Лабораторная работа 6. Определение подвижности ионов методом электрофореза на бумаге.

Цель работы: 1. Изучить теоретические основы электрофореза.

2. Овладеть методом электрофореза на бумаге для определения подвижности ионов.

1. Осознать возможности применения электрофореза в биологии и медицине.

Оборудование: 1. Установка для определения подвижности ионов.

2. Растворы электролитов .

1. Стеклянная подложка.

2. Фильтровальная бумага.

3. Индикаторная бумага.

4. Нить.

5. Секундомер.

6. Источник постоянного напряжения (электрощит).

Контрольные вопросы

1. Электрофорез, электрофорез лекарственных веществ, применение в биологии и медицине.

2. Электролиты. Электролитическая диссоциация. Механизм электоролитической диссоциации.

3. Природа тока в электролитах. Электролиз. Первичные и вторичные реакции на электродах.

4. Электрохимическая поляризация. ЭДС поляризации.

5. Неполяризующиеся электроды.

6. Подвижность ионов, физический смысл, единицы измерения.

7. Рабочая формула для определения подвижности ионов (вывод).

8. Методика определения подвижности ионов методом электрофореза на бумаге.

9. Расчет погрешностей измерений (применение производной и дифференциала функции)

Теоретические сведения

Электрофорезом называется явление движения в жидкой среде заряженных взвешенных частиц под действием внешнего электрического поля. Явление электрофореза используют в биологии и медицине для разделения веществ, изучения подвижности клеток и субклеточных структур в постоянном электрическом поле, для исследования электрохимических свойств биологических тканей и их поверхностей. Электрофорез применяется при анализе смесей коллоидов, например, полисахаридов, нуклеиновых кислот, определении белкового состава сыворотки крови (качественный анализ альбуминов, и глобулинов) /2/, анализа белкового состава желудочного сока и других биологических структур. Наибольшее практическое значение для медицины имеет электрофорез лекарственных веществ – это электрофармакологический метод, в основе которого лежит комплексное действие на организм постоянного тока (до 50 мА) и вводимых с его помощью ионов лекарственных веществ через кожу или слизистые оболочки. Метод электрофореза позволяет ввести ионы лекарственного вещества не­посредственно в очаг поражения без повреждения кожных покровов и слизистых оболочек; не вызывает болезненных ощущений и не требует стерилизации. При лекарственном электрофорезе ионы лекарственного вещества проникают в глубокие слои подкожной клетчатки, медленно поступают в кровь и разносятся по всему организму, оказывая лечебное действие на ткани и клетки, наиболее чувствительные к вводимому препарату.

Для лекарственного электрофореза применяют только те препараты, которые представляют собой растворы электролитов. Электролиты – это вещества, распадающиеся на ионы в растворах или расплавах и потому проводящие электрический ток. К электролитам относятся соединения с ионной или полярной ковалентной связью – соли, кислоты и основания. Распад электролитов на ионы при растворении их в воде называ­ется электролитической диссоциацией. Рассмотрим механизм электролитической диссоциации на примере молекулы с полярной ковалентной связью – хлорида натрия (рис.1). Вокруг каждой полярной молекулы  ориентируются диполи воды, которые своими отрицательными полюсами притягиваются к положительному полюсу молекулы  (вследствие кулоновского притяжения), а положительными полюсами – к отрицательному полюсу молекулы (рис. 18 а).

 

а	б	в                         г
Рисунок 18

 

В результате этого взаимодействия электронное облако смещается к атому с большей электроотрицательностью и полярная молекула превращается в ионную (рис. 18 б), связь между ионами  и ослабевает. При столкновении молекулы электролита с быстро движущейся молекулой воды происходит разрыв связи между этими ионами  и . В результате образуется гидратированный катион (pиc. 18 в) и гидратированный анион  (рис.18 г). Ионы, присутствующие в растворе электролита, в результате теплового движения совершают постоянные перемещения. Эти перемещения в отсутствии внешнего электрического поля имеют хаотический характер. Если в раствор электролита поместить металлические или угольные электроды и приложить к ним постоянное напряжение, то, под действием сил электрического поля, скорости теплового движения ионов получают составляющие в направлении поля. Ионы начинают перемещаться между электродами вдоль линии напряженности поля двумя встречными потоками. Это движение ионов образует электрический ток в растворах электролитов.

