Lektura 15
1. Ang konsepto ng electrochemistry. Ang mga atom ay binubuo ng mga sisingilin na particle - nuclei (+) at mga electron (-), ngunit sa pangkalahatan sila ay neutral sa kuryente. Maaaring hindi kapansin-pansin ang pagkakaroon ng mga singil sa kuryente. Pero minsan nakakaranas tayo ng kuryente. Sinusuklay namin ang aming buhok, ngunit ang buhok sa ulo ay nagkakalat. Ang mga damit ay dumidikit sa katawan, at maging ang mga kaluskos na paglabas ng kuryente ay naririnig. Ito ay nagpapakita ng isang unibersal na kababalaghan - ang paglitaw ng mga singil sa kuryente sa mga hangganan ng bahagi. Ang mga contact surface kung minsan ay kusang-loob, minsan sa paggastos ng trabaho (ang kaso ng electrification sa pamamagitan ng friction) ay nakakakuha ng kabaligtaran na mga singil sa kuryente. Bilang karagdagan sa mga halatang halimbawa, ang mga singil sa ibabaw ay ang sanhi ng electric current sa mga baterya; pagpapatakbo ng mga thermoelement; ang mga singil sa mga lamad ng mga selula ng nerbiyos ay tinitiyak ang pagpapadaloy ng mga impulses ng nerve; Ang mga singil sa nanoparticle ay nagpapatatag ng mga dispersed system, atbp. Ang mismong pangalan ng kuryente ay lumitaw mula sa kakayahan ng amber na magpakuryente (sa Greek hlektro - amber.)
Ang sangay ng pisikal na kimika na nag-aaral ng kaugnayan sa pagitan ng kemikal at elektrikal na phenomena ay tinatawag electrochemistry. Ang mga pangunahing problema ng electrochemistry ay ang paglitaw ng mga electrical phenomena sa mga reaksiyong kemikal at ang paglitaw ng mga reaksiyong kemikal kapag nalantad sa kuryente.
Dalawang Italyano na manggagamot, sina Luigi Galvani (1737–1798, Bologna) at Alessandro Volta (1745–1827), ay itinuturing na mga tagapagtatag ng electrochemistry. ugat galvano Ang BME ay may 15 na artikulo.
Galvanocaustics
Galvanisasyon
Galvanotropism, atbp.
Ang pangalang galvanic cell ay nagmula sa apelyidong Galvani.
Ang isang electrochemical system ay isang heterogenous system kung saan ang isang electric current ay lumitaw dahil sa isang kusang reaksyon (galvanic cell) o isang di-spontaneous na reaksyon ay nangyayari dahil sa paggasta ng electrical work (electrolyzer). Ang isang dobleng aksyon ng system ay posible: sa isang sisingilin na estado, ito ay gumaganap bilang isang kasalukuyang mapagkukunan, at sa proseso ng pagsingil, bilang isang electrolyzer. Ang ganitong aparato ay tinatawag na baterya. Alam ito ng lahat ng mausisa.
Ang isang electrochemical reaction ay isang reaksyon na sinamahan ng paglipat ng mga singil sa pamamagitan ng hangganan ng bahagi.
2. Mga iba't ibang potensyal sa ibabaw. Depende sa likas na katangian ng mga yugto ng pakikipag-ugnay, ang ilang mga uri ng mga potensyal sa ibabaw ay nakikilala.
– Ang potensyal ng pakikipag-ugnay ay nangyayari sa interface sa pagitan ng dalawang metal. Sa kaso ng contact sa pagitan ng zinc at copper, ang zinc, na mas madaling nag-donate ng mga electron, ay positibong sinisingil, at ang tanso ay negatibong sinisingil. Ang mga sobrang singil ay puro sa interface ng metal, na bumubuo ng double electric layer.
Kung ang naturang bimetal ay nahuhulog sa isang acid, kung gayon ang mga electron na nagpapababa ng H + ions ay umalis sa ibabaw ng tanso, at sa parehong oras, ang mga zinc ions mula sa ibabaw ng metal ay napupunta sa solusyon:
– Ang potensyal ng pagsasabog ay nangyayari sa interface sa pagitan ng dalawang likidong electrolyte. Ang mga ito ay maaaring mga solusyon ng isang sangkap na may iba't ibang konsentrasyon, o mga solusyon ng iba't ibang mga sangkap, o isang solusyon at isang solvent. Malinaw na ang gayong hangganan ay hindi matatag. Ang pagsasabog ng mga ion ay nangyayari, na humahantong sa paglitaw ng isang potensyal na pagkakaiba. Ipagpalagay natin na ang sistema ay binubuo ng mga solusyon ng potassium chloride at hydrogen chloride ng parehong konsentrasyon ng 1 mol/l. Ang pagsasabog ng K + ions sa HCl solution at ang counter diffusion ng H + ions sa KCl solution ay nagaganap. Ang pagsasabog ng mga hydrogen ions ay nangyayari sa isang mas mataas na rate (ang direksyon ay ipinapakita ng isang mas mahabang arrow), bilang isang resulta kung saan mayroong labis na positibong singil sa gilid ng KCl solution, at sa gilid ng acid solution - negatibo. . May potensyal na tumalon φ diff.
– Ang potensyal ng lamad ay nangyayari sa isang lamad na nailalarawan sa pamamagitan ng selective permeability na may kinalaman sa mga ion na may iba't ibang kalikasan. Isipin ang mga solusyon ng chloride na may iba't ibang konsentrasyon na pinaghihiwalay ng isang lamad na nagpapahintulot sa mga chloride ions na dumaan ngunit hindi ang mga sodium ions na dumaan. Pagkatapos ang isang tiyak na halaga ng mga Cl ions - mula sa isang solusyon na may mas mataas na konsentrasyon ay papasa sa isang solusyon na may mas mababang konsentrasyon. Ang natitirang labis ng Na + ions ay umaakit ng Cl - ions, at huminto sa paglipat sa pamamagitan ng lamad. Ang isang tiyak na potensyal na pagtalon ay itinatag, na tumutugma sa estado ng balanse.
