14_Электрохимия-биопотенциалы (1). Основы электрохимии 2
 Скачать 0.5 Mb.
|
|
Основы электрохимии - 2 Гальванический элемент Это устройство, в котором химическая энергия окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую энергию за счет пространственного разделения процессов окисления и восстановления. Гальванический элемент состоит из двух электродов, соединенных во внешней цепи металлическим проводником, а во внутренней цепи – электролитическим мостиком – стеклянной трубкой, заполненной насыщенным раствором KCl, или пористой перегородкой. Условная запись гальванического элемента: Meo / Me n+ // Men+ / Meo электрод с меньшим // электрод с большим потенциалом потенциалом. Способность гальванического элемента к переносу электронов во внешней цепи характеризуется ЭДС. В обратимых условиях ЭДС гальванического элемента равна разности потенуиалов катода и анода. ɛ = Еох – ЕRed, где ЕOx > ЕRed. ЭДС гальванического элемента зависит от природы электролита, активности ионов в анодном и катодном растворах и температуры. Для измерения электродных потенциалов составляют гальванический элемент из исследуемого электрода и стандартного водородного электрода. ЭДС связана с энергией Гиббса и константой равновесия следующими формулами: Go = -nF ɛ o Kравн = 10nɛ o/0,059  где n – наименьшее общее кратное число электронов в полуреакциях, F – число Фарадея, равное 96500 Кл Гальванические элементы, служащие для определения концентрации ионов в растворе должны состоять из электрода сравнения и электрода, зависящего от концентрации этих ионов. Электроды сравнения: хлорсеребряный, нормальный водородный, каломельный или ртутносульфатный. Электроды зависящие от концентрации ионов водорода в растворе и рН: водородный, хингидронный и большинство биологических систем. Пример: для определения концентрации ионов меди в растворе можно взять хлорсеребряный электрод и медный электрод и составить из него гальванический элемент. Биопотенциалы Диффузионный потенциал. Возникает на границе раздела двух растворов, содержащих один электролит различной концентрации, или двух растворов различных электролитов вследствие различия в подвижности катионов и анионов. П  ример: Два раствора хлороводородной кислоты разной концентрации разделены пористой перегородкой и приведены в контакт. Т.к. подвижность ионов водорода больше подвижности ионов хлора, то они распределяются неравномерно по отношению к границе раздела. Возникающая разность потенциалов называется диффузионным потенциалом. Диффузионный потенциал тормозит более быстрые ионы и ускоряет более медленные, т.к. силы электрического поля направлены против сил диффузии. Диффузионный потенциал не является равновесным, но в обычных условиях остается постоянным в течение долгого времени. Для устранения диффузионного потенциала в гальванических элементах применяют солевые мостики-трубки, заполненные концентрированным раствором KCl (ионы KCl проводят практически весь ток в зонах соприкосновения, а подвижности катионов и анионов этой соли примерно одинаковы). Растворы отличаются составом электролита
Под действием диффузионных сил границу раздела (---) первыми достигают более подвижные ионы Н+, образуя положительный слой в растворе NaCl, отрицательный слой находится в растворе HCl, который содержит ионы (Cl-). В биологических системах диффузионный потенциал возникает при механическом повреждении клеток, поэтому его называют потенциалом повреждения. Мембранный потенциал Возникает между сторонами избирательно проницаемой мембраны, разделяющей два раствора различного состава, в результате направленного перехода ионов через эту мембрану. Электрические потенциалы устанавливаются на клеточных мембранах возбудимых клеток. К возбудимым клеткам относятся нервные, мышечные и железистые клетки. Электрический импульс может передаваться вдоль мембраны. Возникновение биоэлектрических потенциалов определяется, главным образом, калий-натриевой избирательностью мембран и неравномерным распределением ионов между клеткой и внеклеточной средой. Концентрация ионов калия внутри клетки в 20 раз превышает их содержание в окружающей клеточной жидкости. Концентрация ионов натрия в межклеточной жидкости в 9 раз выше, чем внутри клетки. Наличие разности концентраций ионов по обе стороны мембраны клетки приводит к установлению мембранного потенциала. Мембранные потенциалы клеток подразделяются на потенциалы покоя и действия. Потенциал покоя – мембранный потенциал, возникающий между внутренней и наружной сторонами клеточной мембраны, находящейся в невозбужденном состоянии. Клеточная мембрана в состоянии покоя проницаема в основном для ионов калия. Мембраны нервных клеток в состоянии покоя примерно в 100 раз более проницаемы для ионов калия, чем для ионов натрия. Ионы калия диффундируют по градиенту концентраций через клеточную мембрану в окружающую жидкость, анионы не могут проникать через мембрану и остаются на ее внутренней стороне, поэтому внутренняя поверхность мембраны имеет отрицательный заряд, а внешняя – положительный. Если нервную клетку возбуждать электрически, химически или механически, то клеточная мембрана становится более проницаемой для ионов натрия, чем для калия (примерно в 12 раз). Ионы натрия движутся внутрь клетки, что приводит к изменению величины мембранного потенциала. Обращение знака заряда мембранного потенциала при движении ионов натрия внутрь клетки деполяризует мембрану. После этого изменения мембрана вновь становится проницаема для ионов калия и непроницаема для ионов натрия. После того, как избыток ионов натрия будет откачан из клетки наружу в результате активного транспорта, мембранный потенциал возвращается к своему исходному состоянию. Потенциал действия – амплитуда колебания мембранного потенциала, возникающая при возбуждении клетки. П  отенциал действия, генерируемый нервной клеткой, может быть передан в мышечную клетку. Например, каждому биению сердца предшествует генерация большого по величине потенциала действия. Этот потенциал действия создает ток, который удается регистрировать с помощью электродов, размещенных на грудной клетке (электрокардиография) | ||||||||||||||||||||||||||||
