基本概念
在離子晶體中，擴散離子只能進入具有同樣電荷位置即不能進入相鄰異類原子的位置。離子擴散只能依靠空位來進行。
特點：1、離子擴散速率通常小於金屬原子的擴散速率；2、陽離子的 擴散係數通常比陰離子的擴散係數大。
電化學是研究電子導體(或半導體材料)/離子導體
(一般為電解質溶液)和離子導體/離子導體的界面
結構,界面現象及其變化過程與機理的科學
生物電化學的套用
生命現象最基本的過程是電荷運動.生
物電的起因可歸結為細胞膜內外兩側的
電勢差.人和動物的代謝作用以及各種
生理現象,處處都有電流和電勢的變化產
生
生物電化學的套用
細胞的代謝作用可以借用電化學中的燃料電池的氧化和還原過程
來模擬;
生物電池是利用電化學方法模擬細胞功能;
人造器官植入人體導致血栓與血液和植入器官之間的界面電勢差,
這與基本電化學問題密切相關;
心電圖,腦電圖等則是利用電化學方法模擬生物體內器官的生理
規律及其變化過程的實際套用.
由以上幾個基本例子可見,交叉學科生物電化學的創立
具有極其重要的基礎理論意義和極強的套用背景.
生物電的起因
人體內的細胞處於含有大量氯化鈉和氯化鉀等
電解質的溶液中,由於細胞膜內外各種離子濃
度的不同,並且細胞膜對不同離子的通透性有
著顯著差異,所以隨著離子的擴散在細胞膜兩
側形成電荷的積累,於是產生一個電位差,這
便是生物電的起因.
膜電位的形成機制
(如圖所示)半透膜
兩側為不同濃度的氯化
鉀溶液,濃度a1> a2,根
據物質的擴散規律,粒
子在擴散力的所用下總
是由高濃度向低濃度的
地方擴散,半透膜具有
選擇透過性,假如只允
許帶正電的鉀離子通
過,那么隨著擴散的進
行,半透膜右側會出現
過剩的正電荷.
膜電位的形成機制
離子的流動使電位差逐漸增
大,而增大的電位差對離子
的進一步移動形成阻力,部
分的抵消由於離子的濃度差
所造成的擴散力,就某一種
離子而言,當阻力和擴散力
正好在數值上相等時,擴散
達到透膜動態平衡,於是在
半透膜兩側形成一個穩定的
電勢差E
膜電位差大小的計算
根據玻爾茲曼能量分布定律,場中的離子數密度為
n = n0exp ( -Ep/ kT) ( 1 )
Ep是粒子在場中的勢能,玻爾茲曼常量k = 1.381*10 -23 J K-1,
T是熱力學溫度,設在動態平衡下半透膜兩側的離子數密度
分別是n1和n2,其所處的電勢為U1和U2 ,粒子的價數是Z,
n1 = n0exp( -ZFU1/ RT) ( 2 )
n2 = n0exp( -ZFU2/ RT) ( 3 )
膜電位差大小的計算
兩式相除取自然對數得
ln( n1 / n2 ) = ZF( U2 -U1) / RT ( 4 )
由於溶液的濃度和離子數密度成正比,所以
U2 -U1 = RTln( a1 / a2) / ZF ( 5 )
則可得到半透膜兩側的離子濃度和電勢差的關係
E = RTln( a1 / a2) / ZF ( 6 )
細胞生物電的形成過程
細胞膜是一種特殊的半透
膜
在某種情況下它可以讓某種離子通過,而禁止其它離子通過.細胞膜兩側存在著鈉,鉀,氯等帶電離子.一般
細胞內含有高濃度的鉀離子,低濃度的鈉離子.相反細胞外含有低濃度的鉀離子和高濃度的鈉離子.細胞生物電的形成過程當細胞不受外界刺激時,細胞膜上產生的電勢差稱為靜息電位.如果細胞受到某種刺激,大量的鈉離子會在電場和濃度梯度的雙重影響下,從細胞膜外部湧入內部,從而使細胞膜里的電勢大大升高.細胞生物電的形成過程。動作電位的形成過程可以在很短時間內完成,每秒鐘可以產生幾百個動作電位,用電子儀器測得的體表電位曲線就是這個動作電位傳導到體表的綜合結果與此同時,細胞膜對鉀離子的通透性也迅速提高,結果大量鉀離子由內向外擴散.
膜兩側的電位下降到稍低於靜息電位,然後又恢復到靜息電位.形成的電位波動成為動作電位
