Материал: kompendium_po_fizike

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам
background image

96

В

 70-

х

года

 XIX 

века

голландский

ботаник

Х

Де

Фриз

3

занимался

явлением

осмоса

 – 

изучал

влияние

осмоса

на

изменение

объема

клеток

растений

в

растворах

разной

концентрации

Х

Де

Фриз

рассказал

о

работах

Пфеффера

по

исследованию

осмоса

молодому

голландскому

химику

Я

Вант

-

Гоффу

Изучив

экспериментальный

материал

Пфеффера

Вант

-

Гофф

пришел

к

заключению

что

молекулы

растворенного

вещества

в

растворителе

ведут

себе

подобно

молекулам

идеального

газа

Следовательно

величину

осмотического

давления

можно

рассчитать

по

формуле

для

определения

давления

идеального

газа

осм

м

P

С

RT

где

С

М

– 

молярная

плотность

растворенного

вещества

За

теорию

растворов

Вант

-

Гофф

через

 15 

лет

получит

Нобелевскую

премию

по

химии

.  

Теория

Вант

-

Гоффа

давала

точные

значения

величины

осмотического

давления

для

растворов

многих

веществ

(

сахарозы

СО

2

). 

Но

для

некоторых

веществ

величина

осмотического

давления

оказывалась

больше

расчетной

в

 2 

раза

Вряд

ли

такую

высокую

погрешность

 (100%) 

можно

объяснить

неточностью

измерений

Обдумывание

данной

проблемы

привело

к

важнейшему

открытию

Единомышленник

Вант

-

Гоффа

шведский

ученый

С

Аррениус

предположил

что

если

например

для

раствора

 NaCl 

давление

оказывается

в

два

раза

больше

расчетного

то

это

может

означать

лишь

одно

 – 

в

растворе

число

частиц

увеличивается

вдвое

Увеличение

вдвое

числа

части

в

растворе

натолкнуло

на

мысль

что

в

растворе

молекула

поваренной

соли

распадается

на

две

частицы

Из

сопоставления

этого

факта

с

другими

 (

например

сравнивая

электропроводность

раствора

Аррениус

пришел

к

идее

электролитической

диссоциации

До

Аррениуса

считалось

что

ионы

в

растворах

возникают

при

действии

на

раствор

электрического

тока

Однако

участие

ионов

в

явлении

осмоса

показало

что

это

не

соответствует

действительности

 – 

ионы

существуют

в

растворах

некоторых

веществ

до

пропускания

через

них

электрического

                                     

3

Впоследствии

Х

Де

Фриз

стал

одним

из

создателей

современной

ботаники

был

ректором

Амстердамского

университета

background image

97

тока

Таким

образом

изучение

осмоса

привело

к

открытию

двух

объектов

имеющих

самое

непосредственное

отношение

к

«

животному

электричеству

» 

полупроницаемых

мембран

и

ионов

В

 1887 

г

в

первом

номере

  «

Журнала

физической

химии

»

4

была

опубликована

статья

Вант

-

Гоффа

и

Аррениуса

с

изложением

теории

электролитической

диссоциации

Статья

в

журнале

возвещала

научному

миру

о

новом

подходе

в

химии

В

Берлине

в

 1887 

г

окончил

университет

Вальтер

Нернст

 (23 

года

). 

Впоследствии

он

станет

знаменитым

физиком

и

химиком

откроет

третье

начало

термодинамики

получит

Нобелевскую

премию

по

химии

сменит

на

посту

Института

физики

в

Берлине

знаменитого

Макса

Планка

.  

По

окончании

университета

В

Нернст

работал

в

должности

ассистента

Оствальда

и

темой

своей

диссертации

он

выбрал

теоретическую

работу

о

гальванических

элементах

Теорией

гальванических

элементов

до

Нернста

занимались

такие

великие

ученые

как

У

Томсон

Гиббс

Гельмгольц

Но

Нернст

решил

разработать

новую

теорию

гальванических

элементов

исходя

из

того

что

в

электролитах

существуют

ионы

способные

к

диффузии

В

 1889 

г

диссертация

была

завершена

Нернстом

и

опубликована

В

ней

в

частности

была

высказана

и

обоснована

идея

так

называемого

диффузионного

потенциала

возникающего

при

соприкосновении

двух

жидкостей

.  

Кратко

рассмотрим

механизм

возникновения

диффузионного

потенциала

Пусть

имеется

сосуд

с

непроницаемой

перегородкой

По

обе

стороны

перегородки

в

сосуде

находится

электролит

                                     

4

Основателем

журнала

был

знаменитый

ученый

В

Оствальд

Рисунок

 37. 

Опыт

Нернста

background image

98

различной

концентрации

Пусть

например

концентрация

электролита

слева

от

перегородки

будет

больше

чем

в

правой

части

сосуда

 (

рисунок

 37). 

После

того

как

из

сосуда

будет

изъята

перегородка

в

сосуде

начнется

процесс

диффузии

стремящийся

выровнять

концентрации

ионов

электролита

в

левой

и

правой

частях

сосуда

Так

как

концентрация

электролита

в

левой

части

изначально

более

высокая

то

преобладающими

будут

потоки

ионов

из

левой

части

сосуда

в

правую

Если

предположить

что

скорость

движения

положительных

и

отрицательных

ионов

разная

 (

разная

подвижность

ионов

), 

то

более

быстрые

ионы

(

например

отрицательные

убегут

вперед

от

более

медленных

ионов

положительных

ионов

Возникнет

расслаивание

катионов

и

анионов

в

растворе

вследствие

чего

в

растворе

образуется

электрическое

поле

с

разностью

потенциалов

получившей

название

диффузионного

потенциала

Величина

диффузионного

потенциала

согласно

Нернсту

может

быть

рассчитана

по

формуле

1

2

ln

н

C

u

RT

u

F

C

  

где

u

и

 – 

скорости

более

быстрого

и

более

медленного

ионов

R

 – 

универсальная

газовая

постоянная

T

 – 

температура

раствора

– 

постоянная

Фарадея

C

1

и

C

2

 – 

концентрации

электролита

в

левой

и

правой

частях

сосуда

.  

