Дифузионният потенциал е потенциалната разлика, която възниква на границата между два неравни електролитни разтвора. Причинява се от дифузията на йони през интерфейса и причинява инхибиране на по-бързо дифузиращи йони и ускоряване на по-бавно дифузиращи йони, независимо дали са катиони или аниони. Така скоро равновесният потенциал на границата се установява и достига постоянна стойност, която зависи от броя на йонните трансфери, големината на техния заряд и концентрацията на електролита.
E.m.f. концентрация верига (виж)
изразено с уравнението
е сумата от два електродни потенциала и дифузионния потенциал. Алгебричната сума от два електродни потенциала е теоретично равна на
следователно,
Да приемем, че тогава
или като цяло за електрод, обратим по отношение на катиона,
и за електрод, обратим по отношение на аниона,
За електроди, които са обратими по отношение на катиона, когато тогава стойността е положителна и се добавя към сумата от електродните потенциали; ако тогава стойността е отрицателна и e. д.с. елемент в този случай е по-малка от сумата на електродните потенциали. Правени са опити да се елиминира дифузионният потенциал чрез въвеждане на солев мост, съдържащ концентриран разтвор и други соли, за които. В този случай, тъй като разтворът е концентриран, дифузията се определя от електролита на самия солев мост и вместо дифузионния потенциал на клетката имаме два дифузионни потенциала, действащи в противоположни посоки и имащи стойност близка до нула. По този начин е възможно да се намалят дифузионните потенциали, но е почти невъзможно напълно да се премахнат.
Външен клетъчен мембрана– плазмалема – представлява основно липиден слой, който е диелектрик. Тъй като от двете страни на мембраната има проводяща среда, цялата тази система, от гледна точка на електротехниката, е кондензатор. По този начин променливият ток през живата тъкан може да преминава както през активни съпротивления, така и през електрически капацитет, образуван от множество мембрани. Съответно устойчивостта на преминаване на променлив ток през жива тъкан ще бъде осигурена от два компонента: активен R - устойчивост на движение на заряди през разтвора и реактивен X - устойчивост на тока на електрическия капацитет върху мембранните структури. Реактивното съпротивление има поляризационен характер и неговата стойност е свързана със стойността на електрическия капацитет по формулата:
където C е електрическият капацитет, w е кръговата честота, f е текущата честота.
Тези два елемента могат да бъдат свързани последователно или паралелно.
Еквивалентна електрическа верига на жива тъкан– това е връзка на елементи от електрическа верига, всеки от които съответства на определен елемент от структурата на изследваната тъкан.
Ако вземем предвид основните структури на тъканта, получаваме следната диаграма:
Фигура 2 - Еквивалентна електрическа верига на жива тъкан
R c - резистентност на цитоплазмата, R mf - междуклетъчно съпротивление,См - електрически капацитет на мембраната.
Понятие за импеданс.
Импеданс– общото комплексно съпротивление на активните и реактивните компоненти на електрическата верига. Стойността му е свързана с двата компонента по формулата:
където Z е импеданс, R е активно съпротивление, X е реактивно съпротивление.
Големината на импеданса при последователно свързване на реактивно и активно съпротивление се изразява по формулата:
Големината на импеданса при паралелно свързване на реактивно и активно съпротивление се записва като:
Ако анализираме как стойността на импеданса се променя с промените в R и C, ще стигнем до извода, че както при последователно, така и при паралелно свързване на тези елементи, с увеличаване на активното съпротивление R, импедансът се увеличава, а с увеличаване на C той намалява, както и обратното.
Импедансът на живата тъкан е лабилна величина, която зависи, първо, от свойствата на тъканта, която се измерва, а именно:
1) върху структурата на тъканта (малки или големи клетки, плътни или свободни междуклетъчни пространства, степен на лигнификация на клетъчните мембрани);
2) съдържание на вода в тъканите;
4) мембранни условия.
Второ, импедансът се влияе от условията на измерване:
1) температура;
2) честота на изпитвания ток;
3) електрическа схема.
Когато мембраните се разрушават от различни екстремни фактори, ще се наблюдава намаляване на устойчивостта на плазмалемата, както и на апопласта, поради освобождаването на клетъчни електролити в междуклетъчното пространство.
Правият ток ще протича главно през междуклетъчните пространства и неговата величина ще зависи от съпротивлението на междуклетъчното пространство.
| S, nF |
| f, Hz |
| 10 4 |
| 10 6 |
| родна проба |
| проба за замразяване |
| Z, Ом |
| f, Hz |
| 10 4 |
| 10 6 |
| родна проба |
| замразена проба |
Фигура 3 - Промяна в капацитета (C) и съпротивлението (R) на тъканта при промяна на честотата на променливия ток (f)
Предпочитаният път на променлив ток зависи от честотата на приложеното напрежение: с увеличаването на честотата, нарастваща част от тока ще тече през клетките (през мембраните) и комплексното съпротивление ще намалява. Това явление - намаляване на импеданса с увеличаване на честотата на изпитвателния ток - се нарича дисперсия на електропроводимостта.
