离子扩散

电化学与生物电现象

离子扩散（Ion diffusion）是电化学与生物电现象，指生物膜电位与离子扩散。

基本概念

在离子晶体中，扩散离子只能进入具有同样电荷位置即不能进入相邻异类原子的位置。离子扩散只能依靠空位来进行。

特点：1、离子扩散速率通常小于金属原子的扩散速率；2、阳离子的扩散系数通常比阴离子的扩散系数大。

电化学是研究电子导体(或半导体材料)/离子导体

(一般为电解质溶液)和离子导体/离子导体的界面

结构,界面现象及其变化过程与机理的科学

生物电化学的应用

生命现象最基本的过程是电荷运动.生

物电的起因可归结为细胞膜内外两侧的

电势差.人和动物的代谢作用以及各种

生理现象,处处都有电流和电势的变化产

应用

细胞的代谢作用可以借用电化学中的燃料电池的氧化和还原过程来模拟;

生物电池是利用电化学方法模拟细胞功能;

人造器官植入人体导致血栓与血液和植入器官之间的界面电势差,这与基本电化学问题密切相关;

心电图、脑电图等则是利用电化学方法模拟生物体内器官的生理规律及其变化过程的实际应用、

由以上几个基本例子可见,交叉学科生物电化学的创立具有极其重要的基础理论意义和极强的应用背景。

生物电的起因

人体内的细胞处于含有大量氯化钠和氯化钾等电解质的溶液中,由于细胞膜内外各种离子浓度的不同,并且细胞膜对不同离子的通透性有着显著差异,所以随着离子的扩散在细胞膜两侧形成电荷的积累,于是产生一个电位差,这便是生物电的起因.膜电位的形成机制半透膜两侧为不同浓度的氯化钾溶液,浓度a1＞ a2,根据物质的扩散规律,粒子在扩散力的所用下总是由高浓度向低浓度的地方扩散,半透膜具有选择透过性,假如只允许带正电的钾离子通过,那么随着扩散的进行,半透膜右侧会出现过剩的正电荷.膜电位的形成机制离子的流动使电位差逐渐增大,而增大的电位差对离子的进一步移动形成阻力,部分的抵消由于离子的浓度差所造成的扩散力,就某一种离子而言,当阻力和扩散力正好在数值上相等时,扩散达到透膜动态平衡,于是在半透膜两侧形成一个稳定的电势差E。

膜电位差计算

根据玻尔兹曼能量分布定律,场中的离子数密度为

n = n0exp ( -Ep/ kT) ( 1 )

Ep是粒子在场中的势能,玻尔兹曼常量k = 1.381*10 -23 J K-1,

T是热力学温度,设在动态平衡下半透膜两侧的离子数密度

分别是n1和n2,其所处的电势为U1和U2 ,粒子的价数是Z,

n1 = n0exp( -ZFU1/ RT) ( 2 )

n2 = n0exp( -ZFU2/ RT) ( 3 )

膜电位差大小的计算

两式相除取自然对数得

ln( n1 / n2 ) = ZF( U2 -U1) / RT ( 4 )

由于溶液的浓度和离子数密度成正比,所以

U2 -U1 = RTln( a1 / a2) / ZF ( 5 )

则可得到半透膜两侧的离子浓度和电势差的关系

E = RTln( a1 / a2) / ZF ( 6 )

细胞生物电的形成过程

细胞膜是一种特殊的半透

膜

在某种情况下它可以让某种离子通过,而禁止其它离子通过.细胞膜两侧存在着钠,钾,氯等带电离子.一般

细胞内含有高浓度的钾离子,低浓度的钠离子.相反细胞外含有低浓度的钾离子和高浓度的钠离子.细胞生物电的形成过程当细胞不受外界刺激时,细胞膜上产生的电势差称为静息电位.如果细胞受到某种刺激,大量的钠离子会在电场和浓度梯度的双重影响下,从细胞膜外部涌入内部,从而使细胞膜里的电势大大升高.细胞生物电的形成过程。动作电位的形成过程可以在很短时间内完成,每秒钟可以产生几百个动作电位,用电子仪器测得的体表电位曲线就是这个动作电位传导到体表的综合结果与此同时,细胞膜对钾离子的通透性也迅速提高,结果大量钾离子由内向外扩散.

膜两侧的电位下降到稍低于静息电位,然后又恢复到静息电位.形成的电位波动成为动作电位

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