[科普中国]-吉布斯-唐南效应

吉布斯-唐南效应（Gibbs-Donnan effect)是指带电粒子接近半透水薄膜时影晌薄膜，有时甚至影响薄膜两边性能的效应。这是由于带电粒子不通过薄膜，在带电粒子的薄膜这边产生不均匀电荷和电场的缘故。

简介吉布斯-唐南效应（英语：Gibbs–Donnan effect），又称膜平衡、唐南平衡、唐南效应，唐南平衡，是指因部分带电粒子不通过半透膜而产生的不均匀电荷，使膜两侧粒子浓度不同的现象，以美国物理学家约西亚·威拉德·吉布斯和英国化学家弗雷德里克·乔治·东纳恩命名。1凝胶、胶体、电解质溶液均能产生唐南效应，因此凝胶或凝胶和电解质溶液之间的相界面也可以用作半透膜。两种溶液间的电位称为唐南电位。

是指植物细胞原生质内许多可离解的大分子被细胞与介质间的半透性质膜分隔，不能向膜内扩散，而外界溶液中的离子可向细胞内积累，造成膜内外离子浓度不等，但阴阳离子浓度乘积相等的平衡现象。

实质唐南平衡是指植物细胞原生质内许多可离解的大分子被细胞与介质间的半透性质膜分隔，不能向膜内扩散，而外界溶液中的离子可向细胞内积累，造成膜内外离子浓度不等，但阴阳离子浓度乘积相等的平衡现象。

大分子和小分子同时存在时，大分子不能通过半透膜，小分子可自由通过，但受到不能透过半透膜的大分子存在的影响而在膜内外两边分布不均匀。因此唐南平衡反映了大分子存在时，小分子受其制约而表现的分布规律。

概念图1.唐南平衡产生静息膜电位，同样胶体悬浮如果有个浓度梯度，宏观电场将在顶部和底部产生电荷不平衡。

唐南势能斯特关系给出了可渗透离子处于平衡态时的跨膜势，即维持平衡浓度差所需要的电压。而唐南平衡产生静息膜电位，这个电压将造成离子浓度差。活细胞往往有多种渗透离子，为简化我们只考虑Na+、K+、Cl－三种离子。 在细胞内存在蛋白质、核酸和呈负电性的大分子，这些大分子是不渗透的，由此产生膜电位，而此时的离子浓度不再由初始浓度和电中性条件决定。输入Na+的同时可以排出K+或拉入Cl－，平衡时各种渗透离子分别以相同的ΔV 值达到能斯特平衡。

以钠离子为例，有ΔV=－(kBT/q) ln[(c1,Na+)/(c2,Na+)]，钾和氯类似。即有：

(c1,Na+)/(c2,Na+)= (c1,K+)/(c2,K+)=(c2,Cl－)/( c1,Cl－)吉布斯-唐纳关系，ΔV 为系统的唐南势。

维持唐南势并不需要消耗能量，这是平衡态，是自由能最小态的特征。

渗透压与唐南平衡由于大分子数量并不多，它对渗透压的贡献我们暂时忽略，而小离子数目远超过大分子其形成的渗透压就会大得多，即使不带电的分子（如糖）产生的渗透压能够抵消一部分，但最终的渗透压仍足够使细胞破裂。唐南平衡给出了满足电渗平衡、电中性的唯一解，但此解并不一定满足最小渗透压的要求。事实上植物、海藻、真菌的细胞都有一层细胞壁他们能偶阻挡很高的渗透压，植物也正是利用了源自渗透压的刚性作为结构支持。

活细胞不处于唐南平衡动物细胞没有细胞壁，但为什么没有被渗透压挤破呢？按照唐南平衡，细胞内阴性高分子离子的存在将导致(c1,Na+)