[科普中國(guó)]-吉布斯-唐南效應(yīng)

吉布斯-唐南效應(yīng)（Gibbs-Donnan effect)是指帶電粒子接近半透水薄膜時(shí)影晌薄膜，有時(shí)甚至影響薄膜兩邊性能的效應(yīng)。這是由于帶電粒子不通過(guò)薄膜，在帶電粒子的薄膜這邊產(chǎn)生不均勻電荷和電場(chǎng)的緣故。

簡(jiǎn)介吉布斯-唐南效應(yīng)（英語(yǔ)：Gibbs–Donnan effect），又稱膜平衡、唐南平衡、唐南效應(yīng)，唐南平衡，是指因部分帶電粒子不通過(guò)半透膜而產(chǎn)生的不均勻電荷，使膜兩側(cè)粒子濃度不同的現(xiàn)象，以美國(guó)物理學(xué)家約西亞·威拉德·吉布斯和英國(guó)化學(xué)家弗雷德里克·喬治·東納恩命名。1凝膠、膠體、電解質(zhì)溶液均能產(chǎn)生唐南效應(yīng)，因此凝膠或凝膠和電解質(zhì)溶液之間的相界面也可以用作半透膜。兩種溶液間的電位稱為唐南電位。

是指植物細(xì)胞原生質(zhì)內(nèi)許多可離解的大分子被細(xì)胞與介質(zhì)間的半透性質(zhì)膜分隔，不能向膜內(nèi)擴(kuò)散，而外界溶液中的離子可向細(xì)胞內(nèi)積累，造成膜內(nèi)外離子濃度不等，但陰陽(yáng)離子濃度乘積相等的平衡現(xiàn)象。

實(shí)質(zhì)唐南平衡是指植物細(xì)胞原生質(zhì)內(nèi)許多可離解的大分子被細(xì)胞與介質(zhì)間的半透性質(zhì)膜分隔，不能向膜內(nèi)擴(kuò)散，而外界溶液中的離子可向細(xì)胞內(nèi)積累，造成膜內(nèi)外離子濃度不等，但陰陽(yáng)離子濃度乘積相等的平衡現(xiàn)象。

大分子和小分子同時(shí)存在時(shí)，大分子不能通過(guò)半透膜，小分子可自由通過(guò)，但受到不能透過(guò)半透膜的大分子存在的影響而在膜內(nèi)外兩邊分布不均勻。因此唐南平衡反映了大分子存在時(shí)，小分子受其制約而表現(xiàn)的分布規(guī)律。

概念圖1.唐南平衡產(chǎn)生靜息膜電位，同樣膠體懸浮如果有個(gè)濃度梯度，宏觀電場(chǎng)將在頂部和底部產(chǎn)生電荷不平衡。

唐南勢(shì)能斯特關(guān)系給出了可滲透離子處于平衡態(tài)時(shí)的跨膜勢(shì)，即維持平衡濃度差所需要的電壓。而唐南平衡產(chǎn)生靜息膜電位，這個(gè)電壓將造成離子濃度差。活細(xì)胞往往有多種滲透離子，為簡(jiǎn)化我們只考慮Na+、K+、Cl－三種離子。 在細(xì)胞內(nèi)存在蛋白質(zhì)、核酸和呈負(fù)電性的大分子，這些大分子是不滲透的，由此產(chǎn)生膜電位，而此時(shí)的離子濃度不再由初始濃度和電中性條件決定。輸入Na+的同時(shí)可以排出K+或拉入Cl－，平衡時(shí)各種滲透離子分別以相同的ΔV 值達(dá)到能斯特平衡。

以鈉離子為例，有ΔV=－(kBT/q) ln[(c1,Na+)/(c2,Na+)]，鉀和氯類似。即有：

(c1,Na+)/(c2,Na+)= (c1,K+)/(c2,K+)=(c2,Cl－)/( c1,Cl－)吉布斯-唐納關(guān)系，ΔV 為系統(tǒng)的唐南勢(shì)。

維持唐南勢(shì)并不需要消耗能量，這是平衡態(tài)，是自由能最小態(tài)的特征。

滲透壓與唐南平衡由于大分子數(shù)量并不多，它對(duì)滲透壓的貢獻(xiàn)我們暫時(shí)忽略，而小離子數(shù)目遠(yuǎn)超過(guò)大分子其形成的滲透壓就會(huì)大得多，即使不帶電的分子（如糖）產(chǎn)生的滲透壓能夠抵消一部分，但最終的滲透壓仍足夠使細(xì)胞破裂。唐南平衡給出了滿足電滲平衡、電中性的唯一解，但此解并不一定滿足最小滲透壓的要求。事實(shí)上植物、海藻、真菌的細(xì)胞都有一層細(xì)胞壁他們能偶阻擋很高的滲透壓，植物也正是利用了源自滲透壓的剛性作為結(jié)構(gòu)支持。

活細(xì)胞不處于唐南平衡動(dòng)物細(xì)胞沒(méi)有細(xì)胞壁，但為什么沒(méi)有被滲透壓擠破呢？按照唐南平衡，細(xì)胞內(nèi)陰性高分子離子的存在將導(dǎo)致(c1,Na+)