در علم شیمی الکترود (Electrode) به ماده ای رسانا گفته می شود که در مدار الکتریکی از یک طرف به بخش فلزی و از طرف دیگر به بخش غیر فلزی متصل شده است و سبب برقراری ارتباط میان آنها می گردد. توجه داشته باشید که بخش فلزی معمولا از جنس سیم مسی است و بخش غیر فلزی نیز می تواند شامل نیمه رسانا، الکترولیت و یا خلا باشد. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک و با توجه به جایگاه مهم و تنوع کاربرد الکترود در شیمی، مهندسی و ساخت و ساز، به بررسی انواع مختلف آن پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.
فهرست مطالب این مقاله
۱- الکترود شیمی یازدهم
۲- الکترودهای شیمیایی
۱-۲- پتانسیل الکترودی
۲-۲- نحوه اندازه گیری پتانسیل الکترودی استاندارد
۳-۲- کاربرد الکترودهای شیمیایی
۳- الکترود های جوشکاری
۱-۳- کاربرد روکش الکترود
۲-۳- انواع الکترودهای جوشکاری
الکترود شیمی یازدهم
همانطور که در بالا بیان شد، الکترود به ماده ای رسانا که در یک مدار الکتریکی، از یک سمت به یک بخش فلزی و از سمت دیگر به بخش غیر فلزی متصل شده است و می تواند سبب برقراری ارتباط میان آن دو بخش گردد گفته می شود. توجه داشته باشید که الکترودها در انواع مختلفی وجود دارند که به عنوان مثال می توان به الکترودهای شیمیایی و الکترود های جوشکاری اشاره کرد. در ادامه مقاله به بررسی این دو مدل الکترود می پردازیم.
الکترودهای شیمیایی
از واکنش های شیمیایی جهت تولید انرژی الکتریکی استفاده می کنند. در واقع به کمک سلول های الکترو شیمایی برای تبدیل انرژی شیمیایی و الکتریکی به یکدیگر بهره می برند. به عبارت دیگر، الکترودها به همراه الکترولیت از مهمترین اجزای یک سلول الکتروشیمایی محسوب می شوند. یک الکترود در حقیقت یک تیغه فلزی است که با محلول الکترولیت در تماس می باشد. آنها سبب انتقال الکترون از مواد داخل سلول الکتروشیمایی به مدار خارجی و یا برعکس آن، یعنی از مدار خارجی به مواد داخل سلول می شوند. توجه داشته باشید که هر سلول الکتروشیمیایی در حقیقت دارای دو الکترود می باشد.
لازم به ذکر است که واکنش های الکتروشیمیایی در آبکاری فلزات، گالوانیزه کردن فلزات و همچنین جلوگیری از زنگ زدن آهن کاربرد دارند. علاوه بر آن، جهت پیش بینی امکان انجام یک واکنش اکسایش – کاهش میان دو ماده شیمیایی، همواره نیازمند بررسی تمایل نسبی این دو ماده نسبت به اکسایش یا کاهش می باشید. توجه داشته باشید که واکنش های اکسایش و کاهش در سطح الکترودها انجام می گیرد. در یکی از آنها عمل اکسایش و در دیگری عمل کاهش رخ می دهد. در الکترودی که در آن، عمل کاهش انجام شود، کاتد نامیده می شود. به طور مشابه آند به الکترودی گفته می شود که در آن عمل اکسایش انجام شود. الکترودها را از هر ماده رسانایی همچون فلزات، نیمه رسانا ها، گرافیت و یا حتی پلیمر های رسانا می توان ساخت.
نکته
الکترودهای سلول های الکتروشیمایی را به وسیله رابط فلزی که در حقیقت عبور جریان الکتریکی را میان آنها ممکن می سازد، به یکدیگر متصل می کنند. حال اگر الکترولیت های اطراف ناحیه کاتدی و آندی از لحاظ نوع یا غلظت با هم تفاوت داشته باشند، بایستی به کمک رابطی از الکترولیت ها به یکدیگر مرتبط شوند. در این صورت هم جریان الکتریکی کامل می شود و هم اینکه از اختلاط الکترولیت ها نیز جلوگیری می شود.
