Vad är en elektrokemisk process?
En elektrokemisk process är en kemisk reaktion som antingen orsakar eller orsakas av rörelse av elektrisk ström. Dessa processer är en typ av oxidationsreduktionsreaktion där en atom eller molekyl förlorar en elektron till en annan atom eller molekyl. Vid elektrokemiska reaktioner är atomerna eller molekylerna i reaktionen relativt långt ifrån varandra jämfört med andra reaktioner, vilket tvingar elektronerna som överförs att resa ett större avstånd och därigenom alstra en elektrisk ström. Många naturfenomen är baserade på elektrokemiska processer, såsom korrosion av metaller, vissa havs varelser förmåga att generera elektriska fält och funktionssätt i nervsystemen hos människor och andra djur. De spelar också en viktig roll i modern teknik, mest framträdande för lagring av elektrisk kraft i batterier, och den elektrokemiska processen som kallas elektrolys är viktig i modern industri.
Nervsystemets aktiviteter, från de enkla reaktionerna och instinktiva beteenden som finns i även primitiva djur till människans komplexa inlärnings- och resonemang, beror på elektrokemiska processer. Neuroner använder elektrokemiska processer för att överföra information genom nervsystemet, vilket gör att nervsystemet kan kommunicera med sig själv och med resten av kroppen. För att sända en signal genererar kemiska processer i nervcellen en elektrisk impuls som skickas genom en långsträckt struktur som kallas en axon tills den når synapsen, kontaktpunkten mellan nervcellen och angränsande celler. Vid synapsen orsakar elektriciteten frisläppande av kemikalier som kallas neurotransmittorer, som korsar synapsen till cellen som signaleras. Neurotransmittorerna binder sig sedan kemiskt till strukturer som kallas receptorer på målcellen och sätter igång ytterligare biokemiska processer i den.
Fiskens förmåga som elektriska ål, stargazers och torpedostrålar att producera elektriska fält är resultatet av en elektrokemisk process. Elektrisk fisk har specialiserade celler som kallas elektrocyter. Transportproteiner binds med positiva kalium- och natriumjoner i cellen och transporterar dem bort och bygger upp en elektrisk laddning i cellen. När denna elektricitet behövs skickar en del av nervsystemet som kallas medullärkommandokärnan en elektrisk impuls till andra nervceller, vilket utlöser frisättningen av neurotransmitteren acetylkolin. Neurotransmitteren binder till elektrocyternas acetylkolinreceptorer, vilket utlöser frisättningen av elektrocyttens laddning.
Elektriska batterier använder elektrokemiska processer för att lagra och släppa el. Kemiska reaktioner i de elektriska cellerna som utgör batteriet skapar en skillnad i laddning mellan de två halvorna av varje cell och producerar elektrisk ström. Uppladdningsbara batterier producerar elektricitet med kemiska reaktioner som är reversibla, och kan därför återföras till sin ursprungliga kemiska konfiguration om el appliceras från en extern källa. Reaktionerna i icke-uppladdningsbara batterier har inte denna kvalitet, även om de vanligtvis producerar mer elektrisk energi än ett laddningsbart batteri kan ge vid en enda laddning.
En mängd olika kemiska reaktioner används i batterier. Nickel-kadmiumbatterier, som vanligtvis används i ljus och hushållsapparater, är baserade på separata reaktioner av kadmium och nickel med en alkalisk, vanligtvis en lösning av kaliumhydroxid (KOH) och vatten. Nickel-metallhydridbatterier är liknande, men ersätter kadmium med en intermetallisk förening tillverkad av mangan, aluminium eller kobolt blandad med sällsynta jordartsmetaller som praseodym, lantan och cerium. Litiumbatterier kan använda olika reaktioner som involverar litiumföreningar, med den vanligaste typen med mangandioxid (MnO 2 ) och en lösning av litiumperklorat (LiClO 4 ), dimetoxietan (C4H10O2) och propylenkarbonat (C 4 H 6 O 3 ).
Elektrolys är en elektrokemisk process där elektrisk ström används för att utlösa kemiska reaktioner i ett ämne som innehåller fria joner, kallad en elektrolyt. Elektrolyten smälts eller upplöses i ett lösningsmedel, och två elektroder, kallad anoden och katoden, nedsänks i den. När en elektrisk potential appliceras mellan elektroderna börjar el strömma mellan dem, och varje elektrod börjar locka joner med motsatsen till sin egen laddning. Jonerna får eller förlorar elektroner till elektroderna, vilket orsakar oxidation av molekyler nära anoden och minskning av de nära katoden. Elektrolys används i många områden av industriella processer, inklusive metallurgi, produktion av kemikalier såsom kaliumklorat och (KClO 3 ) trifluorättiksyra (C 2 HF 3 O 2 ), och extraktion av mycket reaktiva element som inte finns i deras elementär form i naturen, såsom natrium och magnesium.