Un processus électrochimique est une réaction chimique qui provoque ou est causée par le mouvement du courant électrique. Ces processus sont un type de réaction d’oxydoréduction dans laquelle un atome ou une molécule perd un électron au profit d’un autre atome ou molécule. Dans les réactions électrochimiques, les atomes ou les molécules de la réaction sont relativement éloignés les uns des autres par rapport aux autres réactions, forçant les électrons transférés à parcourir une plus grande distance et à produire ainsi un courant électrique. De nombreux phénomènes naturels sont basés sur des processus électrochimiques, tels que la corrosion des métaux, la capacité de certaines créatures marines à générer des champs électriques et le fonctionnement du système nerveux des humains et d’autres animaux. Ils jouent également un rôle important dans la technologie moderne, notamment dans le stockage de l’énergie électrique dans les batteries, et le processus électrochimique appelé électrolyse est important dans l’industrie moderne.
Les activités du système nerveux, des simples réactions et comportements instinctifs trouvés même chez les animaux primitifs aux capacités complexes d’apprentissage et de raisonnement des êtres humains, dépendent de processus électrochimiques. Les neurones utilisent des processus électrochimiques pour transmettre des informations à travers le système nerveux, permettant au système nerveux de communiquer avec lui-même et avec le reste du corps. Pour envoyer un signal, des processus chimiques dans le neurone génèrent une impulsion électrique qui est envoyée à travers une structure allongée appelée axone jusqu’à ce qu’elle atteigne la synapse, le point de contact entre le neurone et les cellules voisines. Au niveau de la synapse, l’électricité provoque la libération de substances chimiques appelées neurotransmetteurs, qui traversent la synapse vers la cellule signalée. Les neurotransmetteurs se lient ensuite chimiquement à des structures appelées récepteurs sur la cellule cible, déclenchant d’autres processus biochimiques en son sein.
La capacité des poissons tels que les anguilles électriques, les astronomes et les rayons de torpilles à produire des champs électriques est le résultat d’un processus électrochimique. Les poissons électriques possèdent des cellules spécialisées appelées électrocytes. Les protéines de transport se lient aux ions potassium et sodium positifs dans la cellule et les emportent, créant une charge électrique dans la cellule. Lorsque cette électricité est nécessaire, une partie du système nerveux appelée noyau de commande médullaire envoie une impulsion électrique à d’autres cellules nerveuses, ce qui déclenche la libération du neurotransmetteur acétylcholine. Le neurotransmetteur se lie aux récepteurs de l’acétylcholine des électrocytes, ce qui déclenche la libération de la charge des électrocytes.
Les batteries électriques utilisent des procédés électrochimiques pour stocker et libérer de l’électricité. Les réactions chimiques au sein des cellules électriques constituant la batterie créent une différence de charge entre les deux moitiés de chaque cellule, produisant un courant électrique. Les batteries rechargeables produisent de l’électricité avec des réactions chimiques réversibles et peuvent donc être ramenées à leur configuration chimique d’origine si l’électricité est appliquée à partir d’une source extérieure. Les réactions dans les batteries non rechargeables n’ont pas cette qualité, bien qu’elles produisent généralement plus d’énergie électrique qu’une batterie rechargeable ne peut en fournir en une seule charge.
Une variété de réactions chimiques différentes sont utilisées dans les batteries. Les batteries nickel-cadmium, qui sont couramment utilisées dans les lampes et les appareils électroménagers, sont basées sur des réactions séparées du cadmium et du nickel avec un alcalin, généralement une solution d’hydroxyde de potassium (KOH) et de l’eau. Les batteries nickel-hydrure métallique sont similaires, mais remplacent le cadmium par un composé intermétallique à base de manganèse, d’aluminium ou de cobalt mélangé à des métaux des terres rares tels que le praséodyme, le lanthane et le cérium. Les batteries au lithium peuvent utiliser une variété de réactions impliquant des composés de lithium, le type le plus courant utilisant du dioxyde de manganèse (MnO2) et une solution de perchlorate de lithium (LiClO4), de diméthoxyéthane (C4H10O2) et de carbonate de propylène (C4H6O3).
L’électrolyse est un processus électrochimique dans lequel le courant électrique est utilisé pour déclencher des réactions chimiques dans une substance contenant des ions libres, appelée électrolyte. L’électrolyte est soit fondu, soit dissous dans un solvant, et deux électrodes, appelées anode et cathode, y sont immergées. Lorsqu’un potentiel électrique est appliqué entre les électrodes, l’électricité commence à circuler entre elles et chaque électrode commence à attirer des ions avec l’opposé de sa propre charge. Les ions gagnent ou perdent des électrons aux électrodes, provoquant l’oxydation des molécules près de l’anode et la réduction de celles près de la cathode. L’électrolyse est utilisée dans de nombreux domaines de procédés industriels, notamment la métallurgie, la production de produits chimiques tels que le chlorate de potassium et l’acide trifluoroacétique (KClO3) (C2HF3O2), et l’extraction d’éléments hautement réactifs qui ne se trouvent pas sous leur forme élémentaire dans la nature, tels que comme le sodium et le magnésium.