Gli elettrodi sono necessari per la creazione di qualsiasi batteria. Tutti gli elettrodi possono essere classificati in due categorie: anodi e catodi. Ciascuno di questi tipi di elettrodi ha bisogno dell'altro per facilitare la corrente convenzionale che permette a una batteria di funzionare correttamente.
In che cosa si differenzia un anodo da un catodo?
La differenza principale tra un anodo e un catodo si può osservare nel loro rapporto con gli elettroni e, per estensione, nel modo in cui contribuiscono a una reazione redox.
Durante una reazione elettrochimica, un anodo perderà elettroni nel circuito, diventando ossidato nel processo; mentre un catodo guadagnerà questi elettroni per essere ridotto. Continui a leggere per approfondire le loro differenze!
Che cos'è un Anodo?
L'anodo, in senso stretto, è l'elettrodo che rilascia gli elettroni e di conseguenza è il sito che viene ossidato durante una reazione redox. Per chiarezza, ricordiamo che l'ossidazione si riferisce semplicemente alla perdita di elettroni.
Quando gli elettroni escono da un anodo e fluiscono nel circuito, l'anodo acquista una carica positiva. Questo attira gli ioni negativi - o anioni - verso l'anodo, che sarà quindi in grado di ottenere i suoi elettroni supplementari per sostituire quelli che perde mentre rimane attivo. Per questo motivo, gli anodi sono anche chiamati accettori di elettroni.
Per gli anodi si utilizzano metalli ossidanti; i metalli più comuni sono lo zinco, l'alluminio e il magnesio.
Che cos'è un Catodo?
I catodi funzionano in modo esattamente opposto agli anodi. Si tratta di un elettrodo che riceve gli elettroni che arrivano attraverso il circuito. Questo afflusso di elettroni porta alla riduzione di un catodo, completando l'altra metà di una reazione redox.
Con l'aggiunta di questi nuovi elettroni, il catodo acquisisce una carica negativa. Questo fa sì che gli ioni positivi - noti anche come cationi - si spostino verso il catodo. Mentre il circuito rimane attivo, donerà gli elettroni extra che riceve a questi cationi; alla luce di ciò, i catodi sono chiamati donatori di elettroni.
I materiali utilizzati per la realizzazione dei catodi includono litio, cobalto, nichel e manganese.
Differenze tra un Anodo e un Catodo
Etimologia
Michael Faraday fu il primo a nominare entrambi gli elettrodi nel 1834, durante uno studio elettrochimico, anche se si avvalse dell'aiuto del collega William Whewell, che creò i termini "anodo" e "catodo" per l'articolo di Faraday.
Il termine "anodo" deriva dalla parola greca per la salita, che era "anodos" (ἄνοδος). Allo stesso modo, "catodo" deriva dalla parola per discesa in greco, "kathodos" (κάθοδος).
Con la scoperta dell'elettrone, gli etimologi moderni giustificano l'uso di queste parole, in quanto gli elettroni 'salgono' dagli anodi e 'scendono' nei catodi.
Flusso di elettroni
In un circuito, la differenza di potenziale elettrico all'interno di una batteria induce gli elettroni a spostarsi dall'anodo e a fluire attraverso il circuito.
Questi elettroni passano attraverso i carichi e qualsiasi altro componente del circuito prima di raggiungere ed entrare nel catodo.
Si può fare un contrasto con il modello di corrente convenzionale, che funziona in modo opposto al flusso di elettroni; invece di far muovere gli elettroni dagli anodi e dai catodi, considera che il flusso di corrente inizi dai catodi.
Ioni attratti
Il movimento di elettroni da un anodo a un catodo fa sì che entrambi gli elettrodi acquisiscano cariche.
Gli anodi acquisiscono una carica positiva attraverso la perdita di elettroni. Questo attira gli ioni con carica negativa dalla soluzione o dal materiale elettrolitico.
Al contrario, l'afflusso di elettroni aggiunti porta i catodi a diventare carichi negativamente, il che attira i cationi con carica positiva verso l'elettrodo.
Mezza reazione
Quando una batteria si scarica, si verifica il movimento di un elettrone da una specie donatrice a una accettore. Questo movimento è la base delle reazioni redox.
