Додаткові теоретичні відомості. Концентраційний потенціал відноситься до типу рівноважних потенціалів

Концентраційний потенціал відноситься до типу рівноважних потенціалів. Розглядаючи різні умови руху іонів у просторі, можна одержати різні типи електричних потенціалів.

Рівноважний потенціал Нернста виникає при нерівномірному розподілі концентрації певних іонів у разі, коли мембрана проникна лише для цих іонів, і описується такою формулою:

Доннанівський потенціал виникає на мембрані, яка проникна для малих іонів різних знаків та непроникна для великих заряджених молекул (наприклад, білків), розташованих всередині клітинного простору. Формула для потенціалу Доннана має такий вигляд:

де - концентрація білкових аніонів всередині клітини; - концентрація неорганічних іонів зовні.

Рис. 4.45. Ілюстрація механізму виникнення концентраційного потенціалу.

Дифузійний рівноважний потенціал встановлюється в середовищі при наявності градієнта концентрацій іонів різного знака, що мають різну рухливість відповідно до формули

Концентраційний потенціал виникає при зануренні будь-якого металу у водний розчин власної солі певної концентрації. Така структура становить концентраційний елемент.

Розглянемо виникнення концентраційного потенціалу на прикладі концентраційного елемента, що складається з мідного електрода, зануреного у розчин мідного купоросу (рис. 4.45а). Взаємодію електрода з розчином можна охарактеризувати двома процесами: а) розчиненням мідного електрода, зумовленим різницею концентрацій міді в електроді та розчині (цей процес описується рівнянням Фіка); перехід іонів міді у розчин (потік ) спричинює перерозподіл зарядів і створення електричного поля; б) існуванням зворотного потоку іонів міді зумовленого виникненням градієнта потенціалу.

Рівноважний стан характеризується рівністю цих потоків, тобто умовою, що сумарний потік іонів міді

або

звідки

Інтегруючи одержане рівняння, з урахуванням значень концентрацій міді в електроді і розчині одержимо таку величину концентраційного потенціалу

або

де - деяка постійна величина, що визначається природою електрода та іонів у розчині.

Якщо занурені в розчини електроди з'єднати провідним соляним містком (рис. 4.45б), то між електродами виникає концентраційна різниця потенціалів

або

Примітка. Соляний місток (СМ) заповнений агар-агаром з розчином У цьому середовищі іони рухаються з однаковою швидкістю і відповідно вирівнювання потенціалів розчинів відбувається без внесення додаткової дифузійної різниці потенціалів.

У цій роботі вимірюється різниця потенціалів між двома мідними електродами, зануреними в розчини мідного купоросу різних концентрацій (див. рис. 4.45б), тобто електрорушійна сила концентраційного елемента.

Електрорушійна сила джерела електричного струму дорівнює, як відомо, різниці потенціалів між полюсами джерела при розімкненому зовнішньому колі. Для вимірювання електрорушійної сили джерела струму не можна користуватися вольтметром, бо при його увімкненні одержимо замкнене коло, по якому потече струм. Тому електрорушійну силу джерела струму вимірюють методом компенсації.

Рис. 4.46. Електрична схема для вимірювання електрорушійної сили концентраційного елемента методом компенсації.

Для вимірювання електрорушійної сили концентраційного елемента прилади з'єднують так, як показано на рис. 4.46.

Слід підкреслити, що в точці реохорда джерело струму та концентраційний елемент під'єднують однойменними полюсами. Коло, в яке під'єднані концентраційний елемент та гальванометр, називають вимірювальним. Можна підібрати таке положення рухливого контакту реохорда, щоб стрілка гальванометра при замиканні вмикача не відхилялася, що свідчить про відсутність струму у вимірювальному колі або про рівність потенціалів точки реохорда та точки на електроді концентраційного елемента. Точки та також еквіпотенціальні.