Наклонът на дисперсията се характеризира с коефициента на поляризация. Дисперсията на електрическата проводимост на живите тъкани е резултат от поляризация при ниски честоти, както при DC. Електрическата проводимост е свързана с поляризацията - с увеличаване на честотата поляризационните явления имат по-малък ефект. Дисперсията на електрическата проводимост, както и способността за поляризация, са присъщи само на живите тъкани.
Ако погледнете как се променя коефициентът на поляризация, когато тъканта умира, тогава в първите часове той намалява значително, след което спадът му се забавя.
Черният дроб на бозайниците има поляризационен коефициент 9-10, черният дроб на жаба 2-3: колкото по-високо е нивото на метаболизма, толкова по-висок е поляризационният коефициент.
Практическо значение.
1. Определяне на устойчивост на замръзване.
2. Определяне на водообезпечеността.
3. Определяне на психо-емоционалното състояние на човек (уред за тонус)
4. Компонент на детектор на лъжата - полиграф.
Мембранен дифузионен потенциал
Дифузионен потенциал– електрически потенциал, възникващ в резултат на микроскопично разделяне на зарядите поради разликите в скоростта на движение на различните йони. А различните скорости на движение през мембраната са свързани с различна селективна пропускливост.
За възникването му е необходим контакт на електролити с различна концентрация и различна подвижност на аниони и катиони. Например водородни и хлорни йони (фиг. 1). Интерфейсът е еднакво пропусклив за двата йона. Преходът на H + и Cl - йони ще настъпи към по-ниски концентрации. Подвижността на H + при движение през мембраната е много по-висока от Cl -, поради което от дясната страна на електролитния интерфейс ще се създаде голяма концентрация на йони и ще възникне потенциална разлика.
Полученият потенциал (мембранна поляризация) инхибира по-нататъшния транспорт на йони, така че в крайна сметка общият ток през мембраната ще спре.
В растителните клетки основните йонни потоци са потоците на K +, Na +, Cl -; те се намират в значителни количества вътре и извън клетката.
Като се вземат предвид концентрациите на тези три йона и техните коефициенти на пропускливост, е възможно да се изчисли стойността на мембранния потенциал поради неравномерното разпределение на тези йони. Това уравнение се нарича уравнение на Голдман или уравнение на постоянно поле:
Където φ M -потенциална разлика, V;
R - газова константа, T - температура; F - числото на Фарадей;
P - йонна пропускливост;
0 - концентрация на йони извън клетката;
I е концентрацията на йони вътре в клетката;
Говорейки за галваничния елемент, разгледахме само интерфейса между метала и разтвора на неговата сол. Нека сега се обърнем към интерфейса между разтвори на два различни електролита. В галваничните клетки, на границите на контакт между разтворите, т.нар дифузионни потенциали.Те възникват и на границата между разтвори на един и същ електролит в случай, че концентрацията на разтворите не е еднаква. Причината за появата на потенциал в такива случаи е неравномерната подвижност на йоните в разтвора.
Скокът на потенциала на границата между разтвори с различен състав или концентрация се нарича дифузионен потенциал.Стойността на дифузионния потенциал зависи, както показва опитът, от разликата в подвижността на йоните, както и от разликата в концентрациите на разтворите в контакт.
Потенциалът на дифузия може да бъде определен експериментално и също така изчислен. По този начин стойността на потенциала на дифузия (ε D), възникваща при контакт на разтвори с различни концентрации на един и същ електролит, който произвежда еднократно заредени йони, се изчислява по формулата
Където л КИ аз- подвижност на йони от един електролит; л К ’И аз- подвижност на йони на друг електролит.
С точни изчисления на емф. В галваничните вериги трябва да се направи корекция за стойността на потенциала на дифузия, включително наситен разтвор на калиев хлорид между електролитни разтвори. Тъй като подвижността на калиеви и хлорни йони е приблизително еднаква ( лК + = 64,4 · 10 -4 и л Cl - = 65,5 · 10 -4 S m 2), тогава дифузионният потенциал, причинен от такъв електролит, ще бъде практически равен на нула.
