Hva er en elektrokjemisk prosess?
En elektrokjemisk prosess er en kjemisk reaksjon som enten forårsaker eller er forårsaket av bevegelse av elektrisk strøm. Disse prosessene er en type oksidasjonsreduksjonsreaksjon der ett atom eller molekyl mister et elektron til et annet atom eller molekyl. I elektrokjemiske reaksjoner er atomene eller molekylene i reaksjonen relativt langt fra hverandre sammenlignet med andre reaksjoner, noe som tvinger elektronene som overføres til å reise større avstand og derved produsere en elektrisk strøm. Mange naturfenomener er basert på elektrokjemiske prosesser, for eksempel korrosjon av metaller, evnen til noen sjødyr til å generere elektriske felt og virkningen av nervesystemene til mennesker og andre dyr. De spiller også en viktig rolle i moderne teknologi, mest tydelig i lagring av elektrisk kraft i batterier, og den elektrokjemiske prosessen som kalles elektrolyse er viktig i moderne industri.
Aktiviteten til nervesystemer, fra de enkle reaksjonene og instinktiv atferd som finnes i til og med primitive dyr til de komplekse lærings- og resonneringsevnen til mennesker, avhenger av elektrokjemiske prosesser. Nevroner bruker elektrokjemiske prosesser for å overføre informasjon gjennom nervesystemet, slik at nervesystemet kan kommunisere med seg selv og med resten av kroppen. For å sende et signal genererer kjemiske prosesser i nevronen en elektrisk impuls som sendes gjennom en langstrakt struktur kalt et akson til den når synapsen, kontaktpunktet mellom nevron og naboceller. Ved synapsen forårsaker elektrisiteten frigjøring av kjemikalier som kalles nevrotransmittere, som krysser synapsen til cellen som signaliseres. Nevrotransmitterne binder seg deretter kjemisk til strukturer som kalles reseptorer på målcellen, og setter av ytterligere biokjemiske prosesser i den.
Evnen til fisk som elektriske ål, stjernekikkere og torpedostråler til å produsere elektriske felt er resultatet av en elektrokjemisk prosess. Elektrisk fisk har spesialiserte celler som kalles elektrocytter. Transportproteiner binder seg med positive kalium- og natriumioner i cellen og fører dem bort, og bygger opp en elektrisk ladning i cellen. Når det trengs elektrisitet, sender en del av nervesystemet kalt medullary kommandokjernen en elektrisk impuls til andre nerveceller, som utløser frigjøring av nevrotransmitteren acetylkolin. Nevrotransmitteren binder seg til acetylkolinreseptorene til elektrocyttene, noe som utløser frigjøring av elektrocyttenes ladning.
Elektriske batterier bruker elektrokjemiske prosesser for å lagre og frigjøre strøm. Kjemiske reaksjoner i de elektriske cellene som utgjør batteriet skaper en ladningsforskjell mellom de to halvdelene av hver celle og produserer elektrisk strøm. Oppladbare batterier produserer elektrisitet med kjemiske reaksjoner som er reversible, og kan derfor returneres til sin opprinnelige kjemiske konfigurasjon hvis strøm tilføres fra en ekstern kilde. Reaksjonene i ikke-oppladbare batterier har ikke denne kvaliteten, selv om de vanligvis produserer mer elektrisk kraft enn et oppladbart batteri kan gi ved en enkelt lading.
En rekke forskjellige kjemiske reaksjoner brukes i batterier. Nikkel-kadmiumbatterier, som ofte brukes i lys og husholdningsapparater, er basert på separate reaksjoner av kadmium og nikkel med et alkalisk, vanligvis en løsning av kaliumhydroksid (KOH) og vann. Nikkel-metallhydridbatterier er like, men erstatter kadmium med en intermetallisk forbindelse laget av mangan, aluminium eller kobolt blandet med sjeldne jordartsmetaller som praseodym, lantan og cerium. Litiumbatterier kan bruke en rekke reaksjoner som involverer litiumforbindelser, med den vanligste typen ved bruk av mangandioksid (MnO 2 ) og en løsning av litiumperklorat (LiClO 4 ), dimetoksyetan (C 4 H 10 O 2 ) og propylenkarbonat (C 4 H 6 O 3 ).
Elektrolyse er en elektrokjemisk prosess der elektrisk strøm brukes til å utløse kjemiske reaksjoner i et stoff som inneholder frie ioner, kalt en elektrolytt. Elektrolytten smeltes eller oppløses i et løsningsmiddel, og to elektroder, kalt anoden og katoden, dyppes ned i den. Når et elektrisk potensial tilføres mellom elektrodene, begynner strømmen å strømme mellom dem, og hver elektrode begynner å tiltrekke ioner med det motsatte av sin egen ladning. Ionene får eller mister elektroner til elektrodene, noe som forårsaker oksidasjon av molekyler i nærheten av anoden og reduksjon av dem i nærheten av katoden. Elektrolyse brukes i mange områder av industrielle prosesser, inkludert metallurgi, produksjon av kjemikalier som kaliumklorat og (KClO 3 ) trifluoreddiksyre (C 2 HF 3 O 2 ), og ekstraksjon av sterkt reaktive elementer som ikke finnes i deres elementær form i naturen, for eksempel natrium og magnesium.