Che cos'è un processo elettrochimico?

Un processo elettrochimico è una reazione chimica che provoca o è causata dal movimento della corrente elettrica. Questi processi sono un tipo di reazione di riduzione dell'ossidazione in cui un atomo o una molecola perde un elettrone a un altro atomo o molecola. Nelle reazioni elettrochimiche, gli atomi o le molecole nella reazione sono relativamente distanti tra loro rispetto ad altre reazioni, costringendo gli elettroni a essere trasferiti per percorrere una distanza maggiore e quindi produrre una corrente elettrica. Molti fenomeni naturali si basano su processi elettrochimici, come la corrosione dei metalli, la capacità di alcune creature marine di generare campi elettrici e il funzionamento del sistema nervoso umano e di altri animali. Esse svolgono anche un ruolo importante nella tecnologia moderna, soprattutto nello stoccaggio di energia elettrica nelle batterie, e il processo elettrochimico chiamato elettrolisi è importante nell'industria moderna.

Le attività dei sistemi nervosi, dalle semplici reazioni e comportamenti istintivi che si trovano anche negli animali primitivi alle complesse capacità di apprendimento e di ragionamento degli esseri umani, dipendono dai processi elettrochimici. I neuroni usano processi elettrochimici per trasmettere informazioni attraverso il sistema nervoso, permettendo al sistema nervoso di comunicare con se stesso e con il resto del corpo. Per inviare un segnale, i processi chimici nel neurone generano un impulso elettrico che viene inviato attraverso una struttura allungata chiamata assone fino a raggiungere la sinapsi, il punto di contatto tra il neurone e le cellule vicine. Alla sinapsi, l'elettricità provoca il rilascio di sostanze chimiche chiamate neurotrasmettitori, che attraversano la sinapsi alla cellula segnalata. I neurotrasmettitori poi si legano chimicamente con strutture chiamate recettori sulla cellula bersaglio, innescando ulteriori processi biochimici al suo interno.

La capacità di pesci come anguille elettriche, stargazers e siluri di produrre campi elettrici è il risultato di un processo elettrochimico. I pesci elettrici possiedono cellule specializzate chiamate elettrociti. Le proteine ​​di trasporto si legano con potassio positivo e ioni sodio nella cellula e le trasportano via, accumulando una carica elettrica nella cellula. Quando è necessaria questa elettricità, una parte del sistema nervoso chiamata nucleo di comando midollare invia un impulso elettrico ad altre cellule nervose, che innesca il rilascio del neurotrasmettitore acetilcolina. Il neurotrasmettitore si lega ai recettori dell'acetilcolina degli elettrociti, che innesca il rilascio della carica degli elettrociti.

Le batterie elettriche utilizzano processi elettrochimici per immagazzinare e rilasciare elettricità. Le reazioni chimiche all'interno delle celle elettriche che compongono la batteria creano una differenza di carica tra le due metà di ciascuna cella, producendo corrente elettrica. Le batterie ricaricabili producono elettricità con reazioni chimiche reversibili e quindi possono essere riportate alla loro configurazione chimica originale se l'elettricità viene applicata da una fonte esterna. Le reazioni nelle batterie non ricaricabili non hanno questa qualità, sebbene di solito producano più energia elettrica di una batteria ricaricabile in una singola carica.

Una varietà di diverse reazioni chimiche sono utilizzate nelle batterie. Le batterie al nichel-cadmio, che sono comunemente utilizzate nelle luci e negli elettrodomestici, si basano su reazioni separate di cadmio e nichel con un alcalino, di solito una soluzione di idrossido di potassio (KOH) e acqua. Le batterie al nichel-metallo idruro sono simili, ma sostituiscono il cadmio con un composto intermetallico a base di manganese, alluminio o cobalto miscelato con metalli delle terre rare come praseodimio, lantanio e cerio. Le batterie al litio possono utilizzare una varietà di reazioni che coinvolgono composti di litio, con il tipo più comune che utilizza biossido di manganese (MnO ₂ ) e una soluzione di perclorato di litio (LiClO ₄ ), dimetossietano (C ₄ H ₁₀ O ₂ ) e propilene carbonato (C ₄ H ₆ O ₃ ).

L'elettrolisi è un processo elettrochimico in cui viene utilizzata la corrente elettrica per innescare reazioni chimiche in una sostanza contenente ioni liberi, chiamata elettrolita. L'elettrolita viene fuso o sciolto in un solvente e due elettrodi, chiamati anodo e catodo, vi sono immersi. Quando viene applicato un potenziale elettrico tra gli elettrodi, l'elettricità inizia a fluire tra di loro e ciascun elettrodo inizia ad attirare ioni con l'opposto della propria carica. Gli ioni acquisiscono o perdono elettroni negli elettrodi, causando l'ossidazione delle molecole vicino all'anodo e la riduzione di quelle vicino al catodo. L'elettrolisi viene utilizzata in molte aree dei processi industriali, compresa la metallurgia, la produzione di sostanze chimiche come il cloruro di potassio e l'acido trifluoroacetico (KClO ₃ ) (C ₂ HF ₃ O ₂ ) e l'estrazione di elementi altamente reattivi che non si trovano nella loro forma elementare in natura, come sodio e magnesio.