Слесарев. Основы Химии живого

При стандартной температуре 298 К уравнение Нернста име­ ет вид:

ф(Мг+/М ) = ф°(Мг+/М ) + ^ !® lg а(Мг+)

г

Зависимость электродного потенциала металла от концентра­ ции его катионов в растворе лежит в основе применения кон­ центрационных гальванических цепей.

Концентрационные гальванические цепи. В этих цепях ма­ териал электродов одинаковый, но они опущены в растворы с различной концентрацией потенциалопределяющих ионов. В кон­ центрационных гальванических цепях анодом будет тот элек­ трод, который опущен в раствор с меньшей концентрацией со­ ли, а катодом - электрод, опущенный в раствор с большей кон­ центрацией соли. ЭДС концентрационной гальванической цепи равна:

д — 2»ЗДГ ^ а(М2 +в катодном растворе)

Концентрационные гальванические цепи широко использу­ ются для определения эффективной концентрации (активности) ионов в растворах, а также растворимости малорастворимых электролитов.

25.3. ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ

В сопряженных окислительно-восстановительных парах, на­ пример:

Fe3+ + е“ ^ Fe2+

М11О4 + 8Н+ + 5е- zgsz Мп2+ + 4Н20

обмен электронами между восстановленной и окисленной фор­ мами в растворах наиболее вероятен через посредника. И м может быть любой проводник, полупроводник или диполь. В качестве стандартного посредника используют инертный металл платину. Платина, выполняя в этих случаях только роль проводника элек­ тронов, способствует перераспределению электронов между вос­ становленной и окисленной формами данной сопряженной сис­ темы. Обмен электронами между восстановленной и окисленной формами через платину сопровождается появлением на границе раздела фаз платина - раствор двойного электрического слоя. Возникновение ДЭС в этом случае не связано с природой по­ средника, а вызывается различием в способности восстановлен­ ной формы отдавать электроны посреднику, а окисленной фор­ мы - принимать электроны от него. Знак заряда на платине зависит от того, скорость какого процесса - отдачи электронов (окисления) или присоединения электронов (восстановления) - в данной сопряженной окислительно-восстановительной паре до наступления равновесия будет больше.

661

Рис. 25.4. Возникновение потенциала в системе раствор, содержащий окислительно-восстановительную пару/платиновый электрод:

Если в начальный момент преобладает процесс присоедине­ ния электронов окисленной формой (восстановление), то на платине возникает дефицит электронов, и металл заряжается

положительно, а раствор - отрицательно (рис. 25.4, а). В тех случаях, когда в начальный момент преобладает процесс отдачи электронов восстановленной формой (окисление), то на платине создается избыток электронов и металл заряжается отрица­ тельно, а раствор - положительно (рис. 25.4, б).

В результате появления зарядов на границе раздела фаз ус­ коряется медленный и тормозится быстрый процесс перераспре­ деления электронов, пока не наступит состояние химического равновесия. С установлением равновесия в системе стабилизи­ руется распределение зарядов в ДЭС, которое характеризуется определенным значением потенциала, называемого восстанови­ тельным.

Восстановительным потенциалом называется потен­ циал, который возникает в системе, состоящей из инерт­ ного металла и раствора, содержащего сопряженную окислительно-восстановительную пару. Эта система на­

зывается окислительно-восстановительным электродом.

Восстановительный потенциал обозначается ф(0К> ВОсст)* Наличие запятой между формами показывает, что между* ними в раство­ ре нет поверхности раздела. Окислительно-восстановительный электрод в гальванической цепи принято записывать так: хими­ ческий символ инертного металла, вертикальная черта, указы­ вающая на межфазную границу, за которой следуют через запя­ тую формулы веществ или ионов, составляющих сопряженную

окислительно-восстановительную пару. Например: P t |Fe3+, Fe2+ или P t |М 11О 4, Н +, M n2+.

662

На значение восстановительного потенциала влияют:

-природа сопряженной окислительно-восстановительной пары;

-соотношение активностей окисленной и восстановленной форм в растворе;

-температура.

