Том 1 (1128365), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Ток представляет собой количество заряда, переносимогочерез поперечное сечение за единицу времени, и аналогичен, таким образом,объему воды, протекающему в единицу времени через поперечное сечениетрубопровода (рис. 2-23, Б).Электрический ток всегда встречает некоторое сопротивление на своемпути точно так же, как вода32Рис.
2.23. Аналогия между током электронов в проводнике (А) и течением воды в трубопроводе (Б).встречает механическое сопротивление при своем движении по трубопроводу,например из-за трения. Чтобы заряды могли преодолеть электрическоесопротивление, должна существовать действующая на эти зарядыэлектростатическая сила. Такая сила (аналогичная гидростатическому давлениюв водопроводной сети) появляется, если имеется перепад электрического"давления", или потенциала Е, между двумя концами участка электрическойцепи, обладающего активным сопротивлением (рис.
2-23, А). Разностьпотенциалов, или напряжение, возникает между разделенными отрицательными( -) и положительными ( + ) зарядами. Такая разность потенциалов, или ЭДС,связана с током I и сопротивлением R соотношением, называемым законом Ома(см. дополнение 2-1).
Чтобы ток (число единиц заряда, прошедших через какоето сечение в электрической цепи в единицу времени) остался неизменным приудвоении сопротивления, требуется удвоить напряжение (рис. 2-24, А).Аналогичным образом сила тока уменьшится в два раза, если сопротивление вцепи удвоится, а напряжение останется прежним (рис. 2-24, Б).Рис. 2.24.
Иллюстрация описываемой законом Ома взаимосвязи между электрическими величинами. А.Ток остается неизменным, если одновременно удваиваются и напряжение, и сопротивление. Б. Сила токауменьшается в два раза, если удваивается только сопротивление.Сопротивление току в растворе определяют три основных фактора.1. Количество носителей заряда в растворе (т. е. концентрация ионов). Чемболее разбавлен раствор электролита, тем больше его сопротивление и,следовательно, тем меньше его проводимость (см.
дополнение 2-1). Это легкопонять, поскольку все меньше остается в растворе ионов-носителей заряда.2 Чем меньше площадь поперечного сечения раствора в плоскости,перпендикулярной направлению тока, тем больше сопротивление, котороепоследнему приходится преодолевать. Здесь опять можно провести аналогию свлиянием поперечного сечения трубопровода на течение в нем воды.3.
Полное электрическое сопротивление при прохождении тока черезраствор увеличивается с расстоянием. Сопротивление, преодолеваемое током научастке длиной 2 см в растворе электролита, в два раза больше сопротивленияна участке длиной 1 см в том же растворе.Ионы-носители тока - распределены равномерно по всему раствору.
Ток,проходящиймеждудвумяэлектродами,представленнетолькопрямолинейными траекториями ионов, но и искривленными, дугообразнымитраекториями между электродами (рис. 2-25). Это связано с тем, что в процессвовлекается больше ионов, чем присутствует в объеме, включающем лишьпрямолинейные33Рис. 2.25. При прохождении тока через раствор электролита ионы движутся таким образом, чтобыплотность тока была минимальна.траектории между электродами; это уменьшает эффективное сопротивлениепри прохождении электрического тока.Роль электрических явлений в физиологии животных очень велика; в этоммы убедимся, познакомившись с материалом последующих глав.
Знакомство сосновами электричества поможет нам также разобраться, как работаютлабораторные приборы.3432 :: 33 :: 34 :: Содержание34 :: 35 :: Содержание2.7. Ионная избирательностьСвободные ионы в растворе внутри или вне живых клеток взаимодействуютэлектростатически друг с другом и с множеством полностью или частичноионизованных участков молекул, таких, например, как белки. Эти ионные, илиионсвязывающие, центры несут электрические заряды.
В основе ихвзаимодействий со свободными неорганическими ионами лежат те жепринципы, которые определяют ионный обмен на аналогичных центрах наповерхности таких небиологических материалов, как частицы грунта, стекло инекоторые пластмассы. Взаимодействия ион-ионный центр являются важнойчастью некоторых биохимических механизмов, например механизмовактивации ферментов и ионной избирательности мембранных каналов имембраносвязанных носителей, где избирательное связывание ионов играетчрезвычайно важную роль.Энергетической основой взаимодействия между ионом и ионсвязывающимцентром служит электростатическое притяжение между ними, что в принципеничем не отличается от взаимодействий между свободными анионами икатионами в растворе.
Таким образом, ионсвязывающий центр с целымРис. 2.26. Сопоставление размеров молекул воды и ионовщелочных металлов (без гидратной оболочки). (Нillе, 1972.)или дробным отрицательным зарядом (вспомним дробный заряд на кислородемолекулы воды) притягивает катионы, а центр с положительным зарядомпритягивает анионы. Две или более разновидности катионов в растворе будутконкурировать друг с другом за связывание с анионным (т.е.электроотрицательным)центром.Отрицательнозаряженныйцентробнаруживает определенный порядок приоритетности в связывании катионовразных видов, начиная с тех, которые связываются наиболее сильно, и кончаятеми, которые связываются наиболее слабо. Такой порядок приоритетностиназывают рядом сродства или рядом, ионселективности данного центра.Средиразличныхрядовионселективностинаиболееизученыпоследовательности, состоящие из ионов пяти щелочных металлов (литий,натрий, калий, рубидии, цезий).
