Modellversuch: Entwicklung eines Membranpotentials

Wissenschaft Chemie
#1

Hallo liebe Expertinnen und Experten,

Ich bin mir nicht ganz sicher, ob ich im richtigen Unterforum bin, es könnnte genau so gut zur Biologie passen, aber ich glaub, die Frage die ich habe passt eher hierher…

Zum Experiment selbst:
In der Schule haben wir gelernt, wie das Ruhepotential von Neuronen zu Stande kommt. Dazu haben wir zu erste einen Modellversuch benutzt.
Dabei hatten wir ein Gefäß, das mit dest. Wasser gefüllt war und das durch eine selektivpermeable Membran getrennt war, die nur für Kationen durchlässig war.
Dann war in jeder der beiden Kammern jeweils eine Messelektrode mit einem Spannungsmesser.

Danach wurde in eine der Kammern Kaliumchlorid (KCl) gefüllt.
Den Versuch hab ich dann noch verstanden.
Das Kalium kann durch die Membran diffundieren, so kommt dann eine Ladungstrennung zu Stande und man kann eine Spannung messen.
Durch das elektrische Feld wird das Kalium zwar immer wieder „zurückgezogen“, aber es gibt dann eben so ein Gleichgewicht, so dass eben diese Spannung messbar ist.

Dann gab es jetzt noch einen 2. Versuch:
In diesem wurde auf der anderen Seite noch Natriumsulfat hinzugegeben (Na2SO4).
c(KCL) = c(Na2SO4).
Das heißt ja erstmal, dass ich doppelt so viele Na-Ionen, wie K-Ionen hab.
Dann war mein Gedankengang, es können zwar alle Kationen die Membran passieren, aber da ich mehr Na-Ionen hab, werden davon eben mehr die Membran passieren, dass ich so wieder eine Ladungstrennung und eine Spannung bekomme.

Mein Bio-Lehrer meinte, es wäre keine Spannung mehr zu messen und hat auch versucht es zu erklären, aber ich habe ihn leider überhaupt nicht verstanden.

Könntet ihr mir dabei vielleicht behilflich sein?
Vielen Dank schonmal im Voraus.

lg
Merlin

#2

Um genau zu sein: Die Membran ist für kleine Teilchen durchlässig, also können die kleinen Kationen durch und die voluminösen Anionen nicht. Biologische Membranen sind da ‚intelligenter‘.

Hast Du zwei unterschiedlich verdünnte Lösungen, haben sie auch unterschiedliche chemische Potentiale. Unterschiedliche Energien streben danach, sich auszugleichen, folglich besteht zwischen den beiden Lösungen eine ‚Spannung‘ (im Sinne eines gehaltenen Zustandes, der sich entladen kann, um Energie abzugeben).
Mit der Energie eines gespannten Gummibandes kannst Du eine Murmel auf eine erhöhte Plattform katapultieren und damit die (Gummi-)Spannung in eine andere Form von Spannung umwandeln - dann kannst Du die Murmel wieder auf das Gummiband fallen lassen, wodurch es sich wieder spannt. Ebenso kann auch die Energie unseres gespannten Zustandes umgewandelt werden. Mit Hilfe der semipermeablen Membran z.B. zwischen elektrochemischem Potential und elektrischer Spannung.

Was Dein Lehrer sagen und zeigen wollte:
Spannungsmessung: Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen haben ein Energiegefälle (=Spannung), die sich mit einer semipermeablem Membran in eine elektrische Spannung umwandeln lässt (z.B. beim Zellpotential).
Gleichgewicht: Deine Beobachtungen zeigen, dass sich ein fixierter Zustand einstellt. Er erklärt, dass das aber nur ‚im Durchschnitt‘ so ist, auf molekularer Ebene ist der Zustand dynamisch, die einzelnen Ionen gehen hin und her. Das kannst Du aber eben nicht (so einfach) beobachten sondern nur wissen.
Na2SO4: Es ist egal, welcher Art die Elektrolyte sind! Ob Na^+, K^+, Cl^- oder SO4^2- ist völlig egal es kommt nur auf die Anzahl an. Hätte er wirklich gleich viel Na2SO4 wie KCl rein getan, wäre also doch eine Spannung entstanden, er hat also tatsächlich etwas weniger Na2SO4 genommen.

Nochmal, es geht nicht um die Art der Ionen, sondern einzig und allein darum, dass Zeugs gelöst ist und Wasser mit Zeugs drin eine andere Energie hat als Wasser ohne Zeugs drin. Wasser mit 5 Zeugs hat eine andere Energie als Wasser mit 3 Zeugs. Beide Wasser streben dazu, die Energie auszugleichen, also geht 1 Zeugs rüber, denn Wasser mit 4 Zeugs hat die gleiche Energie wie Wasser mit 4 Zeugs. Was die Zeugs genau sind ist egal (das stimmt eigentlich auch nur ungefähr, aber auch die genausten hochwissenschaftlichen Anpassungen nehmen diese Idee als Ausgangspunkt). Wenn das eine Zeugs, das gewandert ist, ein Ion war, ist dabei eine elektrische Spannung entstanden.