Anorganische Chemie

Die Kathode ist eine Elektrode. Was ihre Funktion bei der Elektrolyse ist und wo sie überall verwendet wird, erfährst du in diesem Beitrag! %Du musstest heute schon viel lesen und hast darauf keine Lust mehr? Kein Problem, wir haben ein kurzes Video für dich vorbereitet!

Inhaltsübersicht

Was ist eine Kathode?

Eine Kathode (auch Katode) ist eine Elektrode, an der positiv geladene Teilchen (Kationen)  Elektronen aufnehmen können. An ihr kann also eine Reduktionsreaktion ablaufen. An ihrer Gegenelektrode, der Anode %Verweis Anode, findet die dazugehörige Oxidation statt. Deshalb kannst du sagen, dass Anode und Kathode oft an einer  Redoxreaktion beteiligt sind.

Ob eine Elektrode positiv oder negativ ist, hängt davon ab, welche Reaktion abläuft. Bei einer freiwillig ablaufenden Redoxreaktion wie in der galvanischen Zelle ist die Kathode die positive Elektrode. Hingegen bei unfreiwillig ablaufenden Redoxreaktionen ist die Kathode immer die negative Elektrode%vielleicht könntest du hier einfach als einleitung schreiben: dass die Polarität also (-) und +Pol abhängt welche Reaktion stattfindet. und dann dann bei einer freiwillig ablaufenden Redoxreaktion wie der galvanischen Zelle ist die Anode die negative Elektrode. dann das unfreiwillig und dann kannst du das mit der Elektrolyse bringen:)

 

Ein Beispiel für eine unfreiwillig ablaufende Redoxreaktion ist die Elektrolyse.  Bei einer Elektrolyse kann mithilfe von elektrischem Strom eine Redoxreaktion stattfinden. Dabei ist die Kathode mit dem Minuspol verbunden und negativ geladen. Aus diesem Grund werden positiv geladene Teilchen (Kationen) von der Kathode angezogen. Die Kationen können dann Elektronen von der Kathode aufnehmen, wodurch sie sich entladen.

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Ablauf Galvanische Zelle und der Elektrolyse.

 

In der Elektrotechnik ist die Kathode eine Elektrode von beispielsweise Brennstoffzellen oder Lithium-Ionen-Akkus.

Kathode Definition

Die Kathode (auch Katode, engl. cathode) ist eine Elektrode, an der Kationen ihre Elektronen aufnehmen können. Bei einer Elektrolyse findet an einer Kathode die Reduktion als Teil einer Redoxreaktion statt.

Elektrolyse Anode Kathode

Bei einer Elektrolyse sind Anode und Kathode in einer Elektrolytlösung durch eine „Wand“ getrennt. Die „Wand“ nennst du Diaphragma. Die Kathode ist dabei mit dem Minuspol verbunden und die Anode mit dem Pluspol. Bei der Elektrolyse wird Strom angelegt und daher elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt.

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Ablauf der Elektrolyse

 

Durch das Anlegen eines Gleichstroms fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode. Deshalb ist die Kathode negativ geladen. Aufgrund der gleichen Ladung werden die Anionen, die sich in der Elektrolytlösung befinden, von der Kathode abgestoßen. Im Gegensatz dazu werden die positiv geladenen Teilchen (Kationen) von der Kathode angezogen. Die Kationen können dann von der Kathode Elektronen aufnehmen und sich so entladen.

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Kathode in der Elektrolyse

 

Prinzipiell können Kathoden aber auch positive Elektroden sein. Das schauen wir uns am besten anhand eines Beispiels an. 

Kathode Lithium-Ionen-Akku

Falls dein Handy etwas neuer ist, enthält es einen sogenannten Lithium-Ionen-Akku. Ein Akku besteht eben aus einer Kathode und einer Anode, die in eine Elektrolytlösung getaucht sind. 

Wenn dein Handy-Akku leer ist, schließt du das Ladegerät an und lädst ihn damit auf. Beim Ladevorgang ist die Kathode die negative Elektrode. Beim Lithium-Ionen-Akku ist die Kathode mit dem Pluspol verbunden. Deshalb fließen, sobald du Strom anlegst, die Elektronen von der Kathode zur Anode. Um das auszugleichen, wandern die positiv geladenen Lithium-Ionen ebenfalls zur Anode und lagern sich dort ein. Das passiert solange, bis dein Handy-Akku voll aufgeladen ist. Der Ladevorgang entspricht also dem Prinzip der Elektrolyse.

