Биологическое значение. Потенциалы, возникающие в живых организмах – диффузионные, мембранные, межфазовые, окислительно-восстановительные – являются по своей химической природе

Потенциалы, возникающие в живых организмах – диффузионные, мембранные, межфазовые, окислительно-восстановительные – являются по своей химической природе аналогами электродных потенциалов. В тканях организма, даже внутри одной клетки, имеются мембранные и межфазовые потенциалы, обусловленные морфологической и химической неоднородностью внутреннего содержания клеток. При работе сердца, сокращениях мышц и т.д. возникают так называемые токи действия, являющиеся результатом различной проницаемости клеточных мембран для различных ионов. Вследствие этого концентрация ионов по обеим сторонам мембраны неодинакова (возникает мембранный потенциала). В момент возбуждения (сокращения мышц и т.д.) избирательность проницаемости мембран утрачивается и сквозь них устремляется поток ионов – возникает электрический ток.

Существует теория возникновения биоэлектрических потенциалов. Согласно ей, в покое электролиты внутри клетки избирательно связываются белками, в результате возникает межфазовая разность потенциалов между протоплазмой и водным раствором электролита (потенциал покоя). При возбуждении или повреждении клетки фазовые свойства белков протоплазмы изменяются, распределение ионов становится другим и соответственно меняется потенциал (возникает потенциал действия или повреждения). Величина потенциала покоя для нервных волокон у амфибий составляет 70 мВ, для мышечных волокон сердца теплокровных животных – 95 мВ.

Окислительно-восстановительные (red/ox - редокс) потенциалы имеют большое значение в физиологии растений и животных. К числу редокс-систем животных относят такие системы в крови и тканях как гем-гематин и цитохромы, в которых содержится двух- и трехвалентное железо; аскорбиновая кислота (витамин С), находящаяся в окисленной и восстановленной формах; система глютатиона, цистин-цистеин и др.

Важнейший процесс биологического окисления, а именно, перенос электронов и протонов с окисляемого субстрата на кислород, осуществляемый в тканях при помощи строго определенного ряда промежуточных ферментов-переносчиков, также представляет собой цепь окислительно-восстановительных процессов, каждое звено этой цепи соответствует той или иной редокс-системе, характеризующейся определенным редокс-потенциалом.

Окислительно-восстановительные реакции играют важную роль в процессах почвообразования, на что впервые указал В.Р. Вильямс. Нормальный рост и развитие растений возможны только при определенном окислительно-восстановительном состоянии почвы.

Большая величина редокс-потенциала почвы указывает на то, что в почвенном растворе содержатся в значительном количестве вещества, находящиеся в окисленной форме. В качестве окислителей в почвенном растворе выступает главным образом кислород и некоторые ионы, способные присоединять электроны – анион азотной кислоты NO₃^- трехвалентные катионы железа, марганца и др.

Малое значение редокс-потенциала почвы обусловлено наличием в ней значительных количеств восстановителей, к которым относятся, прежде всего, легко окисляющиеся органические вещества, а также двухвалентные катионы железа и марганца.

Преобладание в почве окислителей приводит к тому, что ионы Fe ⁺⁺ и Mn⁺⁺ окисляются в трехвалентные ионы, которые выпадают из почвенного раствора в виде нерастворимых соединений. В результате этого нарушается нормальное питание растений, т.к. они не получают необходимого количества железа и марганца.

При избытке в почве восстановителей железо и марганец находятся в растворе в виде двухвалентных ионов в таких концентрация, при которых они оказывают вредное действие на растительные организмы.

Как показали многочисленные исследования, для нормального развития растений необходимо, чтобы редокс-потенциал почвы находился в пределах 0,2-0,7 В.

Вопросы для самоконтроля:

1.Возникновение скачка потенциала на границе раздела металл-раствор.

2.Уравнение электродного потенциала (Нернста).

3.Что такое электрод? Примеры.

4.Электроды первого и второго рода, их назначение.

5.Электроды сравнения. Примеры.

6.Окислительно-восстановительные электроды и цепи. Уравнение Нернста-Петерса.

7.Гальванические элементы (цепи). Концентрационные цепи. Примеры.

8.Диффузионный потенциал и меры его устранения.

Экспериментальная часть:

Работу проводят на ионометре (потенциометре). Перед началом работы при­бор включают в сеть и дают ему прогреться в течение 5 минут. Работают при нажа­тых клавишах “±” и “mV” на левом клавишном переключателе.

Прибор имеет две шкалы, которые переключаются клавишами правого ряда. Нижняя шкала включается клавишей “-1 - 19”. Она имеет деления от -1 до 19; эта шкала грубая и служит для выбора одного из более узких диапазонов измерения (“-1 - 4”, “4 - 9”, “9 - 14”, “14 - 19”). Точное измерение проводят по верхней шкале, предварительно нажав кнопку выбранного диапазона. Например, выбран диапазон “-1 - 4”, следовательно, первое большое деление на верхней шкале соответствует “-1”, а затем идут соответственно 0; 1; 2; 3; 4. Если выбран диапазон измерений “9 - 14”, нажимаем соответствующую кнопку диапазона, при этом первое деление соответствует “9”, а последующие 10, 11, 12, 13, 14.

Шкала прибора от­калибрована в милливоль­тах (mV), следовательно, чтобы снятое с прибора показание выразить в вольтах, необходимо

PX×100/1000 = pX/10,

где pX - показание прибора.

Задание 1. Измерение ЭДС медно-цинкового гальванического элемента (элемента Даниеля – Якоби).

Схематическая запись элемента:

Сu|CuSO₄| KCl | ZnSO₄|Zn

E = e_Cu - e_Zn

В проточную электродную ячейку медного полуэлемента наливают до половины её объема 1М раствор CuSO₄ (f_a = 0,041) и опускают в раствор медную пластинку. В проточную электродную ячейку цинкового полуэлемента наливают столько же 1М раствора ZnSO₄ (f_a = 0,041) и погружают в него цинковую пластинку. Собранные электроды закрепляют в штативе. На столик штатива устанавливают стаканчик с насыщенным раствором KCl и приступают к измерению ЭДС. Для этого необходимо присоединить зажимы к электродам и снять показания с прибора, как описано выше. Найденную опытным путем ЭДС (Е_оп) записывают в таблицу3. Полученные результаты проверяют у преподавателя и приступают к выполнению второго задания. Медный и цинковый электроды оставляют для выполнения последующей работы.

Таблица 3

Результаты определения ЭДС гальванических элементов и

потенциалов отдельных электродов

Гальванические цепи	Еоп, В	Етеор, В	eоп, В
Cu|CuSO4(1 M)| KCl |ZnSO4(1 M)|Zn
Ag|AgCl, KCl| KCl | ZnSO4 (1 M)|Zn		-	eZn =
Cu|CuSO4 (1 M)| KCl | KCl, AgCl|Ag		-	eCu =
Cu|CuSO4 (1 M)| KCl | CuSO4 (0,01М)|Cu
Pt| | KCl |KCl,AgCl|Ag		-	eов =
Pt| почва| KCl | KCl, AgCl|Ag		-	eов =

Задание 2. Измерение электродвижущей силы хлорсеребряно-цинкового гальванического элемента и вычисление потенциала

Дата добавления: 2014-12-27