Свойства электролитов

9. Вычислите толщину мембраны, если средняя электрическая ёмкость единицы площади мембраны равна 1 мкФ/см2. Диэлектрическая проницаемость биомембраны равна 9.

4. Свойства электролитов

Студент должен знать: элементы физической химии, основы теории Дебая-Хюккеля о равновесных свойствах электролитов; понятия ионной силы раствора, радиуса экранирования заряда, особенности взаимодействия макромолекул в растворах электролитов; основы теории Гуи-Чепмена двойного электрического слоя; методику оценки поверхностной плотности заряда; электрокинетические явления и соотношения между ними, понятие дзета-потенциала и его косвенную оценку по формуле Смолуховского [3, 8].

Контрольные вопросы

1. Ионная сила раствора электролита определяется следующим образом:

а) ; б) ; в) ;

г) ; д) .

2. Толщина ионной оболочки, окружающей в электролите заряженную макромолекулу, зависит

а) только от свойств электролита;

б) от температуры и размера макромолекулы;

в) от свойств электролита при определенной температуре;

г) от температуры и ионной силы раствора;

д) от заряда макромолекулы и ионной силы раствора.

3. Объемная плотность заряда ионной атмосферы зависит

а) только от кулоновского поля центрального иона;

б) только от теплового движения;

в) только от свойств электролита;

г) от кулоновского поля центрального иона и теплового движения;

д) от кулоновского поля центрального иона, тепловых флуктуаций и

свойств электролита;

е) от кулоновского поля центрального иона и свойств электролита;

4. Параметра Дебая-Хюккеля χ

а) определяет расстояние 1/χ, на котором происходит падение

потенциала электрического поля центрального иона в е раз;

б) определяет расстояние 1/χ, на котором происходит падение

потенциала электрического поля центрального иона в 2 раза;

в) определяет расстояние χ, на котором происходит падение

потенциала электрического поля центрального иона на порядок;

г) определяет расстояние χ, на котором происходит падение

потенциала электрического поля центрального иона в е раз;

д) правильный ответ не приведен.

5. При разбавлении солевого раствора параметр Дебая-Хюккеля

а) увеличивается; б) не изменяется; в) уменьшается.

6. Белок осаждается в растворе

а) при уменьшении концентрации соли;

б) при высокой ионной силе раствора;

в) при низкой ионной силе раствора;

г) при увеличении концентрации соли.

7. При увеличении ионной силы раствора толщина ионной оболочки

а) уменьшается; б) увеличивается; в) не изменяется.

8. Перечислите и охарактеризуйте электрокинетические явления.

9. Размер диффузионной области двойного слоя зарядов

а) тождествен параметру Дебая-Хюккеля;

б) определяется как расстояние, на котором потенциал электрического поля поверхностного заряда уменьшается в е раз;

в) определяется как расстояние, на котором потенциал электрического поля поверхностного заряда уменьшается на порядок;

г) равен величине, обратной параметру Дебая-Хюккеля;

д) определяется только величиной поверхностного заряда.

10. Распределение ионов в области заряженной поверхности определяется:

а) поверхностным зарядом;

б) тепловыми флуктуациями и свойствами электролита;

в) электростатическим притяжением;

г) электрическим полем поверхностного заряда, тепловыми флуктуациями и свойствами электролита;

д) электрическим притяжением и тепловыми флуктуациями.

Пример решения задачи

Пусть имеется так называемый фосфатный буфер, включающий 0,1 моль/л KH2PO4 и 0,05 моль/л K2HPO4. Оценить ионную силу раствора и дебаевский радиус экранирования заряда (эффективную толщину ионной оболочки) при температуре t=38oC; принять для воды ε=74.

Решение.

Рассчитываем концентрации отдельных ионов:

[K+] = [KH2PO4] + 2[K2HPO4] = 0,2 М (обозначение М эквивалентно размерности моль/л); [H2PO4-] = 0,1 М; [HPO42-] = 0,05 М.

Ионная сила раствора:

=0,25 М.

Дебаевский радиус rD – величина, обратная параметру Дебая-Хюккеля χ:

=[8,85·10-12Кл2/(Н·м2)·74·1,38·10-23Дж/К·311К/

/(2·6,02·10231/моль·(1,6·10-19) 2Кл2·0,25·103моль/м3)] 1/2 м = 6·10-10 м.

Задачи для самостоятельного решения

1. Концентрации двух растворов одинаковы. В первом присутствуют одновалентные ионы соли NaCl, а во втором – двухвалентные ионы соли CaHPO4. Во сколько раз отличаются радиусы экранирования зарядов в этих растворах, если их диэлектрические проницаемости близки, температуры одинаковы.

2. Физиологический раствор Рингера имеет следующий состав:

[NaCl]=105 мМоль/л (мМ); [KCl]=5 мМ;

[Na2HPO4]=25 мМ; [CaCl2]=2 мМ.

Определить ионную силу I раствора Рингера и толщину ионной атмосферы rD при температуре 25 oC.

3. Рассчитать дебаевские радиусы экранирования заряда для указанных растворов солей заданных концентраций. Найти отношение полученных значений радиусов экранирования.

а) KCl (0,1 г/л) и CaCl2 (10 г/л); б) NaCl (1 г/л) и MgCl2 (0,5 г/л).

5. Транспорт веществ через биологические мембраны

Для решения задач и ответов на вопросы необходимо знание следующего теоретического материала: основ биофизики мембранных процессов, видов и механизмов пассивного и активного транспорта веществ через биомембраны; основных количественных соотношений пассивной диффузии; ионных равновесий – механизмов формирования и соотношений для потенциала Нернста и потенциала Доннана; электродиффузионной теории транспорта ионов через мембраны, уравнение электродиффузии Нернста-Планкаи уравнение Гольдмана для потока ионов; понятия коэффициента распределения, проницаемости, подвижности, ионного канала, транспортной АТФ-азы, трансмембранного потенциала [1, 2, 4, 9-12].

Контрольные вопросы

Обозначения:

-подстрочные индексы «1» и «2» относятся, соответственно, к среде, откуда происходит перенос, и к среде, куда происходит перенос;

— подстрочные индексы «o» и «i» относятся, соответственно, к наружной среде (“outside”) и к внутренней среде (“inside”).

1. Коэффициент проницаемости мембраны описывается следующим выражением:

а) ; б) ; в) ; г) ; д) .

2. Закон Фика для пассивного транспорта веществ через мембрану имеет вид:

а) ; б) ; в) ;

г) ; д) .

3. Уравнение Теорелла имеет следующий вид:

а) ; б) ; в) ;

г) ; д) .