Мембранное равновесие Доннана

 

Наличие в клетках ионов полиэлектролитов, ионов белков или гранул лиофобных коллоидов, которые в отличие от низкомолекулярных ионов обычных электролитов, не могут диффундировать сквозь мембрану приводит к установлению мембранного равновесия Доннана.

Мембранным равновесием Доннана называют равновесие, устанавливающееся в системе растворов, разделённых мембраной, непроницаемой хотя бы для одного вида ионов, присутствующих в системе.

 

Рассмотрим случай равновесия двух электролитов с одним общим ионом (Cl ^‾) между двумя жидкостями, разделёнными полупроницаемой мембраной. Эта мембрана является проницаемой для всех ионов, кроме одного (его называют недиализуемым ионом).

Пусть вначале опыта во внутренней части осмотической ячейки осмометра налит раствор электролита RCl. Электролит диссоциирует, образуя положительные ионы R ⁺ (они не могут проходить через мембрану) и ионы Cl ^‾ , которые свободно проходят через мембрану. Концентрации тех и других ионов равны С₁, то есть [R] = C₁ и [Cl ‾ ] = C₁. Всё это справедливо для внутренней жидкости.

Во внешней жидкости (она занимает такой же объём как и внутренняя) имеются ионы Na ⁺ и Cl ^‾, но их концентрации уже другие и равны С₂: [Na ⁺] = C₂ и [Cl ‾ ] = C₂.

В начале опыта мы имеем систему:

 

 

Внутренняя жидкость (i) Мембрана внешняя жидкость (e)

 

[R] = C₁: [Na ⁺] = C₂

[Cl ‾ ] = C₁: [Cl ‾ ] = C₂

 

Каковы будут концентрации ионов по обе стороны мембраны после наступления равновесия?

Оказалось, что в системе устанавливается равновесие следующего вида:

 

 

Внутренняя жидкость (i) Мембрана внешняя жидкость (e)

:

[R⁺]_i = C₁:

[Na ⁺]_i = X: [Na ⁺]_e = C₂ - X

[Cl ‾ ]_i = C₁ + Х;: [Cl ‾ ]_e = C₂ – X

 

Причём Х является функцией обеих начальных концентраций С₁ и С₂.

Доннан, учитывая законы и положения термодинамики, пришел к выводу, что условием равновесия является равенство произведений концентраций ионов, находящихся внутри ячейки и в наружной жидкости:

[Na ⁺]_вн ∙ [Cl ‾ ] _вн = [Na ⁺]_нар ∙ [Cl ‾ ] _нар

Таким образом,

 

условием равновесия Доннана является равенство произведений концентраций подвижных ионов по обе стороны мембраны.

 

Подставим в приведенное произведение концентраций их численные значения:

 

Х(С₁ + Х) = (С₂ – Х)².

Отсюда:

Х =

Полученное выражение называют уравнением Доннана. Оно показывает количество низкомолекулярного вещества (Х), переносимого в сторону ВМС через полупроницаемую перегородку.

Из уравнения Доннана следует, что при С₁ = 0 Х = С₂/2, т.е. при отсутствии недиффундирующих ионов полиэлектролита или гранул мицеллы лиофобного золя распределение NaCl будет равномерным. Если же С₁» С₂, то величина Х очень мала. То есть в этом случае свободно диффундирующий NaCl всё же не может свободно проникать внутрь мембраны, а поэтому распределение NaCl по обе стороны мембраны будет неодинаковым.

За счёт присутствия в клетке солей белка сумма концентраций подвижных ионов внутри клетки всегда будет больше, чем в наружном растворе. Неравномерное распределение ионов по обе стороны мембраны приводит к возникновению разности потенциалов, которая может быть измерена в виде так называемого мембранного потенциала, например, в следующей цепи:

 

Каломельный внешний внутренний каломельный

Электрод раствор раствор электрод

с насыщ. KCl с нас. KCl

 

В организме доннановский эффект имеет большое значение для распределения электролитов между кровью и лимфой, для возникновения биопотенциалов.

 

 

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

(коллоидные системы)

 

1. Какие дисперсные системы называются коллоидными растворами?

2. Как можно классифицировать методы получения коллоидных растворов?

3. В чём состоит сущность метода диспергирования? Какое оборудование используют для этого?

4. Охарактеризуйте методы получения коллоидных систем путём конденсации.

5. Какие условия должны соблюдаться при получении коллоидных систем путём химической конденсации?

6. Какие методы очистки коллоидных систем вам известны? Охарактеризуйте их.

7. Каково строение мицеллы лиофобного золя?

8. Какие вы знаете пути образования ДЭС?

9. Каково строение ДЭС?

10. В чём состоит отличие электрокинетического потенциала от термодинамического?

11. Какие электрокинетические явления вы знаете? В чём состоит сущность каждого из них?

12. Как экспериментально определяют величину дзета-потенциала?

13. Каково строение мицеллы лиофобного золя?

14. В каких случаях при добавлении электролита происходит перезарядка коллоидной частицы?

15. Являются ли коллоидные системы термодинамически устойчивыми?

16. Чем определяется седиментационная устойчивость дисперсных систем? Являются ли коллоидные системы седиментационно устойчивыми?

17. Какие факторы агрегативной устойчивости лиофобных золей вам известны?

18. Сформулируйте правила коагуляции золей электролитами.

19. В чём состоит сущность теории ДЛФО? Что называется расклинивающим давлением?

20. Какие случаи коагуляции смесью электролитов вы знаете?

21. В чём заключается защитное действие и сенсибилизация?

22. Напишите формулы мицелл следующих золей:

а) золя карбоната бария ВаСО₃, стабилизированного хлоридом бария;

б) золя сульфида свинца PbS, стабилизированного сульфидом натрия;

в) золя бромида серебра AgBr, стабилизированного нитратом серебра;

г) золя гидроксида железа Fe(OH)₃, стабилизированного Fe(NO₃)₃;

д) золя хлорида свинца PbCl₂, стабилизированного хлоридом калия;

е) золя сульфата бария BaSO₄, стабилизированного сульфатом калия.