Gleichgewichtspotential (Nernst) lernen mit den Eselsbrücken von Meditricks.de

Gleichgewichtspotential (Nernst)


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wie wir dieses Thema behandeln und wie unsere Eselsbrücken aussehen:

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Gleichgewichtspotential (Nernst)

Inhaltliche Einleitung
Geladene Teilchen (Ionen) sind inner- und außerhalb der Zelle unterschiedlich konzentriert und durch eine semipermeable Membran getrennt. Es gibt zwei Kräfte, die bestimmen, wie sich Ionen über diese Membran bewegen:
  1. Osmotisch-chemische Kraft: Ionen bewegen sich von der niedrigen zur hohen Konzentration
  2. Elektrische Kraft: Gleiche Ladungen stoßen sich ab, gegensätzliche Ladungen ziehen sich an
Mittels der Nernst-Gleichung kann man errechnen, wann diese beiden Kräfte ebenbürtig sind, sprich, sich im Gleichgewicht befinden.

Basiswissen

  • Ionenbewegung: chemische bzw. osmotische Kraft

    Chemiestunde: Ionen mit osmanischen Hüten auf der Rutsche

    Zum Verständnis des Gleichgewichtspotenzials, muss man die Kräfte verstehen, die Ionen bewegen. Intrazellulär und extrazellulär sind die Ionen ungleich verteilt. Verantwortlich dafür sind die semipermeablen Membranen und die Pumpen. Daraus resultiert ein Konzentrationsgefälle und die chemische Kraft beschreibt das Bestreben der Ionen sich entlang dieses Gefälles zu bewegen. D.h. Kalium mit hohe intrazellulärer Konzentration und niedriger extrazellulären Konzentration möchte sich von innen nach außen bewegen. Die Ionen-Schüler im Pausenhof stellen hier die Ionenbewegung dar. Die chemiegrüne Rutsche repräsentiert den Gradient und die chemische Kraft. Oben auf der Rutsche konzentrieren sich die Ionen-Schüler auf den Rutscheinstieg und zeigen die hohe Konzentration. Beim Rutschen entspannen sie sich und sind nicht mehr konzentriert. Dies zeigt die Bewegung der Ionen von hoher Konzentration zu niedriger Konzentration.

  • Ionenbewegung: elektrische Kraft (Ladungsunterschied)

    Elektro-Karussell mit zwei Lagern

    Auch die elektrische Kraft bewegt die Ionen. Der Grundgedanke hierzu: Gleiche Ladungen stoßen sich ab, gegensätzliche ziehen sich an. Intrazellulär enthalten unsere Zellen mehr negative Ladungen: d.h. Anionen wollen eher aus dem Zellinneren heraus und Kationen wollen eher bleiben. Die zwei Lager auf dem Elektro-Karussell zeigen hier den Ladungsunterschied. Zwei negativ gelaunte Ameisen-Ionen auf der einen Seite und ein positiv gelauntes Katzen-Ion und ein negativ gelauntes Ameisen-Ion auf der anderen Seite. Die zwei negativ gelaunten Ameisen-Ionen stoßen sich ab, während das positiv gelaunte Katzen-Ion und das negativ gelaunte Ameisen-Ion sich umarmen. Dies zeigt die Abstoßung der gleichen Ladungen und das Anziehen entgegengesetzter Ladungen.

  • Gleichgewichtspotenzial: chemische und elektrische Kraft gleich groß und entgegengesetzt

    Gleichgewicht-suchende Ex-Lehrerin: Chemie-Kolben und Elektro-Blitz im Gleichgewicht an der Waage

