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 ossidoriduzione in cui un atomo o una molecola perde un elettrone a favore di un altro atomo o molecola. Nelle reazioni elettrochimiche, gli atomi o le molecole nella reazione sono relativamente distanti l’uno dall’altro rispetto ad altre reazioni, costringendo gli elettroni che vengono trasferiti a percorrere una distanza maggiore e quindi a 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 dell’uomo e di altri animali. Svolgono anche un ruolo importante nella tecnologia moderna, in particolare nello stoccaggio di energia elettrica nelle batterie, e il processo elettrochimico chiamato elettrolisi è importante nell’industria moderna.
Le attività del sistema nervoso, dalle semplici reazioni e comportamenti istintivi riscontrati anche negli animali primitivi alle complesse capacità di apprendimento e ragionamento degli esseri umani, dipendono da processi elettrochimici. I neuroni utilizzano processi elettrochimici per trasmettere informazioni attraverso il sistema nervoso, consentendo 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 si legano quindi chimicamente con strutture chiamate recettori sulla cellula bersaglio, innescando ulteriori processi biochimici al suo interno.
La capacità di pesci come le anguille elettriche, gli astronomi e i 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 agli ioni positivi di potassio e sodio nella cellula e li portano via, costruendo una carica elettrica nella cellula. Quando questa elettricità è necessaria, una parte del sistema nervoso chiamata nucleo midollare di comando 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 quella che una batteria ricaricabile può fornire con una singola carica.
Nelle batterie vengono utilizzate diverse reazioni chimiche. Le batterie al nichel-cadmio, comunemente utilizzate nelle luci e negli elettrodomestici, si basano su reazioni separate di cadmio e nichel con un alcalino, solitamente una soluzione di idrossido di potassio (KOH) e acqua. Le batterie al nichel-idruro di metallo sono simili, ma sostituiscono il cadmio con un composto intermetallico a base di manganese, alluminio o cobalto mescolato 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 (MnO2) e una soluzione di perclorato di litio (LiClO4), dimetossietano (C4H10O2) e carbonato di propilene (C4H6O3).
L’elettrolisi è un processo elettrochimico in cui la corrente elettrica viene utilizzata 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, sono immersi in esso. Quando viene applicato un potenziale elettrico tra gli elettrodi, l’elettricità inizia a fluire tra di loro e ciascun elettrodo inizia ad attrarre ioni con l’opposto della propria carica. Gli ioni acquistano o perdono elettroni agli elettrodi, provocando l’ossidazione delle molecole vicine all’anodo e la riduzione di quelle vicine al catodo. L’elettrolisi è utilizzata in molte aree dei processi industriali, compresa la metallurgia, la produzione di sostanze chimiche come il clorato di potassio e l’acido trifluoroacetico (KClO3) (C2HF3O2) e l’estrazione di elementi altamente reattivi che non si trovano nella loro forma elementare in natura, come come sodio e magnesio.