Понятие о диффузионном и мембранном потенциалах

Рассмотрим сосуд, в котором находятся два разных электролита или два одинаковых, но с различными концентрациями, которые разделены перегородкой. При удалении последней возникнет диффузионный потенциал (?_д) — разность потенциалов между слоями жидкости, возникающая в результате различных скоростей диффузии катионов и анионов (пример — рис. 8.1).

Рис. 8.1. Механизм возникновения диффузионного потенциала.

Если скорость движения катионов больше скорости движения анионов (а именно это чаще наблюдается в жидкостях организма), то в более разбавленном растворе возникает положительный заряд, и жидкость в этой области заряжается положительно, в то время как более концентрированная часть раствора оказывается заряженной отрицательно. Положительный заряд начинает тормозить движение катионов и ускорять движение анионов. Через некоторое время скорости движения ионов сравниваются и потенциал исчезает.

Несмотря на кратковременность существования, этот потенциал имеет большое значение в биологических системах при различного вида патологиях.

Если два различающихся по составу или концентрации электролита разделены полупроницаемой мембраной, избирательно пропускающей только ионы одного знака, то по обеим сторонам мембраны возникают потенциалы различного знака, разность которых называется мембранным потенциалом.

(Е_мбУ

Рассмотрим в качестве модели живую клетку, помещенную в воду. Внутри клетки находятся крупные анионы белка Pt, для которых клеточная мембрана непроницаема, и катионы калия К', относительно легко проходящие через мембрану. В системе будут проходить два процесса: осмос воды в клетку и диффузия ионов калия из клетки. В момент наступления равновесия прекратится проникновение воды в клетку из-за повышенного внутриклеточного давления и диффузия ионов калия из клетки из-за возникшего внутри клетки отрицательного заряда. В этом случае величину мембранного потенциала покоя можно рассчитать по формуле.

где, а — активность ионов.

Если последовательно соединить два электрода — цинковый, погруженный в раствор сульфата цинка, и медный, погруженный в раствор сульфата меди, такая цепь будет представлять собой электрохимический гальванический элемент (рис. 8.2). При замыкании внешней цепи цинк будет растворяться, а медь восстанавливаться. При этом гальванический элемент является источником тока, и энергия химической реакции может быть преобразована в свет, тепло или механическую работу.

(c)Разность потенциалов между электродами называется электродвижущей силой (ЭДС) гальванического элемента.

Электрохимическую цепь можно представить следующим образом:

Рис. 8.2. Электрохимический гальванический элемент.

(-) Zn | ZnS0₄1| КС1 ||CuS0₄|Cu (+).

В гальваническом элементе отрицательный заряд всегда имеет электрод с меньшим значением потенциала (iанод), который пишется слева, электрод с большим значением потенциала {катод) указывается справа и имеет положительный заряд.

ЭДС (АЕ) электрохимического элемента можно рассчитать по формуле

В концентрационном элементе два электрода различаются между собой только концентрациями электролита в ячейках и его ЭДС рассчитывается по формуле.

Измерив ЭДС гальванического элемента, можно найти изменение энергии Гиббса соответствующего окислителыю-востановителыюго процесса:

ЭДС любого гальванического элемента положительна, так как в нем идет самопроизвольный процесс, а, следовательно, изменение энергии Гиббса отрицательно.