Elektrods

Elektrods (no elektr(ība) un grieķu: ὁδός (odos) — 'ceļš') ir elektrovadoša materiāla ierīce (tās daļa), caur kuru tiek pievadīta elektriskā strāva. Pozitīvi lādētos elektrodus sauc par anodiem, negatīvi — par katodiem.

Elektrodu veidi

• Elektroķīmijā elektrods ir elektroķīmiskās sistēmas daļa, kas sastāv no strāvas vadītāja (parasti metāliska) un to aptverošā šķīduma, izšķir pirmā veida un otrā veida elektrodus. (Sk. arī ūdeņraža elektrods, kalomela elektrods, salīdzinošais elektrods, elektroda standartpotenciāls.)
• Elektrotehnikā elektrods ir ierīce, caur kuru no vadiem sastāvošas elektriskās ķēdes daļa savienojas ar bezvadu (nemetālisku) ķēdes daļu — jonizētu gāzi, vakuumu, elektrovadošu šķidrumu. Piemēram, elektronu lampu elektrodi atrodas vakuumā un vada vai izraisa lampā notiekošos elektriskos procesus.
• Par elektrodu sauc arī konstrukcijas elementu, pa kuru tiek padota, novadīta vai uztverta elektriskā strāva, piemēram, metināšanas elektrods, sazemēšanas elektrods, elektroencefalogrāfijas elektrods.

Elektrods elektroķīmijā

Pirmā veida elektrods un otrā veida elektrods

Pirmā veida elektroda ar aktīvu metālu shematisks attēls

Pirmā veida elektrods ir metāls, kurš iegremdēts tā paša metāla katjonu šķīdumā, piemēram, sudraba gabals sudraba nitrāta (AgNO₃, kurš ūdenī pastāv Ag⁺ katjonu un NO₃^- anjonu veidā) šķīdumā. Ja metāls ir aktīvs (cinks, dzelzs, kadmijs un citi), pozitīvie metāla joni pāriet elektrolīta šķīdumā, elektroniem paliekot uz metāla kristāliskās fāzes virsmas. Tādējādi metāla virsma iegūst noteiktu negatīvo lādiņu (to piešķir elektroni), šķīdums pie metāla robežvirsmas iegūst noteiktu pozitīvo lādiņu (to piešķir metāla katjoni) un rodas elektriskais dubultslānis — potenciālu starpība. Metāla pāriešanu elektrolītā jonu veidā (oksidēšanās) vispārīgi attēlo kā ${\ce {Me^{0}<=>Me^{n{+}}{+}ne-}}$. Ja metāls ir pasīvs (varš, sudrabs u.c.), pozitīvie metāli no elektrolīta šķīduma pāriet uz metāla kristālisko fāzi, tas ir, notiek adsorbcija. Tādējādi metāla virsma iegūst noteiktu pozitīvo lādiņu (to pieškir metāla katjoni), šķīdums pie metāla robežvirsmas iegūst noteiktu negatīvo lādiņu (to piešķir elektrolīta anjoni) un tāpat rodas elektriskais dubultslānis. Metāla jonu adsorbciju uz metāla virsmas (reducēšanās) vispārīgi attēlo kā ${\ce {Me^{n{+}}{+}ne^{-}<=>Me^{0}}}$.

Otrā veida jeb oksidēšanās—reducēšanās elektrods ir metāls ar tā paša metāla nešķīstoša savienojuma slāni, kurš iegremdēts šī nešķīstošā savienojuma anjonu šķīdumā, piemēram, sudraba gabals, kura virsmu klāj sudraba hlorīds, kālija hlorīda (KCl, kurš ūdenī pastāv K⁺ katjonu un Cl^- anjonu veidā) šķīdumā. Elektronu vadāmību nodrošina metāls, kurš konkrētos apstākļos ne oksidējas, ne reducējas (indiferents metāls). Jonu vadāmību nodrošina redoks. pāra oksidētās un reducētās formas elektrolīta šķīdums. Vienā elektrodā redoks. pāra reducētā forma atdod elektronus metālam un pāriet oksidētajā formā, citā elektrodā redoks. pāra oksidētā forma saņem no metāla elektronus un pāriet reducētajā formā. Tādējādi starp kristālisko un šķīduma fāzi tiek pārnesti elektroni un rodas potenciālu starpība.