– Ang potensyal ng electrode ay nangyayari sa interface sa pagitan ng metal (conductor ng 1st kind) – electrolyte (conductor ng 2nd kind). Ang potensyal ng elektrod ay ang pinakamalaking kahalagahan sa electrochemistry, dahil ang gawain ng kasalukuyang mga mapagkukunan ng kemikal ay batay sa hindi pangkaraniwang bagay na ito. Ang isang sistema na binubuo ng isang metal at isang electrolyte ay tinatawag na isang electrode. Susunod, pag-uusapan natin ang tungkol sa isang bilang ng mga uri ng mga electrodes. Ngayon, bilang isang halimbawa, isaalang-alang ang isang ion-metal electrode (electrode ng 1st kind) Cu / Cu 2+ . Ang isang plato ng metal na tanso ay inilubog sa isang solusyon sa asin na tanso, tulad ng CuSO 4 . Ang elektrod ay karaniwang nakasulat bilang Cu | Cu 2+ , kung saan ang patayong linya ay nangangahulugan ng interface sa pagitan ng metal at ng electrolyte.
Ang konsentrasyon ng mga ion ng tanso sa metal at, nang naaayon, ang kanilang potensyal na kemikal ay mas mataas kaysa sa solusyon. Samakatuwid, ang isang tiyak na bilang ng mga Cu 2+ ion ay pumasa mula sa ibabaw ng metal patungo sa electrolyte. Ang labis na mga electron ay nananatili sa metal. Ang mga positibong sisingilin na ion ay naaakit sa ibabaw ng metal mula sa gilid ng electrolyte. Mayroong double electric layer (DES). Bilang resulta ng paggalaw ng mga ion sa solusyon, ang isang tiyak na bilang ng mga ion ay lumayo mula sa ibabaw, na nasa layer ng pagsasabog. Ang halaga ng equilibrium ng potensyal na pagtalon sa double electric layer ay itinatag. Ang potensyal na jump j na ito ay tinatawag na electrode potential.
Isaalang-alang kung ano ang tumutukoy sa magnitude ng potensyal ng elektrod. Ang paghihiwalay ng mga singil sa DES ay nangangahulugang ang halaga ng gawaing elektrikal, at ang paglipat ng mga particle ng bagay sa anyo ng mga ions mula sa metal patungo sa solusyon ay isang kusang proseso ng kemikal na nagtagumpay sa paglaban sa kuryente. Sa isang estado ng ekwilibriyo
W el \u003d -W chem
Ibahin natin ang equation na ito para sa isang mole ng mga metal ions na Me z+ (sa ating halimbawa, ito ay Cu 2+):
saan F- Faraday's constant 96485.3383 C mol -1 (ayon sa pinakabagong data). Sa pisikal na termino, ito ay singil ng 1 mole ng elementarya na mga singil. Aktibidad ng metal ion a(Ako z+) sa kaso ng sapat na dilute na mga solusyon ay maaaring mapalitan ng konsentrasyon kasama(Ako z+). Paghahati ng nakasulat na ekspresyon sa pamamagitan ng zF nakakakuha kami ng isang equation para sa pagkalkula ng potensyal ng elektrod:
Sa a(Ako z +) = 1; j \u003d j o \u003d DG ° / zF. Gumagawa kami ng pagpapalit:
Ang equation na ito ay tinatawag na Nernst equation. Ayon sa equation na ito, ang potensyal ng elektrod ay nakasalalay sa aktibidad (konsentrasyon) ng mga electrolyte ions a(Ako z+), temperatura E at ang likas na katangian ng system Me / Me z+ , na ipinahiwatig sa halaga ng karaniwang electrode potential j o.
Kunin natin para sa paghahambing ang isa pang elektrod, na nakuha sa pamamagitan ng paglubog ng zinc plate sa isang solusyon ng zinc sulfate, na tinutukoy ng simbolo na Zn | Zn 2+:
Ang zinc ay isang mas aktibong metal kaysa sa tanso. Ang isang mas malaking bilang ng mga ion ng Zn 2+ ay pumasa mula sa ibabaw ng metal patungo sa electrolyte, at isang mas malaking labis na mga electron ang nananatili sa metal (ceteris paribus). Bilang isang resulta, ito ay lumiliko na
j o (Zn 2+)< j о (Cu 2+)
Sa serye ng aktibidad na kilala mo, ang mga metal ay nakaayos sa pagkakasunud-sunod ng pagtaas ng mga potensyal na electrode.
3. Galvanic cell
Isaalang-alang ang isang sistema na binubuo ng dalawang electrodes - tanso at sink. Ang mga electrolyte ay konektado sa pamamagitan ng isang curved tube na puno ng potassium chloride solution. Sa pamamagitan ng gayong tulay, ang mga ion ay maaaring maglipat ng mga ion. Ang mga mobility ng K + at Cl - ions ay halos pareho, at sa gayon ang diffusion potential ay nabawasan. Ang mga metal ay konektado sa pamamagitan ng tansong kawad. Maaaring mabuksan ang contact sa pagitan ng mga metal kung kinakailangan. Ang isang voltmeter ay maaari ding ilagay sa circuit. Ang sistemang ito ay isang halimbawa ng isang galvanic cell, o isang kasalukuyang pinagmumulan ng kemikal. Ang mga electrodes sa isang galvanic cell ay tinatawag kalahating elemento.
