Что такое электрохимический процесс?
Электрохимический процесс - это химическая реакция, которая либо вызывает, либо вызывается движением электрического тока. Эти процессы представляют собой тип окислительно-восстановительной реакции, в которой один атом или молекула теряет электрон на другой атом или молекулу. В электрохимических реакциях атомы или молекулы в реакции относительно далеки друг от друга по сравнению с другими реакциями, заставляя переносимые электроны перемещаться на большее расстояние и, тем самым, производить электрический ток. Многие природные явления основаны на электрохимических процессах, таких как коррозия металлов, способность некоторых морских существ генерировать электрические поля и работа нервной системы человека и других животных. Они также играют важную роль в современных технологиях, особенно в хранении электроэнергии в батареях, а электрохимический процесс, называемый электролизом, важен в современной промышленности.
Деятельность нервных систем, от простых реакций и инстинктивного поведения, характерного даже для примитивных животных, до сложных способностей человека к обучению и мышлению, зависит от электрохимических процессов. Нейроны используют электрохимические процессы для передачи информации через нервную систему, позволяя нервной системе общаться с самим собой и с остальным телом. Чтобы послать сигнал, химические процессы в нейроне генерируют электрический импульс, который посылается через удлиненную структуру, называемую аксоном, до тех пор, пока он не достигнет синапса, точки контакта между нейроном и соседними клетками. В синапсе электричество вызывает высвобождение химических веществ, называемых нейротрансмиттерами, которые пересекают синапс в сигнальной клетке. Затем нейротрансмиттеры химически связываются со структурами, называемыми рецепторами на клетке-мишени, вызывая дальнейшие биохимические процессы в ней.
Способность рыб, таких как электрические угри, наблюдатели за звездами и торпедные лучи, создавать электрические поля является результатом электрохимического процесса. Электрические рыбы обладают специализированными клетками, называемыми электроцитами. Транспортные белки связываются с положительными ионами калия и натрия в клетке и уносят их, создавая электрический заряд в клетке. Когда требуется это электричество, часть нервной системы, называемая медуллярным командным ядром, посылает электрический импульс другим нервным клеткам, что вызывает высвобождение нейротрансмиттера ацетилхолина. Нейротрансмиттер связывается с ацетилхолиновыми рецепторами электроцитов, что вызывает высвобождение заряда электроцитов.
Электрические батареи используют электрохимические процессы для хранения и выпуска электроэнергии. Химические реакции внутри электрических элементов, составляющих батарею, создают различие в заряде между двумя половинками каждого элемента, производя электрический ток. Аккумуляторы производят электричество с химическими реакциями, которые являются обратимыми, и поэтому могут быть возвращены к их первоначальной химической конфигурации, если электричество подается от внешнего источника. Реакции в неперезаряжаемых батареях не имеют этого качества, хотя обычно они производят больше электроэнергии, чем перезаряжаемая батарея может обеспечить за один заряд.
В батареях используются различные химические реакции. Никель-кадмиевые батареи, которые обычно используются в светильниках и бытовых приборах, основаны на отдельных реакциях кадмия и никеля со щелочью, обычно раствором гидроксида калия (KOH) и водой. Никель-металлогидридные батареи аналогичны, но заменяют кадмий интерметаллическим соединением, сделанным из марганца, алюминия или кобальта, смешанных с редкоземельными металлами, такими как празеодим, лантан и церий. Литиевые батареи могут использовать различные реакции с участием соединений лития, причем наиболее распространенным типом является использование диоксида марганца (MnO 2 ) и раствора перхлората лития (LiClO 4 ), диметоксиэтана (C 4 H 10 O 2 ) и пропиленкарбоната (C 4 H 6 O 3 ).
Электролиз - это электрохимический процесс, в котором электрический ток используется для запуска химических реакций в веществе, содержащем свободные ионы, называемом электролитом. Электролит либо расплавляется, либо растворяется в растворителе, и в него погружаются два электрода, называемые анодом и катодом. Когда между электродами прикладывают электрический потенциал, между ними начинает течь электричество, и каждый электрод начинает притягивать ионы с противоположностью своему собственному заряду. Ионы приобретают или теряют электроны на электродах, вызывая окисление молекул вблизи анода и уменьшение их количества возле катода. Электролиз используется во многих областях промышленных процессов, включая металлургию, производство химических веществ, таких как хлорат калия и (KClO 3 ) трифторуксусная кислота (C 2 HF 3 O 2 ), и извлечение высокореактивных элементов, которые не обнаруживаются в их элементная форма в природе, такая как натрий и магний.