پتانسیل الکترودی
به اختلاف پتانسیل الکترو استاتیکی میان الکترولیت و الکترود، پتانسیل الکترود گفته می شود. در حقیقت زمانیکه دو فاز مختلف در کنار یکدیگر قرار بگیرند، پتانسیلی بین آنها بوجود می آید. در یک فلز، زمانیکه از الکترود صحبت می شود، در واقع منظور یک تیغه فلزی است که در داخل حلال ایده آل و یا محلول کاتیون های آب پوشیده خود قرار گرفته است. مثلا با قرار دادن تیغه فلزی روی در محلولی از یون های آب پوشیده آن همچون محلول روی سولفات (+Zn۲)، الکترود روی (یا نیم سلول روی) ساخته می شود. توجه داشته باشید که اگر الکترود استاندارد مد نظر است، باید حتما غلظت کاتیون های آب پوشیده فلز مورد نظر یک مولار باشد.
هنگامیکه تبادلی میان یون های تیغه و یون های محلول برقرار گردد، در نتیجه انتقال، تعادل برقرار می شود. در این حالت، تیغه بار منفی و محلول بار مثبت خواهد داشت. به اختلاف پتانسیل بین تیغه و محلول، پتانسیل مطلق الکترودی می گویند. البته توجه داشته باشید که به طور فیزیکی نمی توان پتانسیل یک الکترود تنها را اندازه‌گیری نمود. در واقع تنها اختلاف پتانسیل بین دو الکترود را می توان اندازه‌گیری کرد. از این رو، نسبت دادن مقدار مطلق به پتانسل الکترود نتیجه درستی نخواهد بود و به جای آن از پتانسیل قراردادی یا نسبی استفاده می کنند. در واقع این پتانسیل قراردادی از مقایسه کردن پتانسیل هر الکترودی با یک الکترود مرجع یا شاهد بدست می آید. در حقیقت الکترودی مرجع، پتانسیل مشخص دارد و بدین صورت پتانسیل الکترود مورد نظر با محاسبه به راحتی تعیین می گردد.
نحوه اندازه گیری پتانسیل الکترودی استاندارد
پتانسیل الکترودی استاندارد به اختلاف پتانسیل الکترودی استاندارد دو نیم واکنش در یک سلول الکتروشیمیایی گفته می شود که با نماد °E نمایش داده می شود. همانطور که گفته شد، پتانسیل هر الکترود را نمی توان به طور مستقیم محاسبه کرد، بنابراین در این حالت از یک الکترود مرجع یا الکترود شاهد کمک می گیرند.
الکترود استاندارد هیدروژن (SHE) به عنوان الکترود شاهد استفاده می شود که پتانسیل آن را در شرایط استاندارد، صفر ولت در نظر می گیرند. این الکترود در واقع از نواری پلاتینی تشکیل شده است که در تماس با محلول اسیدی یک مولار می باشد، در حالیکه گاز هیدروژن با فشار یک اتمسفر به سل وارد می شود. علاوه بر SHE، سایر موارد نیز به عنوان شاهد یا مرجع انتخاب می شوند. پتانسیل آنها نسبت به SHE به راحتی تعیین می شود. از جمله آنها می توان به الکترود های کالومل، نقره – نقره کلرید و کین هیدروژن اشاره کرد.
برای اندازه گیری °E دیگر الکترودها نسبت به SHE، کافیست که الکترود مورد نظر را از طریق سیم به SHE متصل نمایید. برای اندازه گیری اختلاف پتانسیل میان دو الکترود، یک ولت سنج در مسیر آن قرار می دهند. مقدار پتانسیل را با واحد ولت گزارش می کنند. حال اگر جهت جریان الکترون ها از سمت الکترود مورد بررسی به سمت SHE باشد، در نتیجه پتانسیل الکتریکی آن از SHE منفی تر بوده، پس علامت °E منفی است. در حالیکه اگر جهت جریان الکترون ها برعکس حالت قبل باشد، در نتیجه پتانسیل الکتریکی آن از SHE مثبت تر بوده، پس علامت °E مثبت است.
کاربرد الکترودهای شیمیایی
الکترودهای شیمیایی معمولا برای سنجش و اندازه گیری پارامتر هایی مانند پتانسیومتری، PH متری، اندازه گیری غلظت و یا … در شیمی کاربرد دارند. با توجه به پارامتر مورد سنجش می توان الکترود مناسب را انتخاب کرد. آنها در انواع شیشه ای، فلزی، غیر فلزی، بلوری و غیره به بازار عرضه شده اند که هر کدام کاربرد ویژه و مخصوص به خود را دارند.
