мембранный потенциал

МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ

разность электрич. потенциалов между растворами электролитов a и b, разделенных проницаемой мембраной m: D^a_bj = j^a — j^b. В частном случае, когда мембрана проницаема только для определенного иона В^zв (z_B — зарядовое число), общего для растворов электролитов a и b, М.п. (иногда его наз. потенциалом Нернста) рассчитывают по формуле:

где F — число Фарадея, R-газовая постоянная, Т — абс. температура, a_B^b, a_B^a — активности иона В в растворах b и a, D^a_bj_B-стандартный потенциал распределения иона В, равный

где m^0,b_B, m^0,a_B-стандартные хим. потенциалы иона В в растворах b и a соответственно. В такой системе М.п. не зависит от толщины мембраны и ее структуры, механизма переноса иона и его подвижности.

В общем случае для мембран, проницаемых для одних сортов ионов и не проницаемых для других, при расчете М.п. требуется введение определенных приближений в зависимости от толщины мембраны, ее состава и строения, а также от механизма переноса. В случае мембран макро-скопич. размера полный М.п. слагается из трех компонентов: двух граничных потенциалов, локализованных в двойных электрич. слоях на границе мембрана-раствор электролитов, и внутримембранного, локализованного в электронейтральном объеме мембраны. Кроме того, при пропускании электрич. тока через мембрану внутри нее возникает падение напряжения. Обычно считается, что переход ионов через межфазную границу происходит быстро, так что их распределение равновесно; затруднен только перенос ионов через объем мембраны. Для системы, в которой в фазе a имеется бинарный электролит В⁺ А⁻, присутствующий и в мембране, а мембрана содержит ион R с зарядовым числом z_R, не проникающий через межфазные границы, граничный потенциал определяется формулой Доннана и наз. д о н н а н о в с к и м:

Здесь c^m_R — концентрация ионов R в мембране, g_i- и Р_i-коэф. активности и распределения ионов соотв., определяемые соотношением

Средняя активность электролита средний коэф. активности , коэф. распределения электролита

Таким образом, доннановский потенциал (2) состоит из т. наз. потенциала распределения и члена, зависящего от концентрации непроникающего иона R; при малом значении c^m_R он сводится к потенциалу распределения, а при большом-находится из выражения:

При этом концентрация противоионов А⁻ в мембране перестает зависеть от коэф. распределения и межфазного потенциала и приближается к предельному значению c^m_A z_Rc^m_R, a одноименно заряженные ионы почти полностью вытесняются из мембраны.

Граничный потенциал может возникнуть в результате реакций комплексообразования или электронообменной реакции между окислительно-восстановит. парами, содержащимися в растворе и в мембране. Если межфазная граница вообще не проницаема для заряженных частиц, граничный потенциал имеет электростатич. природу и возникает в результате адсорбции зарядов и диполей, а также вследствие заряжения границы от внеш. источника.

Внутримембранный потенциал имеет кинетич. природу и определяется переносом ионов через толщу мембраны. В простейшем случае при диффузионно-миграц. переносе бинарного электролита возникает т. наз. диффузионный потенциал (приближение Планка):

где u_А, u_B-подвижности ионов в мембране, c^m_BA(0), c^m_BA(d)-концентрации электролита в мембране у левой и правой межфазных границ соответственно. В случае биол. и бислойных липидных мембран, толщина которых настолько мала, что в них вообще не реализуется область электронейтральности, для нахождения внутримембранного потенциала используют предположение о постоянстве напряженности электрич. поля (приближение Гольдмана):

Таким образом, М.п. в доннановском случае находят из выражения, слагаемые которого определены формулами (2) и (3) или (2) и (4):

Определение М. п. представляет интерес для ионометрии, для биологии и медицины в связи с распространенностью мембранных процессов в живых организмах и т. д.

^{Лит.: Феттер К., Электрохимическая кинетика, пер. с нем., М., 1967; Маркин В. С., Чизмаджев Ю. А., Индуцированный ионный транспорт, М., 1974; Лакшминараянайах Н., Мембранные электроды, пёр . с англ., Л., 1979; Морф В., Принципы работы ионоселективных электродов и мембранный транспорт, М., 1985; Маркин B.C., Волков А. Г., "Успехи химии", 1988, т. 57, № 12, с. 1963–89; Lakshminarayanaiah N., Transport phenomena in membranes, N.Y.-L., 1969.}

_{Ю. А. Чизмаджев}