Sa isang bukas na kontak sa pagitan ng mga metal, ang mga halaga ng balanse ng mga potensyal na elektrod ay itinatag sa mga interface ng metal-electrolyte. Walang mga kemikal na proseso sa system, ngunit may potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga electrodes
Δφ \u003d j o (Cu 2+) - j o (Zn 2+)
Sa isang closed contact, ang mga electron ay nagsisimulang lumipat mula sa zinc plate, kung saan ang kanilang konsentrasyon sa ibabaw ay mas mataas at ang potensyal ay mas mababa, sa tanso na plato. Ang potensyal ay bumababa sa tanso at tumataas sa zinc. Nasira ang balanse. Sa ibabaw ng tanso, ang mga electron ay tumutugon sa mga ion sa electrical double layer upang bumuo ng mga atomo:
Cu 2+ + 2e – = Cu
Ang potensyal sa tanso ay lumalapit muli sa ekwilibriyo. Sa ibabaw ng zinc, ang kakulangan ng mga electron ay binabayaran ng paglipat ng mga ion sa electric double layer, at mula dito hanggang sa electrolyte:
Zn = Zn2+ + 2e –
Ang potensyal sa zinc ay lumalapit muli sa equilibrium. Ang mga proseso sa mga electrodes ay nagpapanatili ng potensyal na pagkakaiba sa pagitan nila, at ang daloy ng mga electron ay hindi hihinto. Mayroong electric current sa circuit. Sa kalahating cell ng tanso, ang tanso ay idineposito sa ibabaw ng metal, at ang konsentrasyon ng mga Cu 2+ ions sa solusyon ay bumababa. Sa zinc half-cell, ang masa ng metal ay bumababa, at ang konsentrasyon ng Zn 2+ ions sa solusyon ay sabay na tumataas. Gumagana ang galvanic cell hangga't sarado ang konduktor, at hanggang sa maubos ang mga unang bahagi - metallic zinc at copper salt. Ang pagdaragdag ng mga reaksyon na nagaganap sa mga electrodes, nakuha namin ang kabuuang equation ng reaksyon sa galvanic cell:
Zn + Cu 2+ \u003d Zn 2+ + Cu, Δ r H= -218.7 kJ; Δr G= -212.6 kJ
Kung ang parehong reaksyon ay isinasagawa sa ilalim ng normal na mga kondisyon sa pagitan ng sink at tanso sulpate, pagkatapos ay ang lahat ng enerhiya ay inilabas sa anyo ng init na katumbas ng 218.7 kJ. Ang reaksyon sa galvanic cell ay nagbibigay ng electrical work na 212.6 kJ, na nag-iiwan lamang ng 6.1 kJ para sa init.
Ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga electrodes sa isang galvanic cell ay tinatawag na masusukat na dami puwersang electromotive, EMF. Ito ay isang positibong halaga:
Ang mga potensyal ng mga electrodes at ang EMF ng elemento ay hindi nakasalalay sa laki ng system, ngunit sa mga materyales at kundisyon lamang. Samakatuwid, ang mga kasalukuyang mapagkukunan ay may iba't ibang laki depende sa layunin, na nakikita natin sa mga komersyal na magagamit na baterya. Ang mga electrodes para sa praktikal at siyentipikong mga sukat ay maaaring micro-sized, na nagpapahintulot sa kanila na maipasok sa cell upang masukat ang mga potensyal ng lamad.
Ang itinuturing na galvanic cell sa karaniwang estado ay may EMF = 1.1 V.
EMF = |j o (Cu 2+ /Cu) - j o (Zn 2+ /Zn)| = 1.1 V.
Ang sumusunod na kondisyon na notasyon ng galvanic circuit ay inilapat:
|
|
Anode ay ang elektrod kung saan nagaganap ang oksihenasyon.
Ang katod ay ang elektrod kung saan nagaganap ang pagbabawas.
Ang potensyal na pagkakaiba ng mga electrodes ay sinusukat gamit ang isang voltmeter, ngunit ang potensyal ng elektrod ng isang indibidwal na elektrod ay hindi maaaring matukoy sa eksperimento. Samakatuwid, ang potensyal ng isang napiling kondisyon na elektrod ay kinuha bilang zero, at ang mga potensyal ng lahat ng iba pang mga electrodes ay ipinahayag na may kaugnayan dito. Ang isang karaniwang hydrogen electrode ay kinuha bilang zero electrode. Binubuo ito ng isang platinum plate na pinahiran ng platinum black at inilubog sa isang acid solution, kung saan ang hydrogen ay ipinapasa sa ilalim ng presyon na 101.3 kPa. Ang elektrod ay nakasulat tulad ng sumusunod:
Ayon sa kombensiyon, jº(Pt, H 2 | H+)=0V.
Kung ang hydrogen electrode sa pinag-aralan na galvanic cell ay naging cathode, kung gayon ang pangalawang elektrod sa cell na ito ay ang anode, at ang potensyal nito ay negatibo. Sa kabaligtaran ng kaso, kapag ang hydrogen electrode ay naging anode, ang pangalawang elektrod ay may positibong potensyal (cathode). Sa isang serye ng mga aktibidad sa metal, ang hydrogen ay nasa pagitan ng mga metal na may negatibo at positibong pamantayang potensyal. Ang mga karaniwang potensyal ng elektrod, na ipinahayag na nauugnay sa hydrogen electrode, ay ibinibigay sa mga talahanayan. Mahahanap natin ang mga potensyal mula sa talahanayan at kalkulahin ang EMF ng isang copper-zinc galvanic cell:
j o (Cu 2+ / Cu) = +0.34 V; j o (Zn 2+ / Zn) \u003d -0.76 V; EMF = 0.34 V - (-0.76 V) = 1.1 V.
