Was ist ein elektrochemischer Prozess?
Ein elektrochemischer Prozess ist eine chemische Reaktion, die entweder die Bewegung von elektrischem Strom verursacht oder durch diese verursacht wird. Diese Prozesse sind eine Art Oxidations-Reduktions-Reaktion, bei der ein Atom oder Molekül ein Elektron an ein anderes Atom oder Molekül verliert. Bei elektrochemischen Reaktionen sind die Atome oder Moleküle in der Reaktion im Vergleich zu anderen Reaktionen relativ weit voneinander entfernt, was die Elektronen dazu zwingt, eine größere Strecke zurückzulegen und dadurch einen elektrischen Strom zu erzeugen. Viele natürliche Phänomene beruhen auf elektrochemischen Prozessen wie der Korrosion von Metallen, der Fähigkeit einiger Meeresbewohner, elektrische Felder zu erzeugen, und der Funktionsweise des Nervensystems von Menschen und anderen Tieren. Sie spielen auch eine wichtige Rolle in der modernen Technologie, insbesondere bei der Speicherung elektrischer Energie in Batterien, und der als Elektrolyse bezeichnete elektrochemische Prozess ist in der modernen Industrie von Bedeutung.
Die Aktivitäten des Nervensystems, von den einfachen Reaktionen und instinktiven Verhaltensweisen, die auch bei primitiven Tieren zu finden sind, bis zu den komplexen Lern- und Denkfähigkeiten des Menschen, hängen von elektrochemischen Prozessen ab. Neuronen nutzen elektrochemische Prozesse, um Informationen über das Nervensystem zu übertragen, so dass das Nervensystem mit sich selbst und dem Rest des Körpers kommunizieren kann. Um ein Signal zu senden, erzeugen chemische Prozesse im Neuron einen elektrischen Impuls, der durch eine längliche Struktur namens Axon gesendet wird, bis er die Synapse erreicht, den Kontaktpunkt zwischen dem Neuron und benachbarten Zellen. Bei der Synapse setzt die Elektrizität Chemikalien frei, die als Neurotransmitter bezeichnet werden und die die Synapse zu der Zelle durchqueren, die signalisiert wird. Die Neurotransmitter verbinden sich dann chemisch mit Strukturen, die als Rezeptoren bezeichnet werden, auf der Zielzelle und lösen dort weitere biochemische Prozesse aus.
Die Fähigkeit von Fischen wie elektrischen Aalen, Sternguckern und Torpedostrahlen, elektrische Felder zu erzeugen, ist das Ergebnis eines elektrochemischen Prozesses. Elektrofische besitzen spezialisierte Zellen, die als Elektrozyten bezeichnet werden. Transportproteine binden in der Zelle an positive Kalium- und Natriumionen und tragen diese ab, wobei sie in der Zelle eine elektrische Ladung aufbauen. Wenn diese Elektrizität benötigt wird, sendet ein Teil des Nervensystems, der als Markkommandokern bezeichnet wird, einen elektrischen Impuls an andere Nervenzellen, der die Freisetzung des Neurotransmitters Acetylcholin auslöst. Der Neurotransmitter bindet an die Acetylcholin-Rezeptoren der Elektrozyten, wodurch die Freisetzung der Ladung der Elektrozyten ausgelöst wird.
Elektrische Batterien nutzen elektrochemische Prozesse, um Strom zu speichern und freizusetzen. Chemische Reaktionen innerhalb der elektrischen Zellen, aus denen die Batterie besteht, erzeugen einen Ladungsunterschied zwischen den beiden Hälften jeder Zelle, wodurch elektrischer Strom erzeugt wird. Wiederaufladbare Batterien erzeugen Elektrizität mit reversiblen chemischen Reaktionen und können daher wieder in ihre ursprüngliche chemische Konfiguration gebracht werden, wenn Elektrizität von einer externen Quelle zugeführt wird. Die Reaktionen in nicht wiederaufladbaren Batterien weisen diese Qualität nicht auf, obwohl sie normalerweise mehr elektrischen Strom erzeugen, als ein wiederaufladbarer Akku mit einer einzigen Ladung liefern kann.
In Batterien werden verschiedene chemische Reaktionen eingesetzt. Nickel-Cadmium-Batterien, die üblicherweise in Lampen und Haushaltsgeräten verwendet werden, basieren auf getrennten Reaktionen von Cadmium und Nickel mit einer alkalischen, üblicherweise einer Lösung von Kaliumhydroxid (KOH) und Wasser. Nickel-Metallhydrid-Batterien sind ähnlich, ersetzen jedoch das Cadmium durch eine intermetallische Verbindung aus Mangan, Aluminium oder Kobalt, die mit Seltenerdmetallen wie Praseodym, Lanthan und Cer gemischt ist. Lithiumbatterien können eine Vielzahl von Reaktionen mit Lithiumverbindungen durchführen. Am häufigsten werden Mangandioxid (MnO 2 ) und eine Lösung aus Lithiumperchlorat (LiClO 4 ), Dimethoxyethan (C 4 H 10 O 2 ) und Propylencarbonat (C) eingesetzt 4 H 6 O 3 ).
Die Elektrolyse ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem mit elektrischem Strom chemische Reaktionen in einer Substanz ausgelöst werden, die freie Ionen enthält, die als Elektrolyt bezeichnet wird. Der Elektrolyt wird entweder geschmolzen oder in einem Lösungsmittel gelöst, und zwei Elektroden, Anode und Kathode genannt, werden darin eingetaucht. Wenn zwischen den Elektroden ein elektrisches Potential angelegt wird, beginnt Elektrizität zwischen ihnen zu fließen, und jede Elektrode beginnt, Ionen mit dem Gegenteil ihrer eigenen Ladung anzuziehen. Die Ionen gewinnen oder verlieren Elektronen an die Elektroden, was zu einer Oxidation von Molekülen in der Nähe der Anode und zu einer Reduktion von Molekülen in der Nähe der Kathode führt. Die Elektrolyse wird in vielen Bereichen industrieller Prozesse eingesetzt, einschließlich der Metallurgie, der Herstellung von Chemikalien wie Kaliumchlorat und (KClO 3 ) -Trifluoressigsäure (C 2 HF 3 O 2 ) und der Extraktion hochreaktiver Elemente, die in diesen nicht zu finden sind elementare Form in der Natur, wie Natrium und Magnesium.