Ein elektrochemischer Prozess ist eine chemische Reaktion, die entweder die Bewegung von elektrischem Strom verursacht oder durch sie verursacht wird. Diese Prozesse sind eine Art von Oxidations-Reduktions-Reaktion, bei der ein Atom oder Molekül ein Elektron an ein anderes Atom oder Molekül verliert. Bei elektrochemischen Reaktionen sind die Atome oder Moleküle in der Reaktion im Vergleich zu anderen Reaktionen relativ weit voneinander entfernt, wodurch die übertragenen Elektronen gezwungen werden, eine größere Strecke zurückzulegen und dadurch einen elektrischen Strom zu erzeugen. Viele Naturphänomene basieren auf elektrochemischen Prozessen, wie der Korrosion von Metallen, der Fähigkeit einiger Meeresbewohner, elektrische Felder zu erzeugen, und der Funktionsweise des Nervensystems von Menschen und anderen Tieren. Sie spielen auch in der modernen Technologie eine wichtige Rolle, vor allem bei der Speicherung von elektrischem Strom in Batterien, und der elektrochemische Prozess namens Elektrolyse ist in der modernen Industrie wichtig.
Die Aktivitäten des Nervensystems, von einfachen Reaktionen und instinktiven Verhaltensweisen selbst primitiver Tiere bis hin zu den komplexen Lern- und Denkfähigkeiten des Menschen, hängen von elektrochemischen Prozessen ab. Neuronen verwenden elektrochemische Prozesse, um Informationen durch das Nervensystem zu übertragen, sodass das Nervensystem mit sich selbst und mit dem Rest des Körpers kommunizieren kann. Um ein Signal zu senden, erzeugen chemische Prozesse im Neuron einen elektrischen Impuls, der durch eine verlängerte Struktur namens Axon gesendet wird, bis er die Synapse erreicht, den Kontaktpunkt zwischen dem Neuron und benachbarten Zellen. An der Synapse bewirkt die Elektrizität die Freisetzung von Chemikalien, die Neurotransmitter genannt werden, die die Synapse zu der signalisierten Zelle passieren. Die Neurotransmitter verbinden sich dann chemisch mit Strukturen, die als Rezeptoren bezeichnet werden, auf der Zielzelle und lösen darin weitere biochemische Prozesse aus.
Die Fähigkeit von Fischen wie Zitteraalen, Sternguckern und Torpedostrahlen, elektrische Felder zu erzeugen, ist das Ergebnis eines elektrochemischen Prozesses. Elektrische Fische besitzen spezialisierte Zellen, die Elektroozyten genannt werden. Transportproteine binden in der Zelle an positive Kalium- und Natriumionen und transportieren sie ab, wodurch eine elektrische Ladung in der Zelle aufgebaut wird. Wenn dieser Strom benötigt wird, sendet ein Teil des Nervensystems, der als medullärer Befehlskern bezeichnet wird, einen elektrischen Impuls an andere Nervenzellen, der die Freisetzung des Neurotransmitters Acetylcholin auslöst. Der Neurotransmitter bindet sich an die Acetylcholinrezeptoren der Elektrozyten, was die Freisetzung der Ladung der Elektrozyten auslöst.
Elektrische Batterien verwenden elektrochemische Prozesse, um Strom zu speichern und freizugeben. Chemische Reaktionen innerhalb der elektrischen Zellen, aus denen die Batterie besteht, erzeugen einen Ladungsunterschied zwischen den beiden Hälften jeder Zelle, wodurch elektrischer Strom erzeugt wird. Wiederaufladbare Batterien erzeugen Strom mit chemischen Reaktionen, die reversibel sind, und können so in ihre ursprüngliche chemische Konfiguration zurückgeführt werden, wenn Strom von einer externen Quelle zugeführt wird. Die Reaktionen in nicht wiederaufladbaren Batterien haben diese Qualität nicht, obwohl sie in der Regel mehr elektrische Leistung produzieren, als eine wiederaufladbare Batterie mit einer einzigen Ladung liefern kann.
In Batterien kommen eine Vielzahl unterschiedlicher chemischer Reaktionen zum Einsatz. Nickel-Cadmium-Batterien, die häufig in Lampen und Haushaltsgeräten verwendet werden, basieren auf getrennten Reaktionen von Cadmium und Nickel mit einer alkalischen, normalerweise einer Lösung aus Kaliumhydroxid (KOH) und Wasser. Nickel-Metallhydrid-Batterien sind ähnlich, ersetzen jedoch das Cadmium durch eine intermetallische Verbindung aus Mangan, Aluminium oder Kobalt gemischt mit Seltenerdmetallen wie Praseodym, Lanthan und Cer. Lithiumbatterien können eine Vielzahl von Reaktionen mit Lithiumverbindungen verwenden, wobei der gängigste Typ Mangandioxid (MnO2) und eine Lösung aus Lithiumperchlorat (LiClO4), Dimethoxyethan (C4H10O2) und Propylencarbonat (C4H6O3) verwendet.
Die Elektrolyse ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem elektrischer Strom verwendet wird, um chemische Reaktionen in einer Substanz mit freien Ionen, einem sogenannten Elektrolyten, auszulösen. Der Elektrolyt wird entweder geschmolzen oder in einem Lösungsmittel gelöst und zwei Elektroden, Anode und Kathode genannt, werden darin eingetaucht. Wenn zwischen den Elektroden ein elektrisches Potential angelegt wird, beginnt Elektrizität zwischen ihnen zu fließen, und jede Elektrode beginnt, Ionen mit dem Gegenteil ihrer eigenen Ladung anzuziehen. Die Ionen gewinnen oder verlieren Elektronen an die Elektroden, was eine Oxidation von Molekülen in der Nähe der Anode und eine Reduktion von Molekülen in der Nähe der Kathode bewirkt. Die Elektrolyse wird in vielen Bereichen industrieller Prozesse eingesetzt, darunter in der Metallurgie, der Herstellung von Chemikalien wie Kaliumchlorat und (KClO3)-Trifluoressigsäure (C2HF3O2) sowie der Extraktion hochreaktiver Elemente, die in der Natur nicht in elementarer Form vorkommen, wie z als Natrium und Magnesium.