Hvad er en elektrokemisk proces?
En elektrokemisk proces er en kemisk reaktion, der enten forårsager eller er forårsaget af bevægelse af elektrisk strøm. Disse processer er en type oxidationsreduktionsreaktion, hvor et atom eller molekyle mister en elektron til et andet atom eller molekyle. I elektrokemiske reaktioner er atomerne eller molekylerne i reaktionen relativt langt fra hinanden sammenlignet med andre reaktioner, hvilket tvinger elektronerne, der overføres til at køre en større afstand og derved frembringe en elektrisk strøm. Mange naturfænomener er baseret på elektrokemiske processer, såsom korrosion af metaller, nogle havdyrs evne til at generere elektriske felter og arbejdet i nervesystemerne hos mennesker og andre dyr. De spiller også en vigtig rolle i moderne teknologi, mest prominent i opbevaring af elektrisk strøm i batterier, og den elektrokemiske proces, der kaldes elektrolyse, er vigtig i moderne industri.
Aktiviteterne i nervesystemer, fra de enkle reaktioner og instinktive opførsler, der findes i endda primitive dyr til de komplekse lærings- og resonneringsevner hos mennesker, afhænger af elektrokemiske processer. Neuroner bruger elektrokemiske processer til at overføre information gennem nervesystemet, så nervesystemet kan kommunikere med sig selv og med resten af kroppen. For at sende et signal genererer kemiske processer i neuronet en elektrisk impuls, der sendes gennem en langstrakt struktur kaldet en akson, indtil den når synapsen, kontaktpunktet mellem neuronet og de nærliggende celler. Ved synapsen forårsager elektriciteten frigørelse af kemikalier kaldet neurotransmittorer, der krydser synapsen til den celle, der signaleres. Neurotransmitterne binder derefter kemisk til strukturer, der kaldes receptorer på målcellen, idet der tages yderligere biokemiske processer i gang.
Fiskens evne til at producere elektriske ål, stargazere og torpedostråler til at producere elektriske felter er resultatet af en elektrokemisk proces. Elektriske fisk besidder specialiserede celler kaldet elektrocytter. Transportproteiner binder med positive kalium- og natriumioner i cellen og transporterer dem væk og opbygger en elektrisk ladning i cellen. Når der er brug for denne elektricitet, sender en del af nervesystemet kaldet medullær kommandokernen en elektrisk impuls til andre nerveceller, som udløser frigivelsen af neurotransmitteren acetylcholin. Neurotransmitteren binder til acetylcholinreceptorer for elektrocytterne, hvilket udløser frigivelsen af elektrocytternes ladning.
Elektriske batterier bruger elektrokemiske processer til opbevaring og frigørelse af elektricitet. Kemiske reaktioner i de elektriske celler, der udgør batteriet, skaber en forskel i opladning mellem de to halvdele af hver celle og producerer elektrisk strøm. Genopladelige batterier producerer elektricitet med kemiske reaktioner, der er reversible, og kan derfor returneres til deres oprindelige kemiske konfiguration, hvis der anvendes elektricitet fra en ekstern kilde. Reaktionerne i ikke-genopladelige batterier har ikke denne kvalitet, selvom de normalt producerer mere elektrisk strøm, end et genopladeligt batteri kan give ved en enkelt opladning.
Der bruges en række forskellige kemiske reaktioner i batterier. Nikkel-cadmium-batterier, der ofte bruges i lys og husholdningsapparater, er baseret på separate reaktioner af cadmium og nikkel med et alkalisk, normalt en opløsning af kaliumhydroxid (KOH) og vand. Nikkel-metalhydridbatterier ligner hinanden, men erstatter cadmium med en intermetallisk forbindelse fremstillet af mangan, aluminium eller kobolt blandet med sjældne jordartsmetaller såsom praseodym, lanthan og cerium. Lithium-batterier kan bruge en række reaktioner, der involverer lithiumforbindelser, med den mest almindelige type ved hjælp af mangandioxid (MnO 2 ) og en opløsning af lithiumperchlorat (LiClO 4 ), dimethoxyethan (C 4 H 10 O 2 ) og propylenkarbonat (C 4 H 6 O 3 ).
Elektrolyse er en elektrokemisk proces, hvor elektrisk strøm bruges til at udløse kemiske reaktioner i et stof, der indeholder frie ioner, kaldet en elektrolyt. Elektrolytten smeltes eller opløses i et opløsningsmiddel, og to elektroder, kaldet anoden og katoden, nedsænkes i den. Når der tilføres et elektrisk potentiale mellem elektroderne, begynder elektricitet at strømme mellem dem, og hver elektrode begynder at tiltrække ioner med det modsatte af sin egen ladning. Iionerne vinder eller mister elektroner til elektroderne, hvilket forårsager oxidation af molekyler nær anoden og reduktion af dem i nærheden af katoden. Elektrolyse bruges i mange områder af industrielle processer, herunder metallurgi, produktion af kemikalier, såsom kaliumchlorat og (KClO 3 ) trifluoreddikesyre (C 2 HF 3 O 2 ), og ekstraktion af stærkt reaktive elementer, der ikke findes i deres elementær form i naturen, såsom natrium og magnesium.