L'anodo è l'elettrodo in cui avviene la reazione di ossidazione
\ begin {align} \ ce {Red -> Ox + e -} \ end {align}
il catodo è l'elettrodo su cui avviene la reazione di riduzione
\ begin {align} \ ce {Ox + e- -> Red} \ end {align}
. Ecco come vengono definiti il catodo e l'anodo.
Cella galvanica
Ora, in una cella galvanica la reazione procede senza che un potenziale esterno la aiuti. Poichè all'anodo si ha la reazione di ossidazione che produce elettroni si ottiene un accumulo di carica negativa nel corso della reazione fino al raggiungimento dell'equilibrio elettrochimico. Quindi l'anodo è negativo.
Al catodo, invece, si ha la reazione di riduzione che consuma elettroni (lasciando dietro di sé ioni positivi (metallici) sull'elettrodo) e quindi porta ad un accumulo di carica positiva nel corso della reazione fino al raggiungimento dell'equilibrio elettrochimico. Quindi il catodo è positivo.
Cella elettrolitica
In una cella elettrolitica, si applica un potenziale esterno per far sì che la reazione vada nella direzione opposta. Ora il ragionamento è ribaltato. All'elettrodo negativo in cui si è prodotto un elevato potenziale di elettroni tramite una fonte di tensione esterna gli elettroni vengono "espulsi" dall'elettrodo, riducendo così le specie ossidate $ \ ce {Ox} $, perché il livello di energia dell'elettrone all'interno dell'elettrodo (Fermi Level) è più alto del livello di energia del LUMO di $ \ ce {Ox} $ e gli elettroni possono abbassare la loro energia occupando questo orbitale - hai elettroni molto reattivi per così dire. Quindi l'elettrodo negativo sarà quello in cui avverrà la reazione di riduzione e quindi è il catodo.
All'elettrodo positivo in cui si è prodotto un basso potenziale di elettroni tramite una fonte di tensione esterna gli elettroni vengono "risucchiati" nell'elettrodo lasciandosi dietro la specie ridotta $ \ ce {Rosso} $ perché il livello di energia dell'elettrone all'interno dell'elettrodo ( Livello di Fermi) è inferiore al livello di energia dell'HOMO di $ \ ce {Red} $. Quindi l'elettrodo positivo sarà quello in cui avverrà la reazione di ossidazione e quindi è l'anodo.
Un racconto di elettroni e cascate
Da allora è una certa confusione sui principi su cui funziona un'elettrolisi, cercherò una metafora per spiegarlo. Gli elettroni fluiscono da una regione ad alto potenziale a una regione a basso potenziale, proprio come l'acqua cade in una cascata o scorre lungo un piano inclinato. Il motivo è lo stesso: l'acqua e gli elettroni possono abbassare la loro energia in questo modo. Ora la sorgente di tensione esterna si comporta come due grandi fiumi collegati a cascate: uno ad alta quota che porta verso una cascata - che sarebbe il polo negativo - e uno a bassa quota che porta via da una cascata - quello sarebbe il vantaggio polo. Gli elettrodi sarebbero come i punti del fiume poco prima o dopo le cascate in questa immagine: il catodo è come il bordo di una cascata dove l'acqua scende e l'anodo è come il punto in cui l'acqua cade.
Ok, cosa succede alla reazione di elettrolisi? Al catodo, hai la situazione di alta quota. Quindi gli elettroni fluiscono al "bordo della loro cascata". Vogliono "cadere" perché dietro di loro il fiume spinge verso il bordo esercitando una sorta di "pressione". Ma dove possono cadere? L'altro elettrodo è separato da loro dalla soluzione e solitamente da un diaframma. Ma ci sono $ \ ce {Ox} $ molecole che hanno stati vuoti che giacciono energeticamente al di sotto di quello dell'elettrodo. Quegli stati vuoti sono come piccoli stagni che giacciono a un'altitudine inferiore dove può cadere un po 'dell'acqua del fiume. Quindi ogni volta che una tale molecola $ \ ce {Ox} $ si avvicina all'elettrodo, un elettrone coglie l'occasione per saltarci sopra e ridurla a $ \ ce {Red} $. Ma questo non significa che all'elettrodo manca improvvisamente un elettrone perché il fiume sta sostituendo immediatamente l'elettrone "espulso". E la sorgente di tensione (la sorgente del fiume) non può esaurirsi di elettroni perché riceve i suoi elettroni dalla presa di corrente.
Ora l'anodo: all'anodo, hai la situazione di bassa quota. Quindi qui il fiume è più basso di tutto il resto. Ora puoi immaginare gli stati HOMO delle molecole $ \ ce {Red} $ come piccoli laghi barriera che si trovano ad un'altitudine più alta del nostro fiume. Quando una molecola $ \ ce {rossa} $ si avvicina all'elettrodo è come se qualcuno aprisse le paratoie della diga del lago barriera. Gli elettroni fluiscono dall'HOMO nell'elettrodo creando così una molecola $ \ ce {Ox} $. Ma gli elettroni non rimangono nell'elettrodo, per così dire, vengono portati via dal fiume. E poiché il fiume è un'entità così vasta (molta acqua) e di solito sfocia in un oceano, la poca "acqua" che viene aggiunta non cambia molto il fiume. Rimane lo stesso, inalterato in modo che ogni volta che viene aperta una paratoia l'acqua del lago barriera scenderà alla stessa distanza.