Ang mga sistema ng pamumuhay sa lahat ng antas ng organisasyon ay mga bukas na sistema. Samakatuwid, ang transportasyon ng mga sangkap sa pamamagitan ng mga biological membrane ay isang kinakailangang kondisyon para sa buhay. Ang paglipat ng mga sangkap sa pamamagitan ng mga lamad ay nauugnay sa mga proseso ng metabolismo ng cell, mga proseso ng bioenergetic, ang pagbuo ng mga biopotential, ang pagbuo ng isang nerve impulse, atbp Ang paglabag sa transportasyon ng mga sangkap sa pamamagitan ng biomembranes ay humahantong sa iba't ibang mga pathologies. Ang paggamot ay madalas na nauugnay sa pagtagos ng mga gamot sa pamamagitan ng mga lamad ng cell. Ang pagiging epektibo ng gamot ay higit sa lahat ay nakasalalay sa pagkamatagusin ng lamad para dito. Ang konsepto ng potensyal na electrochemical ay may malaking kahalagahan para sa paglalarawan ng transportasyon ng mga sangkap.
potensyal na kemikal ibinigay na sangkap m sa ay ang halaga ayon sa bilang na katumbas ng enerhiya ng Gibbs bawat mole ng sangkap na ito. Sa matematika, ang potensyal na kemikal ay tinukoy bilang bahagyang derivative ng enerhiya ng Gibbs, G, na may paggalang sa dami ng kth substance, sa pare-parehong temperatura T, pressure P, at ang mga halaga ng lahat ng iba pang substance m l (l¹k).
m k = (¶G/¶m k) P , T , m
Para sa isang dilute na solusyon ng konsentrasyon ng sangkap C:
m = m0 + RTlnC
kung saan ang m 0 ay ang karaniwang potensyal na kemikal, ayon sa bilang na katumbas ng potensyal na kemikal ng isang partikular na sangkap sa konsentrasyon nito na 1 mol / l sa solusyon.
Electrochemical potential m- isang dami ayon sa numerong katumbas ng Gibbs energy G bawat isang mole ng isang substance na inilagay sa isang electric field.
Para sa mga dilute na solusyon
m = m o + RTlnC + ZFj (1)
kung saan ang F = 96500 C/mol ay ang numero ng Faraday, ang Z ay ang singil ng electrolyte ion (sa elementarya na mga yunit ng singil), ang j ay ang potensyal ng electric field, ang T [K] ay ang temperatura.
Ang transportasyon ng mga sangkap sa mga biological na lamad ay maaaring nahahati sa dalawang pangunahing uri: pasibo at aktibo.
Ano ang gagawin natin sa natanggap na materyal:
Kung ang materyal na ito ay naging kapaki-pakinabang para sa iyo, maaari mo itong i-save sa iyong pahina sa mga social network:
| tweet |
Lahat ng mga paksa sa seksyong ito:
Vitebsk
EE "VSU sila. P. M. Masherova UDC 577 (075) BBC 28.071-73 B 63 Nai-publish sa pamamagitan ng desisyon ng Scientific and Methodological Council
Biophysics bilang isang agham. Paksa ng biophysics
Mga teoretikal na tanong: 1. Paksa at mga gawain ng biophysics. Mga antas ng biophysical na pananaliksik; pamamaraan ng pananaliksik at mga kinakailangan para sa kanila. 2. Kasaysayan
Mga paksa ng problema ng biophysics. Kasaysayan ng pag-unlad ng biophysics
Ang biophysics ay isang agham na nag-aaral ng mga prosesong pisikal at physico-kemikal na nagaganap sa mga biosystem sa iba't ibang antas ng organisasyon at ang batayan ng mga kilos na pisyolohikal. Ang paglitaw nito ay
Pamamaraan ng biophysics
Ipakilala natin ang kahulugan ng mga sumusunod na termino: object ng biophysical research, biological system, technique, method, methodology. Biological system - isang set ng magkakaugnay na tiyak na arr
Thermodynamics ng mga biological na proseso
Mga teoretikal na tanong: 1. Paksa at pamamaraan ng thermodynamics. Pangunahing konsepto ng thermodynamics. 2. Mga parameter ng estado (intensive at malawak) Function na may
I. Prigogine's theorem. Onsager equation
I. Ang postulate ni Prigogine ay ang kabuuang pagbabago sa entropy dS ng isang bukas na sistema ay maaaring mangyari nang nakapag-iisa o dahil sa mga proseso ng palitan sa kapaligiran (deS
Relasyon sa pagitan ng entropy at impormasyon. Ang dami ng biological na impormasyon, ang halaga nito
Ayon sa Boltzmann formula, ang entropy ay tinukoy bilang ang logarithm ng bilang ng mga microstate na posible sa isang ibinigay na macroscopic system: S = kB ln W
Biomembranology. Istraktura at katangian ng biological membranes
Mga teoretikal na tanong: 1. Ang istraktura ng mga lamad ng cell. 2. Mga uri ng biological membrane. 3. Mga protina sa istraktura ng mga lamad ng cell, ang kanilang istraktura
Pangunahing pag-andar ng biological membranes
Ang isang elementarya na sistema ng pamumuhay na may kakayahang independiyenteng pag-iral, pag-unlad at pagpaparami ay isang buhay na selula - ang batayan ng istraktura ng lahat ng mga hayop at halaman. Ang pinakamahalagang kondisyon para sa pagkakaroon
Istraktura ng biological membranes
Ang unang modelo ng istraktura ng mga biological membrane ay iminungkahi noong 1902. Nabanggit na ang mga sangkap na lubos na natutunaw sa mga lipid ay pinakamahusay na tumagos sa mga lamad, at batay dito, ito ay ginawa.