L'anodo è l'elettrodo ossidante, in quanto cede elettroni al circuito. Allo stesso modo, l'elettrodo riducente, che riceve tali elettroni, è il catodo.
Carica
Il fatto che un elettrodo sia carico positivamente o negativamente in una determinata configurazione è una causa comune di confusione.
Quando una batteria è in carica, l'anodo è polarizzato positivamente e il catodo ha una carica negativa. Le loro cariche vengono invertite quando la batteria viene utilizzata.
Componenti
Nelle batterie agli ioni di litio, la grafite - una forma di carbonio altamente conduttiva - è il materiale più redditizio per gli anodi.
I catodi di una batteria agli ioni di litio sono in genere derivati da ossidi di metallo. Il più comune di questi è l'ossido di litio e cobalto (LiCoO2), o altri ossidi stratificati. Vengono regolarmente utilizzati anche polianioni come il fosfato di ferro di litio (LiFePO4), o spinelli di magnesio/alluminio come l'ossido di manganese di litio (Li/MgO2).
Tabella di confronto: Anodo vs Catodo
| Aree | Anodo | Catodo |
| Etimologia | "Anodos, in greco, significa "salita" | "Kathodos", in greco, significa "discesa" |
| Flusso di elettroni | Gli elettroni escono dagli anodi | Gli elettroni si spostano nei catodi |
| Ioni attratti | Anioni | Cationi |
| Mezza reazione | Ossidato | Ridotto |
| Carica | Positivo (carica) Negativo (scarica) | Negativo (carica) Positivo (scarica) |
| Componenti | Carbonio (grafite) | Ossidi metallici, ad esempio ossido di litio e cobalto (LiCoO2) |
Come sono simili gli anodi e i catodi?
Gli anodi e i catodi, nonostante siano letteralmente opposti in termini di carica e semireazioni, sono comunque una parte vitale di qualsiasi batteria. Senza questi elettrodi, una batteria sarebbe inutilizzabile.
Gli elettrodi facilitano il movimento degli elettroni attraverso un circuito. Sia gli anodi che i catodi sono anche coinvolti nelle reazioni di ossidoriduzione, anche se attraverso semireazioni opposte. Inoltre, i due elettrodi si caricano quando il circuito è attivo e attraggono i rispettivi ioni.
Come nota finale, entrambi gli elettrodi devono il loro nome ai lavori di Michael Faraday e William Whewell, contributori fondamentali al campo dell'elettrochimica.
Domande Frequenti
Chi ha inventato la prima batteria moderna?
Al chimico italiano Alessandro Volta viene attribuita la creazione della prima batteria elettrochimica moderna, la pila voltaica, nel 1800.
Una semplice cella elettrica costituita da un disco di zinco e rame con un sottile strato di elettrolita in mezzo, era l'unità di base della pila voltaica. Diverse di queste coppie venivano impilate l'una sull'altra, aumentando la tensione dell'intera batteria.
Collegando i contatti in alto e in basso con un filo, si osservava il passaggio di una corrente elettrica.
Perché le batterie agli ioni di litio sono così comuni?
Le batterie agli ioni di litio sono attualmente il tipo di batteria più utilizzato per alimentare un'ampia gamma di dispositivi elettronici, dagli auricolari ai telefoni e ai computer portatili.
Le batterie agli ioni di litio presentano diversi vantaggi rispetto ad altri tipi di batterie concorrenti, come quelle al nichel-cadmio. Poiché possono immagazzinare molta più energia in un pacchetto di dimensioni ridotte, sono notevolmente dense di energia. Sono anche in grado di erogare maggiori quantità di corrente e vantano una maggiore durata della batteria.
Inoltre, a differenza dei modelli Ni-Cd, le batterie Li-ion non utilizzano il cadmio, che è un elemento tossico.
Conclusione
Gli anodi e i catodi sono due tipi di elettrodi indispensabili per qualsiasi batteria.
Le differenze chiave tra entrambi si trovano nella loro reazione a metà, nel ruolo nel flusso di elettroni e negli ioni che attraggono.
Gli anodi rilasciano elettroni nel circuito. Nel processo, si ossida e guadagna una carica positiva, attirando anioni da cui prende elettroni extra.
All'estremità opposta, i catodi ricevono elettroni. Successivamente si riducono, acquisendo una carica negativa che attira i cationi che guadagnano i suoi elettroni extra.
