アノード、カソードとは何?酸化体と酸化剤、還元体と還元剤の違いは?

アノード、カソードとは?酸化体と酸化剤、還元体と還元剤の違いは?【電池・腐食分野とLEDでは向きが逆?】

 

リチウムイオン電池は高電圧、高容量、高エネルギー密度、長寿命などのメリットがあるためスマホバッテリーや電気自動車搭載電池、家庭用蓄電池などの採用されています。

 

二次電池の中で性能を比較したとしても、個人で使用する場合や独立型電源(オフグリッド)などで使用する場合はリチウムイオン電池が最も適しているといえるでしょう(リチウムイオン電池の課題としては、リチウムイオン電池の発火事故の急増などからわかるようにリチウムイオン電池の危険性(安全性)であるといえます。)

 

IOT化が今後進むにつれ、リチウムイオン電池の重要性がより増していきます。

 

このような電池や電池の原理に関係する学問である電気化学での用語として、「アノード・カソード」「酸化剤・還元剤」「酸化体・還元体」といったものがあり、理解しておくといいです。

 

ここでは、アノード・カソード、酸化剤・還元剤、酸化体・還元体に関係する以下のテーマで解説しています。

 

・アノード・カソードとは?電池におけるアノード・カソードとは?

 

・酸化体と酸化剤、還元体と還元剤とは?

 

・腐食分野でのアノード・カソード

 

・LEDにおけるアノード・カソード

 

というテーマで解説していきます。

 

 

アノード・カソードとは?電池におけるアノード・カソードとは?

 

アノードの本来の定義は、酸化反応が起こる方の電極のことを指します。

 

酸化とは、電子を失う反応のことを指し、酸化反応のことをアノード反応と呼んだり、酸化反応時に流れる電流のことを酸化電流、アノード電流と呼びます。

 

逆にカソードの本来の定義は、還元反応が起こる電極のことを指します。

 

還元とは、電子を受け取る反応のことを指し、還元反応のことをカソード反応と呼んだり、還元反応時に流れる電流のことを還元化電流、カソード電流と呼びます。

 

アノード、カソード本来の定義からすると二次電池では充電放電で、酸化、還元の向きが逆転するため、両方ともアノード、カソードになる可能性があります。

 

しかし、リチウムイオン電池を始めとした電池では放電時の反応が自然に起こる反応(外部からエネルギーを加えずに起こる反応)、放電時に還元反応が起こる正極をカソード、放電時に酸化反応が起こる負極をアノードと固定して呼んでいます。

 

リチウムイオン電池をはじめとした電池ではプラス(+)極がカソード、マイナス(-)極がアノードと覚えておきましょう。

 

混乱しないように気をつけましょうね。

 

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酸化体と酸化剤、還元体と還元剤とは?

 

次に紛らわしい言葉である酸化体と酸化剤、還元体と還元剤について解説します。

 

酸化体、還元体という組み合わせにおいて、酸化体とは酸化された状態(酸化数が高い)のことを指し、還元体とは還元された後の状態(酸化数が低い)のことを指します。

 

電子授受平衡を考える上で、良く酸化体、還元体という言葉が出てきますので、理解しておきましょう。
そして、酸化剤、還元剤という組み合わせにおいて、酸化剤は相手を酸化させ自身は還元されるもの、還元剤は相手を還元させ自身は酸化されるものです。

 

紛らわしいので、きちんと理解しましょう。

 

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腐食分野でのアノード・カソード

 

意外に知られていなかもしれませんが、腐食は電気化学と密接な関係があります。

 

腐食とは、イオン化傾向の違い(詳しくは標準電極電位のことを指します)によって、電池と同じように正極や負極ができ、そこで電気化学的な反応がおこることで、錆が発生したり部材が溶けたりする反応のことを指します(腐食の詳細はこちらで解説しています)。

 

つまり、腐食反応では腐食が起こる部分において電池ができており、この仕組みのことを局部電池と呼んだりします。

 

