[科普中國(guó)]-平衡電位

平衡電位（equilibrium potential）指靜息條件下細(xì)胞膜內(nèi)外的電位差。細(xì)胞膜內(nèi)外的鉀離子濃度內(nèi)高外低，存在濃度梯度，而細(xì)胞膜可允許鉀離子透出膜外。當(dāng)鉀離子外移開(kāi)始時(shí)，使鉀離子外移的膜兩側(cè)的濃度勢(shì)能差大于當(dāng)時(shí)阻礙鉀離子透出的電勢(shì)能差。但鉀離子移出越多，膜兩側(cè)阻止鉀離子外移的電場(chǎng)力將越大，最后膜兩側(cè)濃度勢(shì)差和電勢(shì)差方向相反而大小相等，不再有鉀離子的凈移動(dòng)，此時(shí)的電位差稱為鉀離子的平衡電位。

簡(jiǎn)介平衡電位——equilibrium potential

把細(xì)胞內(nèi)外某離子的電化學(xué)電位等于零時(shí)的膜電位，稱為該離子的平衡電位。可通過(guò)能斯特方程計(jì)算，例如鉀離子的平衡電位EK可賦予下式：如圖式中，[K+]0和[K+]1分別是鉀離子在膜外、內(nèi)的濃度（確切的說(shuō)是移動(dòng)度），F(xiàn)是法拉第常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，R是氣體常數(shù)。哺乳類動(dòng)物骨胳肌的靜息電位是-90mV，離子的平衡電位鈉是+66mV，鉀是-97mV，氯是-90mV。因?yàn)樵陟o息狀態(tài)下，細(xì)胞膜主要對(duì)K+、Cl-通透，所以這時(shí)的平衡電位近于這些離子的平衡電位；同樣，因?yàn)樵谂d奮時(shí)細(xì)胞膜對(duì)Na+容易通透，所以這時(shí)的動(dòng)作電位近于鈉離子的平衡電位。

當(dāng)某離子在濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生跨膜擴(kuò)散而引起的擴(kuò)散電位恰能平衡或?qū)蛊潆娢徊铗?qū)使擴(kuò)散時(shí)，即到達(dá)電化學(xué)平衡時(shí)，此擴(kuò)散電位稱為該離子的平衡電位。1

平衡電位的推導(dǎo)如下Fick定律描述了不帶電微粒的簡(jiǎn)單一維擴(kuò)散：

式中J——流量；

C——濃度；

x——距離；

D——擴(kuò)散常數(shù)。

如果要描述離子等帶電微粒在電壓梯度作用下的電擴(kuò)散，則需要外加一個(gè)與電壓相關(guān)的項(xiàng)。設(shè)U為電位，u為微粒的遷移率，z為微粒所帶電荷，則整個(gè)擴(kuò)散方程變?yōu)?/p>

根據(jù)斯托克-愛(ài)因斯坦方程（Stroke-Einstein equation），D與u之間存在如下關(guān)系：

D =uRT/F

R、T和F分別為是氣體常數(shù)，絕對(duì)溫度以及法拉第常數(shù)。將此式代入式電擴(kuò)散的能斯特-普朗克方程（Nernst-Planck equation）：

平衡狀態(tài)時(shí)，凈流量J等于0，于是有：

此式求積分，可得如下能斯特平衡方程：

U1-U2 =RT/zFln(C1/C2)

分別給定細(xì)胞內(nèi)外某種離子的濃度C1和C2后，就可以用此方程計(jì)算跨膜平衡電位（U1-U2）。2

突觸后電位的平衡突觸雖然活動(dòng)，但不產(chǎn)生突觸后電位，即不形成離子移動(dòng)的膜電位水平，稱此為突觸后電位的平衡電位。突觸后電位的大小依賴于靜息電位與這種平衡電位之差的大小，如果靜息電位遠(yuǎn)離平衡電位，則突觸后電位就大，如果平衡電位是零，靜息電位置于平衡電位之上時(shí)，則突觸后電位的極性發(fā)生倒轉(zhuǎn)。平衡電位的存在是化學(xué)傳遞的特征，而化學(xué)物質(zhì)的作用往往是讓突觸后膜對(duì)某種離子的通透性增高；離子的移動(dòng)，總是力圖使膜電位向該離子的平衡電位或由它們的整合作用決定的值，即向突觸后電位的平衡電位靠近。就興奮突觸來(lái)說(shuō)，當(dāng)它傳導(dǎo)興奮時(shí)，對(duì)Na或Na和K有良好的通透性，平衡電位大都在+20～-20mV之間；就突觸后抑制來(lái)說(shuō)，大都對(duì)Cl或K或?qū)l-和K+具有良好的通透性，平衡電位處于離靜息電位數(shù)mV、離去極化約20mV的超極化側(cè)之間。1

電化學(xué)平衡金屬與電解質(zhì)溶液構(gòu)成的體系中，在金屬-溶液兩相間，當(dāng)金屬離子在兩相中的電化學(xué)位相等時(shí)，就建立起電化學(xué)平衡（MMn++ne）。這種單一電極反應(yīng)的電荷和物質(zhì)交換均達(dá)到了平衡電極電位（φe·M）。它與其溶液中金屬本身的離子活度（αMn+）之間的關(guān)系符合能斯特公式（Nernst）。

實(shí)際應(yīng)用1、由平衡電位確定絡(luò)離子的配位數(shù)

2、由平衡電位判別絡(luò)離子的反應(yīng)順序

如前所述，一個(gè)氧化-還原反應(yīng)可以分兩個(gè)電極反應(yīng)表示，將兩個(gè)電極反應(yīng)組成原電池，計(jì)算原電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)E0。

若E0>0，電極反應(yīng)可以按指定方向自發(fā)地進(jìn)行；

若E0o，故E0L比E0值更負(fù)。

金屬離子要定量地完全被電沉積出來(lái)，其濃度至少要下降三個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，一般要定量地分離兩種金屬離子，其沉積電位差至少要達(dá)0.2V。若兩種金屬離子的沉積電位接近，適當(dāng)?shù)丶尤牒线m的絡(luò)合劑可以增大其電位差。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王寧 - 副教授 - 西南大學(xué)