Ćwiczenie nr 13

POMIAR MEMBRANOWEJ RÓŻNICY POTENCJAŁÓW

Równowaga Nernsta

1. Przyrządy pomiarowe i roztwory:
1. elektrometr 2. komory pomiarowe przedzielone błoną kationoselektywną 3. elektrody chloro-
srebrowe (Ag/AgCl) – 2 szt. 4. roztwory NaCl: 0.01 mol/dm

3

, 0.001 mol/dm

3

.

2. Opis ogólny
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze zjawiskiem elektrodyfuzji i zagadnieniem równowagi
Nernsta powstającej w układach roztworów jonów przedzielonych błona selektywną (przepuszczającą
w różnym stopniu różne rodzaje jonów).
Zadaniem praktycznym ćwiczenia jest przeprowadzenie pomiarów równowagowej błonowej
różnicy potencjałów powstającej na błonie kationo-selektywnej.
W układzie roztworów soli o różnych stężeniach, oddzielonych od siebie błoną przepuszczającą
tylko jeden rodzaj jonów, powstaje elektrodyfuzyjny strumień tych jonów skierowany od przedziału o
wyższym stężeniu do przedziału o stężeniu niższym (patrz poz. lit. 1 – 4). Strumień taki powoduje
narastanie różnicy potencjałów elektrycznych w poprzek błony. Powstająca różnica potencjałów
(nazywana żargonowo “potencjałem błonowym”) uruchamia przepływ strumienia jonów w przeciwnym
do dyfuzji kierunku, a zatem strumień netto zmniejsza się. Zmniejszenie się strumienia jonów powo-
duje również zmniejszająca się różnica stężeń jonów po obu stronach błony (ten czynnik może być
niewielki przy dużych stosunkowo objętościach przedziałów i małej powierzchni błony). Po pewnym
czasie strumień netto jonów osiąga wartość zerową. Stan taki jest stanem termodynamicznie równo-
wagowymi nazywamy go równowagą Nernsta. Rozważając funkcje opisujące strumienie jonów w tego
typu układach można wyprowadzić wzór na równowagową różnicę potencjałów (patrz podane pozycje
literaturowe):

2

1

ln

c

c

zF

RT

V

=

∆

gdzie c

1

, c

2

– stężenia jonów sodu odpowiednio w przedziałach po obu stronach błony w stanie rów-

nowagi, R – stała gazowa 8.31 J/mol·K, T –temperatura bezwzględna, z – wartościowość jonu, F –
stała Faraday’a (96 500 C).
Po podstawieniu do wzoru [1] wartośći: z = 1, T = 293 K (20 °C), oraz po przejściu do logarytmów
dziesiętnych wzór przybiera następującą postać:

[1]

]

[

log

58

2

1

mV

c

c

V

=

∆

3. Układ pomiarowy

Ukłąd pomiarowy ćwiczenia stanowią dwa przedziały roztworów soli (NaCl) o różnych stęże-

niach, przedzielone błoną kationo-selektywną (przez błonę mogą przenikać tylko kationy). Dwie jed-
nakowe elektrody chloro-srebrowe umieszczone w obu roztworach łączymy z elektrometrem
(miliwoltomierzem). W takim ukłądzie wskazanie elktrometru jest pomiarem różnicy potencjałów elek-
trycznych pomiędzy powierzchniami błony. Ze względu na duże przewodnictwo roztworów soli spadek
potencjału pomiędzy błona a wnętrzem przedziału jest niewielki i jest tutaj zaniedbywany. Przy zada-
nej różnicy stężeń po obu stronach błony, po kilku minutach, w układzie ustala się równowaga Nern-
sta. Strumień elektrodyfuzyjny kationów w czasie dochodzenia układu do równowagi zmienia stężenia
soli w obu przedziałach. Zatem stężenia równowagowe jonów zdolnych do przenikania przez błonę są
teoretycznie różne od stężeń wyjściowych. Niemniej jednak, w przypadku małej powierzchni błony już
niewielki przepływ jonów doprowadza do stanu równowagi, w której strumień netto jonów jest zerowy.

[2]

W takiej szczególnej sytuacji można z dobrym przybliżeniem przyjąć, że stężenia wyjściowe nie zmie-
niają się istotnie w czasie dochodzenia do równowagi. Takie założenie przyjęliśmy w naszym modelu i
dlatego nie czyniąc dużego błędu możemy podstawić stężenia wyjściowe w obu przedziałach jako
stężenia równowagowe w równaniu Nernsta.