Mga yugto ng paglipat ng mga lipid sa mga lamad
Ang isang substance sa iba't ibang temperatura, pressure, konsentrasyon ng mga kemikal na sangkap ay maaaring nasa iba't ibang pisikal na estado, tulad ng gas, likido, solid, plasma. mala-kristal
Physics ng mga proseso ng transportasyon ng mga sangkap sa pamamagitan ng biological membranes
Mga teoretikal na tanong: 1. Mga paraan ng pagtagos ng mga sangkap sa pamamagitan ng mga lamad ng cell. 2. Mga puwersa sa pagmamaneho ng transportasyon ng lamad. 3. Mga uri ng transportasyon
Passive na transportasyon ng mga sangkap sa buong lamad
Ang passive transport ay ang paglipat ng isang substance mula sa mga lugar na may malaking halaga ng electrochemical potential sa mga lugar na may mas mababang halaga nito.
Aktibong transportasyon ng mga sangkap. Paggamit ng karanasan
Ang aktibong transportasyon ay ang paglipat ng isang sangkap mula sa mga lugar na may mas mababang potensyal na electrochemical patungo sa mga lugar na may mas mataas na halaga. aktibong transportasyon sa lamad
Mga electrogenic ion pump
Ayon sa mga modernong konsepto, mayroong mga ion pump sa biological membrane na nagpapatakbo dahil sa libreng enerhiya ng ATP hydrolysis - mga espesyal na sistema ng mga integral na protina (
Lamad potensyal
Ang isa sa pinakamahalagang tungkulin ng isang biological membrane ay ang pagbuo at paglilipat ng mga biopotential. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay sumasailalim sa excitability ng mga cell, ang regulasyon ng mga proseso ng intracellular, ang paggana ng nervous system,
Pagpapalaganap ng isang nerve impulse kasama ang isang excitable fiber
Kung ang isang potensyal na aksyon ay nabuo sa anumang bahagi ng nasasabik na lamad, ang lamad ay depolarized, ang paggulo ay kumakalat sa ibang mga bahagi ng lamad. Isaalang-alang ang pagpapalaganap ng mga paggulo
Mga katangian ng mga channel ng ion sa mga lamad ng cell
Ang nasasabik na modelo ng lamad ayon sa teorya ng Hodgkin-Huxley ay ipinapalagay ang isang regulated na transportasyon ng mga ion sa buong lamad. Gayunpaman, ang direktang paglipat ng ion sa pamamagitan ng lipid bilayer ay napakahirap. Samakatuwid pinangunahan
Mga uri ng kinokontrol na mga channel at bomba
1) Ang "mga gate" ng channel ay konektado sa pamamagitan ng isang sistema ng "levers" sa isang dipole, na maaaring lumiko
Pakikilahok ng mga lamad sa paghahatid ng intercellular na impormasyon
Ang isang mahalagang pag-aari ng lahat ng nabubuhay na nilalang ay ang kakayahang makita, magproseso at magpadala ng impormasyon gamit ang mga biological membrane. Sa kabila ng malaking pagkakaiba-iba ng iba't ibang mga sistema para sa pagkuha
G protina at pangalawang mensahero
Mula sa unang link - ang receptor (R), ang signal ay napupunta sa tinatawag na N- o G-proteins - mga protina ng lamad na isinaaktibo kapag ang guanosine triphosphate (GTP) ay nakatali. Ang mga protina ng G ay may kakayahang magpadala ng impormasyon
Molecular na batayan ng nerve impulse conduction sa nerve fibers at synapses
Ang kalikasan ay lumikha ng dalawang pangunahing magkaibang paraan ng intercellular signaling. Isa sa mga ito ay ang mga mensahe ay ipinapadala sa pamamagitan ng electric current; ang pangalawa ay gumagamit ng mga molekula, p
Mga espesyal na mekanismo ng transportasyon ng mga sangkap sa pamamagitan ng biomembrane (endo- at exocytosis)
Pinapayagan ng mga transport protein ang pagtagos ng maraming maliliit na molekula ng polar sa pamamagitan ng mga lamad ng cell, ngunit hindi nila magagawang maghatid ng mga macromolecule, halimbawa, mga protina, polynucleo
Biophysics bilang isang agham
1. Remizov A.N. Medikal at biyolohikal na pisika: aklat-aralin. para sa mga unibersidad / A.N. Remizov, A.G. Maksina, A.Ya. Potapenko. - M., 2003. - S. 14-17. 2. Biophysics: aklat-aralin. para sa mga unibersidad / V. F. Antonov [at
Biophysics ng mga lamad. Istraktura at pag-andar ng biological membranes. Dynamics ng biomembranes. Mga modelo ng lipid membrane
1. Remizov A.N. Medikal at biyolohikal na pisika: aklat-aralin. para sa mga unibersidad / A.N. Remizov, A.G. Maksina, A.Ya. Potapenko. - M., 2003. - S. 184-190. 2. Rubin A.B. Biophysics ng mga proseso ng cellular. M.
Transport ng mga substance sa mga biological membrane. Mga Potensyal ng Bioelectric
1. Remizov A.N. Medikal at biyolohikal na pisika: aklat-aralin. para sa mga unibersidad / A.N. Remizov, A.G. Maksina, A.Ya. Potapenko. - M., 2003. - S. 191-213. 2. Biophysics: aklat-aralin. para sa mga unibersidad / V.F. Antonov [
Ang potensyal na kemikal ng neutral na bahagi ay isang function ng temperatura, presyon, at kemikal na komposisyon ng bahagi kung saan ito namamalagi. Ang potensyal ng kemikal ay tinukoy bilang mga sumusunod:
kung saan G - Gibbs libreng enerhiya, A - Helmholtz libreng enerhiya, U - panloob na enerhiya, I - enthalpy, S - entropy, V - dami, T - temperatura, presyon. Sa mga sukat, ang pagkakaiba sa mga potensyal na kemikal sa iba't ibang mga termodinamikong estado ay palaging tinutukoy, at hindi kailanman ang ganap na halaga ng potensyal na kemikal sa isang partikular na estado. Gayunpaman, kapag nag-tabulate ng mga resulta, maginhawang magtalaga ng isang tiyak na halaga sa bawat termodinamikong estado. Magagawa ito sa pamamagitan ng pagtatalaga ng di-makatwirang halaga sa potensyal na kemikal sa ilang estado at pagtukoy ng halaga nito sa ibang estado sa pamamagitan ng paghahambing sa ibinigay na karaniwang estado.