Дифузионни потенциали могат да възникнат и в биологични обекти, когато например клетъчните мембрани са повредени. В този случай се нарушава селективността на тяхната пропускливост и електролитите започват да дифундират в или извън клетката в зависимост от разликата в концентрациите. В резултат на дифузията на електролитите се получава т.нар потенциал за увреждане, които могат да достигнат стойности от порядъка на 30-40 миливолта. Освен това увредената тъкан се зарежда отрицателно по отношение на неувредената тъкан.
Дифузионният потенциал може да се увеличи значително, ако разтворите на електролити с различни концентрации се разделят със специална мембрана, пропусклива само за йони от същия знак.
В някои случаи появата на мембранен потенциал се дължи на факта, че порите на мембраната не съответстват на размерите на йони с определен знак. Мембранни потенциалиТе са много устойчиви и могат да останат непроменени дълго време. В тъканите на растителни и животински организми, дори в рамките на една клетка, има мембранен и дифузионен потенциал поради химичната и морфологичната хетерогенност на вътреклетъчното съдържание. Различни причини, които променят свойствата на клетъчните микроструктури, водят до освобождаване и дифузия на йони, т.е. до появата на различни биопотенциали и биотокове. Ролята на тези биотокове все още не е напълно проучена, но наличните експериментални данни показват тяхната важноств процесите на саморегулация на живия организъм.
Концентрационни вериги.
Известни са галванични клетки, в които Електрическа енергияне се формира поради химическа реакция, но поради разликата в концентрациите на разтворите, в които са потопени електродите от един и същи метал. Такива галванични клетки се наричат концентрация(фиг. 4.12). Като пример можем да посочим верига, съставена от два цинкови електрода, потопени в ZnSO 4 разтвори с различни концентрации:
В тази схема C 1 и C 2 са концентрациите на електролитите, а C 1 > C 2 Тъй като металът на двата електрода е еднакъв, техните стандартни потенциали (ε o Zn) също са еднакви. Въпреки това, поради разликите в концентрацията на метални катиони, равновесието
в разтвор и в двата полуелемента не е еднакъв. В полуклетка с по-малко концентриран разтвор (С2) равновесието е леко изместено надясно, т.е.
В този случай цинкът изпраща повече катиони в разтвора, което води до някои излишни електрони на електрода. Те се движат по външната верига до втория електрод, потопен в по-концентриран разтвор на цинков сулфат ZnSO 4.
Така електрод, потопен в разтвор с по-висока концентрация (C 1), ще бъде зареден положително, а електрод, потопен в разтвор с по-ниска концентрация, ще бъде зареден отрицателно.
По време на работата на галваничния елемент концентрацията на С 1 постепенно намалява, концентрацията на С 2 се увеличава. Елементът работи, докато концентрациите на анода и катода се изравнят.
Изчисляване на e.m.f. Ще разгледаме елементите на концентрация, като използваме примера на елемент с концентрация на цинк.
Да приемем, че концентрацията на C 1 = l mol/l, а C 2 = 0,01 mol/l. Коефициентите на активност на Zn 2+ в разтвори с тези концентрации са съответно равни: f 1 = 0,061 и f 2 = 0,53. За изчисляване на емф. верига използваме уравнение (4.91). Въз основа на уравнението на Нернст можем да напишем
Като се има предвид това
От уравнение (4.100) става ясно, че концентрацията на йони в даден разтвор може лесно да се изчисли чрез създаване на верига, единият от електродите на която е потопен в изследвания разтвор, а другият в разтвор с известна активност от същите йони. За целта е необходимо само да се измери едс. сглобена схема, което лесно може да се направи със съответния монтаж. Концентрационните вериги се използват широко в практиката за определяне на pH на разтворите, продукта на разтворимостта на слабо разтворимите съединения, както и за определяне на валентността на йони и константи на нестабилност в случай на комплексообразуване.
Еталонни електроди.
Както вече беше отбелязано, потенциалите на различните електроди се измерват спрямо потенциала на нормален водороден електрод. Наред с водорода в момента в електрохимията се използва широко друг еталонен електрод - така нареченият каломелов електрод, който, както показва опитът, има постоянен и добре възпроизводим потенциал.
| |
По този начин платинена плоча или тел, която е абсорбирала молекулярен водород и е потопена в разтвор, съдържащ водородни йони, представлява водороден електрод. Тъй като самата платина не участва в електродната реакция (нейната роля е ограничена до факта, че тя абсорбира водород и, като проводник, позволява на електроните да се движат от един електрод към друг), химикалът
символът за платина в диаграмата на водороден електрод обикновено се поставя в скоби: (Pt)H 2 |2H+.
Има различни конструкции на съдове с водороден електрод, два от които са показани на фиг. 4.13.
