Градиент концентрации
Градиент концентрации или градиент концентрации (неточно называемый также градиент вещества ) между двумя точками х 1 и х 2 существует тогда , когда соответствующие концентрации вещества там - гр 1 и С 2 - отличаются друг от друга.
Только слово « градиент концентрации» может также использоваться в более узком смысле для пространственного уменьшения концентрации, как антагонист слова « увеличение концентрации» .
Диффузии веществ происходит за счет градиента концентрации. Электрохимический градиент является градиентом концентрации растворенных ионов , что имеет огромное значение для биологических систем, в частности клеточного метаболизма энергии и нервной проводимости .
В более узком смысле градиент концентрации означает непрерывное локальное изменение концентрации. Градиент концентрации является то мерой разности и , следовательно, градиент в концентрации в химических веществах . Это частное (точнее: дифференциальное частное ) от разницы концентраций и расстояния между двумя точками в этом пространстве. В одномерном случае это можно записать как
где разница - концентрация вещества и расстояние.
С помощью оператора Набла градиент концентрации можно представить в трех измерениях:
Вот концентрация; компоненты вектора положения .
Примеры
Градиенты материала управляют направленным распространением молекул за счет диффузии .
Внешние силы, такие как гравитация, магнитные поля и электрические поля, могут создавать градиенты концентрации в изначально однородных растворах и смесях.
Кристаллизация из перенасыщенного раствора, агломерация ферромагнитных частиц в магнитном поле и миграция в направлении более высокой напряженности магнитного поля, миграция ионов в электрическом поле, температурные градиенты, различия в экспозиции могут вызывать градиенты концентрации - иногда в двухфазных системах.
В газовой фазе, в газовых смесях, градиенты концентрации обычно описываются градиентами парциального давления .
Процессы смешения, такие как перемешивание, конвекция и ветер в тропосфере, а также турбулентность в процессах потока, уменьшают градиенты концентрации.
Одним из применений биохимического разделения является градиентный электрофорез . В гелевой смеси заранее создается градиент материала. Это может быть градиент плотности геля (переменный размер пор) или градиент pH (обычно с амфолитами ). При последующем электрофоретическом разделении вещества концентрируются в соответствующем секторе.
Другое применение - разделение смесей веществ в градиентах плотности (например, от сахарозы или хлорида цезия ) центрифугированием в градиенте плотности .
В хроматографии часто используются подвижные фазы с изменяющимся во времени составом для повышения селективности во время элюирования различных адсорбированных веществ.
В биологии материальные градиенты являются предпосылкой для:
- пассивный и вторично активный мембранный транспорт
- в хемотаксисе
- в энергетическом обмене в клетках
- в морфогенезе и во время эмбрионального развития ( эмбриогенез )
- Органы выделения ( нефридии ), такие как почки.
- Органы дыхания, такие как кожа , жабры и легкие.
Градиенты веществ также важны в геохимии и экологии , например градиенты концентрации кислорода или сероводорода в воде.
литература
- Пол Рейнхарт Шиммель, Чарльз Р. Кантор: Биофизическая химия: Часть II: Методы изучения биологической структуры и функции . ХК Фриман Ко., Сан-Франциско, 1980, стр. 619-642. ISBN 0-7167-1190-7 .
- Альфред Pingoud , Клаус Urbanke: Рабочие методы биохимии . De Gruyter, Berlin 1997, ISBN 3-11-016513-9 ( как книга Google ).
- Ричард Джозия Хинтон, Милослав Доброта: Центрифугирование в градиенте плотности , Том 6 лабораторных методов в биохимии и молекулярной биологии , Elsevier, 1978. ISBN 9780080858753 .