Из 120 возможных последовательностей этихионов1 в природе реализуются только И. Ряд I (Cs +, Rb+, K+, Na+, Li+)соответствует расположению ионов в порядке убывания ионного радиуса (рис.2-26) и, следовательно, в порядке возрастания степени их гидратации в воде.
РядXI, обратный ряду I, соответствует расположению ионов в порядке возрастанияионного радиуса и, следовательно, в порядке убывания степени гидратации.Катионсвязывающими центрами в органических молекулах служат обычноатомы кислорода в таких группировках, как силикатная, карбонильная(R...C...), карбоксильная (R...COO-) группы и эфирная связь (R1...O...R2) Как мыуже отмечали, атом кислорода имеет большое сродство к электронам ипритягивает электроны от соседних атомов в молекуле. В таких нейтральныхгруппировках, как карбонильная группа или эфирная связь, образование этихцентров можно объяснить наличием дробного отрицательного заряда благодарястатистически большей плотности электронов вокруг атома кислорода.(Поскольку эти группы в целом электрически нейтральны, в них должны быть,конечно, и дробные34Рис.
2.27. Электронные облака боковых групп.положительные заряды, как показано на рис. 2-27.) Атомы кислородасиликатной и карбоксильной групп после ионизации будут нести целыйотрицательный заряд.Энергетика электростатического взаимодействия ионсвязывающего центрас ионом описывается выражением для потенциальной энергиигде U- энергия, необходимая для сближения двух зарядов, q+ и q-, в вакуме избесконечности до расстояния d1)Показатель степени а в случае двух уединенныхэлектрических зарядов (например, одновалентного аниона и одновалентногокатиона) равен 1. Для дипольной молекулы типа воды, т.е. такой молекулы, вкоторой имеются два полюса соответственно с отрицательным иположительным зарядами (при результирующем заряде, равном нулю), энергиявзаимодействия убывает с расстоянием быстрее, чем в предыдущем случае [т.
е.показатель а в формуле (2-6) больше единицы]. Это обстоятельство играетважную роль в конкуренции электростатических взаимодействий, когдарастворенный1)Непутайте равенство (2-6) с законом Кулона, где сила электростатическоговзаимодействия f двух уединенных зарядов обратно пропорциональнадиэлектрической проницаемости ε и квадрату расстояния d между ними:в воде ион притягивается к центру, несущему заряд противоположного знака.Поскольку ядро малого атома может подойти к другому атому ближе, чемядро большого, очевидно, что малые одновалентные катионы взаимодействуют сэлектроотрицательным центром сильнее, чем большие.
Поэтому в вакууме (т. е.без учета взаимодействия с молекулами воды) порядок расположения постепени убывания силы связывания между электроотрицательным центром икатионами щелочных металлов должен быть таким: Li + > Na+ > K+ > Rb+ > Cs+,т.е. совпадать с расположением, катионов в порядке увеличения их размеров.Таким образом, в вакууме ион лития связывается с анионным центром сильнее,чем ион цезия, поскольку он несет такой же единичный элементарный заряд, нохарактеризуется меньшим расстоянием максимального сближения.Для водной среды (т.
е. в растворе в отличие от вакуума) кулоновскоесоотношение [равенство (2-6)], связывающее атомный радиус катиона с егосродством к данному электроотрицательному фиксированному центру, должнобыть модифицировано, поскольку необходимо учитывать электростатическоевзаимодействие этого катиона с водой. Такое взаимодействие обусловлено тем,что молекула воды является диполем. Катион, притягиваемый какэлектронобогатым атомом кислорода фиксированного однополюсного центра,так и электронобогатым атомом кислорода биполярной молекулы воды, долженсделать выбор: образовывать ли эту ионную связь с водой или сэлектроотрицательнымфиксированнымцентром.Энергетическое"перетягивание каната" между водой и этим центром и должно определить,является ли последний более предпочтительным местом связывания для тогоили иного иона по сравнению с водой. Чем успешнее центр конкурирует с водойза данную разновидность иона, тем больше "селективность" этого центра кданной разновидности иона.
Ряд ионселек-тивности у такого центра для группыразных ионов определяется напряженностью электрического поля и характеромраспределения электронов (полярное или мультипольное) в окрестностиданного центра (рис. 2-28).Вдополнениекрассмотреннымздесьвкратцепринципамэлектростатического взаимодействия существуют еще пространственныеограничения при связывании ионов с некоторыми центрами. Если, например,центр расположен так, что взаимодействующий ион должен протискиваться вузкую щель или полость внутри молекулы или между молекулами, то полнаяэнергия, необходимая для того, чтобы ион мог подойти и связаться с этимцентром, будет, безусловно, зависеть еще и от размеров иона в егогидратированной форме.351 5! = 5·4·3·2·1 = 120 возможных последовательностей из пяти катионов.34 :: 35 :: Содержание36 :: 37 :: Содержание2.8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
