ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.11.2019
Просмотров: 7038
Скачиваний: 16
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
.
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
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
,
F
–
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
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
.
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