Таким

образом

для

возникновения

диффузионного

потенциала

необходимыми

условиями

являются

а

разность

концентраций

электролита

различная

подвижность

анионов

и

катионов

В

1890 

г

Вильгельм

Оствальд

продолжая

исследования

Рисунок

 38. 

Диффузия

ионов

через

полупроницаемую

плёнку

background image

99

полупроницаемых

искусственных

пленок

установил

что

полупроницаемость

пленок

может

вызвать

не

только

осмос

но

и

электрические

явления

Осмос

возникает

тогда

когда

пленка

пропускает

относительно

мелкие

молекулы

растворителя

(

например

воды

), 

но

не

пропускает

крупные

молекулы

растворенного

вещества

Но

ведь

в

электролите

ионы

могут

иметь

разные

размеры

Если

взять

сосуд

разделить

полупроницаемой

пленкой

на

две

части

в

левую

и

правую

части

сосуда

залить

электролит

разной

концентрации

и

если

размеры

пор

в

пленке

позволяют

проникать

через

нее

только

относительно

мелким

ионам

например

отрицательным

ионам

 (

рисунок

 38), 

то

вследствие

диффузии

между

левой

и

правой

половинами

сосуда

возникнет

разность

потенциалов

Величина

разности

потенциалов

определяется

из

формулы

В

.

Нернста

  (

если

предположить

что

скорость

одного

сорта

ионов

равна

нулю

 – 

мембрана

не

пропускает

данный

сорт

ионов

):  

1

2

ln

н

C

RT

F

C

  

Таким

образом

В

.

Оствальд

объединил

знания

о

полупроницаемых

мембранах

с

формулой

Нернста

Он

предположил

что

свойствами

полупроницаемой

мембраны

можно

объяснить

потенциалы

мышц

нервов

электрических

органов

рыб

Идея

Оствальда

как

ни

странно

оказалась

незамеченной

ни

биологами

ни

физиологами

И

только

Юлиус

Бернштейн

смог

ее

оценить

Бернштейн

не

только

оценил

идею

Оствальда

но

и

сделал

следующий

решающий

шаг

на

пути

выяснения

природы

электричества

в

живых

организмах

Он

начал

объяснять

электрические

свойства

мышц

и

нервов

не

устройством

этих

органов

в

целом

а

свойствами

клеток

из

которых

эти

органы

состояли

Бернштейн

был

первым

кто

указал

на

непосредственного

  «

виновника

» «

животного

электричества

» 

клеточную

мембрану

и

перенос

ионов

.  

Первые

публикации

Ю

Бернштейна

по

мембранной

теории

потенциалов

появились

в

далеком

 1902 

г

..

1902 

г

по

праву

считается

годом

рождения

мембранной

теории

биопотенциалов

background image

100

Согласно

гипотезе

Бернштейна

каждая

клетка

имеет

оболочку

которая

представляет

собой

полупроницаемую

мембрану

Внутри

и

вне

клетки

имеется

много

свободных

ионов

среди

которых

находятся

ионы

К

+

Пусть

концентрация

ионов

К

+

внутри

больше

чем

вне

клетки

и

клеточная

мембрана

пропускает

только

ионы

К

+

Тогда

ионы

К

+

начнут

выходить

из

клетки

где

их

много

наружу

Одновременно

с

этим

существует

поток

ионов

К

снаружи

клетки

внутрь

но

так

как

снаружи

ионов

К

+

мало

то

и

поток

этот

будет

незначительный

на

фоне

потока

ионов

К

+

направленного

изнутри

клетки

наружу

Вместе

с

ионами

К

+

наружу

будет

выноситься

и

положительный

заряд

Поэтому

на

внутренней

стороне

мембраны

клетки

находящейся

в

состоянии

покоя

образуется

скомпенсированный

отрицательный

электрический

заряд

а

на

наружной

стороне

 – 

положительный

Возникающая

разность

потенциалов

будет

тормозить

вынос

ионов

К

+

из

клетки

и

увеличивать

поток

ионов

К

+

снаружи

клетки

внутрь

клетки

Когда

потоки

ионов

внутрь

клетки

и

наружу

сравняются

установится

на

клетке

динамическое

равновесие

и

на

клеточной

мембране

будет

поддерживаться

постоянным

по

величине

потенциал

покоя

Разность

потенциалов

между

внутренней

стороной

БМ

и

ее

наружной

стороной

называется

потенциалом

покоя

  (

ПП

). 

Величина

ПП

описывается

формулой

Нернста

0

ln

i

н

K

RT

F

K

 

,  

где

i

K

концентрация

ионов

калия

внутри

клетки

0

K

концентрация

ионов

калия

снаружи

клетки

.  

Гипотеза

Бернштейна

о

генерации

ПП

на

клеточной

мембране

была

встречена

в

научном

мире

без

особого

восторга

и

оваций

В

глазах

современников

она

выглядела

не

более

чем

гипотезой

и

самому

Бернштейну

а

затем

и

его

последователям

понадобились

годы

и

десятилетия

упорного

труда

споров

и

сомнений

пока

удалось

доказать

свою

правоту

В

первую

очередь

гипотеза

требовала

экспериментальных

подтверждений

Бернштейну

пришлось

придумать

серию

научных

экспериментов

которые

могли

бы

пусть

даже

и

косвенно

подтвердить

его

Источник: https://files.student-it.ru/previewfile/6211