Стандартным восстановительным потенциалом Ф°(ок, восст) называется потенциал окислительно-восста­ новительного электрода, возникающий на платине при стандартных условиях: Т = 298 К, р = 10133 Па и ак­

тивностях окисленной и восстановленной форм в рас­ творе, равных 1 моль/л.

Величина стандартного восстановительного потенциала являет­ ся мерой окислительной способности сопряженной окислительно­ восстановительной пары (см. табл. 9.1). Чем больше Ф°(0К,восст)» тем сильнее выражена у окисленной формы данной пары способность присоединять электроны, т. е. способность восстанавливаться.

Для определения потенциала окислительно-восстановитель- ного электрода необходимо составить гальваническую цепь из исследуемого электрода и электрода сравнения, соблюдая усло­ вие: Фкатода > Фанода* Рассмотрим это на примере определения стандартного восстановительного потенциала системы Sn4+, Sn2+ - q>°(Sn4+, Sn2+). Бели в качестве электрода сравнения ис­ пользовать стандартный водородный электрод, он будет анодом, а исследуемый электрод - катодом, так как процесс окисления в системе 2Н+, Н 2 протекает легче, чем в системе Sn4+, Sn2+:

Значения стандартных восстановительных потенциалов не­ которых систем в водных растворах приведены в табл. 9.1.

Необходимо отметить, что если восстановительный потенциал системы имеет положительное значение, то в этой системе силь­ нее выражены окислительные свойства, а если отрицательное, то преобладают восстановительные свойства относительно системы Н +, х/2 Н 2. При взаимодействии двух сопряженных окислитель- но-восстановительных систем окислителем всегда является та система, восстановительный потенциал которой больше.

При нестандартных условиях значение восстановительного потенциала с учетом влияния природы окислительно-восстано- вительной пары, температуры и активности компонентов в рас­ творе вычисляют по уравнению Нернста - Петерса:

663

где г - число электронов, участвующих в обратимом окислительно­ восстановительном процессе, протекающем на электроде; аок, авосст - активность окисленной и восстановленной форм в растворе.

Если в сопряженную окислительно-восстановительную систе­ му входят ионы Н + или ОН”, то потенциал такой системы зави­ сит от активности этих ионов в растворе. Для подобных стан­ дартных окислительно-восстановительных систем активность со­ ответствующих ионов должна составлять: а(Н+) = 1 моль/л, т. е. pH = 0, или а(ОН“) = 1 моль/л, т. е. pH = 14. При вычислении потенциала этих систем в уравнении Нернста - Петерса учиты­ вается активность данных ионов в растворе, например:

Таким образом, в подобных системах наблюдается взаимосвязь между окислительно-восстановительными и кислотно-основными свойствами. Увеличение кислотности среды способствует усиле­ нию окислительных свойств, а уменьшение кислотности - уси­ лению восстановительных свойств этих систем.

Окислительно-восстановительные реакции в организме обыч­ но протекают в нейтральной среде. Поэтому в биохимии для ха­ рактеристики биологических окислительно-восстановительных систем широко используется нормальный восстановительный потенциал <Pq, измеренный при pH = 7, т. е. в условиях физио­ логической среды (см. табл. 9.2).

25.4. ДИФФУЗИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ

Протекание многих биологических процессов связано с из­ менением концентраций (активностей) ионов в клетках и тка­ нях живых организмов. Неравномерное распределение ионов в какой-либо жидкой среде обычно приводит к их направленному движению и возникновению диффузионного потенциала.

Диффузионным потенциалом называется потенциал, возникающий на границе раздела двух растворов, содер­ жащих один и тот же электролит различной концен­ трации, или двух растворов разных электролитов вслед­ ствие различия в подвижности их катионов и анионов.

Рассмотрим процесс, протекающий на границе двух растворов соляной кислоты разной концентрации: Сх(НС1) > с2(НС1) (рис. 25.5).