На повърхността на водородния електрод се установява равновесие:
В резултат на тези процеси се получава двойно електрически слой, което води до скок в потенциала. Големината на този потенциал при дадена температура зависи от активността на водородните йони в разтвора и от количеството водороден газ, абсорбиран от платината, което е пропорционално на нейното налягане:
| 4.102 |
където a H + е активността на водородните йони в разтвора; P H2 е налягането, под което се подава водороден газ за насищане на електрода. Опитът показва: колкото по-голямо е налягането за насищане на платина с водород, толкова повече отрицателно значениеприема потенциала на водородния електрод.
Електрод, състоящ се от платина, наситена с водород под налягане от 101,325 kPa и потопена във воден разтвор с активност на водородните йони 1, се нарича нормален водороден електрод.
Според международното споразумение потенциалът на нормален водороден електрод обикновено се приема за нула и потенциалите на всички останали електроди се сравняват с този електрод.
Всъщност, при pH 2, - 101,325 kPa, изразът за потенциала на водородния електрод ще има формата
| 4.103 |
Уравнение (4.103) е валидно за разредени разтвори.
Така, когато водороден електрод е наситен с водород под налягане от 101,325 kPa, неговият потенциал зависи само от концентрацията (активността) на водородните йони в разтвора. В тази връзка водородният електрод може да се използва на практика не само като референтен електрод, но и като индикаторен електрод, чийто потенциал е в пряка зависимост от наличието на Н + йони в разтвора.
Приготвянето на водороден електрод представлява значителни трудности. Не е лесно да се гарантира, че налягането на водородния газ, когато платината е наситена, е точно 101,325 kPa. Освен това газообразният водород трябва да се подава за насищане със строго постоянна скорост; освен това за насищане трябва да се използва напълно чист водород, тъй като много малки количества примеси, особено H 2 S и H 3 As, „тровят“ повърхността на платината и по този начин предотвратяват установяването на равновесие Н 2 ↔2Н + +2е - . Производство на водород висока степенчистотата е свързана със значително усложняване на оборудването и самия работен процес. Ето защо в практиката по-често се използва по-прост каломелов електрод, който има стабилен и отличен възпроизводим потенциал.
Каломелов електрод.Неудобства, свързани с практическо приложениеводороден сравнителен електрод, доведе до необходимостта от създаване на други, по-удобни сравнителни електроди, един от които е каломеловият електрод.
За да се подготви каломелов електрод, внимателно пречистен живак се излива на дъното на съда. Последният се покрива отгоре с паста, която се получава чрез смилане на каломел Hg 2 Cl 2 с няколко капки чист живак в присъствието на разтвор на калиев хлорид KCl. Разтвор на KCl, наситен с каломел, се излива върху пастата. Металният живак, добавен към пастата, предотвратява окисляването на каломела до HgCl 2. Платинен контакт е потопен в живак, от който вече минава меден проводник към терминала. Каломеловият електрод се изписва схематично по следния начин: Hg|Hg 2 Cl 2, KC1. Запетая между Hg 2 Cl 2 и KCl означава, че няма интерфейс между тези вещества, тъй като те са в един и същ разтвор.
Нека да разгледаме как работи каломеловият електрод. Каломелът, разтваряйки се във вода, се дисоциира, за да образува Hg+ и Cl - йони:
В присъствието на калиев хлорид, който съдържа хлорния йон със същото име като каломела, разтворимостта на каломела намалява. Така при дадена концентрация на KCl и дадена температура концентрацията на Hg+ йони е постоянна, което всъщност осигурява необходимата стабилност на потенциала на каломеловия електрод.
Потенциалът (ε k) в каломелов електрод възниква на повърхността на контакт на метален живак с разтвор на неговите йони и може да бъде изразен чрез следното уравнение:
Тъй като PR при постоянна температура е постоянна стойност, увеличаването на концентрацията на хлорни йони може да има значителен ефект върху концентрацията на живачни йони и, следователно, върху потенциала на каломеловия електрод.
От уравнение (4.105)
Комбинирайки постоянните стойности при дадена температура ε 0 Н g и Ж lg (ПР) в една стойност и я обозначаваме с ε о к, получаваме уравнението за потенциала на каломелов електрод:
С помощта на каломелов електрод можете емпиричноопредели потенциала на всеки електрод. И така, за да се определи потенциалът на цинков електрод, се прави галванична верига от цинк, потопен в разтвор на ZnSO 4 и каломелов електрод
Да приемем, че експериментално определената е.д.с. тази верига дава стойност E = 1,0103 V. Потенциал на каломеловия електрод ε до = 0,2503 V. Потенциал на цинковия електрод E = ε до -ε Zn, откъдето ε Zn = ε K -E, или e Zn = 0,2503- 1,0103 = -0,76 V.