Жидкие среды организмов содержат слабые растворы различных электролитов, общая концентрация которых примерно эквивалентна 0.9% раствору хлорида натрия. Поэтому подобный раствор может служить моделью при изучении условий образования тока в тканях организма.

Рассмотрим электролиз слабоконцентрированного водного раствора хлорида натрия (электроды угольные). При растворении в воде хлорид натрия диссоциирует на ионы натрия и хлора: . В растворе имеется также некоторое количество диссоциированных молекул воды: . Под действием приложенного напряжения ионы натрия и водорода

	движутся к катоду (рис.19). На катоде ионы водорода присоединяют электрон и превращаются в атомы водорода: .
Рисунок 19

Атомы соединяются в молекулы  и выделяются в виде пузырьков газа. Ионы натрия вместе с остающимися в растворе ионами гидроксила образуют едкую щелочь: . Убыль из раствора ионов водорода восполняется путем диссоциации новых молекул воды.

Ионы хлора и гидроксила  движутся к аноду. Ионы хлора отдают электрон во внешнюю цепь и превращаются в атомы хлора: . Часть атомов хлора соединяется в молекулы  и выделяются в виде пузырьков газа на электроде. Другая часть атомов хлора реагирует с водой, образуя соляную кислоту : . Ионы гидроксила также отдают электроны во внешнюю цепь и образуют молекулы кислорода и воды: .

Таким образом, в рассмотренном случае первоначально на электродах в результате приема или отдачи электронов образуются атомы хлора и водорода, которые затем соединяются в молекулы (  и ) или вступают в химическое взаимодействие с растворителем. В результате этого взаимодействия образуются новые химические соединения, которых ранее не было в растворе.

Реакции на электродах, при которых ионы отдают или принимают электроны, превращаясь в атомы, называются первичными.

Реакции, при которых атомы вступают в химическое взаимодействие с веществом электродов или растворителем, называются вторичными.

Газы, выделившиеся на электродах, не проводят электричества. Поэтому появление на электродах пузырьков газа уменьшает поверхность соприкосновения электрода и электролита и, следовательно, увеличивает сопротивление раствора и этим способствует ослаблению тока, протекающего через электролит. Кроме этого, в цепи между электродами образуется концентрационная разность потенциалов (рис.20), возникающая вследствие различия скоростей движения ионов противоположного знака и изменения их концентрации около электродов. Образовавшаяся разность потенциалов у электродов называется ЭДС поляризации (). Величина ЭДС поляризации зависит от материала электродов, природы электролита и выделяющихся веществ на электродах.

	Образование в цепи с раствором электролита обратной электродвижущей силы поляризации можно показать на следующем опыте. Пропустим постоянный ток через два угольных электрода, опущенных в сосуд со слабым раствором хлорида натрия (рис.21 а). Через некоторое время можно заметить, что электроды (отрицательный в большей степени) покроют-
Рисунок 20

ся мелкими пузырьками газа. Если теперь электроды отключить от источника тока и присоединить непосредственно к гальванометру, то стрелка последнего отклонится, показывая наличие в цепи тока в направлении, обратном тому, в котором ток проходил под действии

		ем приложенного напряжения (рис. 21 б). Ток быстро уменьшается, одновременно исчезают пузырьки газа, покрывав- шие электроды (атомы газа переходят обратно в раствор в форме ионов), и вскоре ток прекращается. Этот ток обусловлен действием обратной электродвижущей силы поляризации, возникшей на электродах.
Рис. 21 а
	В связи с накоплением продуктов поляризации ток в цепи с раствором электролита (при неизменном приложенном напряжении) с течением времени постепенно уменьшается, и закон Ома для тока  в рас- творе электролита имеет вид: ,        (1)
Рис. 21 б

где:  сопротивление электролита, напряжение приложенное от внешнего источника питания. Однако ток может случайно увеличиться при отрыве пузырьков газа с поверхности электрода.

	При физиологических исследованиях в результате возникновения ЭДС поляризации результаты эксперимента могут подвергаться изменениям не поддающимся контролю. Например, при раздражении нервного волокна (рис. 22), ЭДС поляризации вызывает ток в
Рисунок 22

нервном волокне противоположный возбуждающему току , снижает его и может даже прекратить возбуждение. Поляризация электродов также играет отрицательную роль при проведении работы 24. Вещество, выделяющееся на электродах в результате вторичных реакций, способствует уменьшению электрического тока между электродами, приводя к искажению результатов эксперимента.