664

нов Н + переместится больше, чем ионов С Г. В результате этого разбавленный раствор у поверхности раздела зарядится положи­ тельно за счет более быстрых ионов Н +, а концентрированный рас­ твор - отрицательно за счет медленных ионов СГ. Таким образом, на границе раздела двух растворов НС1 образуется ДЭС, который постепенно движется в сторону разбавленного раствора и сущест­ вует до тех пор, пока концентрации ионов не выровняются по всему объему и не исчезнет их направленное движение.

Двойной электрический слой, образовавшийся на границе раз­ дела двух растворов электролитов, имеющих одинаковые по ве­ личине заряды катиона и аниона (НС1, KN O 3, CuS04), характе­ ризуется диффузионным потенциалом <рд, который можно рас­ считать по следующему уравнению:

Фд:

где и% и и! - подвижности катионов и анионов, м2/(В •с); clf с2 - кон­ центрации электролита в соприкасающихся растворах, моль/л.

Величина фд обычно невелика и не превышает 0,1 В. Если под­ вижности катионов и анионов близки (и% « и°), то фд —►0. В галь­ ванических цепях величину диффузионного потенциала, возника­ ющего на границе растворов, сводят к нулю, применяя для элек­ тролитического мостика растворы таких электролитов, у которых подвижности ионов примерно одинаковы: КС1, K N 0 3, N H 4NO3.

В биологических системах диффузионный потенциал прояв­ ляется при механическом повреждении клеток. Из места по­ вреждения ионы перемещаются в межклеточную жидкость, в результате возникает диффузионный потенциал.

25.5. МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ

Диффузионный потенциал на границе двух растворов посте­ пенно уменьшается в результате выравнивания концентраций. Стабилизировать потенциал, возникающий на границе раздела

665

жидкость - жидкость, можно, если соприкасающиеся растворы разделить мембраной с избирательной проницаемостью (полу­ проницаемой). Такая мембрана способна избирательно пропус­ кать те или иные ионы и молекулы, в результате чего возника­ ет мембранный потенциал - <рм.

Мембранным потенциалом называется потенциал, воз­ никающий между сторонами мембраны с избирательной проницаемостью, разделяющей два раствора различного со­ става.

Величину мембранного потенциала можно определить, со­ ставив гальваническую цепь, в которой в растворы, разделен­ ные мембраной с избирательной проницаемостью, опущены два электрода сравнения:

МЕМБРАНА

ЭДС такой гальванической цепи характеризует величину мем­ бранного потенциала.

Мембранный потенциал зависит от отношения активностей ио­ нов в растворах, разделенных мембраной, и от свойств мембраны. Мембраны характеризуются проницаемостью, т. е. способностью пропускать определенные виды ионов, которые являются потенциалопределяющими в возникновении данного мембранного потен­ циала. Проницаемость мембраны для разных ионов X и Y харак­ теризуется коэффициентами проницаемости Р(Х) и Р(Y). Рассчи­ тать значение мембранного потенциала для мембраны, проницае­ мой для двух видов ионов, можно по следующему уравнению:

где анар(Х), aBH(X), aHap(Y), 0 BH(Y) ~ активность потенциалопределяющих ионов X и Y в растворах снаружи и врутри клетки; Р(Х), P(Y) - коэффициент проницаемости мембраны для ионов X и Y.

Для живых клеток, особенно для клеток нервной системы, важное значение имеет различие в концентрациях ионов К + и Na+ внутри и снаружи клетки, поэтому эти ионы являются потенциалопределяющими для клеток нервной системы:

666

Через клеточную мембрану ионы К + и Na+ самопроизвольно передвигаются по ионным каналам в соответствии с градиентом концентраций. В состоянии покоя в мембране в основном откры­ ты каналы для прохождения ионов К + и практически закрыты натриевые каналы. При возбуждении - наоборот: открыты глав­ ным образом каналы для ионов Na+ и почти полностью закрыты для ионов К +. Таким образом, проницаемость клеточной мембра­ ны для ионов К + и Na+ зависит от ее состояния: покой или воз­ буждение - и характеризуется различным отношением коэффи­ циентов проницаемости для этих ионов P(K +)/P(Na+).

