[科普中國]-吉布斯-唐南效應

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

簡介吉布斯-唐南效應（英語：Gibbs–Donnan effect），又稱膜平衡、唐南平衡、唐南效應，唐南平衡，是指因部分帶電粒子不通過半透膜而產(chǎn)生的不均勻電荷，使膜兩側(cè)粒子濃度不同的現(xiàn)象，以美國物理學家約西亞·威拉德·吉布斯和英國化學家弗雷德里克·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，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。

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

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

大分子和小分子同時存在時，大分子不能通過半透膜，小分子可自由通過，但受到不能透過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，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濃度梯度，宏觀電場將在頂部和底部產(chǎn)生電荷不平衡。

唐南勢能斯特關系給出了可滲透離子處于平衡態(tài)時的跨膜勢，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，這個電壓將造成離子濃度差?；罴毎卸喾N滲透離子，為簡化我們只考慮Na+、K+、Cl－三種離子。 在細胞內(nèi)存在蛋白質(zhì)、核酸和呈負電性的大分子，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+的同時可以排出K+或拉入Cl－，平衡時各種滲透離子分別以相同的ΔV 值達到能斯特平衡。

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-唐納關系，ΔV 為系統(tǒng)的唐南勢。

維持唐南勢并不需要消耗能量，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，它對滲透壓的貢獻我們暫時忽略，而小離子數(shù)目遠超過大分子其形成的滲透壓就會大得多，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。事實上植物、海藻、真菌的細胞都有一層細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)構支持。

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