Като замените цинковия електрод в даден елемент с меден, можете да определите потенциала на медта и т.н. По този начин можете да определите потенциалите на почти всички електроди.
Електрод от сребърен хлорид.В допълнение към каломелния електрод, сребърно-сребърнохлоридният електрод също се използва широко в лабораторната практика като референтен електрод. Този електрод е сребърна жица или плоча, запоена към медна жица и запечатана в стъклена тръба. Среброто се покрива електролитно със слой сребърен хлорид и се поставя в разтвор на KCl или HCl.
Потенциалът на електрод от сребърен хлорид, подобно на каломелов електрод, зависи от концентрацията (активността) на хлорните йони в разтвора и се изразява с уравнението
 | 4.109 |
където ε xc е потенциалът на сребърнохлоридния електрод; e o xc е нормалният потенциал на електрода от сребърен хлорид. Схематично електрод от сребърен хлорид е написан, както следва:
Потенциалът на този електрод възниква на границата между сребро и разтвор на сребърен хлорид.
В този случай протича следната електродна реакция:
Поради изключително ниската разтворимост на AgCl, потенциалът на сребърнохлоридния електрод има положителен знак спрямо нормалния водороден електрод.
На 1 н. В разтвор на KCl потенциалът на електрод от сребърен хлорид по водородната скала при 298 K е 0,2381 V, а при 0,1 N. разтвор ε x c = 0,2900 V и т.н. В сравнение с каломеловия електрод, сребърно-сребърнохлоридният електрод има значително по-нисък температурен коефициент, т.е. потенциалът му се променя по-малко с температурата.
Индикаторни електроди.
За определяне на концентрацията (активността) на различни йони в разтвор чрез електрометричен метод на практика се използват галванични клетки, съставени от два електрода - референтен електрод със стабилен и добре известен потенциал и индикаторен електрод, потенциалът на което зависи от концентрацията (активността) на определяния йон в разтвора. Като референтни електроди най-често се използват каломелни и сребърнохлоридни електроди. Поради своята обемност водородният електрод се използва много по-рядко за тази цел. Много по-често този електрод се използва като индикаторен електрод при определяне на активността на водородните йони (pH) в изследваните разтвори.
Нека се спрем на характеристиките на индикаторните електроди, които през последните години са най-широко използвани в различни области на националната икономика.
Квинхидронов електрод.Един от широко използваните в практиката електроди, чийто потенциал зависи от активността на водородните йони в разтвора, е така нареченият хинхидронов електрод (фиг. 4.16). Този електрод се различава много благоприятно от водородния електрод по своята простота и лекота на използване. Състои се от платинова жица 1, спусната в съд с тестов разтвор 2, в който предварително е разтворено излишно количество хинхидронов прах 3. Хинхидронът е еквимолекулно съединение от две органични съединения- хинон C 6 H 4 O 2 и хидрохинон C b H 4 (OH) 2, кристализиращи под формата на малки тъмнозелени игли с метален блясък. Хинонът е дикетон, а хидрохинонът е двувалентен алкохол.
Квинхидронът съдържа една молекула хинон и една молекула хидрохинон C 6 H 4 O 2 · C 6 H 4 (OH) 2. При приготвянето на хинхидронов електрод хинхидронът винаги се взема в количество, което гарантира, че разтворът е наситен с него, тоест той трябва да остане частично неразтворен в утайката. Трябва да се отбележи, че наситен разтвор се получава чрез добавяне на много малка щипка хинхидрон, тъй като неговата разтворимост във вода е само около 0,005 mol на 1 литър вода.
Нека разгледаме теорията на хинхидроновия електрод. Когато се разтвори във вода, следващи процеси: Хинхидронът се разгражда на хинон и хидрохинон:
Хидрохинонът, като слаба киселина, се дисоциира в малка степен на йони съгласно уравнението
На свой ред, полученият хинонов йон може да се окисли до хинон, при условие че се отстранят електроните:
Общата реакция, протичаща на катода, е
Равновесната константа на тази реакция е
 | 4.109 |
Поради факта, че в разтвор, наситен с хинхидрон, концентрациите на хинон и хидрохинон са равни, концентрацията на водороден йон е постоянна.