Избирательная проницаемость клеточной мембраны и раз­ ница в активности ионов Na+ и К + по обе стороны от нее при­ водят к установлению мембранного потенциала (рис. 25.6).

В покое ионы К + из внутриклеточного раствора, где их кон­ центрация в 2 0 раз выше, чем снаружи, переходят через клеточ­ ную мембрану в наружный раствор. При этом наружная поверх­ ность мембраны заряжается положительно за счет перешедших ионов К +, а внутренняя поверхность - отрицательно за счет из­ бытка органических анионов, оставшихся внутри клетки. Таким образом, возникает мембранный потенциал покоя фПОк> препятст­ вующий дальнейшему выходу ионов К + из внутриклеточного в наружный раствор и установлению равновесия в их движении.

Потенциалом покоя называется мембранный потен­ циал, возникающий между внутренней и наружной сто­ ронами клеточной мембраны, находящейся в невозбуж­

денном состоянии.

Определить потенциал покоя можно с помощью двух микро­ электродов сравнения, вводимых внутрь клетки и в наружный

что внутренняя поверхность мембраны заряжена отрицательно. Учитывая активности ионов Na+ и К + внутри клетки и сна­

ружи, а также отношение коэффициентов проницаемости мем­ браны для этих ионов, вычислим потенциал покоя:

Расчетное значение <рпок хорошо согласуется с эксперименталь­ но измеряемым.

При раздражении клетки химическим, электрическим или механическим воздействием она переходит в возбужденное со­ стояние, при этом проницаемость ее мембраны для ионов Na+ становится значительно выше, чем для К +. Поэтому ионы Na+ из

667

наружного раствора, где их концентрация в 9 раз выше, чем внутри клетки, устремляются через клеточную мембрану во внутренний раствор. Ионы Na+ переносят положительный заряд с наружной поверхности мембраны и перезаряжают ее внутрен­ нюю поверхность, меняя знак заряда с на "+" и вызывая быструю деполяризацию мембраны (рис. 25.6). При этом на ко­ роткое время (< 1 0 " 3 с) мембранный потенциал становится рав­ ным примерно +40 * +60 мВ, что полностью согласуется с экс­ периментальными и расчетными данными. После прекращения возбуждения мембрана вновь становится проницаемой для ио­ нов К + и непроницаемой для Na+. Ионы К + опять выходят из клетки в соответствии с градиентом концентрации, унося с со­ бой положительный заряд до тех пор, пока на мембране не вос­ становится потенциал покоя, т. е. не произойдет реполяризация мембраны.

Таким образом, при возбуждении клеточной мембраны за (1-2) • 10“ 3 с ее потенциал с отрицательного значения (« -80 мВ)

^действия

Рис. 25.6. Возникновение мембранных потенциалов покоя и действия

668

меняется на положительный (« +50 мВ), а затем вновь возвра­ щается к первоначальному значению.

Потенциалом действия называется амплитуда колебания «(деполяризация и реполяризация) мембранного потенциа­ ла, возникающая при возбуждении клеточной мембраны.

На рис. 25.6 схематично показано возникновение потенциа­ ла действия в клетке. Амплитуда колебания потенциала со­ ставляет примерно 120-140 мВ.

Потенциал действия, возникнув на одном участке клетки, вызывает возбуждение соседних участков и распространяется по всей поверхности мембраны со скоростью 1 - 1 1 0 м/с.

Количество ионов К + и Na+, проходящих через мембрану во время генерации потенциала действия, составляет не более чем 1 • 1 0 “ 7 от количества этих ионов внутри клетки, но даже и при прохождении большого числа импульсов концентрации ио­ нов К + и Na+ в растворах по обе стороны мембраны остаются практически постоянными. Это происходит потому, что в мем­ бране клетки действует Na+/K +-Hacoc. Он, используя энергию

АТФ , выкачивает из клетки ионы Na+ и накачивает в нее ионы

К+ (в соотношении 3 : 2) против градиента концентраций этих ионов (разд. 13.1.1).