الکترود های جوشکاری
الکترود جوشکاری با عبور جریان الکتریکی می تواند یک قوس الکتریکی ایجاد نموده و جهت جوشکاری فلزات بکار رود. در ایران به نام هایی مانند میل کاربیت و باری هم مشهور می باشند. الکترود فضای خالی بین دو قطعه فلزی که قرار است به یکدیگر متصل شوند، را پر می کند. لازم به ذکر است که الکترودهای جوشکاری در قطر های گوناگون وجود دارند. هر یک از قطر ها را می توان جهت جوش دادن ورقه های فلزی با ضخامت های مختلف استفاده کرد. هرچه ضخامت ورق ها بیشتر باشند، برای جوش دادن آنها بایستی از الکترود هایی با قطر کم بهره برد، اما برای ورق هایی که ضخامت کمی دارند از الکترودهایی با قطر بالا استفاده می کنند.
در گذشته از الکترود های بدون روکش استفاده می کردند. این نوع نسبت به الکترود های پوشش دار مقاومت کمتری دارند و باعث ایجاد جوش هایی با ظاهر نا مناسب می شدند. در حالیکه نوع پوشش دار، نه تنها این عیوب را ندارند، بلکه وظیفه از بین بردن اکسید ها و آلودگی ها را نیز بر عهده دارند.
کاربرد روکش الکترود
از مهم ترین وظایف روکش الکترود، می توان به موارد زیر اشاره کرد :
- محافظت، ایجاد ثبات و پایداری در قوس الکتریکی
- هدایت بهتر جریان الکتریسته در قوس الکتریکی
- جلوگیری از اتلاف حرارت و یا انرژی
- افزایش بازدهی رسوب گذاری
- افزایش بازدهی الکترودها و در نتیجه کاهش مصرف آنها
- حذف نا خالصی در فلز مذاب
- ایجاد سرباره و محافظت از جوش به وسیله آن
- جلوگیری از آلوده شدن و همچنین مانع از زنگ زدن میله الکترود
- بهبود آلیاژ سازی و همچنین بهبود خواص فیزیکی جوش
- پیشگیری و مانع از سرد شدن سریع جوش
- کنترل تشعشعات ناشی از جوشکاری، کاهش انعکاس ناشی از قوس الکتریکی و همچنین کاهش پاشش جرقه ها و در نتیجه ایجاد ایمنی بیشتر برای جوشکاران
- امکان انجام جوشکاری در حالت های مختلف مانند جوشکاری سربالا
از دیگر مزیت ها و کاربرد های روکش می توان به قابلیت و توانایی تولید الکترود های متنوع و گوناگون از یک نوع مفتول فلزی اشاره کرد. لازم به ذکر است که عملیات جوش کاری با نوع پوشش دار ساده تر و همچنین با سرعت بالاتری انجام می شود. بنابراین می توان گفت که الکترود جوشکاری دارای دو بخش مهم است که بخش آن شامل فلز جوشکاری و بخش دیگر شامل پوشش روی فلز می باشد. جنس بیشتر پوشش ها از سلولز، آهک، خاک رس، اکسید سدیم و آزبست می باشد.
انواع الکترودهای جوشکاری
الکترودهای جوشکاری انواع گوناگونی در اندازه، سایز و قطر دارند. هر یک از آنها برای یک عملیات خاصی کاربرد دارد. بنابراین برای انجام کار با توجه به نوع فعالیت، جنس فلز، استحکام فلز، سایز لوله ها و انشعابات، خواص شیمیایی و مکانیکی مورد انتظار از جوش، ضخامت قطعه کار، وضعیت جوشکاری، نوع درز یا شیار، وجود یا عدم وجود محیط خورنده، هزینه و سایر موارد می توان الکترود مناسب را انتخاب و جوشکاری را شروع کرد. آنها از نظر نوع پوشش و ضخامت پوشش در دسته های مختلفی قرار می گیرند.
از لحاظ جنس مفتول
- با مفتول فولاد کم کربن
- با مفتول فولاد پر کربن
- با مفتول فولاد زنگ نزن
- با مفتول نیکلی
- مفتول آلومینیومی
- مخصوص چدن
- مخصوص فلزات رنگین
- مخصوص فولاد های آلیاژی
از لحاظ جنس پوشش ها
- پوشش سلولزی
- پوشش اسیدی
- پوشش قلیایی یا بازی
- پوشش روتایل (بی اکسید تیتانیم)
- پوشش اکسیدی
- پوشش رتیلی با پودر آهن
- پوشش اکسید سیلیس
از لحاظ ضخامت پوشش ها
- پوشش نازک
- پوشش ضخیم
- پوشش خیلی ضخیم
- پوشش متوسط
از لحاظ ساخت
- انجماد سریع
- انجماد پر شده
- چسبان سریع
- کم هیدروژن
از نقطه نظر ذوب
- ذوب شونده
- غیر ذوب شونده