Хинхидроновият електрод може да се разглежда като водороден електрод при много ниско налягане на водорода (приблизително 10 -25 MPa). Предполага се, че в този случай протича реакция в близост до електрода
Полученият водороден газ насища платинена тел или плоча, потопена в разтвора под това налягане. Електроните, произведени съгласно реакция (d), се прехвърлят към платината, което води до потенциална разлика между платината и съседния разтвор. По този начин потенциалът на тази система зависи от съотношението на концентрациите на окислената и редуцирана форма и от концентрацията на водородни йони в разтвора. Като се вземе това предвид, уравнението за електродния потенциал на хинхидронов електрод има формата
От формула (4.111) става ясно, че потенциалът на хинхидроновия електрод е в пряка зависимост от концентрацията (по-точно от активността) на водородните йони в разтвора. В резултат на практически измервания беше установено, че нормалният потенциал на хинхидроновия електрод (a n + = 1) е равен на 0,7044 V при 291 К. Следователно заместването на техните числени стойности в уравнение (4.111) вместо ε 0 xg и F, получаваме крайното потенциално уравнение на хинхидронов електрод:
Стъклен електрод.Този електрод в момента е най-широко използваният. За направата на стъклен електрод се използва стъкло от определен тип химичен състав. Една от най-често използваните форми на стъклен електрод е стъклена тръба, завършваща с тънкостенна топка. Топката се пълни с разтвор на HCl с определена концентрация на H + йони, в който се потапя спомагателен електрод (например сребърен хлорид). Понякога стъклените електроди се правят под формата на тънкостенна мембрана от стъкло с водородна функция. Мембраната е запоена към края на стъклената тръба (фиг. 4.17). Стъкленият електрод се различава от вече обсъдените електроди по това, че електроните не участват в съответната електродна реакция. Външната повърхност на стъклената мембрана служи като източник на водородни йони и ги обменя с разтвора като водороден електрод. С други думи, електродната реакция тук се свежда до обмен на водородни йони между две фази - разтвор и стъкло: H + = H + st. Тъй като зарядът на водороден йон съответства на елементарно положително количество електричество и преходът на водороден йон от една фаза в друга е еквивалентен на движението на единичен заряд (n = 1), потенциалът на стъкления електрод (ε st) може да се изрази със следното уравнение:  | 4.113 |
където ε 0 st е стандартният потенциал на стъкления електрод.
Както показват проучванията, в допълнение към водородните йони, реакцията на обмен включва и йони на алкални метали, включени в стъклото. В този случай те са частично заменени от водородни йони и сами преминават в разтвор. Установява се равновесие на йонообменния процес между повърхностния слой стъкло и разтвора:
където M +, в зависимост от вида на стъклото, може да бъде литиеви, натриеви или други йони алкален метал.
Равновесното условие за тази реакция се изразява чрез закона за действието на масите:
уравнението на обменната константа може да се пренапише, както следва:
Замяна А n+ / А nst+ в уравнението на потенциала на стъкления електрод (4.113) със стойността му от уравнение (4.117) води до следния израз:
тоест електродът има водородна функция и следователно може да служи като индикаторен електрод при определяне на pH.
Ако е в разтвор А n+<<К обм А m +, тогава
Стъклен електрод с метална функция може да се използва като индикаторен електрод за определяне на активността на съответните йони на алкални метали.
По този начин, в зависимост от вида на стъклото (по-точно от размера на обменната константа), стъкленият електрод може да има водородна и метална функция.
Представените идеи за стъкления електрод са в основата на термодинамичната теория за стъкления електрод, разработена от Б. П. Николски (1937) и основана на идеята за съществуването на обмен на йони между стъкло и разтвор.
Схематично стъклен електрод с водородна функция може да бъде написан по следния начин:
Като вътрешен електрод се използва електрод от сребърен хлорид.
Поради факта, че в уравнението на стъкления електрод (4.121) стойността на F на практика се оказва малко по-малка от теоретичната и ε 0 st зависи от вида на стъклото и дори от метода на приготвяне на електрода (т.е. е нестабилна стойност), стъкленият електрод (както и антимонът) преди определяне на pH на тестовия разтвор, той предварително се калибрира с помощта на стандартни буферни разтвори, чието pH е точно известно.
Предимството на стъкления електрод пред водородните и хинхидроновите електроди е, че ви позволява да определите рН на разтвор на всяко химично съединение в доста широк диапазон от стойности.
Мембранни електрически потенциалиприсъстват в почти всички клетки на тялото. Някои клетки, като нервните и мускулните клетки, са способни да генерират бързо променящи се електрохимични импулси, които се използват за предаване на сигнали по протежение на мембраните на тези клетки. В други видове клетки, като жлезисти, макрофаги и ресничести клетки, локалните промени в мембранните потенциали също активират много клетъчни функции. Тази глава обсъжда мембранни потенциали, генерирани от покой и активни нервни и мускулни клетки.
