Поляризація в розчинах електролітів

1) Електролітична поляризація. Якщо в розчин електроліту помістити електричні або вугільні електроди й прикласти до них постійна напруга, то під дією сил електричного поля виникає електричний струм, утворений рушійними іонами.

Досягаючи електродів, іони нейтралізують свої заряди й перетворюються у відповідні атоми або молекули, які або виділяються на електродах, або вступають у хімічну взаємодію з речовиною електродів або з розчинником. Ці реакції називаються вторинними, і в результаті на електродах можуть виділятися речовини, відмінні від тих, іони яких утворять струм.

Рідкі середовища організмів містять слабкі розчини різних електролітів, загальна концентрація яких еквівалентна 0,9% розчину хлористого натрію. Розглянемо процеси, що відбуваються на електродах, занурених у слабкий розчин хлористого натрію, до яких прикладене постійна напруга. Відбуваються реакції дисоціації молекул у розчині:

1. NaCl → Na⁺ + Cl^-

2. H₂O → H⁺ + OH^-.

Під дією прикладеної напруги іони натрію й водню рухаються до катода. На катоді іони водню приєднують електрон і перетворюються в атоми водню. Атоми з'єднуються в молекули Н² і виділяються у вигляді пухирців газу:

3. H⁺+ e- → H.

Н⁺ + Н⁺ → Н₂

Іони натрію з іонами гідроксилу утворять їдкий луг:

4. Na⁺ + OH^- ® NaOH

Іони хлору віддають електрон у зовнішній ланцюг і перетворюються в атоми хлору:

5. Cl^-→ Cl + e^-

Частина атомів хлору з'єднується в молекули й виділяється у вигляді пухирців на електроді, інша частина, реагуючи з водою, утворить соляну кислоту з виділенням кисню.

Таким чином, у результаті вторинних реакцій на електродах пухирці газу зменшують їхню активну поверхню, при цьому збільшується перехідний опір, і в ланцюзі між електродами утворяться різниці потенціалів, протилежні за знаком прикладеній напрузі. Наприклад, концентраційна різниця потенціалів, що виникає внаслідок різниці швидкостей руху іонів протилежного знака й зміни концентрації їх біля електродів, різниця потенціалів у контакті між металевим електродом і навколишнім його виділеним воднем і т.п.

Всі ці явища в цілому називаються електролітичною поляризацією й ураховуються шляхом введення в закон Ома електрорушійної сили поляризації Е_П

, де U - зовнішня напруга, R - опір об'єкта. Установлення ЕДС поляризації і її зникнення характеризують часом релаксації, що дорівнює приблизно10^-4-10^-2 с. У зв'язку з нагромадженням речовин поляризації, струм у ланцюзі з розчином електроліту (при незмінній напрузі) із часом поступово зменшується. При фізіологічних дослідженнях для того, щоб виключити поляризацію, застосовують неполяризуючі електроди. Ці електроди виготовляються з металу, зануреного в розчин, що виділяє іон цього ж металу (наприклад, у розчин солі того ж металу). У цьому випадку на електродах відбувається або розчинення (на аноді), або виділення (на катоді) металу, з якого складаються електроди - ніякі вторинні реакції не відбуваються.

2) Макроструктурна поляризація. Виникає в розчинах електролітів на об'єктах, що володіють значною електричною неоднорідністю (наприклад, на клітках або їх органелах). Позитивні й негативні іони, переміщаючись під дією зовнішнього електричного поля в протилежних напрямках, як у цитоплазмі, так і в позаклітинному середовищі, доходять до поверхні мембрани й гуртуються коло неї, тому що мембрана не пропускає багато іонів. У результаті клітка і її органели здобувають дипольні моменти. Час релаксації макроструктурної поляризації 10^-8 - 10^-3 с. Цей вид поляризації грає найбільш важливу роль у біологічних об'єктах у порівнянні з іншими видами поляризації, оскільки будь-яка тканина складається з величезної кількості кліток. Тому діелектрична проникність біооб’єктів, обмірювана в постійному електричному полі, дуже велика.

Клітинна мембрана, яка є діелектриком і розділяє електричні заряди протилежних знаків, утворює систему, подібну до конденсатора, електроємність якого визначається поляризаційними ефектами.

Поляризаційна ємність відбиває відношення зміни заряду об'єкта до зміни його потенціалу при проходженні змінного струму й визначається наступним співвідношенням: де I₀ й I_t -початкове й кінцеве значення сили струму; I -миттєвий струм; R -опір об'єкта.

Величини поляризаційної ємності, обмірювані на постійному струмі, досить значні - від 0,1 до 10 мкф на 1 см² поверхні мембрани. До поляризаційної ємності додається статична ємність самої біомембрани, утвореної ліпідними шарами із зарядженими голівками - вона досягає величини порядку 1 мкф на 1 см². Статичну й поляризаційну ємності в біологічних об'єктах можна вважати з'єднаними послідовно.