Halimbawa, ang mga potensyal na kemikal ng mga purong elemento sa at presyon ng isang kapaligiran ay maaaring kunin na katumbas ng zero. Sa sandaling ang karaniwang estado ay tiyak na naitatag at ang mga halaga ng mga potensyal na kemikal sa ibang mga estado ay na-tabulate, ang mga eksperimentong resulta ay nagiging hindi malabo. Babalik tayo sa isyung ito muli kapag tinatalakay ang data sa mga electrochemical cell.
Ang potensyal ng electrochemical ng isang ion ay ipinakilala ni Guggenheim, at ang pagkakaiba sa mga halaga nito sa dalawang yugto ay tinukoy bilang ang gawain sa nababaligtad na paglipat ng isang gramo ng ion mula sa isang yugto patungo sa isa pa sa pare-pareho ang temperatura at dami. Depende ito sa temperatura, presyon, komposisyon ng kemikal at estado ng kuryente ng phase. Ito ay nananatiling upang makita kung gaano kahusay ang mga independyenteng mga variable na ito ay tinukoy. Isaalang-alang natin ang mga sumusunod na kaso kung saan maaaring lumitaw ang transportasyon ng ion:
1. Patuloy na temperatura at presyon, ang parehong kemikal na komposisyon ng mga phase. Ang mga pagkakaiba sa pagitan ng mga phase ay maaari lamang maging elektrikal sa kalikasan.
a) Para sa paglipat ng isang gramo ng component i mula sa phase hanggang phase a, ang gawain ng paglipat ay katumbas ng
kung saan ang pagkakaiba sa pagitan ng dalawang phase ay maaaring makilala sa pamamagitan ng pagkakaiba sa mga potensyal na kuryente ng parehong mga phase (ang pangalawang kaugnayan).
b) Para sa paglipat ng mga bahagi 1 gramo ions at sangkap 2 gramo ion, sa kondisyon na
ang gawaing ginawa ay zero. Ang ganitong mga electrically neutral na kumbinasyon ng mga ions ay hindi nakasalalay sa electrical state ng phase, at ang katotohanang ito ay maaaring gamitin upang i-verify ang kahulugan sa itaas ng potensyal na pagkakaiba. Dahil para sa mga neutral na kumbinasyon ang kabuuang gawain ng paglipat ay magiging katumbas ng zero, upang ang pagkakapantay-pantay (13-3) ay nasiyahan, mayroon kaming
Kung ilalapat natin ang pagkakapantay-pantay (13-2) sa ionic component 1, maaari nating pagsamahin ang mga pagkakapantay-pantay (13-2) - (13-4) at ipahayag ang pagkakaiba
electrochemical potentials ng ionic component 2 sa anyo
Samakatuwid, ang pagkakaiba ng potensyal ng kuryente na tinukoy ng equation (13-2) ay hindi nakadepende kung alin sa dalawang sisingilin na bahagi (1 o 2) ang ginagamit sa equation (13-2). Sa ganitong kahulugan, ang pagkakaiba sa potensyal na elektrikal ay tinukoy nang tama at tumutugma sa karaniwang ideya ng potensyal na pagkakaiba.
2. Patuloy na temperatura at presyon, iba't ibang komposisyon ng kemikal ng parehong mga phase. Kapag naglilipat ng mga neutral na kumbinasyon ng mga ion na nakakatugon sa pagkakapantay-pantay (13-3), walang pag-asa sa estado ng kuryente ng alinman sa mga phase. Kaya, ang gawain ng paglipat ay nakasalalay lamang sa pagkakaiba sa mga komposisyon ng kemikal. Ang gawain ng paglipat ng isang sinisingil na bahagi ay ibibigay pa rin ng pagkakapantay-pantay
ngunit hindi na ito maipahayag lamang sa mga tuntunin ng mga pagkakaiba sa potensyal na elektrikal, dahil ang kemikal na kapaligiran ng inilipat na bahagi ay magkakaiba sa parehong mga yugto.
Dapat pansinin na ang isang quantitative na katangian o sukatan ng pagkakaiba sa mga de-koryenteng estado ng dalawang yugto na may magkakaibang komposisyon ng kemikal ay hindi pa naitatag. Posible (at kahit na makatwiran para sa ilang mga layunin sa pagkalkula) na tukuyin ang naturang de-koryenteng variable, ngunit ito ay tiyak na konektado sa isang elemento ng arbitrariness at hindi mahalaga para sa pagsasaalang-alang ng thermodynamic phenomena. Maraming iba't ibang paraan ng paggawa ng pagpapasiya na ito ay tinalakay sa Chap. 3. Ang karaniwang kahulugan ng electric potential ay batay sa electrostatics sa halip na thermodynamics, kaya ang paggamit ng electrochemical potentials ay mas angkop dito.
Ang interes ay ang tanong ng estado ng yugto, pati na rin kung ang parehong mga yugto ay nasa parehong estado. Kung ang dalawang phase ay may magkakaibang komposisyon, kung gayon ang tanong kung sila ay nasa parehong de-koryenteng estado ay hindi nauugnay mula sa punto ng view ng thermodynamics. Sa kabilang banda, kung ang parehong mga phase ay chemically identical, kung gayon ito ay maginhawa upang quantitatively ilarawan ang kanilang mga elektrikal na estado sa isang paraan na coincides sa karaniwang kahulugan ng potensyal.
Mga proseso ng electrode. Ang konsepto ng potensyal na pagtalon at electromotive force (EMF). Mga electrochemical circuit, galvanic cells. Standard hydrogen electrode, standard electrode potential. Pag-uuri ng mga electrochemical circuit at electrodes.
