ПОЛЯРИЗАЦИЯ

ПОЛЯРИЗАЦИЯ — собирательное понятие, объединяющее ряд различных по своей природе явлений.

В электрофизиологии этим термином пользуются для характеристики разности потенциалов по обе стороны мембраны, разделяющей внешнюю среду и содержимое клетки, и их изменение под действием различных раздражителей, а также в ходе генерации биоэлектрических потенциалов (см. Электропроводность биологических систем). Ниже рассматриваются два вида П.— поляризация диэлектриков и электрохимическая поляризация, важные для понимания механизма П. биол, систем.

Поляризация диэлектриков — появление на поверхности вещества (диэлектрика) связанных зарядов и соответствующего им обратного поля, ослабляющего внешнее электрическое поле; складывается из суммы так наз. дипольных моментов молекул, находящихся в единице объема вещества. Диэлектриками называют вещества, неспособные проводить электрический ток в обычных условиях. Согласно классическим представлениям это связано с ограничением подвижности зарядов, лишь смещающихся относительно исходных положений внутри атома или молекулы вещества под действием электрического поля. Согласно квантовым представлениям современной зонной теории строения твердого тела это связано с необходимостью больших энергетических затрат на то, чтобы создать запас свободных электронов (носителей тока) в так наз. энергетической зоне проводимости. Диэлектриками являются такие структурные компоненты биол, тканей и клеток, как белки, липиды и другие макромолекулы. Различают так наз. упругую П. диэлектриков, заключающуюся в смещении упруго связанных зарядов, образующих молекулу (атом или ион) диэлектрика, и релаксационную, или ориентационную, П. диэлектрика, заключающуюся в появлении упорядоченности в хаотическом тепловом движении слабо связанных дипольных молекул (ионов) под действием электрического поля.

В зависимости от того, какие частицы участвуют в упругой П., различают электронную (смещение электронов относительно ядер в атомах или ионах), атомную (смещение образующих молекулу различных атомов друг относительно друга и несимметричное перераспределение валентных электронов), ионную (смещение противоположно заряженных ионов в молекуле, ионном кристалле от их положения равновесия). Упругая П. диэлектриков устанавливается практически мгновенно (10^-15—10^-12 сек.).

Для понимания механизмов ряда явлений, протекающих в биол, системах, важна релаксационная П. Существенный вклад в разработку теории П. этого типа внес Дебай (P. Debye). Релаксационная П. возникает в полярных диэлектриках вследствие преимущественной ориентации слабо связанных дипольных молекул в электрическом поле. Время установления такой П. (время релаксации) для большинства диэлектриков лежит в пределах 10^-10— 10^-2 сек. и зависит от температуры и силы взаимодействия между молекулами (см. Дисперсия).

У нек-рых веществ в обычных условиях имеются области с определенной ориентацией полярных молекул, называемые доменами. Совокупность доменов, ориентированных в различных направлениях, образует структуру диэлектриков, носящих название сегнетоэлектрики (сегнетовая соль, титанат бария и др.). В электрическом поле домены сегнетоэлектриков ориентируются в направлении поля, обеспечивая максимально возможную П. Поляризация молекул или образуемых ими структурных группировок в нек-рых кристаллах (кварц, сегнетоэлектрики) может происходить в результате механической деформации под действием внешних сил. При этом на поверхностях, ограничивающих данное тело, появляются электрические заряды и возникает разность потенциалов (см. Пьезоэлектрические явления).

Поляризация электрохимическая — изменение потенциала на границе фаз, связанное с изменением структуры межфазно-го слоя, или изменение потенциала электрода от его равновесного состояния при протекании на нем электрохим. реакции.

На границе раздела фаз, каждая из к-рых содержит заряженные частицы или дипольные молекулы вследствие протекания различных физико-хим. процессов, происходит образование своеобразного конденсатора — двойного электрического слоя, создающего на границе фаз разность потенциалов (см. Электрокинетические явления).

Возникновение скачка потенциалов может происходить вследствие переноса заряда через границу фаз, неэквивалентной адсорбции анионов и катионов, адсорбции и ориентации дипольных молекул, деформации и поляризации атомов и молекул в неоднородном силовом поле межфаз-ного слоя, подвода зарядов от внешнего источника тока и т. д. Разность потенциалов может возникнуть и вследствие различий в проницаемости ионов через мембраны разной природы, разделяющих р-ры (см. Мембранное равновесие). Различные процессы, протекающие в живых организмах на любых уровнях структурной организации (молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом и органном), также сопровождаются возникновением разности потенциалов в этих системах, что является одной из наиболее характерных черт всего живого.