4. Przebieg pomiarów
1. Za pomocą cylindra pomiarowego odmierz 85 ml 0,01 molowego roztwowru NaCl i napełnij nim

lewą komorę (L) układu pomiarowego. Komorę prawą (P) napełnij 85 ml 0,001 molowym roztwo-
rem NaCl.

2. Umieść elektrody pomiarowe na statywie.
3. Przemyj elektrody wodą destylowaną z tryskawki i osusz ligniną.
4. Zanurz elektrody w roztworach przez otwory w komorach opuszczając uchwyt z elektrodami.

Sprawdź czy elektrody nie dotykają dna komór.

5. Połącz elektrody z gniazdami elektrometru – COM oraz V/Ω, sprawdzając uprzednio czy miernik

jest wyłączony.

6. Nastaw zakres pomiarowy miernika na 200 mV DCV.
7. Włącz miernik i odczytaj wartość różnicy potencjałów (mV).
8. Odczytuj wartości różnicy potencjałów w odstępach 0,5 min, aż do momentu ustalenia się warto-

ści odczytu. Ustaloną wartość wpisz do tabeli pomiarowej.

9. Wyłącz miernik, podnieś elektrody, opłucz je wodą destylowaną i osusz ligniną.
10. Do komory prawej (P) przy pomocy pipety (F100) dodaj 0,1 ml 1 molowego roztworu NaCl i wy-

mieszaj roztwór w tej komorze. Nie zmieniaj stężenia roztworu w komorze lewej (L).

11. Wykonaj pomiar różnicy potencjałów powtarzając czynności z punktów 4 – 9.
12. Powtarzaj pomiary dodając do komory prawej pięciokrotnie po 0,1 ml a następnie czterokrotnie

po 0,2 ml 1 molowego roztworu NaCl (pamiętając o wymieszaniu roztworu po każdorazowej zmia-
nie stężenia).

13. Po zakończeniu pomiarów odłącz elektrody od miernika (miernik musi być w tym momencie wyłą-

czony) i zanurz je do przechowywania w probówkach z KCl.

14. Roztwory z komór należy wylać a komory najpierw kilkakrotnie przepłukać a potem napełnić wodą

destylowaną.

15. Kolejne wartości stężeń roztworu soli w prawej komorze wylicza się ze wzoru:

d

d

d

x

V

V

V

c

V

c

c

+

+

=

0

0

0

gdzie c

0

– stężenie wyjściowe roztworu w komorze prawej, c

d

– stężenie roztworu dodawanego, V

0

–

objętość początkowa roztworu w komorze prawej, V

d

– suma objętości do tej pory dodanych do ko-

mory prawej (czyli cała objętość dodanego roztworu).
1. Wykreśl na papierze milimetrowym zależność różnicy potencjałów w funkcji logarytmu ze stosun-

ku stężeń ΔV = f(log c

1

/c

2

).

Wymagane wiadomości teoretyczne:
1. Transport bierny przez błonę – elektrodyfuzja.
2. Równowaga Nernsta, potencjał równowagowy.
3. Potencjały membranowe w żywej komórce.
4. Wzór Goldmana.

PROPONOWANA LITERATURA:
1. S. Miękisz, A. Hendrich; Wybrane zagadnienia z biofizyki (Volumed) 1998
2. S. Miękisz, A. Hendrich; Wybrane zagadnienia z biofizyki, skrypt cz. I.
3. A. Pilawski; Podstawy biofizyki.
4. R. Glaser; Wstęp do biofizyki.
5. B. Kędzia; Materiały do ćwiczeń z biofizyki i fizyki.

[3]

Akademia Medyczna we Wrocławiu

Katedra Biofizyki

Ćwiczenie 13

Pomiar membranowej różnicy

potencjałów

..................................................................

..................................................................

Imiona i nazwiska studentów

Podpis prowadzącego ćwiczenia

Wydział:

Data:

Grupa studencka:
Numer zespołu:

Ocena:

1. Wykonać pomiary i wypełnić tabelę:

Lp.

Stężenie roztworu

c

2

[mol/dm

3

]

Stosunek stężeń

c

1

/c

2

Log (c

1

/c

2

)

Zmierzona różnica

potencjałów ΔV

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

2. Sporządzić na papierze milimetrowym wykres zależności ΔV = f(log c

1

/c

2

).