а	б
Рисунок 23

Чаще применяют цинковый и серебряный неполяризующиеся электроды. Цинковый электрод (рис. 23 а) состоит из цинкового стержня , помещенного в стеклянную трубку , наполненную раствором сернокислого цинка. Отверстие трубки закрыто пробкой  из каолина или желатина, пропитанного физиологическим раствором, снабженной кисточкой, при помощи которой электрод соприкасается с объектом . При прохождении тока по цепи, состоящей из источника тока , неполяризующихся электродов  и объекта исследования раствора хлористого натрия (рис.23 б)

происходят следующие химические реакции. На аноде атомы цинка, отдавая электроны, превращаются в ионы: . Ионы цинка переходят в раствор и связываются ионами хлора, приходящими из объекта: . В растворе появляется примесь хлори­стого цинка. На катоде ионы цинка приобретают электроны и выделяются в виде атомов: . Оставшиеся в избытке в растворе ионы радикала серной кислоты взаимодействуют с ионами натрия, приходящими из объекта: . В растворе появляется примесь сернокислого натрия. После употребления раствор в обоих электродах заменяется.

Серебряные неполяризующиеся электроды обычно изготавливают из серебряной пластинки, покрытой электролитическим путем хлористым серебром.

В постоянном электрическом поле на ионы в растворе электролита действуют две силы: сила со стороны электрического поля

,                                                  (2)

 

(здесь заряд иона, напряженность электрического поля) и сила сопротивления между гидратированным ионом и раствором электролита

,                                            (3)

 

где радиус гидратированного иона, вязкость электролита (работа № 21). Движение иона можно рассматривать как равномерное и прямолинейное, поэтому:

.                                                 (4)

 

Подставляя в данное выражение формулы (2) и (3), получим:

 

,                                          (5)

откуда

.                                             (6)

Если обозначить , то

.                                                (7)

Коэффициент  называют подвижностью ионов. Из формулы (7) следует, что

.                                                    (8)

Подвижность ионов характеризует скорость движения ионов в растворе электролита при напряженности электрического поля 1 В/м. Подвижность ионов зависит от природы иона; температуры, вязкости и концентрации раствора электролита. Подвижность ионов является величиной специфичной, характерной для различных ионов, поэтому по подвижности ионов можно определить вид иона или, если имеется смесь ионов, разделить их в электрическом поле.

Чтобы определить подвижность ионов исследуемого электролита, необходимо знать скорость ионов и напряженность электрического поля Е, в котором они перемещаются. Скорость ионов при равномерном движении можно вычислить по формуле:

,                                                     (9)

где расстояние, на которое ион перемещается за время .

Установим зависимость между напряженностью и разностью потенциалов электрического поля. Работа , совершаемая силой  электрического поля напряженностью  по перемещению заряда  из данной точки на расстояние  вдоль линии напряженности, равна . Эта работа совершается силами поля за счет убыли потенциальной энергии заряда на величину , где соответствующее изменение потенциала. Приравниваем два последних равенства: , откуда

,                                 (10)

где напряжение, расстояние, на котором происходит падение напряжения. Подставив (9) и (10) в выражение (7), получим формулу для вычисления подвижности ионов:

.                                              (11)

Единицей измерения подвижности ионов является .

Выражение (11) является рабочей формулой для определения подвижности ионов методом электрофореза на бумаге. Преимуществом этого метода является простота, а недостатком - зависимость результата эксперимента от капиллярных свойств бумаги.

Установка для определения подвижности ионов (рис.24) представляет собой электролитические ванны (на схеме это сосуды 1 и 2), наполненные электролитом. В сосуды опущены электроды 3 и 4. На края сосудов помещают стеклянную подложку 5, на которую кладут фильтрованную бумагу 6, смоченную тем же электролитом, края которой должны быть опущены в ванны. Поверх фильтрованной бумаги кладут индикаторную бумагу 7, смоченную в растворе того же электролита. Нить смачивают в растворе электролита, содержащего ионы, подвижность которых определяют. Нить кладут поперек индикаторной бумаги. От источника постоянного напряжения 8 к электродам подводится напряжение, измеряемое вольтметром 9. Положительные и отрицательные ионы раствора при включенной установке придут в движение. С перемещением ионов движется и цветовая граница на индикаторной бума-

 

Рисунок 24

ге. Через определенное время установку отключают. И по результатам эксперимента определяют подвижность ионов.