Следует отметить, что в общем случае возникновение по­ тенциала покоя и генерация потенциала действия на мембранах различных клеток связаны с переходом через мембрану не толь­ ко ионов К + и Na+, но также Са2+, С1~, Н + и других ионов.

Изучение биомембран мышечных и секреторных клеток по­ казало, что у многих из них потенциал покоя возникает за счет перемещения ионов Na+, а потенциал действия имеет кальцие­ вую природу. В этом случае генерация потенциала действия происходит при возбуждении в результате открывания каль­ циевых каналов и перемещения ионов Са2+ внутрь клетки, что приводит к сокращению мышцы или к выбросу секрета.

Современные исследования биологических внутриклеточных мембран показали, что на них возникает протонный потенциал из-за различия в концентрациях ионов водорода в растворах, разделенных этими мембранами (разд. 9.3.4). Протонный потен­ циал при условии проницаемости внутриклеточной мембраны только для ионов Н+ можно вычислить по уравнению для рас­ чета мембранного потенциала, введя в него водородный показа­ тель pH = -lg а(Н+).

я(Н )

Установлено, что протонный потенциал может служить ис­ точником энергии для всех видов работ, характерных для ж и­ вой системы: химической, осмотической, механической, - и ис­ точником теплоты.

669

Следует отметить, что работа клеток нарушается, если изменя­ ется ионная проницаемость клеточных мембран. Подобное может происходить, например, под действием некоторых ядов: в нервных клетках при возбуждении блокируются каналы для прохождения ионов Na+, и поэтому прекращается генерация и передача потен­ циала действия вдоль нервного волокна. Этим и объясняется ток­ сическое действие ядов на нервную систему организма (разд. 11.4).

Генерирование мембранного потенциала связано с работой серд­ ца, мозга, мышц. Электрические потенциалы, возникающие при деятельности сердца, можно регистрировать с помощью электро­ кардиографа на электрокардиограмме. ЭКГ - важнейшая харак­ теристика сердечной деятельности. Биоэлектрические потенциалы мозга регистрируются на электроэнцефалограмме, мыш ц - на электромиограмме, желудка - на электрогастрограмме и т. д.

Избирательная проницаемость мембран относительно опреде­ ленного вида ионов и зависимость мембранного потенциала от концентрации этих потенциалопределяющих ионов лежат в ос­ нове работы ионоселективных электродов. Эти электроды позво­ ляют измерять концентрацию данного потенциалопределяющего иона в исследуемой системе по величине возникающего мембран­ ного потенциала на электроде. Ионоселективные электроды ш и­ роко используются в потенциометрии.

25.6.ПОТЕНЦИОМЕТРИЯ

Всанитарно-клиническом анализе и при биологических ис­ следованиях для определения активности (концентрации) ионов

врастворах и физиологических системах широко используется метод потенциометрии.

Потенциометрией называется физико-химический метод анализа, позволяющий определять активности (концен­ трации) ионов на основании измерения ЭДС гальваниче­ ской цепи, состоящей из электрода сравнения и элек­ трода определения, опущенных в исследуемый раствор.

Электродом сравнения называется электрод, потен­ «циал которого практически постоянен, легко воспроиз­

водим и не зависит от протекания побочных реакций.

Общепринятым электродом сравнения является стандартный во­ дородный электрод, потенциал которого условно принят за ноль при любой температуре (разд. 25.2). Однако этот электрод срав­ нения неудобен в работе, поэтому на практике в качестве элек­ трода сравнения обычно используют хлорсеребряный электрод (разд. 25.6.1).

Электродом определения называется электрод, потен­ циал которого зависит от активности (концентрации) анализируемых ионов и практически не зависит от со­ держания других ионов в растворе.

670