Частным, наиболее простым примером образования разности потенциалов на границе двух фаз может служить система, состоящая из металла, погруженного в р-р его соли. При соприкосновении фаз протекают реакции восстановления ионов металла и ионизация металла. При равновесии, когда скорости обоих процессов равны, на границе металл — раствор устанавливается разность потенциалов, называемая равновесным потенциалом. В ходе установления равновесного потенциала и при его достижении происходит обмен ионами между металлом и р-ром. Поскольку в обмене участвуют заряженные частицы, то его интенсивность выражают в токовых единицах и характеризуют током обмена. Токи обмена относят к 1 см² поверхности раздела электрод-раствор. Интенсивность обмена зависит от природы электрода и изменяется в широких пределах: от 10^-15 до 1 а/см². Электроды по величине тока обмена можно разделить на обратимые, или идеально неполяризуемые, и на необратимые, или идеально поляризуемые. Для обратимых электродов характерна большая величина тока обмена, что обеспечивает постоянство потенциала электрода при пропускании тока от внешнего источника. Для необратимых электродов характерна малая величина тока обмена, вследствие чего весь ток от внешнего источника идет на изменение строения двойного электрического слоя и изменение потенциала межфазной границы.

Электроды находят широкое применение в биологической и медицинской лаб. практике. Обратимые электроды используют в качестве электродов сравнения источников электрической энергии, а необратимые — для исследования границы фаз и других электрохим. реакций (напр., получение кислорода, водорода, хлора и т. д.).

Протекание на электродах электрохим. реакций сопровождается изменением потенциала электрода от его равновесного значения. Скорость реакции определяется плотностью тока, или отношением общего тока, текущего на электрод, к площади электрода. Зависимость величины потенциала от плотности тока называется поляризационной кривой. Она характерна для данной электродной реакции.

Электрохим. реакции наиболее полно исследованы для системы металл — электролит. Основные стадии реакции: подвод реагирующих частиц к электроду, стадия переноса электронов или ионов через границу раздела фаз, отвод продуктов реакции от поверхности электрода. Первая и третья стадии имеют одинаковые закономерности и называются стадиями массопереноса. Скорость процесса, состоящего из ряда последовательных стадий, определяется скоростью самой медленной стадии, а П. является следствием замедленности одной или нескольких стадий электрохим. реакции. В зависимости от природы этих стадий различают концентрационную, электрохимическую, химическую П. и др.

Концентрационная П. связана с изменением концентрации потенциалообразующих веществ в при-электродном слое, что связано с медленностью подачи к электроду или отвода от него веществ, участвующих в реакции.

Электрохимическая П. обусловлена замедленностью переноса электрона, причем эта замедленность связана с тем, что электрохим. реакция требует определенной энергии активации, к-рая зависит от потенциала электрода. Анализ поляризационных явлений в живых системах затруднен в силу их сложной организации. Получены данные для нек-рых модельных систем: границы двух не-смешивающихся жидкостей, границы бислойной липидной мембраны и водного р-ра электролита.

Явление П. в биол, системах обнаруживается при прохождении через них постоянного или переменного электрического тока. При этом величина постоянного тока постепенно уменьшается, а при отключении внешнего источника тока регистрируется электродвижущая сила, направленная противоположно электродвижущей силе внешнего источника. Подобные явления практически исчезают при отмирании ткани, что объясняют изменением П. клеточных структур. Это используется для анализа сохранности структур клетки при разработке методов консервации, условий хранения тканей и т. д. При проведении различных медико-биол. исследований, в лабораторной и физиотерапевтической практике необходимо учитывать наличие поляризационных эффектов, в частности П. электродов, с помощью к-рых электрический ток подводится к биол, ткани. Явление П. учитывают при подборе соответствующих электродов и условий проведения измерений (см. Ультразвук).

Библиография: Андреев В. С. Кондуктометрические методы и приборы в биологии и медицине, М., 1973; Богуславский Л. И. Биоэлектрохимические явления и граница раздела фаз, М., 1978; Дамаскин Б. Б. и Петрий О. А. Введение в электрохимическую кинетику, М., 1975; Корыта И., Дворжак И. и Богачкова В. Электрохимия, пер. с чешек., М., 1977; Шван Г. П. Спектроскопия биологических веществ в поле переменного тока, в кн.: Электроника и кибернетика в биол, и мед., пер. с англ., под ред. П. К. Анохина, с. 71, М., 1963.