    Das Gleichgewichtspotenzial ist definiert als eine konkrete Spannung in mV. Diese beschreibt den Zustand, wenn die chemische und die elektrische Kraft genau gleich groß und entgegengesetzt sind. Dann findet Netto kein Übertreten des entsprechenden Ionen über die Membran statt. Bei Kalium treibt die chemische Kraft Kalium aus der Zelle raus: intrazellulär hohe Konzentration, extrazellulär niedrige Konzentration. Wohingegen die elektrische Kraft Kalium in der Zelle festhält: intrazelluläre negative Ladung. Bei Kalium liegt diese konkrete Spannung bei -90 mV. Die alte Lehrerin, die wackelig auf ihrem Stuhl steht und eine Wage in der Hand hält, repräsentiert das Gleichgewicht. Auf der Wage balanciert sie ein Chemiekolben und ein Elektro-Blitz im Gleichgewicht. Diese zeigen die Komponenten der chemischen und elektrischen Kraft, die das Gleichgewicht bilden.

  • Gleichgewichtspotenzial-Berechnung: für ein Ion mittels Nernst-Gleichung

    Gleichgewichts-Suchender Schüler kritzelt “N” vor “ERNST” an Tafel

    Mit der Gleichung nach Nernst errechnet man die Spannungsdifferenz zwischen beiden Membranseiten, wenn keine Nettodiffusion einer Ionensorte (z.B. K+) mehr abläuft. Diese elektrische Spannung hält quasi die chemische Triebkraft in Schach und beschreibt das Gleichgewichtspotenzial. Die Lehrerin hat hier "ERNST" an die Tafel geschrieben. Die balancierenden Gleichgewichts-Suchenden Schüler wollen eher einen "N-icht ERNSTen" Unterricht und setzten ein "N" vor "ERNST". Dies stellt die Berechnung des Gleichgewichtspotenzials mit Hilfe der NERNST Gleichung dar.

  • Ex = Gleichgewichtspotenzial des Ions X

    Ex-Lehrerin mit Elefantenkostüm und X-Ion: sucht Ihr Gleichgewicht po-tänzelnd

    Das Gleichgewichtspotenzial beschreibt eine Transmembranspannung. Die elektrische und chemische Triebkraft stehen dann im Gleichgewicht. Die Spannung ist in Millivolt (mV) angegeben, das Formelzeichen ist E (Gleichgewicht auf engl. equilibrium) und gilt für das jeweilige Ion X. Die Lehrerin in Rente ist eine ehemalige Lehrerin: daher Ex-Lehrerin, wobei Ex für das Formelzeichen mit Ion X steht. Die Eselsohren, ihr Karnevalkostüm, erinnern zusätzlich an das Formelzeichen E und der X-Ion- Schlüsselanhänger an das Ion X.

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Expertenwissen

  • Nenner: R = allgemeine Gaskonstante

    Qualmender Rechner

    Die allgemeine Gaskonstante ist ein Proportionalitätsfaktor und hängt von der Art der Gasmoleküle ab. Sie hat den Wert R = 8,314 Joule/(Kelvin x mol). Der qualmender Rechner repräsentiert hier die Gas-Konstante R. Er ist ein Teil der kaputten Gegenstände, die die ursprüngliche Variante der Nernst Gleichung veranschaulichen.

  • Nenner: T = absolute Temperatur (310 Kelvin Körpertemperatur)

    Thermometer

    Man rechnet standardmäßig mit 310 Kelvin, was der Körpertemperatur von 36,85 °C entspricht. Das Klassen-Thermometer hat hier ein gesprungenes Glas und steht für die Temperatur T, die in der ursprünglichen Form der Nernst Gleichung vorkommt.

  • Nenner: ln = natürlicher Logarithmus

    Natürlicher Yoga-Rhythmus; Metronom in Zimmerpflanze (Natur)

    Der Logarithmus einer Zahl ist der Exponent, mit dem eine vorher festgelegte Zahl, die Basis, potenziert werden muss, um die gegebene Zahl zu erhalten. Beim natürlichen Logarithmus ist die Basis e („Eulersche Zahl“= 2,718). Das kaputte Metronom ist hier in der Zimmerpflanze entsorgt. Die Zimmerpflanze repräsentiert hier Natur und zeigt den natürlichen Logarithmus, der ebenfalls zur ursprünglichen Form der Nernst Gleichung zählt.

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