Izmantošana

Elektrodi tiek izmantoti galvaniskajā elementā, kurš sastāv no ķēdē saslēgtiem, telpiski atdalītiem diviem dažādiem pirmā veida elektrodiem (viens metāls — aktīvs, veido anodu, otrs — pasīvs, veido katodu; katrs metāls iegremdēts savā elektrolītā, bet abiem elektrolītiem ir viens un tas pats anjons) vai diviem dažādiem otrā veida elektrodiem (vienā var norisināties tikai pirmā pusreakcija, otrā — tikai otrā pusreakcija).

Tāpat elektrodi tiek izmantoti elektrolīzē.

Elektroda potenciāls

Elektroda potenciāls ir potenciālu starpība elektroda elektriskajā dubultslānī, to nevar izmērīt, jo, ievadot mērierīces vadu šķīdumā, tas kļūst par vēl vienu elektrodu un mērierīce uzrādīs potenciālu starpību starp diviem elektrodiem. Nezināmo elektroda potenciālu var uzzināt, saslēdzot to ķēdē ar elektrodu, kura potenciāls ir zināms (salīdzinošais elektrods), tas ir, izveidojot galvanisko elementu, kura elektrodzinējspēks $EDS$, savukārt, ir izmērāms. Tad nezināmo elektroda potenciālu aprēķina, izmantojot formulu

$EDS=E_{kat}-E_{an}$,

kur $E_{kat}$ ir pozitīvākā elektroda (katoda) potenciāls, $E_{an}$ ir negatīvākā elektroda (anoda) potenciāls.

Elektrodu polarizācija

Galvaniskajam elementam darbojoties vai notiekot elektrolīzei, EDS kļūst mazāks par teorētiski teorētiski iespējamo jeb mazāks par teorētisko abu elektrodu potenciālu starpību. Protams, EDS izmaiņu (turklāt ne tikai samzināšanos, bet arī palielināšanos) var izraisīt izmaiņas gan ārējās, gan iekšējās ķēdes pretestībā (par galvaniskā elementa uzbūvi skatīt: Galvaniskais elements), taču EDS samazināšanās vienmēr ir saistīta ar elektrodu polarizāciju. Elektrodu polarizāciju summāri veido elektroķīmiskā polarizācija, koncentrācijas polarizācija un ķīmiskā polarizācija.

Elektroda standartpotenciāls tiek noteikts tad, kad caur elektrodu neplūst strāva ($I=0$), bet plūst tikai apmaiņas strāva (elektronu pāreja starp elektroda cieto un šķidro fāzi). Tas ir līdzsvara stāvoklis

${\ce {Me^{0}<=>Me^{n{+}}{+}ne-}}$,

kad oksidēšanās reakcijas un reducēšanās reakcijas ātrums ir vienāds — elektronu apmaiņas ātrums caur fāžu robežvirsmu abos virzienos ir vienāds. Elektrodu kinētikas aprakstīšanai tiek izmantots strāvas blīvums $j$, kas ir strāvas stiprums uz laukuma mērvienību. Redoks. reakcijas ātrums ir proporcionāls strāvas blīvumam elektrodā, līdzsvara stāvoklī arī strāvu blīvumi abos virzienos ir vienādi. Kad caur elektrodu sāk plūst strāva (tiek izveidots galvaniskais elements vai tiek pievadīta strāva no ārēja avota), abi strāvas blīvumi vairs nav vienādi un elektroda reālais potenciāls $E_{j}$ neatbildīs teorētiskajam potenciālam $E$; šo abu potenciālu starpība ir elektroda polarizācija:

$E_{j}-E=E_{polariz}$ jeb $E_{j}-E=\eta$,

kur $E_{polariz}$ ir elektroda polarizācija, kuras jēdzienu izmanto, aprakstot galvaniskā elementa darbu, bet $\eta$ ir virsspriegums, kura jēdzienu izmanto, aprakstot elektrolīzes procesu.