Các cực dương và cực âm là hai thành phần điện cực quan trọng trong các tế bào điện hóa, những thiết bị có khả năng tạo ra điện năng từ các phản ứng hóa học. Pin là một ví dụ điển hình về ứng dụng của tế bào điện hóa. Vậy cực dương và cực âm là gì và chúng hoạt động như thế nào?
Hình ảnh minh họa pin điện hóa với các điện cực, thể hiện quá trình chuyển electron và tạo ra dòng điện. Alt: Pin điện hóa hoạt động với cực dương và cực âm
Tế bào điện hóa được chia thành hai loại chính: tế bào điện phân và tế bào galvanic (hay pin điện). Trong tế bào điện phân, năng lượng điện được sử dụng để kích hoạt một phản ứng hóa học không tự xảy ra. Ngược lại, tế bào galvanic tạo ra năng lượng điện thông qua một phản ứng hóa học tự phát.
Tế bào galvanic thường bao gồm hai nửa tế bào, được kết nối với nhau bằng một dây dẫn kim loại và một cầu muối. Dây dẫn kim loại cho phép dòng điện chạy qua, trong khi cầu muối duy trì sự cân bằng điện tích giữa hai nửa tế bào mà không cho phép các chất hóa học trộn lẫn.
Khi phản ứng hóa học diễn ra, một nửa tế bào sẽ mất electron thông qua quá trình oxy hóa tại điện cực của nó (cực dương). Nửa tế bào còn lại sẽ nhận electron thông qua quá trình khử tại điện cực của nó (cực âm).
Mục Lục
Định Nghĩa Cực Dương và Cực Âm Chi Tiết
Cực Dương (Anode)
Cực dương, hay anode, có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp “aná” (lên trên) và “odós” (đường). Thuật ngữ này được Michael Faraday đặt ra vào thế kỷ 19.
Định nghĩa chính xác nhất của cực dương là điện cực nơi xảy ra quá trình oxy hóa, tức là quá trình mất electron. Cực dương thường được liên kết với cực dương (+) của dòng điện, tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng đúng. Ví dụ, trong pin, cực dương mang điện tích âm (-), trong khi đó ở đèn LED, cực dương lại mang điện tích dương (+).
Hình ảnh minh họa quá trình oxy hóa xảy ra tại cực dương trong tế bào điện hóa. Alt: Phản ứng oxy hóa tại cực dương giải phóng electron
Hướng của dòng điện thường được xác định theo hướng chuyển động của các điện tích dương. Tuy nhiên, trong các dây dẫn không phải kim loại, các điện tích dương (cation) mới là những hạt mang điện tích. Do đó, dòng điện được coi là dòng chuyển động của các cation từ cực dương sang cực âm.
Trong tế bào galvanic, dòng điện được tạo ra bởi phản ứng hóa học sẽ đi từ cực dương sang cực âm thông qua dây dẫn kim loại. Ngược lại, trong tế bào điện phân, không có dây dẫn kim loại mà là chất điện phân. Trong chất điện phân, các ion mang điện tích dương và âm di chuyển ngược chiều nhau, nhưng dòng điện vẫn được quy ước là đi từ cực dương sang cực âm.
Trong một số ứng dụng đặc biệt như cực dương nhiệt điện, cực dương nhận phần lớn electron từ cực âm và nóng lên. Nhiệt này được tạo ra do điện áp giữa các electron.
Cực dương đặc biệt:
Một ví dụ về cực dương đặc biệt là cực dương trong ống tia X. Trong các ống này, năng lượng của các electron được sử dụng để tạo ra tia X, nhưng đồng thời tạo ra một lượng nhiệt lớn làm nóng cực dương. Do đó, cần có các biện pháp tản nhiệt hiệu quả cho cực dương.
Cực Âm (Cathode)
Cực âm, hay cathode, là điện cực nơi xảy ra quá trình khử, tức là quá trình nhận electron. Tại cực âm, trạng thái oxy hóa của các chất tham gia phản ứng sẽ giảm xuống khi chúng nhận thêm electron.
Tương tự như cực dương, thuật ngữ “cathode” cũng được Faraday đề xuất, bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “katá” (hướng xuống) và “odós” (đường). Theo truyền thống, cực âm được coi là điện cực mang điện tích âm. Tuy nhiên, điện tích thực tế của cực âm có thể thay đổi tùy thuộc vào thiết bị cụ thể.
Hình ảnh minh họa quá trình khử xảy ra tại cực âm trong tế bào điện hóa. Alt: Phản ứng khử tại cực âm nhận electron
Như đã đề cập ở trên, việc gán điện tích âm cho cực âm xuất phát từ quy ước rằng dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm, điều này đúng trong tế bào galvanic. Tuy nhiên, trong tế bào điện phân, dòng điện được truyền qua chất điện phân, nơi các ion âm và dương di chuyển ngược chiều nhau. Mặc dù vậy, quy ước vẫn là dòng điện đi từ cực dương sang cực âm.
Cực âm nhiệt:
Một loại cực âm đặc biệt là cực âm nhiệt, hay thermionic cathode. Trong loại này, cực âm phát ra electron nhờ tác dụng của nhiệt. Ví dụ, trong các van điện tử (chân không), cực âm có thể tự làm nóng bằng cách cho dòng điện chạy qua một dây tóc được gắn với nó.
Phản Ứng Cân Bằng trong Tế Bào Điện Hóa
Để hiểu rõ hơn về vai trò của cực dương và cực âm, chúng ta hãy xem xét phản ứng cân bằng xảy ra trong một tế bào galvanic điển hình.
Mỗi nửa tế bào trong tế bào galvanic có một điện áp đặc trưng, được gọi là thế điện cực chuẩn. Thế điện cực chuẩn biểu thị khả năng khử của một chất hóa học so với điện cực hydro tiêu chuẩn. Trong mỗi nửa tế bào, một phản ứng oxy hóa khử xảy ra giữa các ion khác nhau.
Khi phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng, tế bào sẽ không thể cung cấp thêm điện năng. Tại thời điểm này, thế của phản ứng oxy hóa khử sẽ đạt giá trị dương tối đa. Thế của phản ứng càng lớn, phản ứng càng có xu hướng xảy ra mạnh mẽ.
Ở cực dương, khi trạng thái cân bằng bị phá vỡ, nó sẽ bắt đầu mất electron, và các electron này sẽ di chuyển qua dây dẫn đến cực âm.
Ở cực âm, phản ứng khử sẽ diễn ra, và các chất tham gia phản ứng sẽ nhận electron từ cực dương. Phản ứng khử sẽ diễn ra càng mạnh mẽ nếu thế điện cực của nó càng khác xa so với trạng thái cân bằng.
Tài liệu tham khảo
- HUHEEY, James E., et al. Hóa vô cơ: nguyên tắc cấu trúc và khả năng phản ứng. Pearson Giáo dục Ấn Độ.
- KO, Michell J .; ROBERT, A. Hóa học: nguyên tắc và tính chất. New York, Hoa Kỳ: McGraw-Hill.
- PETRUCCI, Ralph H., et al. Hóa học đại cương. Quỹ giáo dục liên Mỹ.
- BROWN, Theodore L.; et al. Hóa học: khoa học trung tâm. Pearson Giáo dục.
- CHANG, Raymond. Hóa học. McGraw-Hill.