Электродный потенциал

Процессы электрогенеза проще всего воспроизвести на примере физико-химические механизмов возникновения потенциалов в электролитно-коллоидных системах. Начать можно с электродного потенциала, возникающего в системе электрод-электролит.

Представим, что серебряный (Ag) электрод погружен в раствор хлористого серебра (AgCl). На границе металла и раствора возникнет двойной электрический слой, напряженность которого определяется величиной химического потенциала:

_{, где:}

_i(р-р) – химический потенциал i-го иона в растворе,

_i(эл),₎ – химический потенциал i-го иона в электроде

z_i – заряд иона,

F – число Фарадея,

 – потенциал электрода по отношению к раствору.

Если _i(р-р)  _i(эл), то для установления равновесия часть ионов серебра (Ag⁺) перейдет из раствора в металл, заряжая его положительно.

Если _i(р-р)  _i(эл), то для установления равновесия часть ионов серебра перейдет из металла в раствор, заряжая электрод отрицательно.

При _i(р-р)= _i(эл) заряд электрода будет равен нулю.

Нернст вывел уравнение зависимости величины потенциала электрода от концентрации вещества в растворе и электроде:

где R – универсальная газовая постоянная, T – абсолютная температура

При погружении в раствор двух различных металлических электродов металл, у которого электрохимическое равновесие между электродом и раствором устанавливается при более высоких разностях потенциалов между электродом и раствором, будет иметь более отрицательный потенциал. Разность потенциалов возникнет и в том случае, если два электрода из одного и того же металла погрузить в растворы солей этого металла с различной концентрацией (С₁  С₂). Разность потенциалов такой концентрационной цепи будет равна:

Таким образом, разность потенциалов будет определяться разницей концентраций солей этого металла в растворах, контактирующих с металлом.

Диффузионный потенциал

Диффузионный потенциал возникает при существовании различной подвижности ионов, проходящих через полупроницаемую мембрану. Гендерсон вывел уравнение:

_,

где U – подвижность катионов, V – подвижность анионов.

Доннановское равновесие

Условием установления данного равновесия будет существование фаз, изолированных друг от друга так, что один или несколько ионных компонентов не могут прейти из одной фазы в другую. Что, например, и возникает при существовании мембраны, проницаемой для растворителя и малых ионов, но не ионов с размерами коллоидных частиц. Три основных аспекта Доннановское равновесия включают:

1. неравномерное распределение ионов,

2. осмотическое давление,

3. разность потенциалов между фазами.

Представим себе внутриклеточную коллоидную систему, содержащую белок альбумин, способный нести отрицательный заряд (P^), но не способных проходить через мембрану. Этот белок может связывать положительные ионы, например калия (К⁺), оставаясь в цитоплазме. Допустим, что внутриклеточная концентрация (C₁) КCl ниже внеклеточной концентрации (C₂). Ионы К⁺ и Cl^ в количестве X начнут поступать в клетку, однако итог этого процесса будет различным для этих ионов. Наличие непроницаемого аниона P^, связывающего катионы калия, приведет к превосходству в клетке количества положительных ионов К⁺(C₁+X), над отрицательными ионами Cl^(X),. Наступившее концентрационное равновесие:

_,

где [К⁺]_i и [Cl^]_i -концентрации внутриклеточных ионов, [К⁺]_e и [Cl^]_e -концентрации внеклеточных ионов, в итоге будет выражать дисбаланс:

Величина этого дисбаланса будет итогом решения уравнения:

Таким образом, на границе раздела фаз осуществляется возможность образования двойного электрического слоя, за счет избирательного связывания отдельных ионов гелем цитоплазмы. В результате такой гель окружен областью ионов противоположного заряда – двойным электрическим слоем.