LECTURE 9
Ang magkaparehong pagbabago ng mga elektrikal at kemikal na anyo ng enerhiya ay nangyayari sa mga electrochemical system, kabilang ang:
ª conductors ng pangalawang uri - mga sangkap na may ionic conductivity (electrolytes).
ª mga konduktor ng unang uri - mga sangkap na may elektronikong kondaktibiti.
Sa interface sa pagitan ng dalawang phase, ang isang electric charge ay inilipat, i.e. may potensyal na tumalon ().
Ang isang sistema na binubuo ng pakikipag-ugnay sa mga konduktor ng una at pangalawang uri ay tinatawag elektrod.
Ang mga prosesong nagaganap sa hangganan ng bahagi ng mga konduktor ng uri ng I at II sa mga electrodes ay tinatawagmga proseso ng elektrod .
Ang elektrod ay isang sistema na binubuo ng hindi bababa sa dalawang yugto.
Isaalang-alang natin kung paano nangyayari ang isang potensyal na pagtalon - ang potensyal ng elektrod - sa interface sa pagitan ng metal at solusyon ng asin ng metal na ito. Kapag ang isang metal plate ay nahuhulog sa isang solusyon ng asin, ang ilan sa mga metal ions mula sa ibabaw ng plato ay maaaring mapunta sa isang solusyon na katabi ng ibabaw ng plato. Ang metal ay negatibong sinisingil, at ang mga nagresultang electrostatic na puwersa ay pumipigil sa karagdagang daloy ng prosesong ito. Ang sistema ay nasa equilibrium. Posible rin ang reverse na proseso ng paglipat ng mga metal cation mula sa solusyon patungo sa plato. Ang mga prosesong ito ay humahantong sa paglitaw ng isang double electric layer at isang potensyal na pagtalon.
Ang direksyon ng proseso ng paglipat ng mga ion ng metal ay tinutukoy ng ratio ng mga potensyal na electrochemical ng mga ion () sa phase ng solusyon at ng condensed phase. Ang proseso ay nagpapatuloy hanggang sa ang mga electrochemical potensyal sa dalawang phase ay equalized.
Ang potensyal ng electrochemical ay binubuo ng dalawang termino
m chem. - potensyal na kemikal na nagpapakilala sa tugon ng kemikal sa isang pagbabago sa kapaligiran ng isang partikular na particle.
m el - ang electrical component ng electrochemical potential o ang potensyal na enerhiya ng electric field, na nagpapakilala sa tugon sa electric field.
Para sa isang partikular na uri ng mga naka-charge na particle (i)
z i ay ang singil ng ion,
– panloob na potensyal, naaayon sa gawain ng paglipat ng isang elementarya na negatibong singil mula sa infinity sa vacuum malalim sa bahagi.
Equilibrium ng isang electrochemical system nailalarawan sa pamamagitan ng pagkakapantay-pantay ng mga potensyal na electrochemical (sa halip na kemikal) ng mga sisingilin na particle sa iba't ibang yugto.
Sa equilibrium system solution (I) / metal (II), mayroon tayong:
Sa isang non-equilibrium system, ang gawain ng paglipat ng isang mol-equiv. ions mula sa phase I hanggang phase II ay
Simula noon
Sa ekwilibriyo, isinasaalang-alang ang (1), mayroon tayong:
kung saan ang jump sa interface (absolute electrode potential). Magpakilala
saan ang potensyal na tumalon sa hangganan ng bahagi sa a i = 1 (karaniwang potensyal ng elektrod).
Ang karaniwang potensyal ay isang katangian ng halaga ng isang naibigay na proseso ng elektrod. Depende ito sa temperatura at likas na katangian ng elektrod. Pagkatapos para sa isang electrode ng uri Me Z+ /Me:
Ang isang potensyal na pagtalon ay nangyayari din sa interface sa pagitan ng dalawang solusyon, ito ang potensyal ng pagsasabog.
Sa mga pangkalahatang tuntunin (para sa anumang uri ng mga electrodes):
o para sa 298K
Dapat alalahanin na kung ang mga gas ay kasangkot sa reaksyon ng elektrod, kung gayon ang aktibidad ay ipinapalagay na katumbas ng bahagyang presyon; para sa condensed phase ng pare-parehong komposisyon, a=1.
Tinatawag ang mga equation (1), (2). Nernst equation para sa potensyal ng elektrod. Ang pagkakaiba sa potensyal ng kuryente ay masusukat lamang sa eksperimento sa pagitan ng dalawang punto ng parehong yugto kung saan ang μ i = const. Kapag ang isang elementarya na singil ay gumagalaw sa pagitan ng dalawang punto na nasa iba't ibang yugto, bilang karagdagan sa isang electric, ang trabaho ay dapat isagawa na nauugnay sa isang pagbabago sa kemikal na kapaligiran ng singil. Ang magnitude ng sangkap na kemikal na ito ng trabaho ay hindi matukoy, kaya ang ganap na halaga ng potensyal ng elektrod ay hindi masusukat. Sa empirically, posible na matukoy lamang ang magnitude ng EMF ng isang galvanic cell na binubuo ng dalawang electrodes.
Mga panuntunan para sa pagtatala ng mga electrodes at electrochemical circuit.
Ang mga sistema na binubuo ng dalawa o higit pang mga electrodes, na konektado sa isang espesyal na paraan at may kakayahang gumawa ng mga de-koryenteng gawain, iyon ay, nagsisilbing isang mapagkukunan ng elektrikal na enerhiya, ay tinatawag na galvanic cells.