Дифузионен потенциал, поради разликата в йонните концентрации от двете страни на мембраната. Концентрацията на калиеви йони вътре в нервното влакно е висока, но извън нея е много ниска. Да приемем, че в този случай мембраната е пропусклива за калиеви йони, но непропусклива за други йони. Поради големия градиент на концентрация, има силна тенденция голям брой калиеви йони да дифундират от клетката през мембраната. По време на процеса на дифузия те пренасят положителни електрически заряди навън, в резултат на което мембраната се зарежда положително отвън и отрицателно отвътре, тъй като отрицателните аниони, останали вътре, не дифундират извън клетката заедно с калиевите йони.
В рамките на приблизително 1 ms разликата потенциалимежду вътрешната и външната страна на мембраната, наречен дифузионен потенциал, става достатъчно голям, за да блокира по-нататъшната дифузия на калиеви йони навън, въпреки техния висок градиент на концентрация. В нервните влакна на бозайниците потенциалната разлика, необходима за това, е около 94 mV, с отрицателен заряд във влакното. Тези йони също имат положителен заряд, но този път мембраната е силно пропусклива за натриевите йони и непропусклива за други йони. Дифузията на положително заредени натриеви йони във влакното създава мембранен потенциал с обратна полярност на мембранния потенциал на фигурата - с отрицателен заряд отвън и положителен заряд отвътре.
Както в първия случай, мембранен потенциал по време начаст от милисекунда става достатъчна, за да спре дифузията на натриеви йони във влакното. В този случай за нервните влакна на бозайници потенциалът е приблизително 61 mV с положителен заряд във влакното.
По този начин разликата йонни концентрациипрез селективно пропусклива мембрана при подходящи условия може да създаде мембранен потенциал. В следващите раздели на тази глава ще покажем, че бързите промени в мембранните потенциали, наблюдавани по време на предаването на нервни и мускулни импулси, са резултат от бързи промени в дифузионните потенциали.
Комуникационна дифузия потенциалс разлики в концентрацията. Нернст потенциал. Нивото на потенциала на мембранна дифузия, което напълно спира цялостната дифузия на определен йон през мембраната, се нарича потенциал на Нернст за този йон. Големината на потенциала на Нернст се определя от съотношението на концентрациите на определен йон от двете страни на мембраната. Колкото по-голямо е това съотношение, толкова по-голяма е тенденцията на йона да дифундира в една посока и следователно толкова по-висок е потенциалът на Нернст, необходим за предотвратяване на цялостната дифузия. Като използвате следното уравнение на Нернст, можете да изчислите потенциала на Нернст за всякакви едновалентни йони при нормална телесна температура (37°C):
EMF (mV) = ± 61 log (Концентрация вътре/Концентрация отвън), където EMF е електродвижеща сила (потенциална разлика).
Когато използвате това формулиПотенциалът на извънклетъчната течност извън мембраната обикновено се приема за нула, а потенциалът на Нернст представлява потенциала вътре в мембраната. В допълнение, знакът на потенциала е положителен (+), ако йонът, разпространяващ се отвътре навън, е отрицателен, и отрицателен (-), ако йонът е положителен. Следователно, ако концентрацията на положителни калиеви йони вътре е 10 пъти по-голяма от тази навън, десетият логаритъм от 10 е 1, така че потенциалът вътре, според уравнението на Нернст, трябва да бъде -61 mV.
Дифузионните потенциали възникват на границата между два разтвора.Освен това, това могат да бъдат или разтвори на различни вещества, или разтвори на едно и също вещество, само във втория случай те трябва да се различават един от друг по своите концентрации.
Когато два разтвора влязат в контакт, частици (йони) от разтворени вещества проникват взаимно в тях поради процеса на дифузия.
Причината за възникването на дифузионен потенциал в този случай е неравномерната подвижност на йоните на разтворените вещества. Ако електролитните йони имат различни скорости на дифузия, тогава по-бързите йони постепенно се появяват пред по-малко подвижните. Сякаш се образуват две вълни от различно заредени частици.
Ако се смесят разтвори на едно и също вещество, но с различни концентрации, тогава по-разреденият разтвор придобива заряд, който съвпада по знак със заряда на по-подвижните йони, а по-малко разреденият разтвор придобива заряд, който съвпада по знак със заряда на по-малко подвижни йони (фиг. 90).
Ориз. 90. Появата на дифузионен потенциал поради различни скорости на йони: аз– „бързи” нони, отрицателно заредени; II– “бавни” йони, положително заредени
На границата на разтвора възниква така нареченият дифузионен потенциал. Осреднява скоростта на движение на йоните (забавя „по-бързите“ и ускорява „по-бавните“).
Постепенно, със завършване на процеса на дифузия, този потенциал намалява до нула (обикновено в рамките на 1-2 часа).