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Ladevorgang Lithium-Ionen-Akku

 

Durch die tägliche Benutzung deines Handys entlädt sich der Akku aber auch wieder. Der Entladevorgang läuft freiwillig ab, das heißt du musst dein Handy dafür nirgendwo anschließen. Hier wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt. Im Prinzip läuft der Entladevorgang genau gegenteilig zum Ladevorgang ab. Die Kathode ist jetzt die positive Elektrode. Das bedeutet, die Anode gibt die Elektronen an die Kathode ab. Das zieht die positiv geladenen Lithium-Ionen an. Deshalb strömen sie also zur Kathode und lagern sich dort ein. Das findet solange statt, bis dein Akku komplett leer ist. Der Entladevorgang entspricht somit dem Ablauf in einer galvanischen Zelle.

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Entladevorgang Lithium-Ionen-Akku

 

Hinweis

Die Begriffe Anode und Kathode beziehen sich nicht auf die Art der Elektrode (positiv/negativ), sondern auf den Vorgang, der an ihnen abläuft (Oxidation/Reduktion). Beim Lithium-Ionen-Akku ist die Kathode deshalb beides: positive und negative Elektrode. Beim Ladevorgang ist die Kathode die negative Elektrode. Beim Entladevorgang ist sie die positive Elektrode. %macht es Sinn das als Kasten zu machen oder lieber ohne?:) %finde ich gut so!

Die Reaktionsgleichungen der Kathode für den Ladevorgang deines Handy-Akkus sehen dann so aus:

Kathode (Reduktion): Graphit + 2e + 2Li+ \rightarrow Li2Graphit 

Die Kathodengleichung für den Entladevorgang stellst du so auf:

Kathode (Reduktion): MnO2 + 2Li+ + 2 e–  \rightarrow Li2MnO2

Kathode Anwendungen

Kathoden findest du nicht nur in Akkus, sondern auch in weiteren Gebieten der Elektrotechnik: 

  • Brennstoffzelle: Galvanische Zelle , die chemische in elektrische Energie umwandelt.
  • LED-Leuchtmittel: erzeugen Licht mittels einer Leuchtdiode.
  • Bleiakkumulatoren: Funktionsweise wie beim Lithium-Ionen-Akku.
  • Elektronenstrahlröhre: erzeugt gebündelten Elektronenstrahl.
  • Elektronenmikroskop : kann das Innere oder die Oberfläche einer Probe mit Elektronen abbilden.
  • Diode: elektronisches Bauelement, das den Stromfluss nur in eine Richtung (Durchlassrichtung) zulässt und für die andere Richtung sperrt.

Kathode Anode 

Fassen wir einmal zusammen: An der Kathode kann eine Reduktionsreaktion stattfinden und an der Anode die dazugehörige Oxidationsreaktion. Die beiden Elektroden arbeiten also sozusagen zusammen und treten meistens gemeinsam auf. Nicht nur in der Chemie, sondern auch in der Elektrotechnik sind Anode und Kathode zu finden. Ein Beispiel dafür ist die Leuchtdiode. Eine Leuchtdiode strahlt Licht aus, wenn der elektrische Strom in Durchlassrichtung fließt. Eine Diode leitet von der Anode zur Kathode. Deshalb ist es wichtig, dass du weißt, wo die Kathode und wo die Anode ist. Dafür gibt es eine Eselsbrücke.

Anode Kathode Eselsbrücke

Der Merkspruch lautet: Kurz, Kathode, klappt! So kannst du dir merken, dass das kürzere Beinchen der LED immer die Kathode ist. Das längere Beinchen der LED ist dann dementsprechend die Anode. 

LED Kathode, Anode Kathode LED
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LED Anode Kathode

 

Wenn du jetzt auch noch andere Dioden und die genaue Funktionsweise einer Diode erklärt bekommen möchtest, schau dir gerne unser kurzes Video dazu an! 

Zum Video: Diode
Zum Video: Diode

 

Kathode und Anode treten meistens gemeinsam auf. Dennoch gibt es Unterschiede zwischen den beiden Elektroden.

Die Kathode ist eine Elektrode, an der bei der Elektrolyse die Reduktionsreaktion einer Redoxreaktion stattfinden kann. Im Gegensatz dazu findet an der Anode die dazugehörige Oxidation statt. Ein weiterer Unterschied ist, dass die Kathode meistens am Minuspol angeschlossen ist und die Anode am Pluspol. Dann wandern die Kationen zur Kathode und die Anionen zur Anode. Auch das kannst du dir gut über eine Eselsbrücke merken: die Anfangsbuchstaben der Ionen und der dazugehörigen Elektrode sind identisch. %Wenn du im Detail erklärt bekommen möchtest, was die Anode ist, schau dir jetzt unser Video dazu an!


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