Electromotive force ng isang galvanic cell(EMF GE) ay ang kabuuan ng mga pagtalon sa mga potensyal na elektrod sa lahat ng mga hangganan ng bahagi sa kondisyon ng balanse (ang kasalukuyang nasa panlabas na circuit ay zero).
a) Ang mga sumusunod na panuntunan sa pag-record ay tinatanggap para sa mga electrodes: ang mga sangkap sa solusyon ay ipinahiwatig sa kaliwa ng vertical bar, ang mga sangkap na bumubuo ng isa pang yugto (gas o solid) ay ipinahiwatig sa kanan.
Kung ang isang yugto ay naglalaman ng ilang mga sangkap, kung gayon ang kanilang mga simbolo ay pinaghihiwalay ng mga kuwit.
Halimbawa,
Ang equation ng reaksyon ng elektrod para sa isang hiwalay na elektrod ay isinulat sa paraang ang mga sangkap sa oxidized na anyo at mga electron ay matatagpuan sa kaliwa, at ang mga sangkap sa pinababang anyo ay nasa kanan:
b) Kapag nagre-record ng mga galvanic cell, isang elektrod na may mas negatibong potensyal ay matatagpuan sa kaliwa; ang mga solusyon ng parehong mga electrodes ay pinaghihiwalay mula sa isa't isa sa pamamagitan ng isang patayong tuldok na linya kung sila ay nakikipag-ugnay sa isa't isa, at sa pamamagitan ng dalawang solidong linya kung mayroong isang tulay ng asin sa pagitan ng mga solusyon, halimbawa, isang puspos na solusyon ng KCl, kung saan ang ang potensyal ng pagsasabog ay tinanggal. Kaya, ang positibong sisingilin na elektrod ay palaging ipinahiwatig sa kanan, at ang negatibong sisingilin na elektrod ay palaging ipinahiwatig sa kaliwa.
Electrode , kung saan ito dumadaloy proseso ng oksihenasyon, ay tinatawag na anode ().
Ang elektrod kung saan dumadaloy proseso ng pagbawi, ay tinatawag na katod ().
Ang mga reaksyon sa katod at anode ay tinatawag mga reaksyon ng elektrod.
Ang kabuuang proseso ng kemikal na nagaganap sa isang galvanic cell ay binubuo ng mga proseso ng elektrod at ipinahayag ng equation:
Kung ang mga proseso ng elektrod at isang kemikal na reaksyon sa isang galvanic cell ay maaaring isagawa sa pasulong (sa panahon ng pagpapatakbo ng cell) at baligtarin (kapag ang isang electric current ay dumaan sa cell), kung gayon ang mga electrodes at isang galvanic cell ay tinatawag na nababaligtad.
Sa mga sumusunod, ang mga reversible electrodes at galvanic cells lamang ang isasaalang-alang.
Isaalang-alang natin nang mas detalyado ang mekanismo ng paglitaw ng mga potensyal na galvanic gamit ang halimbawa ng isang hydrogen electrode. Ang hydrogen electrode ay kabilang sa mga electrodes ng unang uri. Hydrogen electrode ay isang platinized platinum na inilubog sa isang acid solution, halimbawa HC1, at hinipan ng isang stream ng hydrogen gas. Ang reaksyon ay nagaganap sa elektrod
kung saan ang H+ q ay nagsasaad ng solvated proton sa aqueous solution (ibig sabihin, ang hydronium ion H e O +), at ang e(Pt) ay ang electron na natitira sa platinum. Sa naturang elektrod, ang isang molekula ng hydrogen ay naghihiwalay upang bumuo ng isang hydronium ion sa solusyon at isang conduction electron sa platinum. Sa kasong ito, ang platinum metal ay negatibong sinisingil, at ang solusyon ay positibong sinisingil. Bilang kinahinatnan, mayroong isang de-koryenteng potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng platinum at ang solusyon. Lumilitaw ang isang double layer, na binubuo ng mga negatibo at positibong singil, na kahawig ng isang flat electric capacitor. Ang hydrogen electrode ay nababaligtad na may paggalang sa cation.
Kapag isinasaalang-alang ang balanse para sa ibinigay na reaksyon ng dissociation, kinakailangang isaalang-alang na ang nagreresultang H + cation, na umaalis sa platinum, ay gumagana laban sa mga puwersa ng kuryente. Ginagawa ang gawaing ito dahil sa thermal energy ng solusyon. Ito ay katumbas ng nakaimbak na enerhiyang elektrikal. Samakatuwid, ang potensyal na kemikal ng mga aquated proton, p(H ^ q), ay hindi magiging katumbas ng simpleng kabuuan p°(Hgq) + R71ntf(Hg q), dahil ang solusyon ay may potensyal na elektrikal na naiiba sa platinum. Isinasaalang-alang ang trabaho laban sa mga puwersa ng electric field sa proseso ng paglipat ng proton, para sa p(H * a) nakukuha namin
kung saan ang cp(Pt) ay ang electric potential ng platinum electrode; (p) - electric potensyal ng solusyon; d(HM - aktibidad ng mga hydrogen cation sa solusyon; F- Numero ng Faraday (F= 96485 C/mol); halaga cf (R)- f (P0 ay ang galvanic potential sa interface ng platinum - solusyon D^f. Ang numero ng Faraday ay lumitaw dahil ang mga potensyal na kemikal ay karaniwang kinakalkula bawat mole, at hindi bawat electron. Gumagana laban sa mga puwersa ng electric field P [f (/ >) - - Ang f(P0] ay ginagawa dahil sa thermal energy ng solusyon. Ang gawaing ito ang nagsisiguro sa pag-charge ng mga electrodes, ang discharge kung saan, kapag ang panlabas na circuit ay sarado, ay sinamahan ng produksyon ng mga de-koryenteng enerhiya.
Ang isang dami ng uri ng p(H + q) ay tinatawag potensyal ng electrochemical. Itinutumbas sa equilibrium ang mga potensyal na kemikal para sa mga sangkap sa kaliwa at kanang bahagi ng reaksyon (16.1), nakukuha natin
saan p)
