Co to jest proces elektrochemiczny?
Proces elektrochemiczny to reakcja chemiczna, która powoduje lub jest spowodowana ruchem prądu elektrycznego. Procesy te są rodzajem reakcji utleniania-redukcji, w której jeden atom lub cząsteczka traci elektron na innym atomie lub cząsteczce. W reakcjach elektrochemicznych atomy lub cząsteczki w reakcji są względnie daleko od siebie w porównaniu z innymi reakcjami, zmuszając przenoszone elektrony do podróżowania na większą odległość, a tym samym do wytwarzania prądu elektrycznego. Wiele zjawisk naturalnych opiera się na procesach elektrochemicznych, takich jak korozja metali, zdolność niektórych stworzeń morskich do generowania pól elektrycznych oraz działanie układów nerwowych ludzi i innych zwierząt. Odgrywają także ważną rolę w nowoczesnej technologii, szczególnie w magazynowaniu energii elektrycznej w akumulatorach, a proces elektrochemiczny zwany elektrolizą jest ważny we współczesnym przemyśle.
Aktywność układów nerwowych, od prostych reakcji i instynktownych zachowań nawet u prymitywnych zwierząt po złożone zdolności uczenia się i rozumowania ludzi, zależy od procesów elektrochemicznych. Neurony wykorzystują procesy elektrochemiczne do przekazywania informacji przez układ nerwowy, umożliwiając systemowi nerwowemu komunikację z samym sobą i resztą ciała. Aby wysłać sygnał, procesy chemiczne w neuronie generują impuls elektryczny, który jest wysyłany przez wydłużoną strukturę zwaną aksonem, aż osiągnie synapsę, punkt styku między neuronem a sąsiadującymi komórkami. W synapsie elektryczność powoduje uwalnianie substancji chemicznych zwanych neuroprzekaźnikami, które przechodzą przez synapsę do sygnalizowanej komórki. Neuroprzekaźniki następnie chemicznie wiążą się ze strukturami zwanymi receptorami na komórce docelowej, uruchamiając w niej dalsze procesy biochemiczne.
Zdolność ryb, takich jak węgorze elektryczne, gwiezdne wrota i promienie torpedowe, do wytwarzania pól elektrycznych jest wynikiem procesu elektrochemicznego. Ryby elektryczne posiadają wyspecjalizowane ogniwa zwane elektrolitami. Białka transportowe wiążą się z dodatnimi jonami potasu i sodu w komórce i przenoszą je, tworząc ładunek elektryczny w komórce. Gdy ta energia elektryczna jest potrzebna, część układu nerwowego zwana rdzeniem rdzenia szpikowego wysyła impuls elektryczny do innych komórek nerwowych, co powoduje uwolnienie neuroprzekaźnika acetylocholiny. Neuroprzekaźnik wiąże się z receptorami acetylocholiny elektrolitów, co wyzwala uwalnianie ładunku elektrolitów.
Akumulatory elektryczne wykorzystują procesy elektrochemiczne do magazynowania i uwalniania energii elektrycznej. Reakcje chemiczne w ogniwach elektrycznych tworzących akumulator tworzą różnicę w ładunku między dwiema połówkami każdego ogniwa, wytwarzając prąd elektryczny. Akumulatory wytwarzają energię elektryczną z reakcjami chemicznymi, które są odwracalne, a zatem mogą zostać przywrócone do pierwotnej konfiguracji chemicznej, jeśli energia elektryczna zostanie przyłożona ze źródła zewnętrznego. Reakcje w bateriach nie nadających się do ponownego naładowania nie mają tej jakości, chociaż zwykle wytwarzają więcej energii elektrycznej, niż bateria wielokrotnego ładowania może zapewnić na jednym ładowaniu.
W akumulatorach stosuje się wiele różnych reakcji chemicznych. Baterie niklowo-kadmowe, które są powszechnie stosowane w oświetleniu i sprzęcie gospodarstwa domowego, oparte są na osobnych reakcjach kadmu i niklu z zasadą, zwykle roztworem wodorotlenku potasu (KOH) i wody. Akumulatory niklowo-wodorkowe są podobne, ale zastępują kadm związkiem międzymetalicznym wykonanym z manganu, aluminium lub kobaltu zmieszanym z metalami ziem rzadkich, takimi jak prazeodym, lantan i cer. Baterie litowe mogą wykorzystywać różnorodne reakcje z udziałem związków litu, z których najczęstszy typ wykorzystuje ditlenek manganu (MnO 2 ) i roztwór nadchloranu litu (LiClO 4 ), dimetoksyetanu (C 4 H 10 O 2 ) i węglanu propylenu (C 4 H 6 O 3 ).
Elektroliza to proces elektrochemiczny, w którym prąd elektryczny jest wykorzystywany do wyzwalania reakcji chemicznych w substancji zawierającej wolne jony, zwanej elektrolitem. Elektrolit jest stopiony lub rozpuszczony w rozpuszczalniku i zanurzone są w nim dwie elektrody, zwane anodą i katodą. Kiedy potencjał elektryczny jest przyłożony między elektrodami, elektryczność zaczyna przepływać między nimi, a każda elektroda zaczyna przyciągać jony z przeciwieństwem własnego ładunku. Jony zyskują lub tracą elektrony na elektrodach, powodując utlenianie cząsteczek w pobliżu anody i redukcję cząsteczek w pobliżu katody. Elektroliza jest stosowana w wielu obszarach procesów przemysłowych, w tym w metalurgii, produkcji chemikaliów, takich jak chloran potasu i (KClO 3 ) kwas trifluorooctowy (C 2 HF 3 O 2 ), oraz w ekstrakcji wysoce reaktywnych pierwiastków, które nie występują w ich postać elementarna w przyrodzie, taka jak sód i magnez.