Дифузионни потенциали могат да възникнат и в биологични обекти, когато клетъчните мембрани са повредени. В този случай тяхната пропускливост се нарушава и електролитите могат да дифундират от клетката в тъканната течност или обратно, в зависимост от разликата в концентрацията от двете страни на мембраната.
В резултат на дифузията на електролитите възниква така нареченият потенциал на увреждане, който може да достигне стойности от порядъка на 30-40 mV. Освен това увредената тъкан най-често се зарежда отрицателно по отношение на неувредената тъкан.
Потенциалът на дифузия възниква в галваничните клетки на границата между два разтвора. Следователно, при точно изчисляване на емф. галваничните вериги задължително трябва да въвеждат корекция за неговата стойност. За да се елиминира влиянието на дифузионния потенциал, електродите в галваничните елементи често са свързани помежду си чрез "солев мост", който е наситен разтворKCl.
Калиеви и хлорни йони имат почти еднаква подвижност, така че използването им позволява значително да се намали влиянието на дифузионния потенциал върху стойността на ЕДС.
Дифузионният потенциал може значително да се увеличи, ако разтвори на електролити с различен състав или различни концентрации са разделени от мембрана, която е пропусклива само за йони с определен знак или тип заряд. Такива потенциали ще бъдат много по-устойчиви и могат да се запазят за по-дълго време - те се наричат по различен начин мембранни потенциали. Мембранните потенциали възникват, когато йоните са неравномерно разпределени от двете страни на мембраната, в зависимост от нейната селективна пропускливост или в резултат на обмена на йони между самата мембрана и разтвора.
Принципът на действие на т.нар йон-селективенили мембранен електрод.
Основата на такъв електрод е получена по определен начин полупропусклива мембрана, която има селективна йонна проводимост. Характеристика на мембранния потенциал е, че електроните не участват в съответната електродна реакция. Тук се извършва обмен на йони между мембраната и разтвора.
Електродите с твърда мембрана съдържат тънка мембрана, от двете страни на която има различни разтвори, съдържащи едни и същи откриваеми йони, но в различни концентрации. Отвътре мембраната се измива със стандартен разтвор с точно известна концентрация на определяните йони, а отвън с анализирания разтвор с неизвестна концентрация на определяните йони.
Поради различните концентрации на разтвори от двете страни на мембраната, йоните се обменят по различен начин с вътрешната и външната страна на мембраната. Това води до образуването на различни електрически заряди от различни страни на мембраната и в резултат на това възниква мембранна потенциална разлика.
Сред йон-селективните електроди стъкленият електрод, който се използва за определяне на рН на разтвори, стана широко разпространен.
Централната част на стъкления електрод (фиг. 91) е топка, изработена от специално проводимо хидратирано стъкло. Напълва се с воден разтвор на HCl с известна концентрация (0,1 mol/dm 3 ). В този разтвор се поставя електрод от втория вид – най-често сребърнохлориден, който играе ролята на референтен електрод. По време на измерванията стъклена перла се потапя в анализирания разтвор, който съдържа втори референтен електрод.
Принципът на работа на електрода се основава на факта, че в стъклената структура K +, Na +, Li + йони се заместват с H + йони чрез продължително накисване в киселинен разтвор. По този начин стъклената мембрана може да обменя своите H + йони с вътрешни и външни разтвори (фиг. 92). Освен това в резултат на този процес от двете страни на мембраната възникват различни потенциали.
Ориз. 91. Схема на стъклен електрод: 1 – стъклена топка (мембрана); 2 – вътрешен разтвор на НС1; 3 – сребърнохлориден електрод; 4 – измерван разтвор; 5 – метален проводник
Ориз. 92. Стъклен електрод в разтвор с неизвестна концентрация на H + йони (a) и диаграма на йонен обмен между две фази (b)
С помощта на референтни електроди, поставени във външния и вътрешния разтвор, се измерва тяхната разлика.
Потенциалът от вътрешната страна на мембраната е постоянен, така че потенциалната разлика на стъкления електрод ще зависи само от активността на водородните йони в тестовия разтвор.
Общата електрическа схема, включваща стъклен електрод и два референтни електрода, е показана на фиг. 93.
Ориз. 93. Схема на веригата, обясняваща принципа на работа на стъклен електрод
Стъкленият електрод има редица значителни предимства пред водородния електрод, който също може да се използва за измерване на концентрацията на H + йони в разтвор.
Той е напълно нечувствителен към различни примеси в разтвора, „не е отровен от тях“, може да се използва, ако анализираните течности съдържат силни окислители и редуциращи агенти, както и в най-широк диапазон от стойности на pH - от 0 до 12. Недостатъкът на стъкления електрод е неговата голяма чупливост.
