane katodou.

Tato metoda může korozi buď zpomalit, nebo i zcela zastavit.

🧱 Materiály a výroba

Materiál pro výrobu katod se liší podle aplikace:

• Baterie a akumulátory: V lithium-iontových bateriích se jako katodové materiály běžně používají oxidy lithia a přechodových kovů, například oxid lithno-kobaltitý (LiCoO₂), fosforečnan lithno-železitý (LiFePO₄) nebo slitiny niklu, manganu a kobaltu (NMC). Materiál katody zásadně ovlivňuje vlastnosti baterie, jako je napětí, kapacita a tepelná stabilita.
• Elektrolýza a pokovování: Využívají se materiály, které jsou v daném prostředí chemicky stálé. Často se používá měď, platina, grafit nebo ocel. Při elektrolytické rafinaci mědi se používají tenké plechy z čisté mědi jako startovací katody, na které se usazuje další vysoce čistá měď.
• Elektronky: Jak bylo zmíněno, používá se wolfram nebo kovy (např. nikl) potažené emisní vrstvou oxidů barya a stroncia.
• Katodová ochrana: Pro kabely se často používají měděné vodiče s odolnou izolací (např. XLPE, PVC, PVDF/HMWPE).