以下で腐食が起こるメカニズムをまず解説します(以下こちらの私の記事の一部引用しています)

 

ーーーーー(※以下引用)ーーーーー

 

一般的に鉄が錆びる現象が腐食では最も身近な例として考えられますが、さびの生成の仕方により腐食(湿食)は分類することができます(錆びと腐食の違いとしては、錆びは腐食現象の一部であるといえます)。

 

主に酸性の溶液中などでは水素イオン(H+)の濃度が高くなっているため、この水素イオンが反応し水素を発生させます。

 

このタイプの腐食のことを水素発生型腐食と呼び、主にイオン化傾向が大きい金属つまり卑な金属で、かつ酸性条件下などでこの腐食が起こります。

 

もう一つの種類は、主に中性やアルカリ性溶液下で溶存酸素が反応し、つまり酸素を消費する反応により起こるタイプの腐食です。

 

このタイプの腐食のことを酸素犠牲型腐食と呼び、主にイオン化傾向が小さい金属つまり貴な金属で、かつ中性やアルカリ性下などでこの腐食が起こります。
 
主な反応例、イメージ図を下記に示します。

 

 

 

そして、腐食は局部電池とも呼ばれ、電池と同じようにアノード(酸化反応が起こる極)とカソード(還元反応が起こる極)と電解質がある状況下で反応が起こるのです。

 

つまり、金属、水素イオンや溶存酸素などの酸化剤、電解質の三つがそろうことで反応が起こります。。

 

上右図で示しました酸素犠牲型腐食において鉄が溶けた場合は、水分中の溶存酸素、水とさらに反応することでFe(OH2)を始めとしたさびが発生します。

 

ーーーーー(※引用終わり)ーーーーー

 

このように、腐食のメカニズムにおいては、主に金属がアノードになり、水素イオンや酸素がカソードとなります。電解質は局部電池の周りを覆う水分などにあたります。

 

また、アノードになるかカソードになるかは、イオン化傾向正確には標準電極電位)の大きさによって決まります。イオン化傾向が大きいほど、溶けやすいためにアノードになりやすくなります。

 

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LED(ダイオード)におけるアノード・カソード

 

一方でLED(ダイオード)におけるアノード・カソードの見分け方(どっちがアノード、どっちがカソードか)は、電池・腐食分野の逆ともいえます。

 

LEDでは、プラス(+)極の方にアノード(A)をつなぎ、マイナス(-)極の方にカソード(K)をつなぎます。

 

LEDのようなダイオードでは、電流の向きが一方通行であるために配線を間違えるとLEDが壊れるおそれがありますので、気を付けましょう。

 

下図電気回路図中のLEDの記号では、LEDの矢印の向きが電流の流れる方向を表しています。電流がプラスからマイナスへ流れることを考慮するとわかりやすいです。

 

 

チップLEDのアノード・カソード

 

具体的な製品としては、各々の製品に付属の説明書や図面または製品のカソードマークをみて、上の図のような矢印の向きを確認すればすぐに見分けることができます。

 

例えば、以下のチップLEDにおいても実際の製品の裏面をみるとカソードマークがあり、視覚的にどちらに電流が流れるかはすぐにわかります(以下にリップLEDのイメージを載せておきます)。

 

 

 

砲弾型LEDのアノード・カソード

 

有名なLEDに以下のような砲弾型LEDというものがあります。

 

このLEDのアノード・カソードの見分け方としては、長い方がアノード(+)です。

 

 

 

これは以下のような電池の回路図中の記号のイメージと同様であるといえます。ただ、電池では+極がカソード、LEDでは+極にアノードを接続と違いがあるため、十分気を付けましょう。

 

 

 

また、余談になりますがLEDに抵抗をつける際、アノード側かカソード側につけるかはどっちでも大丈夫であり、放電特性や配線のしやすさなどを考慮して取り付けるといいです。

 

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